Rośliny w kosmosie

Cynia kwitnąca na pokładzie stacji kosmicznej krążącej wokół Ziemi

Wzrost roślin w przestrzeni kosmicznej wzbudził duże zainteresowanie naukowe. Pod koniec XX i na początku XXI wieku rośliny często zabierano w przestrzeń kosmiczną na niską orbitę okołoziemską, aby je hodować w nieważkim, ale kontrolowanym środowisku, zwanym czasami ogrodami kosmicznymi. W kontekście lotów kosmicznych z udziałem ludzi można je spożywać jako żywność i/lub zapewniać orzeźwiającą atmosferę. Rośliny mogą metabolizować dwutlenek węgla z powietrza w celu wytworzenia cennego tlenu i mogą pomóc kontrolować wilgotność w kabinie. Uprawa roślin w kosmosie mogą zapewnić korzyści psychologiczne załogom lotów kosmicznych. Zwykle rośliny były przedmiotem badań lub rozwoju technicznego w celu dalszego rozwoju ogrodów kosmicznych lub prowadzenia eksperymentów naukowych. Do tej pory rośliny wyniesione w przestrzeń miały głównie znaczenie naukowe, a ich wkład w funkcjonalność statku kosmicznego był ograniczony, jednakże projekt drzewa Apollo Moon był w mniejszym lub większym stopniu misją inspirowaną leśnictwem, a drzewa były częścią obchodów dwustulecia kraju.

Pierwszym wyzwaniem w uprawie roślin w kosmosie jest to, jak sprawić, by rośliny rosły bez grawitacji. Prowadzi to do trudności związanych z wpływem grawitacji na rozwój korzeni, zapewnieniem odpowiedniego rodzaju oświetlenia i innymi wyzwaniami. W szczególności dostarczanie składników odżywczych do korzeni, jak również cykle biogeochemiczne składników odżywczych oraz interakcje mikrobiologiczne w podłożach glebowych są szczególnie złożone, ale wykazano, że umożliwiają uprawę kosmiczną w warunkach hipo- i mikrograwitacji.

NASA planuje hodować w kosmosie rośliny, które pomogą nakarmić astronautów i zapewnią korzyści psychologiczne podczas długotrwałych lotów kosmicznych. W 2017 roku na pokładzie ISS w jednym urządzeniu do uprawy roślin, piąty zbiór kapusty pekińskiej ( Brassica rapa ) z tego urządzenia obejmował przydział do spożycia przez załogę, pozostała część została przeznaczona na badania. Wczesną dyskusją na temat roślin w kosmosie były drzewa na ceglanej stacji kosmicznej w opowiadaniu z 1869 roku „ Ceglany księżyc ”.

Historia

Omawiany system produkcji warzyw dla ISS

W 2010 roku wzrosło zapotrzebowanie na długoterminowe misje kosmiczne, co doprowadziło do chęci produkcji roślin w przestrzeni kosmicznej jako pożywienia dla astronautów. Przykładem tego jest produkcja warzyw na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej na orbicie okołoziemskiej. Międzynarodowej Stacji Kosmicznej przeprowadzono 20 eksperymentów związanych z hodowlą roślin .

Kilka eksperymentów skupiało się na porównaniu wzrostu i rozmieszczenia roślin w warunkach mikrograwitacji, warunkach kosmicznych i ziemskich. Umożliwia to naukowcom zbadanie, czy określone wzorce wzrostu roślin są wrodzone, czy uwarunkowane środowiskowo. Na przykład Allan H. Brown przetestował ruchy sadzonek na pokładzie wahadłowca kosmicznego Columbia w 1983 roku. Ruchy sadzonek słonecznika zarejestrowano podczas przebywania na orbicie. Zaobserwowali, że sadzonki nadal doświadczały wzrostu rotacyjnego i okrążania pomimo braku grawitacji, co pokazuje, że te zachowania są instynktowne.

