La astrobotánica se ocupa tanto del estudio del descubrimiento de vegetación extraterrestre como de la investigación del crecimiento de la vegetación terrestre en el espacio exterior realizado por los humanos. [1]
Ha sido objeto de estudio que las plantas pueden cultivarse en el espacio exterior , normalmente en un entorno controlado ingrávido pero presurizado en jardines espaciales específicos. [2] En el contexto de los vuelos espaciales tripulados, pueden consumirse como alimento y/o proporcionar una atmósfera refrescante. [3] Las plantas pueden metabolizar el dióxido de carbono en el aire para producir oxígeno valioso y pueden ayudar a controlar la humedad de la cabina. [4] El cultivo de plantas en el espacio puede proporcionar un beneficio psicológico a las tripulaciones de vuelos espaciales tripulados. [4]
El primer desafío al cultivar plantas en el espacio es cómo hacer que las plantas crezcan sin gravedad. [5] Esto enfrenta dificultades con respecto a los efectos de la gravedad en el desarrollo de las raíces, el suministro de tipos apropiados de iluminación y otros desafíos. En particular, el suministro de nutrientes a las raíces, así como los ciclos biogeoquímicos de los nutrientes y las interacciones microbiológicas en los sustratos del suelo son particularmente complejos, pero se ha demostrado que hacen posible la agricultura espacial en hipo y microgravedad. [6] [7]
La NASA planea cultivar plantas en el espacio para ayudar a alimentar a los astronautas y brindar beneficios psicológicos para los vuelos espaciales a largo plazo. [8]
Vegetación extraterrestre
La astrobotánica ha sido la investigación de la idea de que puede existir vida vegetal extraterrestre en otros planetas. Aquí, un artista ha imaginado plantas alienígenas en las costas de un exosoe exoluna. [9]
Borde rojo de la vegetación.
El borde rojo de la vegetación (VRE) es una firma biológica de longitudes de onda del infrarrojo cercano que se puede observar mediante la observación telescópica de la Tierra y ha aumentado en fuerza a medida que la evolución ha hecho que la vida vegetativa sea más compleja. [10] En la Tierra, este fenómeno se ha detectado mediante el análisis del brillo planetario en la Luna, que puede mostrar un espectro de reflexión que alcanza un máximo de 700 nm. [10] En un artículo publicado en Nature en 1990, Sagan et al. describió la detección por parte de Galileo de luz infrarroja que irradia desde la Tierra como evidencia de una "actividad biológica generalizada" [11] en la Tierra, siendo la evidencia de la fotosíntesis un factor particularmente fuerte.
El aumento de la fuerza de la biofirma VRE de la Tierra se ha evaluado mediante el modelado de la radiación terrestre temprana. [10] Los musgos y helechos , que dominaron la Tierra en los períodos Ordovícico y Carbonífero , producen picos de radiación infrarroja detectables más débiles a 700 nm que la vegetación terrestre moderna. [10] Los astrobotánicos centrados en la vegetación extraterrestre han teorizado que, al utilizar estos mismos modelos, podría ser posible medir si los exoplanetas en sus respectivas zonas de Ricitos de Oro actualmente contienen vegetación y, al comparar las biofirmas de VRE con la radiación histórica de la Tierra modelada, estimar la complejidad de esta vegetación. [12]
Existen varios obstáculos para la detección de VRE exoplanetarios:
La detección del VRE de la Tierra por parte de Galileo se vio facilitada por la proximidad física del satélite a la Tierra; Hasta el lanzamiento del telescopio espacial James Webb en diciembre de 2021, la tecnología telescópica aún no estaba lo suficientemente avanzada como para detectar los reveladores picos de radiación infrarroja de VRE en sistemas de exoplanetas distantes.
