Если мы когда-нибудь надеемся отправить людей жить на Марс в течение длительного периода времени, нам нужно будет держать их в тепле, безопасности и хорошем питании. Это последнее требование создает проблему для миссии, которая может перевозить лишь ограниченное количество предметов снабжения. Даже если бы консервированные бобы не были такими тяжелыми, никто не хочет питаться ими в течение годичной миссии.
Для будущего заселения Марса требуются свежевыращенные фрукты, овощи и зерно. Но как вы ведете хозяйство на такой ядовитой, смертоносной планете, как Марс? Чтобы получить ответ, мы поговорили с тремя исследователями Марса из областей экологии, геологии и биохимии.
Эта статья является частью Жизни на Марсе – серии из 10 частей, в которой исследуются передовые научные и технологические достижения, которые позволят людям заселить Марс
Основные предметы первой необходимости
Растения выносливы, но у них есть некоторые существенные требования. Чтобы хорошо расти, им нужно тепло, разумное атмосферное давление и защита от вредного излучения. Эти вещи было бы непросто обеспечить на Марсе, за исключением того факта, что люди также нуждаются во всех них.
Самым простым решением было бы то, что какую бы среду обитания вы ни построили для размещения астронавтов на Марсе, вы также строите для размещения всех культур. Добавьте несколько простых светодиодных ламп, и астронавты смогут легко ухаживать за своими растениями по мере их роста. Добавление света должно нейтрализовать любые эффекты более низкой гравитации Марса, поскольку даже в условиях невесомости растения естественным образом прорастают корнями вдали от источников света. Герметичная среда даже имеет то преимущество, что вы можете контролировать такие условия, как температура и влажность.
Вигер Вамелинк, селекционер и эколог из Вагенингенского университета, который является одним из ведущих исследователей сельского хозяйства на Луне и Марсе, рассказал Digital Trends, что выращивание растений в космосе на самом деле очень похоже на городское сельское хозяйство-движение за эффективное выращивание продуктов питания в городских условиях. Часто это достигается за счет создания стерильной среды в помещениях со светодиодной подсветкой. В принципе, он сказал: “Это то, что вы можете сделать на Марсе, или в пустыне, если хотите, или в городе”.
Культивирование жизни в мертвой почве
Однако самым большим препятствием для выращивания сельскохозяйственных культур на Марсе является отсутствие чего-то, казалось бы, простого: хорошей старомодной грязи. Почва на Земле полна живых организмов, а также некоторых минералов, таких как фосфор и калий, которые используют растения. На Марсе нет почвы — вместо этого его поверхность покрывает мертвый, пыльный материал, называемый реголитом.
Мы не знаем точных деталей того, из чего состоит этот реголит, и он может иметь различные составы в разных регионах. Но у нас есть приблизительное представление о том, что в нем содержится, что позволило НАСА разработать имитатор реголита. По сути, это воссоздание марсианской почвы на основе наших нынешних знаний о поверхности планеты.
Это означает, что вы можете экспериментировать с марсианской “почвой” здесь, на Земле. Хотя имитатор стоит недешево, его можно приобрести в исследовательских целях. Около десяти лет назад Вамелинк задался вопросом, можно ли использовать симулянт для выращивания сельскохозяйственных культур, и изучил этот вопрос. ” То, что я обнаружил, - сказал он, - к моему большому удивлению, я должен сказать, что никто никогда не пробовал это”.
Поэтому он начал сажать семена в почву Марса, Луны и Земли, чтобы сравнить их рост. В своих первых экспериментах Вамелинк ожидал, что растения будут бороться в симуляторе Марса. “Это очень бедная питательными веществами почва",-объяснил он. В нем нет органических веществ, и он содержит тяжелые металлы, которые могут помешать прорастанию растений. “Мои ожидания были очень низкими”, - сказал он.
Его команда посадила 4200 семян 14 различных видов, ожидая, что большинство из них погибнет. Но результаты сильно отличались от того, что предсказывали исследователи. Почти все семена проросли — некоторые из них в течение 24 часов. Это на самом деле вызвало проблемы, сказал Вамелинк со смехом, потому что команде внезапно пришлось ухаживать за огромным урожаем из более чем 4000 растений.
Растения требовали большого количества тщательного полива, потому что реголит гидрофобен, а это значит, что он не впитывает много влаги. Таким образом, будущим марсианским фермерам понадобится много воды, чтобы их посевы продолжали расти.
И хотя растения действительно росли в имитаторе марсианского реголита, они достигали всего нескольких сантиметров в высоту и не производили ничего съедобного. Чтобы растения выросли в полный размер и производили овощи, вам нужно добавлять питательные вещества.
Удобрение почвы
Ключевым компонентом, которого не хватает марсианской почве в том, что касается растений, является органическое вещество. Органические вещества являются особенно важным источником питательных веществ, когда они расщепляются бактериями, что означает, что нам также нужно будет добавлять бактерии в будущие растущие регионы.
