La astrobotánica es una subdisciplina aplicada de la botánica que es el estudio de las plantas en entornos espaciales . Es una rama de la astrobiología y la botánica.
Ha sido un tema de estudio que las plantas pueden cultivarse en el espacio exterior típicamente en un ambiente controlado ingrávido pero presurizado en jardines espaciales específicos. [1] En el contexto de los vuelos espaciales tripulados, pueden consumirse como alimento y / o proporcionar una atmósfera refrescante. [2] 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. [3] El cultivo de plantas en el espacio puede proporcionar un beneficio psicológico a las tripulaciones de los vuelos espaciales humanos. [3]
El primer desafío al cultivar plantas en el espacio es cómo hacer que las plantas crezcan sin gravedad. [4] Esto tiene dificultades con respecto a los efectos de la gravedad en el desarrollo de las raíces, proporcionando los tipos adecuados de iluminación y otros desafíos. En particular, el suministro de nutrientes a la raíz, así como los ciclos biogeoquímicos de los nutrientes y las interacciones microbiológicas en los sustratos del suelo son particularmente complejas, 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 proporcionar beneficios psicológicos para los vuelos espaciales a largo plazo. [7]
Vegetación extraterrestre
La búsqueda de vegetación en otros planetas comenzó con Gavriil Tikhov, quien intentó detectar vegetación extraterrestre mediante el análisis de las longitudes de onda de la luz reflejada de un planeta, o planetshine . Los pigmentos fotosintéticos, como las clorofilas en la Tierra, reflejan espectros de luz que aumentan en el rango de 700 a 750 nm. Este pico pronunciado se conoce como "borde rojo de la vegetación". [9] Se pensó que la observación de este pico en una lectura del brillo planetario indicaría una superficie cubierta de vegetación verde. La búsqueda de vegetación extraterrestre ha sido superada por la búsqueda de vida microbiana en otros planetas [10] o modelos matemáticos para predecir la viabilidad de la vida en exoplanetas. [11]
Cultivando plantas en el espacio
El estudio de la respuesta de las plantas en entornos espaciales es otro tema de investigación astrobotánica. En el espacio, las plantas encuentran factores de estrés ambientales únicos que no se encuentran en la Tierra, como la microgravedad , la radiación ionizante y el estrés oxidativo. [12] 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. [13] La investigación astrobotánica se ha aplicado a los desafíos de crear sistemas de soporte vital tanto en el espacio como en otros planetas, principalmente en 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 existe desde principios del siglo XX. [14] El término astrobotánica fue utilizado por primera vez en 1945 por el astrónomo y pionero de la astrobiología soviético Gavriil Adrianovich Tikhov . [15] Se considera que Tikhov es el padre de la astrobotánica. La investigación en el campo se ha realizado 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 millas) el 9 de julio de 1946 en un cohete V-2 lanzado por Estados Unidos . Estas muestras no se recuperaron. Las primeras semillas lanzadas al espacio y recuperadas con éxito fueron las 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 los tejidos vivos. [16] En 1971, 500 semillas de árboles ( pino Loblolly , Sycamore , Sweetgum , Redwood 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
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 algunos Arabidopsis utilizando el aparato de microinvernadero experimental Fiton-3, convirtiéndose así en las primeras plantas en florecer y producir semillas en el espacio. [17] [18] Un experimento de Skylab estudió los efectos de la gravedad y la luz en las plantas de arroz . [19] [20] El invernadero espacial SVET-2 logró con éxito el crecimiento de semilla a semilla en 1997 a bordo de la estación espacial Mir . [3] Bion 5 llevaba Daucus carota y Bion 7 llevaba maíz (también conocido como maíz).
