Автореферат и диссертация по медицине (14.00.32) на тему: Онтогенез, репродукция и метаболизм высших растений в условиях космического полета

Автореферат диссертации по медицине на тему Онтогенез, репродукция и метаболизм высших растений в условиях космического полета

На правах рукописи

Левинских Маргарита Александровна

ОНТОГЕНЕЗ, РЕПРОДУКЦИЯ И МЕТАБОЛИЗМ ВЫСШИХ РАСТЕНИЙ В УСЛОВИЯХ КОСМИЧЕСКОГО ПОЛЕТА

14.00.32 - Авиационная, космическая и морская медицина

диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук

Работа выполнена в Государственном научном центре РФ Институте медико-биологических проблем РАН

доктор медицинских наук Шепелев Евгений Яковлевич

доктор биологических наук,

профессор Козловская Вера Фроловна

доктор биологических наук Цоглин Лев Наумович

доктор медицинских наук,

профессор Ильин Вячеслав Константинович

Ведущая организация: Биологический факультет Московского Государственного Университета им. М.В.Ломоносова

Защита диссертации состоится /y>Cefi 2002 года в 10 часов на заседании

диссертационного Совета Д 002.111.01 при Государственном научном центре - Институте медико-биологических проблем РАН по адресу: 123007, г. Москва, Хорошевское шоссе 76а

Автореферат разослан « 2002 года

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного научного центра РФ - Института медико-биологических проблем РАН

доктор медицинских наук Л.Б.Буравкова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы. На борту различных космических летательных аппаратов

было проведено большое количество экспериментов с высшими растениями с целью

изучения зависимости их основных характеристик от силы тяжести. К концу 80-ых годов

XX столетия с определенной уверенностью можно было говорить о том, что в

невесомости могут нормально проходить все стадии развития растений (Меркис,

Лауринавичус, 1983; Парфенов, 1988; Ильин, Сюза, 1994; На1йеа*1, Г)мсЬег, 1984).

Однако, многие эксперименты оканчивались гибелью растений на различных стадиях

развития, отмечалось значительное отставание темпов прохождения стадий онтогенеза в

условиях космического полета. Несовершенство вегетационного оборудования,

неадекватность и недостаточность наземных контрольных экспериментов зачастую не

позволяли корректно интерпретировать получаемые данные. Становилось все более

очевидно, что без создания автоматических оранжерейных установок нового поколения и

разработки технологии культивирования, обеспечивающих рост и развитие растений в

условиях космического полета, невозможно проведение полноценных экспериментов по

изучению основных фундаментальных процессов жизнедеятельности растений в

условиях космического полета.

В те же годы были предприняты многочисленные исследования высших растений и с целью создания биологических систем жизнеобеспечения (БСЖО) человека, поскольку именно высшие растения способны одновременно регенерировать кислород, воду и пищу для человека. Были разработаны теоретические основы построения БСЖО и начаты наземные исследования первых моделей таких систем (Шепелев, 1975; Гительзон с соавторами, 1975; Мелешко, Шепелев, 1994). Первые эксперименты показали, что на данном этапе развития технических и технологических разработок БСЖО являются неконкурентоспособными по сравнению с физико-химическими системами из-за существенно больших габаритных характеристик, затрат энергии и трудозатрат экипажа. Именно поэтому существующие на сегодняшний день системы жизнеобеспечения (СЖО) космических обитаемых кораблей и станций построены на использовании запасов и частично на физико-химических процессах регенерации (Чижов, Синяк, 1973; Гузенберг, 1994; Синяк с соавторами, 1994). Однако, по крайней мере две особенности БСЖО позволяют говорить о том, что возможность дальнейшего проникновения человека в космос будет определяться прогрессом в развитии именно биорегенеративных систем. При значительном увеличении дальности полетов обеспечение пищей и создание полноценной биогенной среды обитания пилотируемых космических экспедиций могут быть достигнуты только за счет функционирования БСЖО. Создание БСЖО на боргу космических кораблей и станций и прогнозирование надежности ее функционирования в

длительных космических полетах невозможно без развития технологии культивирования организмов, входящих в систему, в условиях невесомости. Для аргументированного ответа на вопрос, возможно ли внедрение БСЖО на космические летательные аппараты, было необходимо проведение исследований фотосинтетической и семенной продуктивности культурных растений в условиях космического полета при соблюдении параметров обитания растений, близких к оптимальным.