К счастью, как ходячие колонии микробов, люди кишат бактериями. Так что, хотя это довольно неприятная концепция, у нас есть способ их приобрести. Наиболее эффективным методом было бы сохранить мочу и кал, полученные астронавтами во время их месячного путешествия на Марс, а затем добавить их в реголит для культивирования бактерий. Если вы видели фильм "Марсианин", где потерянный астронавт Марк Уотни выращивает картофель на марсианской почве вместе со сточными водами своих и своих товарищей по экипажу, это та же концепция. Однако, чтобы все были здоровы, вам нужно будет принять меры для уничтожения любых патогенов, которые могут передаваться через человеческие отходы.
Вы могли бы помочь в процессе переваривания органического вещества и переработки его в почву, введя червей. Даже на Марсе дождевые черви-лучший друг садовника, поскольку они переваривают органические вещества и производят удобрения, а также роют туннели, которые обеспечивают важную аэрацию и удержание воды для роста корней растений. “Я думаю, что они необходимы для хорошей системы”, - сказал Вамелинк. Кроме того, яйца червей могут храниться в течение длительного времени, что делает их потенциально пригодными для транспортировки на Марс.
Как только ваш реголит Марса будет обогащен питательными веществами, органическими веществами, бактериями и червями, вы сможете начать сажать семена. Семена можно привезти с Земли без особых проблем, так как они маленькие и легкие.
У будущих обитателей Марса может быть более разнообразный выбор диеты, чем вы себе представляете. Вамелинк говорит мне, что в марсианском симуляторе реголита могут расти все виды съедобных растений. Таким образом, хотя гидропонные системы, используемые в таких местах, как Международная космическая станция, где растения выращиваются не в почве, а взвешены в питательном растворе, лучше подходят для выращивания листовой зелени, чем крахмалистых овощей, вы можете выращивать в почве практически все, что угодно. Имитатор реголита Марса использовался для выращивания картофеля, зеленой фасоли, помидоров, моркови, редиски, пшеницы, ржи и многого другого.
Избавление от гадостей
Одной из проблем, связанных с безопасностью почвы Марса, является наличие опасных тяжелых металлов. “Это не только цинк, которого нам нужно немного, но и кадмий, свинец, ртуть — все то, чего вы не хотите в своей пище”, - сказал Уомлинк.
Однако это не обязательно такая большая проблема, как вы могли бы подумать. “Это на самом деле не отличается от Земли”, - отметил он, поскольку тяжелые металлы можно найти и в нашей почве. Вопрос в том, связаны ли эти тяжелые металлы таким образом, чтобы они не выделялись в почву и впоследствии не поглощались растениями.
Хорошей новостью является то, что при анализе овощей, выращенных в симуляторе, было установлено, что они безопасны для употребления в пищу. Тяжелые металлы были ниже опасных уровней во всех продуктах питания, а в некоторых случаях уровни были даже ниже в овощах, выращенных на реголите, чем в овощах, выращенных в обычных горшках, возможно, из-за загрязняющих веществ, таких как выхлопные газы автомобилей, загрязняющих почву здесь, на Земле.
Существует также озабоченность по поводу того, насколько кислой является почва на Луне и Марсе, что может ограничить способность растений получать доступ к другой важной молекуле-фосфату. Рассматриваемая новая область исследований заключается в том, может ли добавление определенных видов грибов в реголит решить эту проблему.
“Мы можем взять с собой на Марс грибы, которые могут расти в горных породах и выделять фосфаты", - предложил Вамелинк в качестве будущего направления исследований. “Они живут в симбиозе с корнями растений”.
Проблема перхлоратов
Возможно, самым большим препятствием для безопасного выращивания продуктов питания на Марсе является проблема перхлоратов, химических веществ, содержащихся в реголите, которые токсичны как для людей, так и для растений. Они настолько опасны, что не включены в имитационные образцы по соображениям здоровья.
Недавние исследования показали, что присутствие этих перхлоратов в реголите может представлять большую проблему, чем предполагалось ранее. Когда исследователи взяли имитатор реголита и добавили перхлорат кальция в количествах, аналогичных тем, которые были найдены на Марсе, растения не смогли расти в нем даже при добавлении дополнительных питательных веществ.
Однако это не значит, что мы должны отказаться от мечты о выращенной на Марсе пище. Эндрю Палмер из Технологического института Флориды, старший автор исследования, сообщил в электронном письме Digital Trends, что, хотя присутствие перхлоратов на Марсе является проблемой для производства продуктов питания, “это не нарушает сделку”. Должна быть возможность вводить микроорганизмы или конкретные растения в экосистему для очистки реголита от токсинов в процессе, называемом биоремедиацией. “Такие помощники являются обычными игроками в наших экосистемах на Земле. Нет причин, по которым мы должны игнорировать их потенциал, чтобы внести свой вклад в экосистему, которую мы разрабатываем для наших марсианских колонистов”, - сказал он.
