ВЛИЯНИЕ КОСМОСА НА РАСТЕНИЯ
Самым наглядным проявлением влияния условий в космосе на жизнь растений на Земле является чередование толщины годичных колец деревьев. Таблица годичных колец деревьев зависит от количества осадков, или, другими словами, от характера атмосферной циркуляции. А атмосферная циркуляция зависит от условий в космосе (от солнечной активности) как в пределах 11-летнего цикла солнечной активности, так и в вековом и 1800-летнем цикле.
Профессор Ф. Н. Шведов считал, что характер чередования годичных колец деревьев является такой же достоверной летописью осадочной деятельности атмосферы, как и листки, которые снимают с метеорологических самопишущих аппаратов. Конечно, это не значит, что толщина годичного прироста деревьев зависит только от солнечной активности и является одинаковой в разных регионах Земли, в разных условиях. На росте деревьев сказывается и характер местности, где они растут, и вид самих деревьев. Но тем не менее практически всегда очередность в изменении толщины годичных колец четко связана с изменением солнечной активности. Наиболее полные данные об этой связи были получены астрономом А. Дугласом. Впоследствии они были существенно дополнены другими исследователями. А. Дуглас стремился выбирать долгоживущие деревья, что дало ему возможность проследить влияние солнечной активности на рост деревьев в течение веков и даже тысячелетий. Первое, на что обратил внимание А. Дуглас, было то обстоятельство, что на срезах секвойи, имеющих тысячи годичных колец (3200 лет), обычно чередуются годичные кольца быстрого роста (большой толщины) и годичные кольца медленного роста (тонких).
Но более детальный анализ показал, что жизненная активность растений (а значит и большая толщина годичных колец) проявляется не только один раз в 11 лет в максимуме солнечной активности, но и между максимумами, то есть при минимальной солнечной активности. Это наглядно видно из рис. 40, на котором доказан прирост деревьев (верхняя кривая) и солнечная активность (нижняя кривая), полученные А. Дугласом на основании анализа данных о приросте деревьев в лесах Англии, Норвегии, Швеции, Германии и Австрии. Видно, что максимумы в толщине годичных колец приходятся как на годы максимальной, так и на годы минимальной солнечной активности. Правда, в последнем случае прирост меньше, чем в первом. Как это понять? Что заставляет растения при минимальной солнечной активности развиваться активнее? В сущности, здесь парадокса нет. Просто мы определяем солнечную активность (как это ни странно) не совсем правильно. Уровень солнечной активности определяется величиной чисел Вольфа (относительных чисел солнечной активности). А числа Вольфа определяются числом солнечных пятен. Что же влияет на развитие растений? Конечно, не число солнечных пятен и не число их групп. На развитие растений оказывает влияние прежде всего характер атмосферной циркуляции, а конкретно — количество осадков и температура воздуха. Но характер атмосферной циркуляции зависит от той солнечной энергии, которая переносится от Солнца в верхнюю атмосферу Земли потоками заряженных частиц. Если бы мы определяли солнечную активность не числами Вольфа, а величиной этой энергии, то получили бы на приведенном графике лучшее соответствие кривых. Это произошло бы за счет того, что определенная таким образом (через энергию заряженных частиц) солнечная активность имела бы в продолжение 11 лет не один, а два максимума. Второй, меньший максимум, пришелся бы там, где числа Вольфа дают глубокий минимум. Если большой максимум достаточно хорошо описывается числами Вольфа, то второго максимума они не показывают. В это время (в годы минимальной солнечной активности) солнечная энергия переносится заряженными частицами, которые не связаны с солнечными пятнами. Поэтому и возможна ситуация, что солнечная энергия, переносимая заряженными частицами от Солнца к Земле, довольно велика, а солнечная активность низка, минимальна. Таким образом, два максимума в толщине годовых колец деревьев соответствуют двум максимумам истинной солнечной активности. Эта зависимость настолько стабильна, неизменна, что ее можно использовать «наоборот», то есть по характеру изменения толщины годичных колец деревьев определять величину солнечной активности.