Continuó la investigación de plantas en la Estación Espacial Internacional . El Sistema de Producción de Biomasa se utilizó en la Expedición 4 de la ISS . El sistema Vegetable Production System (Veggie) se utilizó más tarde a bordo de ISS . [21] Las plantas probadas en Veggie antes de ir al espacio incluían lechuga, acelgas, rábanos, col china y guisantes. [22] La lechuga romana roja se cultivó en el espacio en la Expedición 40, que se cosecharon cuando estaban maduras, se congelaron y se probaron 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 Red Romaine. [23] Desde 2003, los cosmonautas rusos se han estado comiendo la mitad de su cosecha, mientras que la otra mitad se dedica a nuevas investigaciones. [24] En 2012, un girasol floreció a bordo de la ISS bajo el cuidado del astronauta de la NASA Donald Pettit . [25] En enero de 2016, los astronautas estadounidenses anunciaron que había florecido un zinnia a bordo de la ISS. [26]
En 2018, el experimento Veggie-3 se probó con almohadas para plantas y esteras de raíces. [27] Uno de los objetivos es cultivar alimentos para el consumo de la tripulación. [28] Los cultivos probados en este momento incluyen repollo , lechuga y mizuna . [29]
Plantas terrestres conocidas cultivadas en el espacio
Las plantas que se han cultivado en el espacio incluyen:
- Arabidopsis (berro de Thale) [30] [31]
- Bok choy (Tokyo Bekana) ( col china ) [32]
- Tulipanes [31]
- Kalanchoe [31]
- Lino [31]
- Cebollas , guisantes , rábanos , lechuga , trigo , ajo , pepinos , perejil , patata y eneldo [31]
- Albahaca canela [33]
- Repollo [34]
- Zinnia hybrida (variedad 'Profusion') [35]
- Lechuga romana roja (var. 'Outredgeous') [36]
- Girasol [37]
- Ceratopteris richardii [38]
- Brachypodium distachyon [39]
Algunas plantas, como el tabaco y la gloria de la mañana, no se han cultivado directamente en el espacio, sino que han sido sometidas a entornos espaciales y luego han germinado y crecido en la Tierra. [40]
Plantas de soporte vital en el espacio.
Las algas fueron el primer candidato para los sistemas de soporte vital humano-vegetal. La investigación inicial en las décadas de 1950 y 1960 utilizó especies de Chlorella, Anacystis, Synechocystis, Scenedesmus, Synechococcus y Spirulina para estudiar cómo los organismos fotosintéticos podrían usarse para el ciclo de O2 y CO2 en sistemas cerrados. [41] Una investigación posterior a través del programa BIOS de Rusia y el programa CELSS de EE. UU. Investigó el uso de plantas superiores para cumplir las funciones de reguladores atmosféricos, recicladores de residuos y alimentos para misiones sostenidas. Los cultivos más comúnmente estudiados incluyen cultivos de almidón como trigo , papa y arroz ; cultivos ricos en proteínas como soja, maní y frijol común; y una serie de otros cultivos que mejoran la nutrición como la lechuga, la fresa y la col rizada . [42] Las pruebas para las condiciones óptimas de crecimiento en sistemas cerrados han requerido la investigación tanto de los parámetros ambientales necesarios para cultivos particulares (como diferentes períodos de luz para cultivos de días cortos frente a cultivos de días largos) como de los cultivares que se adaptan mejor al sistema de soporte vital. crecimiento.
Las pruebas de los sistemas de soporte vital humano-vegetal 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. [41] Se han planificado estudios futuros para investigar los efectos de mantener las plantas en el bienestar mental de los seres humanos en entornos confinados. [43]
La investigación más reciente se ha centrado en extrapolar estos sistemas de soporte vital 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. [44] Estos campamentos están diseñados como invernaderos y bases inflables. [45] Se prevé que utilicen suelos marcianos para sustrato de crecimiento y tratamiento de aguas residuales, y cultivares desarrollados específicamente para la vida extraplanetaria. [46] También se ha discutido 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. [45]
Investigación vegetal
El estudio de la investigación vegetal ha proporcionado información útil para otras áreas de la botánica y la horticultura. La NASA realizó con éxito una amplia investigación sobre los sistemas hidropónicos en los programas CELSS y ALS, así como en los efectos del aumento del fotoperíodo y la intensidad de la luz para varias especies de cultivos. [41] 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 de volátiles de la planta en sistemas cerrados condujo a una mayor comprensión de la respuesta de la planta a niveles extremos de gases como el dióxido de carbono y el etileno. El uso de LED en la investigación de sistemas de soporte vital cerrados también impulsó el mayor uso de LED en las operaciones de cultivo en interiores. [47]
