Translated by Marina Agarkova

Когда вы думаете о сельском хозяйстве, вы, вероятно, представляете себе несколько основных вещей. Огромные участки равнинной земли, массивные уборочные машины, тепло на вашей коже от солнечных лучей и, возможно, самое главное, почва. Этот образ в вашем сознании является общепринятым. Люди возделывали, засеивали и обрабатывали землю с самого начала цивилизации, и современные методы промышленного сельского хозяйства, как правило, доминируют в нашем представлении о сельском хозяйстве.

Однако в последние годы в поле нашего зрения начинает появляться другой метод ведения сельского хозяйства. Такой метод, который требует меньше воды и, что удивительно, не требует почвы! Удивительный метод называется гидропоникой, и хотя его реализация может показаться надуманной и больше похожей на научную фантастику, какие еще варианты есть у NASA для ведения сельского хозяйства в космосе?

Первый космический салат

В 2015 году свежая листовая зелень впервые появилась в меню астронавтов NASA на Международной космической станции (МКС). Зелень была произведена на гидропонике на МКС — результат десятилетий работы над альтернативными методами выращивания пищи, которые были бы жизнеспособны в условиях низкой гравитации. Помимо использования на МКС, ученые стремились понять, как сельское хозяйство в контролируемой среде (CEA) может быть частью контролируемой или закрытой экологической системы жизнеобеспечения (CELSS) для дальних космических миссий во внеземной колонизации. Именно поэтому, со всеми этими поразительными достижениями, главный герой прорывного романа Энди Вейер «Марсианин» был астронавтом-ботаником.

По словам ученых-диетологов из NASA, одной из существенных проблем для здоровья и самочувствия астронавтов во время длительных миссий в космосе является поддержание достаточного разнообразия пищи для сбалансированной питательной диеты. Эта пища должна не только храниться в течение длительного периода времени, но и сохранять свою питательную ценность в течение этого времени. Гидропонное земледелие является оригинальным решением этой проблемы, выращивая свежие продукты, которые могут удовлетворить диетические потребности человека, а также обеспечить редкий комфорт. (NASA Kloeris, 2016)

В то время как это удивительное событие для будущего космических путешествий, не упускаем ли мы потенциальное применение гидропоники на Земле?

Древние корни современного слова

Слово «гидропоника» происходит от греческого корня «hydro», означающего воду, и «ponos», означающего труд. При таком способе земледелия не используется почва, а только питательные растворы, изготовленные из воды и концентрированных минералов. Некоторые методы гидропонного земледелия используют питательную среду или субстрат (например, минеральную вату или глиняную гальку), чтобы обеспечить чем-то корневую систему растения, к чему можно прикрепиться и поддерживать ее вес. (Soto, 2020)

В то время как гидропонное земледелие может звучать как изобретение космической эры, самые ранние археологические свидетельства гидропоники восходят к Висячим садам Семирамиды, которые были построены около 600 года до нашей эры. (Folds, 2018) Тем не менее официальные исследования и публикации по современной гидропонике начались только в 17 веке с работы Фрэнсиса Бэкона «Сильва Сильварум» о водной культуре. (Singer, 2021)

Растения в космосе

Наличие невесомости означает, что почвенное земледелие на самом деле невозможно в космосе. Причины этого включают ограничения по весу, плавающие частицы и риск роста микробов. Окружающая среда в космосе строго контролируется, и любые неизвестные или свободные частицы могут легко создать проблемы для кропотливой работы астронавта и даже подвергнуть его серьезной опасности.

Гидропонное сельское хозяйство в качестве альтернативы представляется идеальным решением этих разнообразных проблем. Хотя подход к гидропонному сельскому хозяйству не возник из миссий на низкой околоземной орбите, его развитие в космической программе еще больше продвинуло эту практику.

Как и многое из того, что делает NASA, когда они обращают свое внимание на проблему, даже существующие решения улучшаются и усовершенствуются. Гидропоника в этом плане не является исключением. Современная гидропоника является гораздо более совершенным и эффективным процессом, чем ее древний предшественник.

Перенос космической науки на Землю

Тем не менее существует несколько причин, по которым достижения в области гидропоники должны быть возвращены на Землю. Одна из них – рациональное водопользование. Современное промышленное сельское хозяйство, которое использует воду, является крупнейшим потребителем пресноводных ресурсов на планете. На его долю приходится 70% пресной воды, используемой человеком в год. (USGS, 2021) В связи с этим технология точечного земледелия позволила фермерам оценивать влажность почвы и орошать более точечно, но спин-офф технология NASA в гидропонном земледелии все еще может пойти гораздо дальше.

В совместном исследовании правительства США по гидропонике и в концепции содержания воды в растениях был использован датчик листьев для измерения их толщины с помощью электрических импульсов, которые могут определить содержание в них воды. На исследовательской ферме Министерства сельского хозяйства США (National Science Foundation, 2010) исследователи обнаружили, что растениям не требуется то количество воды, которое требуется в соответствии с современными графиками орошения. Сельскохозяйственные культуры, подключенные к датчикам листьев, потребляли на 25 процентов меньше воды по сравнению с тем, когда их поливали при стандартной практике орошения. (O'Brien, 2010)

Благодаря исследованиям в области гидропоники теперь мы знаем, что растения не испытывают такой «жажды», как мы когда-то думали.