Se ha observado que una densa nubosidad es perjudicial para la detección de VRE, ya que una mayor nubosidad aumenta el albedo general , lo que hace que sea más difícil detectar la variedad de longitudes de onda de la radiación. [13] Además, las nubes son perjudiciales para la observación de la superficie, lo que lleva a una estimación de ≥20% de cobertura vegetal Y superficie libre de nubes como mínimo para VRE exoplanetarios detectables visibles desde telescopios en la Tierra. [14]
Se ha demostrado que ciertos minerales presentan espectros reflectantes de bordes nítidos similares a los de los pigmentos fotosintéticos que captan la luz. Esto significa que primero se deben descartar los orígenes minerales de los efectos similares a los ERV antes de poder confirmar una explicación biológica. [13] Esto puede ser difícil de lograr desde la Tierra, ya que los minerales en forma de partículas de regolito más finas demuestran características reflectantes diferentes a las formas cristalinas grandes que se encuentran en la Tierra. Una sugerencia hecha por Sara Seager et al. es utilizar mediciones atmosféricas para determinar el nivel de oxígeno atmosférico, que si fuera alto descartaría la abundancia en la superficie de minerales no oxidados. [13]
Búsquedas de vegetación
Apodado "el creador de la astrobotánica", [1] Gavriil Adrianovich Tikhov acuñó el término en 1945 para describir el campo emergente que rodea la búsqueda de vegetación extraterrestre. Debido a las tormentas en Marte que causan el oscurecimiento de la superficie visible desde la Tierra, los contemporáneos de Tíjov a menudo creían en la existencia de una vegetación marciana comparable a los cambios estacionales de color de la vegetación de la Tierra. [14] [1] A partir de las conclusiones alcanzadas al examinar el brillo terrestre en la Luna en 1914, en 1918 y 1921, Tikhov descubrió mediante el uso de filtros de color telescópicos que las clorofilas eran indetectables en la superficie marciana, lo que lo llevó a plantear la hipótesis de que el carácter de la vegetación marciana Probablemente sería de tonalidad azul, compuesto principalmente de musgos y líquenes. [1] La investigación de Tikhov sobre astrobotánica se convertiría más tarde en una investigación sobre el cultivo de plantas en el espacio, o en la demostración de la posibilidad de que las plantas crezcan en condiciones extraterrestres (especialmente comparando el clima de Marte y Siberia), pero fue el primer astrónomo conocido en utilizar el color. para intentar medir el nivel de vegetación en un satélite extraterrestre. [1]
Después del sobrevuelo de Galileo en 1990 que demostró el efecto VRE en la Tierra, el interés astrobotánico en la vegetación extraterrestre se ha centrado principalmente en examinar la viabilidad de la detección de VRE, [10] [13] [15] [16] y se han propuesto varios proyectos:
El Telescopio Extremadamente Grande de ESO , cuyo lanzamiento está previsto para 2028, [18] también ha sido citado [12] [19] como otro telescopio que podrá detectar biofirmas de ERV exoplanetarios.
El Telescopio Espacial James Webb ha estado buscando en el sistema de exoplanetas TRAPPIST-1 desde 2021 signos de vegetación extraterrestre mediante la captura de datos atmosféricos, incluida una firma biológica VRE, que se hace visible cuando los exoplanetas de TRAPPIST-1 pasan por la cara de la estrella. La NASA ha considerado que tres de los exoplanetas rocosos de TRAPPIST-1 ( 1e , 1f y 1g ) se encuentran dentro de la zona habitable para agua líquida (y otra materia biológica, como la vegetación). [16] [21]
Carácter de la vegetación extraterrestre.
La descripción precisa del carácter de la vegetación extraterrestre es altamente especulativa, pero sigue principios de "física sólida y química atmosférica", según el profesor John Albert Raven de la Universidad de Dundee . [17]
Un factor que determina el carácter de la vegetación extraterrestre es la estrella en el centro del sistema. El Sol es una estrella de secuencia principal de tipo G , que proporciona las condiciones para la fotosíntesis de clorofila y los niveles de radiación que gobiernan las condiciones atmosféricas como el viento, afectando el desarrollo evolutivo. TRAPPIST-1 es una estrella enana roja ultrafría que proporciona casi la mitad de la energía que el Sol, lo que lleva a la especulación astrobotánica de que la vegetación en el sistema exoplanetario TRAPPIST-1 podría ser mucho más oscura, incluso negra para los ojos humanos. [14]
Por otro lado, se ha especulado que las estrellas de secuencia principal de tipo F , como sigma Boötis , fomentan el crecimiento de vegetación extraterrestre teñida de amarillo [17] o azul [14] [22] dentro de su sistema de exoplanetas. , para reflejar los altos niveles de fotones azules emitidos por estrellas de este tipo.
