Что можно выращивать в лунном грунте

25 июня автоматическая лунная станция «Чанъэ-6» впервые в истории доставила на Землю грунт, собранный на обратной стороне Луны. Общий вес грунта составил 1935,3 грамма. Ученые проведут изучение состава лунного реголита и его особенностей, чтобы пролить свет на эволюцию Луны, а также выяснить, как можно эффективно использовать имеющиеся на спутнике Земли ресурсы. В преддверии новой волны исследований лунного грунта давайте вспомним, что ученые успели в нем вырастить (и в его имитациях) и насколько он вообще подходит для выращивания растений будущими колонистами.

В феврале 1966 года советская межпланетная станция «Луна-9» впервые в истории высадилась на Луну. Но грунт с собой на Землю она не привезла. Станция получила первые данные о специфике поверхности спутника Земли и ее базовых особенностях. В том же году, через несколько месяцев после «Луны-9», на Луну высадился американский аппарат «Сервейер-1». Он собрал более подробные данные о свойствах реголита, но тоже не привез с собой образцы лунного грунта.

Реголит впервые доставили на Землю в рамках миссии программы «Аполлон» в июле 1969 года — почти 22 кг бесценного груза. В общей сложности по результатам всех запусков «Аполлона» было привезено 382 кг лунного грунта. Советские автоматические станции «Луна-16», «Луна-20» и «Луна-24» привезли грунт в количестве 324 грамм. Китайская станция «Чанъэ-5», предшественник «Чанъэ-6», привезла еще 1731 грамм грунта. Теперь к этому списку присоединились «Чанъэ-6» и еще 1935,3 грамма лунного грунта. Это все, что на текущий момент имеет человечество для изучения и экспериментов.

Уже имеющийся на Земле лунный реголит тщательно изучался, в том числе как возможный грунт для выращивания растений. Толщина частиц реголита составляет около 60–80 микрометров. Достоверно известен и его состав: обломки изверженных пород, минералы, стекло, брекчия ударно‑взрывного происхождения, уникальные для Луны агглютинаты и кластеры расплавленных частиц. Химический состав лунного реголита включает: на 99% — кислород (40–45%), кремний, алюминий, кальций, железо, магний и титан, на 1% — марганец, калий, натрий, фосфор. Не самая благоприятная среда для роста, но проверить гипотезы нужно было на практике.

Лунный реголит по понятным причинам крайне дорогой материал для изучения и тем более для выращивания в нем растений. Первые эксперименты по данному направлению в США начались в 2021 году. В 2022 году исследователи заявили, что смогли вырастить в полученных образцах резуховидку Таля. Результаты эксперимента опубликованы в статье «Plants grown in Apollo lunar regolith present stress-associated transcriptomes that inform prospects for lunar exploration» журнала Nature. Это первый случай успешного выращивания растений непосредственно в лунном грунте, а не в его имитациях из вулканического шлака.

В распоряжении ученых было 12 г бесценного грунта. Его распределили на 16 горшочков, добавили туда удобрение, воду и семена резуховидки Таля — одного из самых популярных растений у исследователей. Она, кстати, стала первым растением, которое зацвело в космосе в рамках исследований по выращиванию растений в невесомости в 1982 году. Исследователи воссоздали воздушную среду, потенциально похожую на ту, что может быть у будущих колонистов луны. Прорастание легко проходило во всех образцах в период между 48 и 60 часами после посадки. На 6 и 8 дни каждую пробирку с грунтом прореживали, чтобы оставить по одному растению на лунку.

В исследуемых образцах почвы исследователи не нашли скрытых патогенов, которые могли бы нанести вред растениям, человеку и земной жизни в целом. Но среда все равно оказалась крайне неблагоприятной для роста растений. Генетический анализ показал, что резуховидка Таля испытывала сильный стресс и росла фактически «из последних сил».

Дополнительным открытием стало и то, что резуховидка Таля по-разному росла в разных образцах грунта. Реголит для исследования был взят с разных участков луны в ходе миссий «Аполлон-11», «Аполлон-12» и «Аполлон-17». Он сравнивался с имитатором лунного реголита, который в таблице выше обозначен как JSC1A. Самым агрессивным стал грунт, собранный в ходе «Аполлон-11», самым «мягким» — в ходе «Аполлон-12». Вероятно, аналогичные эксперименты с грунтом на обратной стороне Луны также покажут свои результаты в части роста.