Experimentos
Algunos experimentos para hacer con plantas incluyen:
- Satélites Bion
- Sistema de producción de biomasa, a bordo de ISS
- Sistema de producción de hortalizas (Veggie), a bordo de ISS . [48]
- SVET [3]
- SVET-2 , a bordo del Mir . [3]
- ADVASC
- TAGES, a bordo de ISS. [49]
- Crecimiento de plantas / Fototropismo de plantas, a bordo del Skylab [19]
- Unidad de crecimiento de plantas Oasis [50]
- Señalización de plantas ( STS-135 ) [51]
- Experimento de crecimiento de plantas ( STS-95 ) [52]
- Estudio de aire limpio de la NASA
- ECOSTRESS , 2018 [53] [54]
Resultados de experimentos
Varios experimentos se han centrado en cómo se compara el crecimiento y la distribución de las plantas en microgravedad, las condiciones espaciales y las condiciones de la Tierra. Esto permite a los científicos explorar si ciertos patrones de crecimiento de las plantas son innatos o 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 un crecimiento rotatorio y una circunvalación a pesar de la falta de gravedad, lo que demuestra que estos comportamientos están incorporados. [56]
Otros experimentos han encontrado que las plantas tienen la capacidad de exhibir gravitropismo , incluso en condiciones de baja gravedad. Por ejemplo, el sistema europeo de cultivo modular de la ESA [57] 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 del amiloplasto en las vías dependientes del calcio. [58] Los resultados de este experimento encontraron que las plantas eran capaces de detectar la dirección de la gravedad incluso a niveles muy bajos. [59] 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 se cultivan en varios niveles de gravedad. [60]
Muchos experimentos tienen un enfoque más generalizado para observar los patrones generales de crecimiento de las plantas en contraposición a 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 entorno espacial antigravedad en comparación con las plántulas destinadas a la Tierra; [61] las plántulas espaciales exhibieron un crecimiento mejorado de los brotes y las agujas, y también tenían una distribución aleatoria de amiloplasto en comparación con el grupo de control unido a la Tierra. [62]
En la cultura popular
La astrobotánica ha tenido varios reconocimientos en la literatura y el cine de ciencia ficción.
- El libro y la película The Martian de Andy Weir destaca la heroica supervivencia del botánico Mark Watney, quien usa su experiencia en horticultura para cultivar papas como alimento mientras está atrapado en Marte. [63]
- La película Avatar presenta a una exobióloga , la Dra. Grace Augustine, quien escribió el primer texto astrobotánico sobre la flora de Pandora. [64]
- Charles Sheffield 's Proteus Sin consolidar menciona el uso de algas en suspensión en un gigante hueca 'planeta' como biocombustible , la creación de un sistema cerrado de energía. [sesenta y cinco]
- En la película Silent Running se da a entender que, en el futuro, toda la vida vegetal en la Tierra se habrá extinguido. Se han conservado tantos especímenes como sea posible en una serie de enormes cúpulas geodésicas parecidas a invernaderos, 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.
Ver también
- Bioastronáutica - Disciplina académica
- Biolab : carga útil científica instalada en el laboratorio Columbus de la ISS
- Bion (satélite) : naves espaciales soviéticas y rusas destinadas a experimentos biológicos en el espacio
- BIOPAN : programa de investigación de la ESA que investiga los efectos del entorno espacial en el material biológico
- Programa de biosatélites : serie de 3 satélites de la NASA para evaluar los efectos de los vuelos espaciales en los organismos vivos
- Endolito : organismo que vive dentro de una roca
- EXPOSE : una instalación externa en la ISS dedicada a experimentos de astrobiología
- Lista de microorganismos probados en el espacio exterior - artículo de la lista de Wikipedia
- Árbol lunar : árbol cultivado a partir de una de las 500 semillas que Stuart Roosa puso en órbita alrededor de la Luna durante la misión Apolo 14 en 1971.
- O / OREOS - Nanosatélite de la NASA con 2 experimentos de astrobiología a bordo
- Alimentos espaciales : alimentos consumidos por los astronautas en el espacio exterior.
- Terraformación : proceso hipotético de ingeniería planetaria
- The Martian (película) - película de 2015 de Ridley Scott
- Centro espacial Barboza (formación en astrobiología astronuat Jr.)
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