Cultivar plantas en el espacio.
El estudio de la respuesta de las plantas en entornos espaciales es otro tema de investigación en astrobotánica. En el espacio, las plantas encuentran factores estresantes ambientales únicos que no se encuentran en la Tierra, incluida la microgravedad , la radiación ionizante y el estrés oxidativo. [23] Los experimentos han demostrado que estos factores estresantes causan alteraciones genéticas en las vías del metabolismo de las plantas. Los cambios en la expresión genética han demostrado que las plantas responden a nivel molecular a un entorno espacial. [24] La investigación astrobotánica se ha aplicado a los desafíos de crear sistemas de soporte de vida tanto en el espacio como en otros planetas, principalmente Marte.
Historia
El científico ruso Konstantin Tsiolkovsky fue una de las primeras personas en discutir el uso de la vida fotosintética como recurso en los sistemas agrícolas espaciales. Las especulaciones sobre el cultivo de plantas en el espacio existen desde principios del siglo XX. [25] El término astrobotánica fue utilizado por primera vez en 1945 por el astrónomo soviético y pionero de la astrobiología Gavriil Adrianovich Tikhov . [1] Tíjov es considerado el padre de la astrobotánica. Se han realizado investigaciones de campo tanto con el cultivo de plantas terrestres en entornos espaciales como con la búsqueda de vida botánica en otros planetas.
La lechuga Mizuna parecida a la rúcula crece para Veg-03
En 1982, la tripulación de la estación espacial soviética Salyut 7 llevó a cabo un experimento, preparado por científicos lituanos (Alfonsas Merkys y otros), y cultivó algunas Arabidopsis utilizando el aparato experimental de microinvernadero Fiton-3, convirtiéndose así en las primeras plantas en florecer y producir. semillas en el espacio. [27] [28] Un experimento de Skylab estudió los efectos de la gravedad y la luz en las plantas de arroz . [29] [30] El invernadero espacial SVET-2 logró con éxito el crecimiento de plantas de semilla a semilla en 1997 a bordo de la estación espacial Mir . [4] Bion 5 llevaba Daucus carota y Bion 7 llevaba maíz (también conocido como maíz).
La investigación vegetal continuó en la Estación Espacial Internacional . El sistema de producción de biomasa se utilizó en la Expedición 4 de la ISS . El sistema Vegetal Production System (Veggie) se utilizó posteriormente a bordo de la ISS . [31] Las plantas probadas en Veggie antes de ir al espacio incluyeron lechuga, acelgas, rábanos, col china y guisantes. [32] La lechuga romana roja se cultivó en el espacio en la Expedición 40 y se cosechó cuando estaba madura, se congeló y se probó en la Tierra. Los miembros de la Expedición 44 se convirtieron en los primeros astronautas estadounidenses en comer plantas cultivadas en el espacio el 10 de agosto de 2015, cuando se recogió su cosecha de lechuga romana roja. [33] Desde 2003, los cosmonautas rusos se han estado comiendo la mitad de su cosecha, mientras que la otra mitad se destina a futuras investigaciones. [34] En 2012, un girasol floreció a bordo de la ISS bajo el cuidado del astronauta de la NASA Donald Pettit . [35] En enero de 2016, los astronautas estadounidenses anunciaron que había florecido una zinnia a bordo de la ISS. [36]
En 2018, se probó el experimento Veggie-3 con cojines de plantas y esteras de raíces. [37] Uno de los objetivos es cultivar alimentos para el consumo de la tripulación. [38] Los cultivos probados en este momento incluyen repollo , lechuga y mizuna . [39]
Plantas terrestres conocidas cultivadas en el espacio.