Решения для питательных растворов

Еще одним продуктом гидропонных исследований является повышение эффективности использования воды за счет правильной рециркуляции питательных растворов. Важным аспектом гидропоники является использование растворов на основе питательных веществ — это смесь концентрированных питательных веществ, которые жизненно важны для роста растения. Вводя их в воду растения, они помогает растению поглощать жизненно важные минералы и расти так же, как на плодородной почве.

В этих исследованиях анализатор процессов использовал ультрафиолетовую спектрометрию и специализированное программное обеспечение для обнаружения растворенных питательных веществ, органических веществ и металлов в гидропонных растворах. (NASA, 2010) Поскольку разные растения поглощают питательные вещества в растворе с разной скоростью, отчеты будут информировать производителей, когда концентрация некоторых питательных веществ в гидропонном растворе падает ниже стандарта и нуждается в восполнении. Такой подход способствует как эффективному использованию воды, так и оптимальному росту растений.

Человеческое воздействие

Еще одним важным применением гидропонного земледелия на Земле является удовлетворение потребностей роста населения, который сопровождается проблемами голода. Согласно оценке, опубликованной в World Population Prospect Организации Объединенных Наций, к 2050 году население мира достигнет 9,8 млрд человек по сравнению с 7,6 млрд в 2017 году (UNSEDA, 2017). Ожидается, что производство продуктов питания увеличится в районе от 59% до 98%, чтобы удовлетворить этот растущий спрос.

Это означает, что в ближайшие четыре десятилетия нам придется производить столько же продовольствия, сколько мы произвели за последние 8000 лет!

В условиях гидропонного земледелия растения растут быстрее и выдающимся образом, используя при этом меньше ресурсов, чем их почвенные аналоги. Это связано с тем, что они могут быстрее усваивать питательные вещества непосредственно из питательного раствора. Даже небольшая корневая система может поставлять питательные вещества, и это способствует быстрому росту растений.

Исследования по всему миру показали, что урожайность сельскохозяйственных культур на гидропонике может превысить рекордные урожаи на Земле. Исследования показывают, что выращивание пшеницы и картофеля было удивительно успешным, хотя другие овощи также хорошо отреагировали на гидропонное земледелие (Agriculture for Space: People and Places Paving the Way, 2017).

Кроме того, нет сезонных ограничений на гидропонный рост, так как вся система находится в контролируемой среде без влияния погоды или необходимости севооборота. 

Например, с 1988 по 1996 год Biomass Production Chamber (BPC) в Космическом центре Кеннеди работал практически круглосуточно в течение более 1200 дней. Обладая превосходными темпами роста и круглогодичным «сезоном», исследователи получили «пять урожаев пшеницы (64-86 дней каждый), три урожая сои (от 90 до 97 дней), пять урожаев салата (28-30 дней) и четыре урожая картофеля, шесть урожаев помидоров в год». Значительный фактор роста по сравнению с минимальными ресурсами, необходимыми для производства (NASA's Biomass Production Chamber, 1996).

Кроме того, потери урожая из-за вредителей, паразитов или болезней, связанных с почвой, также сведены к минимуму, так как окружающая среда контролируется с минимальными точками входа для нежелательных воздействий.

Потеря почвы и потеря для человечества

Согласно докладу Global Land Outlook (GLO), опубликованному в рамках Конвенции Организации Объединенных Наций по борьбе с опустыниванием (UNCCD, 2017 г.), ежегодно для обеспечения безопасности и благополучия человека утрачивается 15 млрд деревьев и 24 млрд тонн плодородной почвы. Эта почва теряется в результате действий человека, направленных на поддержание нескольких ключевых аспектов жизни общества, в частности продовольственной безопасности, трудоустройства и миграции. Без сомнения, это одни из самых важных аспектов современной человеческой жизни, но эта статистика настораживает.

Защита почв является жизненно важной темой для производства продуктов питания и сохранения окружающей среды. Экстренно необходим призыв к разработке и применению устойчивых методов эффективного использования земель, чтобы замедлить темпы деградации почв и сохранить производство сельскохозяйственных культур, необходимое для постоянно растущего населения Земли.

Гидропоника, будущее и коммерческие рынки

Гидропонный подход к сельскому хозяйству не ограничивается экспериментальным использованием на Земле. По данным Globe Newswire, ожидается, что к 2028 году объем рынка гидропоники достигнет 22,2 млрд долларов. Во всем мире есть крупные игроки в секторе гидропоники, которые используют технологически продвинутые и устойчивые методы сельского хозяйства с контролируемой средой для выращивания питательных овощей. С помощью гидропоники они могут внести свой вклад в создание более безопасной местной системы снабжения продовольствием, чтобы прокормить постоянно растущее мировое население.

В то время как астронавты и ученые продолжают изучать, как создать самоподдерживающуюся биорегенеративную систему для жизни в космосе, еще столько же предстоит узнать о том, как вести устойчивую жизнь на Земле. С ростом эффективности гидропоники мы, возможно, находимся на пути к будущему, в котором мы сможем производить продукты питания в больших количествах и с минимальными затратами, сокращать отходы и минимизировать нашу зависимость от внешних факторов, таких как окружающая среда, и при этом соответствовать темпам растущего спроса на продовольствие. Учитывая все вышесказанное, будьте готовы стать свидетелями беспрецедентной революции в сельском хозяйстве. Она скоро произойдет на ближайшей к вам планете!