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 por parte de los seres humanos. [1]
Se ha estudiado la posibilidad de cultivar plantas en el espacio exterior , generalmente en un entorno controlado, sin peso pero bajo presión, en jardines espaciales específicos. [2] En el contexto de los vuelos espaciales tripulados, se pueden consumir como alimento y/o proporcionar una atmósfera refrescante. [3] Las plantas pueden metabolizar el dióxido de carbono del 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 los vuelos espaciales tripulados. [4]
El primer desafío en el cultivo de plantas en el espacio es cómo lograr que crezcan sin gravedad. [5] Esto plantea dificultades relacionadas con los efectos de la gravedad en el desarrollo de las raíces, el suministro de tipos de iluminación adecuados y otros desafíos. En particular, el suministro de nutrientes a las raíces, así como los ciclos biogeoquímicos de nutrientes y las interacciones microbiológicas en sustratos basados en el suelo son particularmente complejos, pero se ha demostrado que hacen posible la agricultura espacial en condiciones de 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 de larga duración. [8]
Vegetación extraterrestre
La astrobotánica es la investigación de la idea de que puede existir vida vegetal extraterrestre en otros planetas. En este artículo, un artista ha imaginado vegetación extraterrestre en los restos de la playa del mar de una exoluna. [9]
Vegetación de borde rojo
El borde rojo de la vegetación (VRE, por sus siglas en inglés) es una biofirma de longitudes de onda cercanas al infrarrojo que se puede observar a través de la observación telescópica de la Tierra y que ha aumentado en fuerza a medida que la evolución ha hecho más compleja la vida vegetativa. [10] En la Tierra, este fenómeno se ha detectado a través del análisis del brillo planetario en la Luna, que puede mostrar un espectro de reflexión que alcanza un pico de 700 nm. [10] En un artículo publicado en Nature en 1990, Sagan et al. describieron la detección de Galileo de luz infrarroja irradiando desde la Tierra como evidencia de "actividad biológica generalizada" [11] en la Tierra, con evidencia de fotosíntesis como un factor particularmente fuerte.
El aumento de la fuerza de la biofirma VRE de la Tierra se ha evaluado a través del modelado de la radiación de la Tierra primitiva. [10] Los musgos y helechos , que fueron dominantes en la Tierra en los períodos Ordovícico y Carbonífero , producen picos de radiación infrarroja detectables más débiles a 700 nm que la vegetación de la Tierra moderna. [10] Los astrobotánicos centrados en la vegetación extraterrestre han teorizado que al usar estos mismos modelos, podría ser posible medir si los exoplanetas en sus respectivas zonas Goldilocks actualmente tienen vegetación y, al comparar las biofirmas VRE con la radiación terrestre histórica modelada, estimar la complejidad de esta vegetación. [12]
Existen varios obstáculos para la detección de VREs exoplanetarios:
La detección de los ERV 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 picos de radiación infrarroja reveladores de los ERV en sistemas de exoplanetas distantes.
Se ha observado que una densa cobertura de nubes es perjudicial para la detección de ERV, ya que una mayor cobertura de nubes aumenta el albedo general , lo que dificulta la detección de 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 presente como el mínimo para ERV exoplanetarios detectables visibles desde telescopios en la Tierra. [14]
Se ha demostrado que ciertos minerales presentan espectros de reflexión de bordes afilados similares a los de los pigmentos fotosintéticos que captan luz. Esto significa que primero se deben descartar los orígenes minerales de los efectos similares a los de 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 muestran características de reflexión diferentes a las de las formas de cristales 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 es alto, descartaría la abundancia superficial 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 en torno a la búsqueda de vegetación extraterrestre. Debido a las tormentas en Marte que causan un oscurecimiento de la superficie visible desde la Tierra, los contemporáneos de Tikhov a menudo creían en la existencia de vegetación marciana comparable a los cambios de color estacionales de la vegetación de la Tierra. [14] [1] Partiendo de las conclusiones a las que llegó al examinar el brillo ceniciento 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 le llevó a plantear la hipótesis de que el carácter de la vegetación marciana probablemente fuera de tono azul, compuesta principalmente de musgos y líquenes. [1] La investigación de Tikhov sobre astrobotánica luego se convertiría en 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 usar 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 de los ERV en la Tierra, el interés astrobotánico en la vegetación extraterrestre se ha centrado principalmente en examinar la viabilidad de la detección de ERV, [10] [13] [15] [16] y se han propuesto varios proyectos:
El Extremely Large Telescope del 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 señales de vegetación extraterrestre mediante la captura de datos atmosféricos, incluida una biofirma de VRE, que se hace visible cuando los exoplanetas de TRAPPIST-1 pasan por la cara de la estrella. La NASA ha determinado que tres de los exoplanetas rocosos de TRAPPIST-1 ( 1e , 1f y 1g ) se encuentran dentro de la zona habitable de agua líquida (y otra materia biológica, como vegetación). [16] [21]
Carácter de la vegetación extraterrestre
La descripción precisa de las características 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 que se encuentra 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 rigen las condiciones atmosféricas, como el viento, que afectan al 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 de exoplanetas 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 de azul [14] [22] dentro de su sistema de exoplanetas, con el fin de reflejar los altos niveles de fotones azules emitidos por estrellas de su tipo.