Inne eksperymenty wykazały, że rośliny mają zdolność wykazywania grawitropizmu , nawet w warunkach niskiej grawitacji. Na przykład europejski modułowy system uprawy ESA umożliwia eksperymentowanie ze wzrostem roślin; działając jak miniaturowa szklarnia , naukowcy na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej mogą badać, jak rośliny reagują w warunkach zmiennej grawitacji. W eksperymencie Gravi-1 (2008) wykorzystano EMCS do badania soczewicy wzrost sadzonek i ruch amyloplastów na szlakach zależnych od wapnia. Wyniki tego eksperymentu wykazały, że rośliny były w stanie wyczuć kierunek grawitacji nawet przy bardzo niskim poziomie. Późniejszy eksperyment z EMCS umieścił 768 sadzonek soczewicy w wirówce, aby stymulować różne zmiany grawitacyjne; eksperyment ten, Gravi-2 (2014), wykazał, że rośliny zmieniają sygnalizację wapniową w kierunku wzrostu korzeni, gdy rosną w kilku poziomach grawitacji.

Wiele eksperymentów ma bardziej ogólne podejście do obserwacji ogólnych wzorców wzrostu roślin, w przeciwieństwie do jednego konkretnego zachowania wzrostu. Na przykład jeden z takich eksperymentów przeprowadzony przez Kanadyjską Agencję Kosmiczną wykazał, że sadzonki świerka białego rosły inaczej w antygrawitacyjnym środowisku kosmicznym w porównaniu z sadzonkami na Ziemi; siewki kosmiczne wykazywały zwiększony wzrost z pędów i igieł, a także miały losowy amyloplastów w porównaniu z grupą kontrolną związaną z Ziemią.

Produkcja żywności ma kluczowe znaczenie dla umożliwienia eksploracji kosmosu. Obecnie koszt wysyłania żywności na Międzynarodową Stację Kosmiczną (ISS) szacuje się na 20 000–40 000 USD/kg, przy czym każdy członek załogi otrzymuje około 1,8 kg żywności (plus opakowanie) dziennie. Zaopatrzenie się w żywność z Ziemi, stacji kosmicznej na orbicie Księżyca lub zamieszkiwania Marsa będzie znacznie droższe. Oczekuje się, że pierwsze wyprawy na Marsa będą trwać trzy lata w obie strony i szacuje się, że czteroosobowa załoga będzie potrzebować 10–11 000 kg żywności.

Wczesne wysiłki

Pierwszymi organizmami w kosmosie były „specjalnie opracowane szczepy nasion” wystrzelone na odległość 134 km (83 mil) 9 lipca 1946 roku za pomocą amerykańskiej rakiety V-2 wystrzelonej . Próbek tych nie udało się odzyskać. Pierwszymi nasionami wystrzelonymi w przestrzeń kosmiczną i pomyślnie odzyskanymi były kukurydzy wystrzelone 30 lipca 1946 r. Wkrótce potem pojawiły się nasiona żyta i bawełny . Te wczesne suborbitalne eksperymenty biologiczne były prowadzone przez Uniwersytet Harvarda i Laboratorium Badawcze Marynarki Wojennej i dotyczyły narażenia na promieniowanie na żywej tkance. 22 września 1966 roku Kosmos 110 wystartował z dwoma psami i nawilżonymi nasionami. Kilka z tych nasion wykiełkowało, jako pierwsze, w wyniku czego sałata, kapusta i część fasoli wydały większy plon niż ich kontrola na Ziemi. W 1971 roku 500 nasion drzew ( sosna Loblolly , jawor , Sweetgum , sekwoja i daglezja ) zostało przetransportowanych wokół Księżyca na statku Apollo 14 . Te księżycowe drzewa zostały zasadzone i uprawiane pod kontrolą na Ziemi, gdzie nie wykryto żadnych zmian.