А. Дуглас выполнил большой объем работ, которые были отнюдь нетривиальными. Будучи астрофизиком, он, в сущности, занялся, как казалось на первый взгляд, чисто биологической проблемой. Не было средств для перевозки древесных спилов с разных материков. На это уходила часть собственного заработка. Не хватало рабочих рук — помогала семья А. Дугласа. Тем не менее дело было сделано. И какое дело! Оно позволило не только показать, сколь тесно мы связаны с космосом (раз связана с ним жизнь растений, значит, связана с ним и наша жизнь, жизнь всей биосферы) , но и дать в руки специалистов различных профилей новый мощный инструмент, позволяющий определять хронологию по спилам деревьев. В сущности, появилась новая наука— дендрохронология. Надо добавить, что создавал дендрохрогнологию А. Дуглас не только по спилам деревьев, но и с привлечением археологии. Те периоды, которые не перекрывались срезами деревьев, он восполнял деревьями (бревнами) , которые были спилены ранее, но хорошо датировались . Так, он использовал бревна из развалин древнеиндейс-кого поселения Хопи. Датирование бревен было проведено археологами на основании найденных здесь же осколков глиняной посуды. Любопытно указать, что за вторую половину XVII в. данные дендрохронологии А. Дугласа хорошо согласовались с солнечными данными только после того., как астроном из Гринвича Е. Маундер уточнил солнечные данные за этот период.
Ф. Н. Шведов озаглавил свою статью о возможных прогнозах засухи так: «Дерево как летопись засух». Исследования показали, что следует говорить не только о засухах, определяемых по срезам деревьев, но и о всем комплексе земных процессов, как в земной атмосфере и гидросфере, так и в биосфере.
На сегодняшний день данные по дендрохронологии, полученные А. Дугласом, существенно расширены. Но это отнюдь не умаляет огромной заслуги самого А. Дугласа. Он был пионером в этом трудном деле. Он первым не просто обратил внимание на связь между развитием растений и солнечной активностью, но и получил доказательства этой связи (рис. 40) .
Большая дендрохронологическая летопись собрана в Аризонс-ком университете США. Здесь среди тысячи живых деревьев имеется даже такое, возраст которого составляет 4600 лет. Кроме живых в летописи были использованы и мертвые (сухие) деревья. Вся летопись, или, другими словами, непрерывная дендрохронологичес-кая таблица составила на 1967 год период протяженностью 7117 лет. Работы продолжались и после 1967 г., то есть таблица продолжает расти. Это значит, что начиная с 5150 г. до н. э. мы можем знать прирост деревьев за каждый из 7117 лет. Эта дендрохронологичес-кая таблица имеет огромное значение не только для изучения солнечно-земных связей, но и для составления прогнозов земных процессов, которые зависят от солнечной активности, для прогнозов засух и влажных периодов. Обработка этих данных с помощью современных математических методов позволяет делать такие прогнозы.
Советские ученые также достигли немалых успехов в составлении хронологических таблиц по срезам деревьев. Конечно, в Европе и Азии нет мамонтовых деревьев, живущих в продолжение тысячелетий, как в Америке, тем не менее составлена таблица начиная с 884 г. н. э. Использовались не только деревья (в живом и мертвом виде) , но и бревна археологических раскопок.
Исследование срезов деревьев позволило установить не только наличие 11-летнего цикла (с двумя максимумами). Наиболее устойчиво, четко выделяется 22-летний цикл. Он является главным и по физической сути единым в солнечной активности. С периодом в 22 года меняются циклически направления магнитных полей солнечных активных областей. Но из срезов деревьев было четко установлено и наличие «векового» цикла. Для секвойи он равен 84 годам. Но амплитуда (размах) колебаний вековых циклов меняется от одного цикла к соседнему. Эти изменения, колебания имеют период, равный примерно 600 годам. Так проявляется в развитии растений 600-летний цикл солнечной активности. Важно понять, что циклы более длинные составляются циклами более короткими, то есть одни завязаны с другими. Так, максимумы (гребни) 600-летнего цикла накладываются на вековые колебания. От их соотношения зависит результат такого наложения. Поэтому не надо думать, что в природе идут процессы по жесткому кругу с определенным периодом. Процессы в одном цикле (любой продолжительности!) не повторяют полностью процессов в предыдущих циклах той же длительности. Но сама цикличность процессов неизменна. Она проявляется не только в изменении толщины годичных колец деревьев, но и в атмосферной циркуляции, а значит, и в осадочных отложениях в озерах и уровне воды в реках, морях и озерах ит. д.
