Введение к работе
Актуальность исследования. В настоящее время многие страны, принимающие участие в исследованиях космического пространства, начали подготовку к осуществлению пилотируемых полетов на Луну и Марс. Специалисты полагают, что бортовая вегетационная установка (называемая далее космической оранжереей, КО), позволяющая выращивать на протяжении космической экспедиции съедобные растения, была бы эффективным средством улучшения среды обитания на борту пилотируемого марсианского корабля и в других длительных автономных космических миссиях (Романов и др., 2007; Berkovich et al., 2004; Jones, 2003; Gitelson et al., 2003; Гришин, 1993). Одним из важнейших критериев совершенства конструкции космической оранжереи и эффективности технологии выращивания растений в ней является максимальная удельная производительность съедобной биомассы на потребляемые оранжереей ресурсы (Berkovich et al., 2004a, Drysdale et al., 1999). В большинстве известных моделей биолого-технических систем жизнеобеспечения с воспроизводством растительной пищи для экипажа существенная доля посевной площади (от 30% до 80%) отводилась под культуру пшеницы (Gitelson et al., 2003; Salisbury et al., 2002).
В 1990-е годы в Институте медико-биологических проблем была начата разработка высокоэффективной конвейерной космической оранжереи для производства витаминной зелени для экипажей пилотируемого космического корабля. В основу разработки был положен новый принцип максимизации удельной производительности КО за счёт организации самораздвигающихся посевов на выпуклой посадочной поверхности, в которых расстояния между верхушками соседних побегов увеличиваются по мере роста растений. В опытах по выращиванию самораздвигающихся посевов зеленных растений в оранжерее с цилиндрической посадочной поверхностью было обнаружено повышение удельной производительности на единицу потребляемой энергии приблизительно на треть, а на единицу объема – почти вдвое по сравнению с контрольными посевами растений на плоской посадочной поверхности (Berkovich et al., 2004b).
В настоящее время в рамках Долгосрочной программы научно-прикладных исследований и экспериментов, планируемых на российском сегменте МКС (версия 2008 г.) ведутся работы по конструированию конвейерной оранжереи «Витацикл-Т» с цилиндрической посадочной поверхностью для выращивания самораздвигающихся посевов. В перспективных сценариях освоения планет предлагается создание оранжерей для воспроизводства растительной части пищевого рациона, в которых также целесообразно использовать самораздвигающиеся посевы. Как показано в работе (Беркович и др., 2005), для организации самораздвигающегося посева в высокоэффективных КО с выпуклыми посадочными поверхностями, предназначенных для работы в условиях изменённой весомости, а также в наземных прототипах оранжерей для отработки новой агротехнологии необходимо нейтрализовать однонаправленную гравитропическую реакцию изгиба надземных органов растений или, другими словами, создавать условия моделированной невесомости для растений. Одним из методов моделирования невесомости для растений в КО с выпуклыми посадочными поверхностями в наземных условиях является непрерывное вращение вегетационной камеры вокруг горизонтальной оси со скоростью, при которой растения не успевают изгибаться под воздействием гравитропического стимула. Вследствие этого обоснование условий создания моделированной невесомости и исследование пространственной ориентации, роста и развития пшеницы в КО с выпуклой посадочной поверхностью является актуальной задачей.
Целью работы являлось обоснование условий создания моделированной невесомости и исследование пространственной ориентации, роста и развития пшеницы при наземных испытаниях прототипа КО с выпуклой посадочной поверхностью.
Для достижения указанной цели в работе были поставлены следующие основные задачи:
-
исследовать реакции гравитропического изгиба побегов растений пшеницы;
-
исследовать реакции фототропического изгиба побегов пшеницы на красный и красно-синий световые стимулы;
-
исследовать реакции изгиба побегов пшеницы при совместном воздействии гравитропического и фототропического стимулов;
-
исследовать динамические характеристики гравитропического изгиба побегов пшеницы при реверсивном вращении посева в прототипе КО со сферической посадочной поверхностью;
-
разработать методику определения нижней предельно допустимой скорости (ПДС) вращения растений для моделирования невесомости при наземных испытаниях оранжереи со сферической посадочной поверхностью;
-
исследовать характеристики роста и развития пшеницы, выращенной в прототипе КО со сферической посадочной поверхностью в условиях моделированной невесомости.