Era stacji kosmicznej

Sałata przypominająca rukolę Mizuna rośnie dla Veg-03
Młoda roślina słonecznika na pokładzie ISS

W 1982 roku załoga radzieckiej stacji kosmicznej Salut 7 przeprowadziła eksperyment przygotowany przez litewskich naukowców (Alfonsasa Merkysa i innych) i wyhodowała Arabidopsis przy użyciu eksperymentalnego aparatu do mikroszklarni Fiton-3, stając się w ten sposób pierwszą rośliną, która zakwitła i wydała plony nasiona w kosmosie. W Skylab badano wpływ grawitacji i światła na rośliny ryżu . W 1997 roku w szklarni kosmicznej SVET -2 Space Greenhouse udało się osiągnąć wzrost roślin z nasion na nasiona na pokładzie stacji kosmicznej Mir . Nosił Bion 5 Daucus carota i Bion 7 przewoziły kukurydzę (znaną również jako kukurydza).

Badania roślin kontynuowano na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej . W ekspedycji ISS 4 zastosowano system produkcji biomasy . System produkcji warzyw (Veggie) został później zastosowany na pokładzie ISS. Rośliny przetestowane w Veggie przed wyjazdem w kosmos obejmowały sałatę, boćwinę, rzodkiewkę, kapustę pekińską i groszek. Czerwona sałata rzymska była uprawiana w kosmosie podczas Ekspedycji 40. Zebrano ją, gdy była dojrzała, zamrożono i przetestowano na Ziemi. Wyprawa 44 członkowie zostali pierwszymi amerykańskimi astronautami, którzy zjedli rośliny uprawiane w kosmosie 10 sierpnia 2015 r., kiedy zebrano ich plony Red Romaine. Od 2003 roku rosyjscy kosmonauci zjadają połowę swoich plonów, a drugą połowę przeznaczają na dalsze badania. W 2012 roku na pokładzie ISS pod opieką astronauty NASA Donalda Pettita zakwitł słonecznik . W styczniu 2016 roku amerykańscy astronauci ogłosili, że na pokładzie ISS zakwitła cynia .

W 2017 roku dla ISS zaprojektowano Advanced Plant Habitat , który był niemal samowystarczalnym systemem wzrostu roślin dla tej stacji kosmicznej na niskiej orbicie okołoziemskiej. System jest instalowany równolegle z innym systemem do uprawy roślin na pokładzie stacji, VEGGIE, a główna różnica w stosunku do tego systemu polega na tym, że APH jest zaprojektowany tak, aby wymagał mniejszej konserwacji przez ludzi. APH jest wspierany przez menedżera czasu rzeczywistego Plant Habitat Avionics . Niektóre rośliny, które miały zostać przetestowane w APH, obejmują pszenicę karłowatą i Arabidopsis. W grudniu 2017 r. do ISS dostarczono setki nasion do uprawy w systemie VEGGIE.

W 2018 roku na ISS przetestowano eksperyment Veggie-3 z poduszkami roślinnymi i matami korzeniowymi. Jednym z celów jest uprawa żywności przeznaczonej do spożycia przez załogę. Uprawy testowane w tym czasie to kapusta , sałata i mizuna . W 2018 roku przetestowano system PONDS do dostarczania składników odżywczych w warunkach mikrograwitacji.

Widok wnętrza hipotetycznego siedliska kosmicznego w kształcie cylindra O'Neilla , przedstawiający naprzemienne paski ziemi i okien.

W grudniu 2018 r. Niemieckie Centrum Lotnictwa i Kosmonautyki wystrzeliło satelitę EuCROPIS na niską orbitę okołoziemską. Misja obejmuje dwie szklarnie przeznaczone do uprawy pomidorów w warunkach symulowanej grawitacji najpierw Księżyca , a następnie Marsa (każda po 6 miesięcy), wykorzystując produkty uboczne obecności człowieka w przestrzeni kosmicznej jako źródło składników odżywczych. [ potrzebne źródło ] [ wymaga aktualizacji ]

Seria eksperymentów Seedling Growth mających na celu zbadanie mechanizmów tropizmów i cyklu komórkowego/komórki przeprowadzono na ISS w latach 2013–2017. Eksperymenty te obejmowały również wykorzystanie rośliny modelowej Arabidopsis thaliana i były efektem współpracy NASA (John Z. Kiss jako PI) i ESA (F. Javier Medina jako PI).

