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Plantas en el espacio

Planta de zinnia en flor a bordo de una estación espacial en órbita terrestre

El crecimiento de plantas en el espacio exterior ha suscitado mucho interés científico. [1] A finales del siglo XX y principios del XXI, las plantas se llevaban a menudo al espacio en órbita terrestre baja para cultivarlas en un entorno controlado sin peso pero presurizado, a veces llamado jardines espaciales. [1] En el contexto de los vuelos espaciales tripulados, se pueden consumir como alimento y proporcionar una atmósfera refrescante. [2] Las plantas pueden metabolizar el dióxido de carbono del aire para producir oxígeno valioso y pueden ayudar a controlar la humedad de la cabina. [3] El cultivo de plantas en el espacio puede proporcionar un beneficio psicológico a las tripulaciones de los vuelos espaciales humanos. [3] Por lo general, las plantas formaban parte de estudios o desarrollo técnico para seguir desarrollando jardines espaciales o realizar experimentos científicos. [1] Hasta la fecha, las plantas llevadas al espacio han tenido un interés principalmente científico, con solo contribuciones limitadas a la funcionalidad de la nave espacial, sin embargo, el proyecto del árbol lunar del Apolo fue una misión más o menos inspirada en la silvicultura y los árboles son parte de la celebración del bicentenario de un país.

El primer desafío en el cultivo de plantas en el espacio es cómo lograr que las plantas crezcan sin gravedad. [4] Esto enfrenta dificultades relacionadas con los efectos de la gravedad en el desarrollo de las raíces, la integración del suelo y el riego sin gravedad, proporcionando tipos apropiados de iluminación 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 hipo y microgravedad. [5] [6]

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. [7] En 2017, a bordo de la ISS en un dispositivo de crecimiento de plantas, la quinta cosecha de repollo chino ( Brassica rapa ) de él incluyó una asignación para el consumo de la tripulación, mientras que el resto se guardó para el estudio. [8] Una discusión temprana de las plantas en el espacio, fueron los árboles en la estación espacial de la luna de ladrillo, en el cuento de 1869 " La luna de ladrillo ". [9]

Historia

Se debate sistema de producción de hortalizas para ISS

En la década de 2010 hubo un mayor deseo de misiones espaciales de largo plazo, lo que llevó al deseo de producción de plantas en el espacio como alimento para los astronautas. [10] Un ejemplo de esto es la producción de vegetales en la Estación Espacial Internacional en órbita terrestre. [10] Para el año 2010, se habían realizado 20 experimentos de crecimiento de plantas a bordo de la Estación Espacial Internacional . [1]

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 impulsados ​​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 circumnutación a pesar de la falta de gravedad, lo que demuestra que estos comportamientos son instintivos. [11]

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 [12] 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. [13] Los resultados de este experimento encontraron que las plantas podían sentir la dirección de la gravedad incluso a niveles muy bajos. [14] 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. [15]

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; [16] 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. [17]

La producción de alimentos es fundamental para que la exploración espacial sea posible. En la actualidad, se estima que el coste de enviar alimentos a la Estación Espacial Internacional (ISS) es de entre 20.000 y 40.000 dólares por kilo, y cada miembro de la tripulación recibe unos 1,8 kilos de alimentos (más el embalaje) al día. La reposición de alimentos desde la Tierra, una estación espacial en órbita lunar o la habitación de Marte será significativamente más costosa. Se espera que los primeros viajes a Marte duren tres años y se ha estimado que una tripulación de cuatro personas necesitaría entre 10.000 y 11.000 kilos de alimentos. [18]

Primeros esfuerzos

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. Pronto siguieron el centeno y el 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. [19] El 22 de septiembre de 1966, Kosmos 110 se lanzó con dos perros y semillas hidratadas. Varias de esas semillas germinaron, las primeras en hacerlo, dando como resultado lechuga, repollo y algunos frijoles que tuvieron un mayor rendimiento que sus controles en la Tierra. [20] 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 fueron plantados y cultivados con controles en la Tierra, donde no se detectaron cambios.

Era de la estación espacial

La lechuga parecida a la rúcula que Mizuna cultiva para Veg-03
Una planta de girasol joven a bordo de la ISS [21]

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. [22] [23] Un experimento Skylab estudió los efectos de la gravedad y la luz en las plantas de arroz . [24] [25] 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 . [3] 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. [26] Las plantas probadas en Veggie antes de ir al espacio incluyeron lechuga, acelga, rábanos, repollo chino y guisantes. [27] 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. [28] Desde 2003, los cosmonautas rusos han estado comiendo la mitad de su cosecha, mientras que la otra mitad se destina a investigaciones posteriores. [29] En 2012, un girasol floreció a bordo de la ISS bajo el cuidado del astronauta de la NASA Donald Pettit . [30] En enero de 2016, los astronautas estadounidenses anunciaron que una zinnia había florecido a bordo de la ISS. [31]

