Ш.КАРЛСОН,
Scientific American. 1996. No 2. р. 110, 111
Перевод с английского Е.Д. ЯКУШКИНА и Н.Д. КОЗЛОВОЙ

Рост растений в условиях, близких к невесомости

Рост и развитие растения регулируется специальными веществами – фитогормонами. У высших растений установлено наличие пяти классов фитогормонов: ауксины, гиббереллины и цитокинины, стимулирующие физиологические процессы; этилен и абсцизовая кислота, ингибирующие их. Все фитогормоны влияют на деление и растяжение клеток, дифференциацию, рост, образование цветков, покой и прорастание почек и семян, созревание плодов и др. При этом определяющим фактором является соотношение концентраций отдельных фитогормонов. Физиологические реакции растения на внешние воздействия определяются тем, как распределяются гормоны по различным частям растения. Распределение гормонов зависит от множества факторов, в частности, от ориентации растения относительно направления силы тяжести.

Так, например, при наклонном положении растения фитогормоны перераспределяются таким образом, что стебель отклоняется вверх, а корни – вниз. Ботаники называют такую реакцию растений геотропизмом.

Этот эффект исследован еще в начале 1800-х гг. – растения выращивали на вращающемся колесе, подвергая их тем самым одновременно действию силы земного притяжения и центростремительной силы. Вскоре, однако, стало понятно, что этот отклик не быстрый – большинство растений нужно подержать в наклонном положении по крайней мере в течение минуты, прежде чем фитогормоны начнут перераспределяться. На рубеже XIX–XX вв. исследователи придумали устройство, названное клиностатом, в котором растение медленно вращается в горизонтальной и вертикальной плоскостях, все время меняя ориентацию относительно действующей на него силы притяжения. В результате растения росли как бы в невесомости.

Исследованиями с клиностатами увлекалось целое поколение биологов. Удивительно, но профессионалы почти не уделяли внимания области ускорений между 0 и 1g (g = 9,8 м/с² – ускорение свободного падения), возможно, наиболее интересной. Но это как раз и хорошо: проводя вместе с учениками такой эксперимент, можно ожидать открытия.

Устройство с вращающимся относительно двух осей велосипедным колесом позволяет создать для прорастающих в мешочках семян такие же условия, как на космическом корабле. При использовании в схеме питания высокооборотного двигателя микросхемы типа 7812 конденсатор емкостью 4700 мкФ должен отстоять от нее по крайней мере на 5 см. (Эту микросхему в зависимости от конкретного электродвигателя можно заменить отечественной типа К142ЕН5, К142ЕН8, К142ЕН10. – Ред.)

Основа предлагаемого устройства – вращающееся велосипедное колесо. Выбирая скорость вращения и помещая семена на разных расстояниях от оси вращения, можно проращивать их при различных значениях воздействующей силы. Можно наблюдать порог, при котором растения начинают реагировать на эту силу, и понять, как прорастали бы семена на Марсе, где ускорение свободного падения составляет приблизительно 0,4g. Необходимо, конечно, обеспечить периодические опрокидывания колеса, чтобы свести влияние силы тяжести до нуля. Семена в этом случае будут испытывать действие как бы только центростремительной силы. Понадобятся также кое-какие части от велосипеда – передняя вилка и полый вал от рамы.

Общая конструкция устройства ясна из рисунка. Для основания и кронштейна подойдут дощечки толщиной 2–3 см. Приводной шкив можно сделать из короткого отрезка пластмассовой или резиновой трубки диаметром 5 см. Забейте в отверстие трубки деревянную пробку, высверлите центральное отверстие и насадите шкив на ось вращения. Зафиксируйте шкив на оси эпоксидной смолой. На конце оси вращения закрепите подходящий груз – противовес колесу. Однако окончательные размеры всех шкивов и приводного ремня зависят от скорости вращения используемых электродвигателей.

Для устранения влияния силы тяжести колесо должно периодически «опрокидываться», приблизительно один раз в минуту. Я взял малооборотный двигатель (0,28 об/с) и соединил его вал с приводом резиновой лентой. у вас, наверное, будет другой двигатель, поэтому придется повозиться, чтобы добиться нужного результата.

Второй (быстрый) двигатель нужен для создания искусственной силы тяжести – он вращает само колесо. Протектор должен быть довольно гладким. У меня был двенадцативольтовый моторчик (192 об/с) диаметром вала 1 мм, который обеспечивал скорость вращения колеса радиусом 30 см до 0,6 об/с (при лучшем сцеплении колеса с валом двигателя, достигаемым путем обматывания вала матерчатой лентой, можно получить 1,5 об/с). Двигатель включался в сеть через адаптер, подключаемый через скользящие кольцевые контакты.

Ускорение рассчитывалось по показаниям спидометра, магнитик которого закреплялся на спице колеса около оси вращения (скорость до 0,1 км/ч). Семена на вращающемся колесе испытывают центростремительное ускорение, равное (2pf)²r, где f – частота вращения, r – расстояние до оси. Необходимая для обеспечения желаемого ускорения a частота вращения определяется соотношением:

 Например, чтобы получить 1g на ободе колеса радиусом 30 см, необходимо вращать его со скоростью 0,29 об/с. Частота вращения колеса определяется скоростью вращения двигателя f_дв и соотношением радиусов вала двигателя и обода колеса: Для определения ускорения на любом расстоянии от центра колеса можно воспользоваться соотношением:

где r и rоб – соответственно радиус от центра колеса и радиус обода в см, а v – показания спидометра в км/ч.

Такое несложное устройство позволит вам пронаблюдать нечто новое в росте растений. Я экспериментировал с кукурузой – проращивал зерна в течение нескольких дней, а затем измерял длину побегов и их «угловатость» – сумму углов изгиба стебля. При нормальных условиях (1g) стебли были совершенно прямыми; вблизи невесомости (0g) – с большим числом изгибов. Проращивая зерна на различных расстояниях от центра колеса, можно было видеть, как «включается» отклик растения на силу притяжения.

Семена удобно размещать на спицах колеса в мешочках из старых чулок, бросив туда немного питательного грунта. Их удобно и поливать. Для статистики лучше взять, например, по 30 штук для каждого значения ускорения, разместив соответственно шесть мешочков на одном расстоянии от центра, обеспечив симметричную нагрузку на спицы. Если вы хотите исследовать влияние разных ускорений одновременно, разместите больше мешочков на разных расстояниях.

После того как семена прорастут (3–7 дней), извлеките их. Вырежьте у каждого проростка все колена и положите их один в торец другому изгибами в одну сторону. «Угловатость» будет определяться углом между первым и последним коленом. Общую длину проростков можно измерить с помощью нитки. Для каждого значения ускорения разделите «угловатость» на длину и усредните результаты. Постройте график зависимости средних значений от ускорения и посмотрите отклики растения на различные поля тяготения. Можно пересадить ростки в нормальные условия, пронаблюдать, как они себя при этом будут «чувствовать», и подумать, какое из пищевых растений лучше всего росло бы, например, на Марсе.