30 listopada 2020 roku astronauci na pokładzie ISS zebrali pierwsze zbiory rzodkiewek uprawianych na stacji. W sumie zebrano 20 roślin i przygotowano je do transportu z powrotem na Ziemię. Obecnie planuje się powtórzyć eksperyment i wyhodować drugą partię.

Powierzchnia Księżyca - od 2019 r

Chang'e 4 w styczniu 2019 r. przewoził 3-kilogramową (6,6 funta) szczelną „biosferę” zawierającą wiele nasion i jaj owadów, aby sprawdzić, czy rośliny i owady mogą wykluwać się i rosnąć razem w synergii. Doświadczenie obejmowało nasiona ziemniaków, pomidorów i Arabidopsis thaliana (rośliny kwitnącej) oraz jaja jedwabników . Stały się one [ potrzebne źródło ] pierwszymi roślinami uprawianymi na Księżycu . Systemy środowiskowe sprawią, że kontener będzie gościnny i będzie przypominał Ziemię, z wyjątkiem niskiej grawitacji księżycowej. Jeśli z jaj się wykluje, larwy będą wytwarzać dwutlenek węgla, a kiełkujące rośliny będą uwalniać tlen w procesie fotosyntezy . Mamy nadzieję, że razem rośliny i jedwabniki zdołają stworzyć prostą synergię w pojemniku. Miniaturowy aparat sfotografuje każdy wzrost. Eksperyment biologiczny został zaprojektowany przez 28 chińskich uniwersytetów. [ wymaga aktualizacji ]

Rośliny uprawiane w kosmosie

Sałata uprawiana w kosmosie na pokładzie ISS

Rośliny uprawiane w kosmosie obejmują:

Eksperymenty

Ilustracja przedstawiająca rośliny rosnące w hipotetycznej bazie marsjańskiej.

Niektóre eksperymenty z udziałem roślin obejmują:

  • Prace nad Advanced Plant Habitat rozpoczęły się w kwietniu 2017 r. na pokładzie ISS.
  • Satelity Bion rozpoczęły się w 1973 roku.
  • System produkcji biomasy rozpoczął się w kwietniu 2002 roku na pokładzie ISS.
  • System produkcji warzyw (Veggie) rozpoczął się w maju 2014 r. na pokładzie ISS.
  • SVET, rozpoczął się w czerwcu 1990 na pokładzie Mira .
  • SVET-2 przeprowadzono w 1997 roku na pokładzie Mira .[
  • Szklarnia Łada (znana również jako Jednostka Walidująca Produkcja Warzyw Lada) rozpoczęła się w 2002 roku na pokładzie ISS.
  • ADVASC, na pokładzie ISS i Mir.
  • Prace nad TAGES rozpoczęły się w listopadzie 2009 roku na pokładzie ISS.
  • Wzrost roślin/fototropizm roślin, wybrany w marcu 1972 na pokładzie Skylab .
  • Jednostka uprawy roślin Oaza rozpoczęła działalność w 1971 roku na pokładzie Salut 1 .
  • Plant Signaling ( STS-135 ) rozpoczął się w lipcu 2011 roku na pokładzie ISS.
  • Eksperyment ze wzrostem roślin ( STS-95 ) rozpoczął się w październiku 1998 roku na pokładzie ISS.
  • Badanie NASA Clean Air Study rozpoczęło się w 1989 roku w Centrum Kosmicznym Stennis.
  • Projekt ECOSTRESS rozpoczął się w czerwcu 2018 r. na pokładzie ISS.
  • Chang'e 4 z nasionami i jajami owadów w celu sprawdzenia, czy rośliny i owady mogą wykluwać się i rosnąć razem w synergii, rozpoczęło się w 2019 r.
  • SpaceMoss ( SpaceX CRS-18 ), eksperyment NASA badający wzrost mchu Physcomitrella patens w warunkach mikrograwitacji, rozpoczął się w lipcu 2019 roku na pokładzie ISS.
  • Algi jako zrównoważona żywność w kosmosie

Zobacz też

Linki zewnętrzne

Źródło: „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Plants_in_space&oldid=1143539248 ”