В ближайшем будущем планируется пилотируемый полет на Марс. На данном этапе считается общепризнанным мнение, что включение биологических подсистем (по крайней мере, оранжереи) в состав СЖО марсианской экспедиции позволит сформировать полноценную среду обитания в корабле, адекватную долговременным биологическим потребностям человека, и будет способствовать устранению некоторых возможных последствий длительного пребывания человека в искусственной (абиогенной) среде обитания (Газенко, Григорьев, Егоров, 2001).

Проведение в условиях космического полета экспериментов по изучению высших растений с использованием новых технических средств и технологических приемов является актуальной задачей для дальнейшего развития таких фундаментальных научных дисциплин, как космическая биология растений и экология искусственных антропогенных экосистем (БСЖО космических экипажей), а также для создания космических производственных оранжерей и их включения в систему жизнеобеспечения марсианской пилотируемой экспедиции.

Цель работы. Целью настоящих исследований является изучение онтогенеза, репродукции и метаболизма высших растений в условиях космических полетов.

Прикладная цель заключается в разработке методов внедрения технологий замкнутых экологических систем в системы жизнеобеспечения космических экипажей.

В соответствии с поставленными целями решались следующие задачи:

1. Исследование роста и развития различных высших растений в течение полного цикла онтогенеза под воздействием факторов космического полета.

2. Изучение особенностей процесса размножения растений в условиях космического полета.

3. Изучение метаболизма высших растений при культивировании в условиях космического полета.

4. Исследование особенностей культивирования растений применительно к условиям производственных космических оранжерей.

Научная новизна работы. В серии экспериментов по культивированию различных высших растений в космической исследовательской оранжерее «СВЕТ» на борту орбитального комплекса (ОК) «Мир» при использовании технологии, позволяющей

максимально полно обеспечить потребности исследуемых организмов, впервые показано, что:

1. Длительность цикла онтогенетического развития, морфологические и биометрические показатели растений в условиях космического полета не отличаются от таковых в наземных контрольных экспериментах.

2. Условия космического полета не оказывают влияния на такие важнейшие функции растений, как развитие генеративных органов, образование споро- и гаметоцнтов, оплодотворение, формирование зародыша и запасающих веществ семени.

3. Такие показатели фотосинтетической активности растений, как газообмен, пигментный состав и метаболизм углеводов, в условиях космического полета существенным образом не отличаются от аналогичных характеристик в контрольных экспериментах.

4. Изменения продукционных, морфометрических и биохимических характеристик полетных растений были вызваны в большей степени не специфическими факторами космического полета, а фитотоксическим воздействием этилена, который содержался в атмосфере ОК «Мир» в концентрации 0,3-1,8 мг/м3.

Практическая ценность работы. Результаты исследований высших растений в условиях невесомости делают возможным внедрение на борт космических летательных аппаратов в качестве штатных систем СЖО человека оранжерейных устройств на основе разработанной технологии культивирования высших растений в агравитационной среде.

На основании результатов, полученных при проведении серии экспериментов по изучению растений на борту ОК «Мир», разработаны Технические задания и начато изготовление нового поколения исследовательских оранжерейных устройств («ЛАДА» и «СВЕТ-2») для использования в экспериментах на борту Российского сегмента Международной Космической Станции (МКС).

Полученные в работе результаты и обобщения являются вкладом в фундаментальные исследования по выяснению биологической роли гравитации -постоянно действующего на Земле экологического фактора, в жизнедеятельности растительных организмов и могут быть использованы при создании научно-практических материалов и учебных пособий.

Полученные результаты по изучению закономерностей физиологического ответа различных сортов пшеницы на повышенную концентрацию этилена в атмосфере могут быть использованы при проведении селекционных работ по созданию новых специализированных гибридов для выращивания в различных биорегенеративных системах.

Результаты исследования продуктивности, морфометрических, биохимических характеристик и вкусовых качеств нетрадиционных для отечественного овощеводства салатных растений позволят расширить ассортимент культур для выращивания в открытом и закрытом грунте.

Основные положения, выносимые на защиту:

Условия космического полета не являются препятствием для осуществления процессов роста, развитая и семенного размножения растений.

Семена высших растений, сформировавшиеся в условиях космического полета, являются биологически полноценными.

Возможно воспроизводство высших растений в космических оранжереях в ряду последовательных поколений.

Газовая среда орбитальных космических комплексов оказывает существенное влияние на метаболизм, рост и репродуктивную функцию высших растений.