Cultivo de plantas en el espacio
El estudio de la respuesta de las plantas en entornos espaciales es otro tema de investigación de la astrobotánica. En el espacio, las plantas se enfrentan a factores estresantes ambientales únicos que no se encuentran en la Tierra, como la microgravedad , la radiación ionizante y el estrés oxidativo. [23] Los experimentos han demostrado que estos factores estresantes causan alteraciones genéticas en las vías metabólicas 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 vital 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. La especulación sobre el cultivo de plantas en el espacio ha existido 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] Tikhov es considerado el padre de la astrobotánica. La investigación en este campo se ha llevado a cabo tanto con el cultivo de plantas terrestres en entornos espaciales como en la búsqueda de vida botánica en otros planetas.
Semillas
Los primeros organismos en el espacio fueron "cepas de semillas especialmente desarrolladas" lanzadas a 134 km (83 mi) el 9 de julio de 1946 en un cohete V-2 lanzado por los EE. UU . Estas muestras no se recuperaron. Las primeras semillas lanzadas al espacio y recuperadas con éxito fueron semillas de maíz lanzadas el 30 de julio de 1946, a las que pronto siguieron las de centeno y algodón . Estos primeros experimentos biológicos suborbitales fueron manejados por la Universidad de Harvard y el Laboratorio de Investigación Naval y estaban relacionados con la exposición a la radiación en el tejido vivo. [26] En 1971, 500 semillas de árboles ( pino loblolly , sicómoro , liquidámbar , secuoya y abeto Douglas ) volaron alrededor de la Luna en el Apolo 14. Estos árboles lunares se plantaron y cultivaron con controles en la Tierra, donde no se detectaron cambios.
Plantas
La lechuga parecida a la rúcula que Mizuna cultiva para Veg-03
En 1982, la tripulación de la estación espacial soviética Salyut 7 realizó un experimento, preparado por científicos lituanos (Alfonsas Merkys y otros), y cultivó algunas Arabidopsis utilizando el aparato de microinvernadero experimental Fiton-3, convirtiéndose así en las primeras plantas en florecer y producir semillas en el espacio. [27] [28] Un experimento 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 transportaba Daucus carota y Bion 7 transportaba maíz .
La investigación de plantas continuó en la Estación Espacial Internacional . El Sistema de Producción de Biomasa se utilizó en la Expedición 4 a la ISS . El sistema de Producción de Vegetales (Veggie) se utilizó más tarde a bordo de la ISS . [31] Las plantas probadas en Veggie antes de ir al espacio incluyeron lechuga, acelga, rábanos, repollo chino y guisantes. [32] La lechuga romana roja se cultivó en el espacio en la Expedición 40 , que se cosechó cuando maduró, 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 cosechó su cosecha de lechuga romana roja. [33] Desde 2003, los cosmonautas rusos han estado comiendo la mitad de su cosecha, mientras que la otra mitad se destina a investigaciones posteriores. [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 una zinnia había florecido a bordo de la ISS. [36]
En 2018, se probó el experimento Veggie-3 con almohadas 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 'Outredgeous' 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 gloria de la mañana, no han sido cultivadas directamente en el espacio, sino que han sido sometidas a entornos espaciales y luego han germinado y crecido en la Tierra. [50]
Plantas para sustentar la vida en el espacio
Lechuga cultivada y cosechada en la Estación Espacial Internacional antes de ser congelada y devuelta a la Tierra.