Очень не хотелось бы, чтобы у читателя сложилось представление, что достаточно знать солнечные циклы различной продолжительности, чтобы установить все, что происходило в околоземном пространстве и биосфере. Такое упрощенное понимание солнечно-земных связей всегда приносило только вред солнечно-земной физике и гелиобиологии. На самом деле пути воздействия космоса на биосферу, в частности на растения, значительно сложнее. О цикличности процессов в околоземном пространстве и возможности их прогнозирования Ф. Н. Шведов писал: «Как бы полны ни были наши познания относительно периодичности осадков в прошедшем, они должны иметь эмпирическое значение и не могут быть с уверенностью распространяемы на будущее до тех пор, пока не будет доказана неизменность той неизвестной причины, которою эта периодичность обусловливается».
Что касается причин, то их довольно много. Прежде всего, влияние космических условий на развитие растений можно разделить на две группы— прямое и опосредствованное. Прямым является такое влияние, при котором космический фактор (например, лучистая энергия Солнца) действует на клетки растения непосредственно. Так, растения переводят энергию солнечного волнового излучения непосредственно в химическую энергию органических веществ. Имеются и другие возможности прямого влияния космических факторов (например, электромагнитных волн) на растения и животные.
Кроме прямого воздействия, космические факторы могут оказывать (наказывают) опосредствованное влияние на растения, то есть они изменяют атмосферную циркуляцию, что приводит к изменению климата, а эти изменения, в свою очередь, влияют на развитие растений. Мы же видим только конечный результат — толщину годичного кольца данного дерева. А ведь изменение циркуляции атмосферы в регионах с разными местными природными условиями приведет к разным последствиям в изменении осадков, температуры. Поскольку условия развития деревьев (разных типов леса) очень сильно влияют на его прирост, то и результаты в виде толщины годичных колец будут различными. Так, было установлено, что высоко над уровнем моря ширина годичных колец деревьев зависит главным образом от температуры во время вегетационного периода, тогда как на более низких уровнях (в долинах) она зависит прежде всего от увлажненности. У среднеазиатского можжевельника — арчи в жаркие сезоны в долинах рост замедляется (годовые кольца тонкие), а в горах в такие сезоны возникают наибольшие годовые кольца, то есть растение развивается ускоренно. Надо иметь в виду, что развитие зависит и от типа данного леса. Однако несмотря на все это, во всех изменениях годичных колец различных деревьев выявляется определенная их зависимость от солнечной активности.
Источник
Космические грядки: что и зачем выращивают в космосе?
Люди давно мечтали о космических полетах, о покорении вселенной, о путешествиях по дальним галактикам. Но в любое дальнее путешествие с собой нужно брать большой набор продуктов. А если полёт планируется на годы? А может дальше и дольше?
У учёных родилась идея — создать на космическом корабле оранжерею, которая будет обеспечивать путешественников не только овощами и фруктами, но и кислородом, и водой… Легко придумать, а как реализовать?
Космический конус Циолковского
Первым идею — выращивать растения в космосе — выдвинул основоположник космонавтики Константин Циолковский. Задолго до начала пилотируемых полетов он заявил, что в будущем растения станут главным источником питания и поддержания атмосферы на космических кораблях. Он придумал и сделал зарисовку, как можно решить проблему невесомости и отсутствия гравитации в условиях космоса.
«Вообразим себе длинную коническую поверхность или воронку, основание или широкое отверстие которой прикрыто прозрачной шаровой поверхностью. Она прямо обращена к Солнцу, а воронка вращается вокруг своей длинной оси (высоты). На непрозрачных внутренних стенках конуса — слой влажной почвы с насаженными в ней растениями».
К.Э. Циолковский «Цели звездоплавания» 1929 год
В этой работе К. Э. Циолковский подробно описал не только, как можно искусственно создать гравитацию для растений, но и продумал, какие это должны быть растения: плодовитые, мелкие, без толстых стволов. По его задумке такие растения смогут обеспечивать колонизаторов космоса биологически активными веществами и микроэлементами, а также регенерировать кислород и воду.