Экспериментальные исследования проводились в рамках плановых НИР Института медико-биологических проблем РАН, по программам «Мир-Шаттл» и «Мир-НАСА» совместно с американскими учеными.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены на 26-ой Международной конференции по системам жизнеобеспечения (1996, Монтерей, Калифорния, США); на 31-й, 33-й сессиях СОБРАЛ (1996, Бирмингем, Англия; 2000, Варшава, Польша); на 47 и 48 конгрессах МАФ (1996, Пекин, Китай; 1997, Турин, Италия); на 2-м Международном аэрокосмическом конгрессе 1997, Москва); на П и Ш Международных симпозиумах ученых и исследователей России и США, выполняющих исследования по программе «Мир-НАСА» (1996, Москва; 1997, Хантсвилл, Алабама, США); на 2-ом и 3-ем Международных аэрокосмических конгрессах (1997, Москва, 2000, Москва); на Заключительной конференции по медико-биологическим и фундаментально-биологическим экспериментам научной программы «Мир-НАСА» (1998, Хантсвилл, Алабама, США); на 15-ом и 17-ом собрании Американского общества гравитационной и космической биологии (1999, Сиэтл, США; 2001, Александрия, США); на 4-й Международной научно-практической конференции «Пилотируемые полеты в космос» (2000, Звездный городок, Москобл.); на Всесоюзной конференции «Организм и окружающая среда: жизнеобеспечение и защита человека в окружающих условиях» (2000, Москва); на Всесоюзной конференции «Проблемы обитаемости в гермообьекгах» (2001, Москва); на Международном симпозиуме по результатам модельного эксперимента с длительной изоляцией (2001, Москва); на Всероссийской конференции «Научные аспекты экологических проблем России» (2001, Москва); на 1-ой Российской научно-практической

конференции по актуальным проблемам инноваций с нетрадиционными растительными ресурсами и создания функциональных продуктов (2001, Москва).

Основное содержание диссертации отражено в 48 работах, опубликованных в открытой печати.

Структура и объем диссертации. Диссертация содержит 231 страницу машинописного текста и состоит из введения, 9 глав, выводов и библиографии. В диссертации содержится 20 таблиц, 39 фотографий, 17 графиков и диаграмм. Библиография включает 279 наименований (103 отечественных и 176 зарубежных работ).

Организация и методы исследований

В экспериментах с высшими растениями на борту OK «Мир» использовался аппаратура «Оранжерея «СВЕТ», разработанная и изготовлена совместно российскими и болгарскими специалистами (Ivanova et aL, 1992; 1993) по программе «Интеркосмос». При подготовке российско-американских экспериментов с высшими растениями специалистами Государственного Университета штата Юга (Логан, Юта, США) и специалистами ГНЦ РФ - ИМБП РАН совместно был создан комплект аппаратуры «Измерительная система оранжереи «СВЕТ» (GEMS) (Bingham et al., 1994; 1996). GEMS предназначен для получения во время космического эксперимента информации об условиях обитания растений и измерения интенсивности газообмена.

В экспериментах на борту OK «Мир» использовали растения: пшеница суперкарлик Triticum aestivum L., данный сорт относится к группе мягких яровых гексаплоидных пшениц, зарегистрирован в Международном центре по улучшению кукурузы и пшеницы (Мексика) под номером CMH79.481-1Y-8B-2Y-2B-0Y (эксперименты ОРАНЖЕРЕЯ-1 и ОРАНЖЕРЕЯ-2); Brassica rapa (специализированный гибрид листовой горчицы) линия CrCGl-33 (эксперимент ОРАНЖЕРЕЯ-3); пшеница Triticum aestivum L УШЮ-Апогей, данный сорт выведен в Государственном Университете штата Юта (США) под руководством профессора Б.Багби (Bugbee, Koemer, 1997) (эксперименты ОРАНЖЕРЕЯ-4 и ОРАНЖЕРЕЯ-5), мизуна (Brassica rapa var.nipposinicä), капуста пекинская сорта Гранат (В. rapa var.pekittensis), рапина, или брокколи рааб (A rapa var.utilis), горчица листовая сорта Красная гигантская (Ä juncea ) (эксперимент ОРАНЖЕРЕЯ-6).

В наземных экспериментах использовались растения: капуста листовая, капуста красная листовая (Brassica oleráceo var.acephala), кай-лан (Д oleráceo var.alboglabra), пак-чой (В. rapa var.chittensis), тах-цой (В. rapa var.narinosa), мибуна, мизуна (В. rapa var.nipposinicá), капуста пекинская сорта Гранат (A rapa var.petínensis), коматсуна (В. rapa var.pervidis), репа листовая (A rapa var.rapifera), рапина, или брокколи рааб (A rapa var.utilis), горчица листовая сортов Красная гигантская, Волнушка, Южная курчавая и Широколистная (В. juncea ), горчица белая

📎📎📎📎📎📎📎📎📎📎