Исследование подтвердило возможность выращивания растений в лунном грунте, но необходимы дальнейшие эксперименты по снижению его агрессивности для растений. Исследователи планируют экспериментировать с различными добавками для улучшения характеристик грунта.

В 2023 году исследователи Китайского сельскохозяйственного университета предложили свое решение проблемы с агрессивностью лунного грунта. Они решили при помощи фосфат‑солюбилизирующих бактерий (Bacillus mucilaginosus, Bacillus megaterium и Pseudomonas fluorescens) переработать нерастворимый фосфор лунного грунта в растворимый и легко усваиваемый для растений. Результаты эксперимента опубликованы в статье «Phosphorus‑solubilizing bacteria improve the growth of Nicotiana benthamiana on lunar regolith simulant by dissociating insoluble inorganic phosphorus» журнала Nature.

Для экспериментов использовался синтетический аналог (или имитация) лунного грунта, по составу идентичная с образцами грунта, привезенного в рамках миссии «Аполлон-14». В качестве основы взят вулканический шлак, который ввиду схожести с лунным реголитом нередко используется в подобных исследованиях.

Перед посадкой семян исследователи сначала орошали почву бактериями. Добавление бактерий B. mucilaginosus привело к увеличению количества растворимого фосфора на 214% уже на десятый день эксперимента. При добавлении B. megaterium и P. fluorescens рост достиг 234% и 247% соответственно на 21 день эксперимента.

Для исследования ученые выбрали семена табака Бентама (Nicotiana benthamiana) и высевали по 6-7 семян в каждую лунку с предварительно засеянными бактериями и в контрольную группу без бактерий. Сами лунки поместили в помещение с искусственным климатом (температура 24°C, относительная влажность 70%, световой «день» 16/8 часов). В течение 6 дней в каждой лунке появилось по 2-3 ростка.

Эксперимент показал, что табак Бентама заметно лучше растет в орошенных бактериями почвах: качество листьев, корней и растений в целом было выше чем у растений, выращенных на почвах без бактерий. Таким образом, китайские ученые выяснили, что при помощи лишь одного штамма бактерий можно сделать лунный реголит менее агрессивным.

Еще один вариант улучшения качества лунного реголита предложили в этом году американские ученые. Они добавили в реголит арбускулярную микоризу (симбиотическая ассоциация мицелий гриба и корней высших растений) и удобрение вермикомпост. Результаты эксперимента можно почитать в препринте на bioRxiv.

В лунном грунте, ожидаемо, нет бактерий и грибов, которые помогают растениям расти и усваивать нужные элементы из почвы. Не то чтобы это было какой-то новостью — даже при изучении сравнительно богатых почв на Земле стало ясно, что микрофлора грунта имеет немаловажное значение для выращивания различных культур. Предыдущий эксперимент китайских ученых показал, что добавление лишь одного штамма бактерий заметно улучшает качества реголита, а что если там будет целая полезная микрофлора?

Эксперимент с высадкой в обогащенный грунт нута бараньего (Cicer arietinum) длился 120 дней. В нем участвовала контрольная группа нута, выращиваемая на чистой имитации лунного реголита, и группы с содержанием вермикомпоста от 25% до 75%. Часть образцов также была обогащена арбускулярной микоризой.

В первую неделю исследователи наблюдали уплотнение грунта. У части образцов со 100% содержанием имитации грунта, то есть без примеси вермикомпоста, это уплотнение существенно мешало почве насыщаться водой и препятствовало газообмену. В то же время, в самом начале эти семена росли и развивались лучше остальных. Это объясняется стрессом, уже упомянутым в эксперименте с резуховидкой Таля. Стресс вызвал более быстрый рост семян, но, в конечном итоге, он привел к раннему старению и гибели растений.

На 16-й день эксперимента взошли все посаженые семена. На 10-ю неделю все растения, в почвах которых не было микоризы, начали стремительно стареть и гибнуть. И хоть добавление вермикомпоста продлевало жизнь растениям в среднем на пару недель, цветение нута наблюдалось только в одной группе, где почва обогащалась микоризой. На 120 день эксперимента ученые даже получили семена нута, что на 20 дней дольше обычного цикла дачи семян на Земле. Правда, у абсолютно всех растений наблюдался дефицит хлорофилла.

Таким образом, наличие одного лишь удобрения не решает всех проблем с реголитом. Создание полезной микрофлоры — обязательное условие при улучшении качества лунного грунта и приспособления его для выращивания земных культур.