Другой исследователь, участвовавший в исследованиях жизнеспособности реголита для выращивания сельскохозяйственных культур, Лаура Факрелл из Университета Джорджии, согласилась с тем, что перхлораты являются проблемой, но не непреодолимой. Она предположила, что перхлораты можно очистить от реголита с помощью бактерий, поскольку существует множество видов бактерий, которые могут потреблять или разлагать перхлораты, некоторые из которых используются для для очистки загрязненной воды здесь, на Земле. Но и здесь есть свои проблемы. Эта реакция производит как кислород, так и хлорид — и хотя хлорид нетоксичен и может быть полезен для роста растений, слишком большое его количество может нанести вред или даже убить растения. Нам нужно больше исследований, чтобы узнать, как это повлияет на жизнь растений. “У нас недостаточно данных, чтобы сказать, будет ли количество хлорида, полученного в результате этого процесса, слишком большим для растений, но, скорее всего, так оно и будет”, - сказала она.
Другим потенциальным решением было бы буквально вымыть перхлораты из реголита. Перхлораты являются своего рода солью и растворимы в воде, поэтому промывка реголита удалит их. “Однако это также может привести к удалению других питательных веществ, таких как нитраты”, - предупредил Факрелл. Не говоря уже о проблемах с использованием драгоценной воды для этой цели.
Однако наличие перхлоратов не обязательно является плохой новостью. Факрелл отметил, что если бактерии будут потреблять перхлораты для очистки почвы, это приведет к образованию полезного побочного продукта кислорода, который может стать частью устойчивой системы для удовлетворения потребностей астронавтов: “Перхлораты представляют собой очень реальную проблему; однако они также предоставляют возможность превратиться в ресурс для кислорода".
Настройка системы
Это помогает думать о создании сельского хозяйства на Марсе как о долгосрочной игре. Цель состоит не только в том, чтобы вырастить один урожай сельскохозяйственных культур, но и в том, чтобы создать устойчивую систему.
Первый урожай-самый трудный. Как только это будет сделано и бактерии установятся, любое растительное вещество, оставшееся от предыдущих урожаев, может быть добавлено обратно в почву, что одновременно добавляет питательные вещества и помогает удерживать воду. Таким образом, со временем почва станет более плодородной и более гостеприимной для растений.
Это означает, что есть сильный стимул начать попытки выращивания растений, как только люди прибудут на Марс на любой срок. “Я думаю, что вы должны начать с первой экспедиции, чтобы начать выращивать свою собственную пищу. В противном случае, скорее всего, это будет невозможно сделать”, - сказал Вамелинк. Первые экспедиции, безусловно, привезли бы с собой и свою еду, на случай, если возникнут проблемы с ростом урожая. Но они могли бы начать процесс превращения почвы в пригодную для использования.
Также можно сохранять обработанную почву между миссиями до тех пор, пока в ней есть воздух, свет и тепло. Вы можете посеять определенные культуры, такие как несъедобные виды капусты, которые можно оставить для удобрения почвы, пока вас нет. Это тот же принцип, который фермеры используют на родине Вамелинка, в Нидерландах, чтобы улучшить свою почву в течение зимы.
Еще одно соображение заключается в том, как вы справляетесь с опылением растений, как для получения более обильного урожая, так и для создания семян для будущих культур. Многие виды растений используют ветер для переноса своей пыльцы. Но это означает, что вам нужно будет настроить воздушный поток в среде обитания на Марсе, что будет непросто. Однако есть и другой вариант-использовать пчел.
Пчелы являются отличными опылителями и могут быть привезены с Земли, чтобы жить в марсианской среде обитания. Королевы шмелей потенциально могут быть помещены в спячку для космического путешествия, а затем выпущены для распространения пыльцы.
Мухи-это еще один вариант, и у них есть еще одно преимущество: личинки мух могут быть съедобными, и как бы многие люди не брезговали их есть, они могут стать важным источником белка в вегетарианской или веганской диете.
Все, что нам нужно
Несмотря на множество сложностей выращивания пищи на Марсе, теоретически это возможно. Есть еще много деталей, которые предстоит проработать, но в принципе мы сможем выращивать там урожай, если астронавты привезут с собой правильные материалы. “У меня есть список покупок!” Вамелинк пошутил.
Единственное ограничение, которое он подчеркнул, состояло в том, что все эти эксперименты были основаны на симуляторе Марса, доступном в настоящее время, поэтому результаты настолько точны, насколько это возможно. Вопрос о перхлоратах и о том, как они могут повлиять как на растения, так и на людей, остается открытым, и будущие миссии, такие как Возвращение образцов на Марс, должны помочь нам стать более уверенными в том, что именно мы можем ожидать от окружающей среды Марса.
Это будет нелегко, но астронавты однажды смогут наслаждаться свежими овощами, выращенными на Марсе, как повседневной частью своего рациона. “Вам нужно многое сделать, чтобы это началось”, - предупредил Вамелинк, - “но теперь мы знаем, как это сделать”.
В следующей части мы рассмотрим тему - "Увлажнение урожая: как будущие поселенцы будут создавать и собирать воду на Марсе".
Ссылки на все части я буду оставлять в комментариях, по мере их появления, под этим постом - "Жизнь на Марсе"