Cultivar de lechuga roja 'extravagante' cultivada a bordo de la Estación Espacial Internacional.
Las plantas que se han cultivado en el espacio incluyen:
Algunas plantas, como el tabaco y la campanilla, no se han cultivado directamente en el espacio, sino que han sido sometidas a entornos espaciales y luego germinadas y cultivadas en la Tierra. [50]
Plantas para sustentar la vida en el espacio
Lechuga cultivada y cosechada en la Estación Espacial Internacional antes de congelarse y devolverse a la Tierra.
Las algas fueron las primeras candidatas a sistemas de soporte vital para humanos y plantas. Las investigaciones iniciales en las décadas de 1950 y 1960 utilizaron especies de Chlorella, Anacystis, Synechocystis, Scenedesmus, Synechococcus y Spirulina para estudiar cómo los organismos fotosintéticos podrían usarse para el ciclo de O 2 y CO 2 en sistemas cerrados. [51] Investigaciones posteriores a través del programa BIOS de Rusia y el programa CELSS de EE. UU. investigaron el uso de plantas superiores para cumplir las funciones de reguladores atmosféricos, recicladores de desechos y alimentos para misiones sostenidas. Los cultivos más comúnmente estudiados incluyen cultivos de almidón como el trigo , la papa y el arroz ; cultivos ricos en proteínas como la soja, el maní y el frijol común; y una serie de otros cultivos que mejoran la nutrición, como la lechuga, la fresa y la col rizada . [52] Las pruebas de condiciones óptimas de crecimiento en sistemas cerrados han requerido investigación tanto de los parámetros ambientales necesarios para cultivos particulares (como diferentes períodos de luz para cultivos de días cortos versus cultivos de días largos) y cultivares que se adaptan mejor al sistema de soporte vital. crecimiento.
Las pruebas de sistemas de soporte vital para humanos y plantas en el espacio son relativamente pocas en comparación con pruebas similares realizadas en la Tierra y pruebas de microgravedad sobre el crecimiento de plantas en el espacio. Las primeras pruebas de sistemas de soporte vital realizadas en el espacio incluyeron experimentos de intercambio de gases con trigo, patatas y lenteja de agua gigante ( Spyrodela polyrhiza ). Se han utilizado proyectos de menor escala, a veces denominados "máquinas de ensaladas", para proporcionar productos frescos a los astronautas como suplemento dietético. [51] Se han planificado estudios futuros para investigar los efectos de mantener plantas en el bienestar mental de los humanos en ambientes confinados. [53]
Investigaciones más recientes se han centrado en extrapolar estos sistemas de soporte de vida a otros planetas, principalmente bases marcianas. Se han creado prototipos de sistemas cerrados entrelazados llamados "biosferas modulares" para soportar tripulaciones de cuatro a cinco personas en la superficie marciana. [54] Estos campamentos están diseñados como invernaderos y bases inflables. [55] Se prevé que utilicen suelos marcianos como sustrato de crecimiento y tratamiento de aguas residuales, y cultivares de cultivos desarrollados específicamente para la vida extraplanetaria. [56] También se ha debatido el uso de la luna marciana Fobos como base de recursos, potencialmente extrayendo agua congelada y dióxido de carbono de la superficie y eventualmente usando cráteres huecos para cámaras de crecimiento autónomas que pueden recolectarse durante las misiones mineras. [55]
Investigación de plantas
El estudio de la investigación sobre plantas ha aportado información útil para otras áreas de la botánica y la horticultura. La NASA realizó con éxito una amplia investigación sobre sistemas hidropónicos en los programas CELSS y ALS, así como sobre los efectos del aumento del fotoperíodo y la intensidad de la luz para diversas especies de cultivos. [51] La investigación también condujo a la optimización de los rendimientos más allá de lo que se había logrado anteriormente con los sistemas de cultivo de interior. El estudio intensivo del intercambio de gases y las concentraciones volátiles de las plantas en sistemas cerrados condujo a una mayor comprensión de la respuesta de las plantas a niveles extremos de gases como el dióxido de carbono y el etileno. El uso de LED en la investigación de sistemas cerrados de soporte vital también impulsó el mayor uso de LED en operaciones de cultivo en interiores. [57]
experimentos
Ilustración de plantas que crecen en una hipotética base de Marte.