Las algas fueron las primeras candidatas para sistemas de soporte vital de plantas y humanos. Las investigaciones iniciales en los años 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 los EE. UU. investigaron el uso de plantas superiores para cumplir con los roles 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 para lograr condiciones óptimas de crecimiento en sistemas cerrados han requerido investigación tanto de parámetros ambientales necesarios para cultivos particulares (como diferentes períodos de luz para cultivos de día corto versus cultivos de día largo) como de cultivares que se adaptan mejor al crecimiento del sistema de soporte vital.
Las pruebas de sistemas de soporte vital de plantas y humanos en el espacio son relativamente pocas en comparación con las pruebas similares realizadas en la Tierra y las pruebas de microgravedad sobre el crecimiento de las plantas en el espacio. Las primeras pruebas de sistemas de soporte vital realizadas en el espacio incluyeron experimentos de intercambio de gases con trigo, papa 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 entornos confinados. [53]
Las investigaciones más recientes se han centrado en la extrapolación de estos sistemas de soporte vital a otros planetas, principalmente a bases marcianas. Se han creado prototipos de sistemas cerrados entrelazados llamados "biosferas modulares" para albergar 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 cultivos desarrollados específicamente para la vida extraplanetaria. [56] También se ha debatido la posibilidad de utilizar la luna marciana Fobos como base de recursos, potencialmente extrayendo agua congelada y dióxido de carbono de la superficie y, eventualmente, utilizando cráteres ahuecados para cámaras de crecimiento autónomas que se puedan recolectar durante las misiones de minería. [55]
Investigación de plantas
El estudio de la investigación vegetal ha proporcionado información útil para otras áreas de la botánica y la horticultura. La NASA llevó a cabo con éxito una amplia investigación sobre sistemas hidropónicos en los programas CELSS y ALS, así como sobre los efectos del aumento del fotoperiodo y la intensidad de la luz en 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 en interiores. El estudio intensivo del intercambio de gases y las concentraciones de 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 aumento del uso de LED en las operaciones de cultivo en interiores. [57]
Experimentos
Ilustración de plantas que crecen en una hipotética base de Marte.
Algunos experimentos para hacer con plantas incluyen:
Satélites Bion
Sistema de producción de biomasa a bordo de la ISS
Una planta de girasol joven a bordo de la ISS [65]
Se han realizado varios experimentos para comparar el crecimiento y la distribución de las plantas en condiciones de microgravedad, en el espacio, con las condiciones terrestres. Esto permite a los científicos explorar si ciertos patrones de crecimiento de las plantas son innatos o están determinados por el medio ambiente. Por ejemplo, Allan H. Brown probó los movimientos de las plántulas a bordo del transbordador espacial Columbia en 1983. Se registraron los movimientos de las plántulas de girasol mientras estaban en órbita. Observaron que las plántulas seguían experimentando un crecimiento rotatorio y circunnacional a pesar de la falta de gravedad, lo que demuestra que estos comportamientos son innatos. [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 la experimentación 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 los amiloplastos en las vías dependientes del calcio. [68] Los resultados de este experimento encontraron que las plantas podían 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), mostró 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 para observar los patrones generales de crecimiento de las plantas en lugar de un comportamiento de crecimiento específico. Un experimento de este tipo de la Agencia Espacial Canadiense , por ejemplo, descubrió que las plántulas de abeto blanco crecían de manera diferente en el entorno espacial antigravedad en comparación con las plántulas terrestres; [71] las plántulas espaciales exhibieron un crecimiento mejorado 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 de la Tierra se ha extinguido. Se han conservado tantos especímenes como ha sido posible en una serie de enormes cúpulas geodésicas similares a invernaderos, unidas a una gran nave espacial llamada Valley Forge , que forma parte de una flota de cargueros espaciales de American Airlines, actualmente 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 usa su experiencia en horticultura para cultivar patatas como alimento mientras está atrapado en Marte. [75]
Comida espacial : comida consumida por los astronautas en el espacio exterior
Terraformación : un proceso hipotético de ingeniería planetaria
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