За много десятилетий до полётов в космос Константин Эдуардович понял проблему с которой в будущем столкнулись космонавты — от консервированной и сублимированной пищи многие из них теряли аппетит, начиналась депрессия и ели только потому, что это было необходимо для поддержания сил.
Первым обратил на это внимание норвежский биолог Силе Вольф, который не мог найти логичного объяснения — почему космонавты в полёте часто теряют в весе. А причина оказалась проста — недостаток аппетита.
На орбите — горох и пшеница
Самые первые растения, которые побывали в космосе — это кукуруза, пшеница, горох и лук. Впервые семена этих растений поднялись на орбиту Земли в августе 1960 года — семьдесят лет назад. Этот полёт был во много необычным. Он известен, как полёт знаменитых собак Белки и Стрелки, которые не только побывали в космосе, но и благополучно вернулись на землю. Но далеко не все знают, что вместе с двумя собаками в этом полёте побывали сорок мышей, две крысы и семена растений.
Первое растение, выращенное и съеденное в космосе — это обычный зелёный лук. Это произошло в 1978 году на космической станции «Салют-4». Космонавтам Владимиру Ковалёнку и Александру Иванченкову удалось вырастить перья лука в установке «Оазис».
Эксперимент предусматривал не только вырастить растение, но и добиться процесса цветения и получение семян. Центральный пункт управления полётами разрешил срезать несколько перьев лука, чтобы он не гнил. Только позже стало известно, что часть лука космонавты съели без разрешения начальства — таким сильным было желание настоящей растительной пищи. Сейчас эта установка «Оазис-1» находится в Мемориальном музее космонавтики.
Безусловно, первые установки для выращивания растений в космосе были не совершенны. Их постоянно дорабатывали, модернизировали, придумывали новые: «Оазис»,»Вазон», «Лютик» и другие установки сначала проходили испытания на Северном полюсе, потом отправлялись в космос, но результаты каждый раз были непредсказуемыми…
Вот только один случай, описанный космонавтом Георгием Гречко в книге «Космонавт № 34». Гидропонная установка была без земли, и горошины прорастали в марле с водой и раствором. Космонавт заметил, что в одной кювете воды почти нет, а в другой — слишком много и горошины начали подгнивать. Воды во второй кювете было так много, что капли срывались и плавали по всей станции.
В итоге космонавт несколько часов собирал летающие капли салфеткой, Потом поливал горошины вручную. И едва не погубил весь эксперимент. Он решил, что ростки запутались в марле, и стал руками разбирать их. В итоге выяснилось, что он перепутал корешки и стебельки.
Эксперимент закончился благополучно — космонавту удалось добиться полного цикла: от семечка до взрослого стебля. Но из 36 зерен гороха, которые были в установке «Оазис», взошли и выросли только три.
Космические сады
1971 год
Мало кто знает — первый космический сад уже есть. Правда он существует не в космосе, а на Земле. Он был создан через восемь лет после выхода фильма — в 1971 году, когда на корабле «Аполлон-14» в космическое путешествие отправились семена пяти хвойных и лиственных пород: сосна, пихта, секвойя, платан и ликвидамбар. Эти семена не просто побывали в космосе, но вместе с астронавтом Стюартом Руса на командном модуле облетели вокруг Луны.
Когда «Аполлон-14» вернулся на Землю, семена высадили и получилось 450 саженцев, которые разослали по всему миру. Несколько растений специально были высажены рядом со своими собратьями и ровесниками. Прошли годы. «Лунные» деревья выросли и уже ничем не отличаются от своего окружения.
1980 год
Советские учёные разработали и отправили в космос установку для выращивания растений «Малахит». Перед ними была поставлена задача — чтобы в космосе цвели орхидеи. Эти цветы были выбраны неслучайно. Известно, что они прекрасно растут на створах деревьев, в самых неблагоприятных условиях. Орхидеи отправили на станцию уже цветущими. К сожалению, эксперимент не удался, лепестки опали, но листья и воздушные корни продолжали благополучно развиваться…
Что только не придумывали учёные, чтобы помочь растениям справиться с невесомостью и зацвести! Они стимулировали корневую систему электромагнитными волнами и создавали центрифуги, наподобие той, что была описана К.Э. Циолковским.