Algunos experimentos relacionados con plantas incluyen:
Una joven planta de girasol a bordo de la ISS [65]
Varios experimentos se han centrado en cómo se compara el crecimiento y la distribución de las plantas en microgravedad, condiciones espaciales y condiciones terrestres. Esto permite a los científicos explorar si ciertos patrones de crecimiento de las plantas son innatos o están impulsados por el medio ambiente. Por ejemplo, Allan H. Brown probó los movimientos de las plántulas a bordo del transbordador espacial Columbia en 1983. Los movimientos de las plántulas de girasol se registraron mientras estaban en órbita. Observaron que las plántulas aún experimentaban crecimiento rotacional y circunvalación a pesar de la falta de gravedad, lo que demuestra que estos comportamientos están integrados. [66]
Otros experimentos han descubierto que las plantas tienen la capacidad de exhibir gravitropismo , incluso en condiciones de baja gravedad. Por ejemplo, el Sistema de Cultivo Modular Europeo de la ESA [67] permite experimentar con el crecimiento de las plantas; Actuando como un invernadero en miniatura , los científicos a bordo de la Estación Espacial Internacional pueden investigar cómo reaccionan las plantas en condiciones de gravedad variable. El experimento Gravi-1 (2008) utilizó el EMCS para estudiar el crecimiento de las plántulas de lentejas y el movimiento de amiloplastos en las vías dependientes del calcio. [68] Los resultados de este experimento encontraron que las plantas eran capaces de sentir la dirección de la gravedad incluso a niveles muy bajos. [69] Un experimento posterior con el EMCS colocó 768 plántulas de lentejas en una centrífuga para estimular varios cambios gravitacionales; Este experimento, Gravi-2 (2014), demostró que las plantas cambian la señalización del calcio hacia el crecimiento de las raíces mientras crecen en varios niveles de gravedad. [70]
Muchos experimentos tienen un enfoque más generalizado al observar patrones generales de crecimiento de las plantas en lugar de un comportamiento de crecimiento específico. Uno de esos experimentos de la Agencia Espacial Canadiense , por ejemplo, encontró que las plántulas de abeto blanco crecían de manera diferente en el ambiente espacial antigravedad en comparación con las plántulas en la Tierra; [71] las plántulas espaciales exhibieron un mayor crecimiento a partir de los brotes y las agujas, y también tuvieron una distribución aleatoria de amiloplastos en comparación con el grupo de control terrestre. [72]
En la cultura popular
La astrobotánica ha tenido varios reconocimientos en la literatura y el cine de ciencia ficción.
En la película Silent Running de 1972 se da a entender que, en el futuro, toda la vida vegetal en la Tierra se habrá extinguido. Se han conservado el mayor número posible de ejemplares en una serie de enormes cúpulas geodésicas con forma de invernadero, unidas a una gran nave espacial llamada Valley Forge , que forma parte de una flota de cargueros espaciales de American Airlines, actualmente justo fuera de la órbita de Saturno.
La novela Proteus Unbound de Charles Sheffield de 1989 menciona el uso de algas suspendidas en un "planeta" hueco gigante como biocombustible , creando un sistema energético cerrado. [73]
La película Avatar de 2009 presenta a una exobióloga , la Dra. Grace Augustine, quien escribió el primer texto astrobotánico sobre la flora de Pandora. [74]
El libro de 2011 y la película de 2015 The Martian de Andy Weir destacan la heroica supervivencia del botánico Mark Watney, quien utiliza su experiencia en horticultura para cultivar patatas como alimento mientras está atrapado en Marte. [75]
Alimentos espaciales : alimentos consumidos por los astronautas en el espacio exterior.
Terraformación : proceso hipotético de ingeniería planetaria
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