Еще одним доказательством того, что одно лишь добавление удобрений не решает проблему с обогащением лунного грунта, стал эксперимент японских ученых, проведенный в 2023 году. Ученые получили около 10 граммов грунта, привезенного с Луны в рамках программы «Аполлон». Растения взошли, но не смогли прожить более 2-3 недель даже после внесения удобрений.

Вопрос: стоит ли выращивать на Луне различные культуры для питания колонистов или нет, если человечество всерьез настроено колонизировать спутник. Людей необходимо регулярно и хорошо кормить, чтобы они могли эффективно осваивать спутник и его ресурсы. Еду можно взять, либо выращивая ее на месте, либо доставляя с Земли, что не дешевле, чем транспортировка грунта с Луны на Землю. Вопрос лишь в том, насколько лунный грунт пригоден для выращивания растений, и как в крайне агрессивной среде на Луне создать подходящие для выращивания растений условия.

Способность полезной микрофлоры улучшить качество лунного грунта без добавления удобрений обнадеживает. Это значит, что будущие лунные «фермеры» при выращивании растений, возможно, смогут использовать собственные ресурсы спутника без необходимости транспортировки больших объемов удобрений с Земли. Удобрять почву теоретически также можно будет постепенно с применением отходов жизнедеятельности самих колонистов и компоста из остатков растений.

Но все еще остаются вопросы и проблемы, даже если мы исключим основные факторы в виде необходимости доставки жидкой воды, кислорода, поддержания комфортной для проживания температуры и строительства помещений для жизни колонистов.

Растения более чувствительны к воздействию газовых загрязнений. Не только состав почвы влияет на выживаемость и всхожесть растений. Юлий Александрович Беркович, доктор технических наук, профессор, заведующий лабораторией Института медико-биологических проблем РАН, в своем интервью порталу «Научная Россия» рассказал, как в одном из экспериментов по выращиванию растений на орбитальных станциях во всех установках для выращивания культур в один момент умерли все растения. Оказалось, что дело в загрязнении воздуха — растения более чувствительны к токсическому воздействию газовых загрязнителей, чем человек. А в замкнутых пространствах на орбитальных станциях или в колониях непросто поддерживать специфическую для того или иного растения газовую среду.

Реголит легко электризуется и превращается во взвесь при физическом воздействии, как когда вы захлопываете пыльную книгу. По отзывам астронавтов «Аполлона», после выхода на поверхность Луны им было очень сложно работать внутри корабля из-за грязи и невозможности очиститься от лунной пыли. Сама пыль пахла гарью, порохом, мешала дыханию и попадала в глаза. Кроме того, как выяснили исследователи в 2018 году, лунный грунт может представлять опасность для здоровья при вдыхании колонистами.

Огромные стартовые вложения. Даже при освоении земельных участков на Земле должно пройти несколько лет, прежде чем вложенные в обработку и посев ресурсы окупятся. После заселения колония не сможет с ходу сама себя обеспечивать едой, даже если речь идет о компенсации лишь части питания. Необходимо время на выращивание растений и получение урожая. После часть урожая или весь он используется для повторного посева на участках. Все это время колонию необходимо обеспечивать пропитанием.

Большие участки под посев со своим микроклиматом. Чтобы прокормить колонию даже в несколько человек, потребуются обширные территории или особого строения колонии. Например, один из проектов, представленных на архитектурном конкурсе Moontopia, предусматривает строительство многоэтажного здания с фермами внутри помещения по типу сити-ферм. В том же конкурсе были представлены проекты строительства колонии из модулей или просто покрытие части территории Луны огромным куполом.

Пониженная гравитация непредсказуемо влияет на рост растений. Эксперименты с выращиванием культур на орбитальных станциях продолжаются. С каждым новым экспериментом ученые получают разные показатели всхожести, роста и урожайности. И неизвестно, как точно себя поведт культуры в условиях лунной гравитации.

Визиты на Луну возможны, как уже было доказано миссией «Аполлон». Однако колонизация Луны, скорее всего, в обозримом будущем маловероятна, в том числе из-за невозможности на текущий момент обеспечить эффективное выращивание пищи на Луне. Пока мечты о лунном фермерстве лишь остаются мечтами, а исследователи ищут новые способы повышения эффективности использования лунных ресурсов с минимальными вложениями. То же касается и заселения Марса по меньшей мере в ближайшую сотню лет. Но об этом лучше почитать тут.