Методы исследования:
-
метод видеорегистрации и компьютерной идентификации параметров траекторий движения побегов растений под воздействием гравитропических и фототропических стимулов
-
метод микроскопирования для исследования движения статолитов в гравичувствительных клетках побегов;
-
метод светокультуры растений на непрерывно вращающейся выпуклой сферической посадочной поверхности под светильником сферической формы;
-
математические методы теории автоматического управления для описания амплитудных и фазовых частотных характеристик гравитропических и фототропических реакций растений;
-
статистические методы обработки экспериментальных данных для описания переходных процессов изгиба побегов растений.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
разработана методика определения и получена оценка для минимальной скорости вращения посева пшеницы, при которой нейтрализуется геотропический изгиб побегов;
-
разработана технология выращивания и исследованы характеристики роста и развития пшеницы в наземном прототипе сферической космической оранжереи;
-
получены оценки для параметров переходных процессов изгиба побегов пшеницы при воздействии гравитропического и фототропического стимулов, а также при их совместном воздействии;
-
рассчитаны амплитудно-частотные характеристики реакций гравитропического изгиба побегов пшеницы при непрерывном вращении их вокруг горизонтальной оси;
-
получены экспериментальные оценки для амплитуды колебаний апексов побегов пшеницы при вращении вегетационной камеры установки «Полусфера» со скоростью 3 об/час под красно-синим светом от полусферического светильника;
-
исследовано расположение амилопластов в статоцитах эндодермы побегов пшеницы в условиях моделированной невесомости.
Результаты, выносимые на защиту:
-
методика для определения минимальной допустимой скорости реверсивного вращения посевов вокруг горизонтальной оси и её экспериментальная оценка для моделирования условий невесомости для пшеницы в наземных условиях;
-
экспериментальные характеристики переходных процессов изгиба побегов пшеницы при интегрированном воздействии фототропического и гравитропического стимулов;
-
амплитудно-частотные характеристики гравитропического изгиба побегов пшеницы при периодических изменениях положения побегов относительно вектора силы тяжести;
-
характеристики роста и развития пшеницы в самораздвигающемся посеве под красно-синим светом в условиях моделированной невесомости в наземном прототипе сферической космической оранжереи;
-
экспериментальные данные о распределении амилопластов в статоцитах эндодерма колеоптилей пшеницы в условиях моделированной невесомости.
Практическая значимость полученных результатов:
-
методика оценки предельно допустимой скорости реверсивного вращения посевов пшеницы вокруг горизонтальной оси позволяют уточнить условия проведения опытов с растениями на вертикальных клиностатах;
-
оценка наименьшей допустимой скорости реверсивного вращения посевов вокруг горизонтальной оси позволяет уточнить конструктивные требования для аппаратуры «Витацикл-Т», разрабатываемой для российского сегмента МКС и для перспективных космических оранжерей;
-
оценки фототропического эффекта красного и красно-синего света позволяют разработать рекомендации по выбору спектра излучения светильника для адекватной ориентации растений в самораздвигающемся посеве в космической оранжерее с выпуклой посадочной поверхностью.
Достоверность полученных результатов обеспечивается правильной постановкой задач исследования, применением адекватных методов при их решении, а также сопоставлением расчетных результатов с экспериментальными данными.
Личный вклад автора заключается в проведении основного объёма описанных экспериментальных и теоретических исследований, а также в получении основных результатов, описанных в диссертационной работе.
Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены на следующих конференциях:
-
Международная научная конференция «Агротехнологии XXI века», Москва, 2007;
-
VII и VIII Конференции молодых ученых, специалистов и студентов, ГНЦ РФ - ИМБП РАН, Москва, 2007, 2008;
-
37 Международная ассамблея COSPAR, Канада, Монреаль, 2008;
-
Международная конференция «Системы жизнеобеспечения как средство освоения человеком дальнего космоса», Москва, 2008;
-
XVIII научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов в РКК «Энергия имени С.П. Королева», Королев, 2008.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 печатные работы, из них 2 статьи в рецензируемом журнале.
Объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения, 2 приложений и списка литературы. Работа содержит 138 страниц, 24 таблицы, 53 рисунка. Список цитируемой литературы содержит 280 - наименований (42 отечественных, 238 зарубежных).