En 2017 se diseñó el Advanced Plant Habitat para la ISS, que era un sistema de crecimiento de plantas casi autosuficiente para esa estación espacial en la órbita terrestre baja. [32] El sistema está instalado en paralelo con otro sistema de cultivo de plantas a bordo de la estación, VEGGIE, y una diferencia importante con ese sistema es que APH está diseñado para necesitar menos mantenimiento por parte de los humanos. [32] APH cuenta con el respaldo del Plant Habitat Avionics Real-Time Manager . [32] Algunas de las plantas que se iban a probar en APH incluyen el trigo enano y la Arabidopsis. [32] En diciembre de 2017, se entregaron cientos de semillas a la ISS para su crecimiento en el sistema VEGGIE. [33] APH es un avance importante en la comprensión del crecimiento de las plantas en el espacio y, por lo tanto, en el futuro de la exploración espacial en general. [34]

En 2018, se probó el experimento Veggie-3 en la ISS con almohadas de plantas y esteras de raíces. [35] Uno de los objetivos es cultivar alimentos para el consumo de la tripulación. [35] Los cultivos probados en este momento incluyen repollo , lechuga y mizuna . [35] En 2018, se probó el sistema PONDS para la entrega de nutrientes en microgravedad. [36]

Vista interior de un hipotético hábitat espacial cilíndrico de O'Neill , que muestra franjas alternas de tierra y ventanas.

En diciembre de 2018, el Centro Aeroespacial Alemán lanzó el satélite EuCROPIS a la órbita baja terrestre. Esta misión transportó dos invernaderos destinados a cultivar tomates bajo la gravedad simulada de la Luna y luego de Marte (6 meses cada uno) utilizando subproductos de la presencia humana en el espacio como fuente de nutrientes. Cuando los científicos activaron el experimento, descubrieron que los invernaderos funcionaban, pero el sistema de riego no; por lo tanto, las semillas latentes no se podían utilizar. [37]

La serie de experimentos Seedling Growth para estudiar los mecanismos de los tropismos y el ciclo celular se realizó en la ISS entre 2013 y 2017. [38] [39] Estos experimentos también implicaron el uso de la planta modelo Arabidopsis thaliana, y fueron una colaboración entre la NASA ( John Z. Kiss como IP) y la ESA (F. Javier Medina como IP). [39] [40]

El 30 de noviembre de 2020, los astronautas a bordo de la ISS recogieron la primera cosecha de rábanos cultivados en la estación. Se recogieron un total de 20 plantas y se prepararon para su transporte de regreso a la Tierra. Actualmente hay planes para repetir el experimento y cultivar un segundo lote. [41]

Superficie lunar

Suelo lunar en la luna

El módulo de aterrizaje lunar Chang'e 4 en enero de 2019, llevaba una "biosfera" sellada de 3 kg (6,6 lb) con muchas semillas y huevos de insectos para probar si las plantas y los insectos podían eclosionar y crecer juntos en sinergia. [42] El experimento incluyó semillas de papas, tomates y Arabidopsis thaliana (una planta con flores), así como huevos de gusanos de seda . El 15 de enero de 2019, se informó que las semillas de algodón habían crecido en la biosfera; esta se convirtió en la primera planta cultivada en la Luna . [43] [44] Se implementaron sistemas ambientales para mantener el contenedor hospitalario y similar a la Tierra, excepto por la baja gravedad lunar. [45] Se esperaba que si los huevos eclosionaban, las larvas producirían dióxido de carbono, mientras que las plantas germinadas liberarían oxígeno a través de la fotosíntesis . Se esperaba que juntos, las plantas y los gusanos de seda pudieran establecer una sinergia simple dentro del contenedor. Una cámara en miniatura debía fotografiar cualquier crecimiento. El experimento biológico fue diseñado por 28 universidades chinas. [46] [47]

En 2023 se informó que el experimento original de 100 días se redujo a 9 días; los insectos no eclosionaron y las papas no brotaron. [48] El algodón sobrevivió durante 2 días antes de sucumbir a los cambios de temperatura. [49]

Suelo lunar en la Tierra

También se ha demostrado [ se necesita verificación ] que el suelo lunar permite el crecimiento de plantas, según se ha probado en un laboratorio de la Universidad de Florida. [50] Estos experimentos demostraron que, si bien la planta Arabidopsis thaliana puede germinar y crecer en suelo lunar, existen desafíos para la capacidad de las plantas para prosperar, ya que muchas se desarrollaron lentamente. Las plantas que germinaron mostraron indicaciones morfológicas y transcriptómicas de estrés. [51]

Plantas cultivadas en el espacio

Lechuga cultivada en el espacio a bordo de la ISS

Las plantas cultivadas en el espacio incluyen:

Experimentos

Ilustración de plantas que crecen en una hipotética base de Marte.

Algunos experimentos que involucran plantas incluyen:

Experimentos del sistema de producción de hortalizas

El Sistema de Producción de Vegetales (Veggie) comenzó en mayo de 2014 a bordo de la ISS. Esto incluyó: [79]


Véase también

Referencias

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