1982 год
Добиться цветения удалось только во время полёта космической станции «Салют-6», которая была выведена на орбиту в 1977 году и вернулась на землю в 1982 году. Именно в этом полёте (на космической станции за пять лет сменилось пять экипажей) удалось добиться невозможного. В установке «Светоблок» зацвёл арабидопсис.
Это скромное растение с мелкими белыми цветами ещё называют резуховидка Таля, и она является родственницей горчицы и обычной капусты. Она не просто расцвела на космической станции, но и дала семена. Впервые в космосе прошёл полный цикл развития растения: от семян до семян!
Это чудо удалось осуществить благодаря бортовой оранжерее «Светоблок», в которой учёные соединили систему дозированного полуавтоматического полива, аэрации и электрического стимулирования корней, а также перемещение вегетационных сосудов с растениями относительно источника света.
2000 год
На космическую станцию была отправлена первая в мире автоматическая оранжерея. С её помощью космонавты в рамках эксперимента вырастили салаты, редис и пшеницу. Но настоящий прорыв произошел в 2014 году. На американской космической станции астронавтам в автоматической плантации удалось вырастить зелень не для опытов, а для обогащения рациона питания.
С тех пор космические путешественники могут питаться свежими салатами, и добавлять лук, петрушку, укроп и сельдерей в другие блюда. Нужно только помнить, что питание на орбите — процесс специфический и мало напоминает земное застолье.
Какие растения выращивают на космическом огороде?
Картофель, морковь, свёкла и помидоры — привычные овощи и корнеплоды наших огородов ещё не скоро доберутся до космических просторов. Им требуется много земли и особые условия. Поэтому жареной картошечкой на орбите космонавты не смогут себя побаловать ещё пару десятилетий.
Так что же растёт на грядках в космосе?
На первом месте японская салатная капуста Мизуна — родственница нашего салата «Русалочка». Она осваивает космическое пространство уже более двадцати лет и восполняет витамины в организме космонавтов.
На втором месте — карликовый горох. Он поразил космонавтов: горох давал жизнеспособные семена пять раз подряд. Их снова и снова отправляли в космическую оранжерею и он благополучно рос, цвел и плодоносил. Поколение за поколением!
На третьем месте — пшеница, которая тоже несколько раз давала семена в космосе: и на станции «Мир», и на международной космической станции (МКС).
На четвертом месте — обычная редиска. После долгих экспериментов удалось выбрать сорт, который наиболее хорошо чувствует себя на орбите. Это редис сорта «Cherry bomb», который успешно формируют корнеплоды даже в невесомости!
Можно ли вырастить урожай без земли?
Космические технологии, основа которых зародилась еще на Земле, доказывают, что многие растения прекрасно растут и развиваются вовсе без почвы. Идея не нова. Считается, что впервые она была предложена ещё в начале 17 века английским философом, политиком, экономистом Френсисом Бэконом.
Пришли столетия. Сегодня существуют две основные методики выращивания растения в космосе без почвы:
- Гидропоника — растения получают питательные вещества из субстрата, пропитанного водой.
- Аэропоника — когда корни оголены, а рядом установлены распылители, которые время от времени обволакивают корни легкой дымкой из крохотных капель питательного раствора.
«Космические растения живут в специальной оранжерее с искусственным субстратом. Она снабжена автоматическим поливом: там стоят датчики влажности, которые проводят измерения через определённые промежутки времени. Система сама подсчитывает, сколько воды нужно добавить, и сама поливает. При этом в поливную воду ничего не добавляется: питаются растения за счёт удобрений пролонгированного действия, внесённых в субстрат.
С невесомостью «зелёные космонавты» справляются так: корни удерживаются субстратом, а надземные части всегда тянутся к искусственному свету».
Маргарита Левинских, доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник ГНЦ РФ «Институт медико-биологических проблем»
Но и это — не окончательный вариант! Прообраз огромной космической оранжереи уже построен на немецкой антарктической станции «Neumayer-Station III», где учёные Института полярных и морских исследований им. Альфреда Вегенера выращивают огурцы, помидоры, сладкий перец и зелень. Это ещё раз подтверждает — все космические технологии берут своё начало на Земле.
Человечество готовится к дальним космическим путешествиям. А успех любой экспедиции на 99 процентов зависит от её подготовки. Поэтому нужно набраться терпения, и ждать когда «на Марсе будут яблони цвести»!
Источник