Przyszłość misji kosmicznych może zależeć od tego batata. Naukowcy szykują rośliny do uprawy poza Ziemią

Spis treści:

1. Jak Brazylia przygotowuje rośliny do uprawy w kosmosie
2. Bataty i ciecierzyca mają żywić astronautów podczas długich misji
3. Kosmiczne rolnictwo może pomóc uprawom przetrwać suszę i upały na Ziemi
4. Brazylia wysyła rośliny w kosmos i testuje uprawy przyszłości
5. Kosmiczne rolnictwo zaczyna się na Ziemi

Luis Felipe Villani Purquerio wita mnie na schodach skąpanego w słońcu budynku, którego pomarańczowa fasada wyraźnie odcina się od bujnej zieleni południowo-wschodniej Brazylii. Luis jest agronomem – badaczem roślin i gleby – w Instituto Agronômico de Campinas (IAC), jednym z najstarszych ośrodków badań rolniczych na świecie, położonym około dwóch godzin drogi od São Paulo.

Jak Brazylia przygotowuje rośliny do uprawy w kosmosie

Wewnątrz oprowadza mnie po historii tego miejsca: założona w 1887 roku przez ostatniego cesarza Brazylii instytucja tworzy bardziej wydajne i odporne odmiany roślin dla rolników w całym kraju. Hol zdobią zabytkowe ilustracje rozległych pól uprawnych pod otwartym niebem oraz asortyment owoców i warzyw – malownicze przedstawienie ziemskiej obfitości.

W mieszczących się dalej laboratoriach, pod błękitno-białym blaskiem lamp, Luis Purquerio i jego studenci eksperymentują z zupełnie innym rodzajem rolnictwa: sprawdzają, jak uprawiać rośliny w przestrzeni kosmicznej, aby przyszli astronauci – a zarazem przyszli rolnicy – mogli samodzielnie produkować własną żywność.

Dzięki wieloletnim badaniom nad technologią żywności astronauci już dziś jedzą całkiem dobrze. Jednak kolejne pokolenia odkrywców będą potrzebowały zrównoważonych źródeł pożywienia, które uzupełnią ich zwykłe zapasy: żywność liofilizowaną, poddaną obróbce termicznej i produkty o długim okresie przydatności do spożycia. Najlepsze metody kosmicznego rolnictwa trzeba będzie opracować na długo przed wyruszeniem takich misji.

Naukowcy na całym świecie poszukują sposobów na podtrzymanie życia roślin poza Ziemią, a Brazylia, ze swoją bogatą tradycją badań rolniczych, jest do tego szczególnie dobrze przygotowana. W 2022 roku badacze uruchomili ogólnokrajowy projekt Space Farming Brazil Network – najnowszą inicjatywę w szybko rozwijającej się dziedzinie rolnictwa kosmicznego. Luis Purquerio należy do tej nowej sieci współpracy, skupiającej agronomów, badaczy kosmosu i inżynierów lotniczych oraz kosmicznych z instytucji w całym kraju. Ich celem jest przygotowanie roślin do uprawy w najróżniejszych pozaziemskich środowiskach: na krawędzi księżycowego krateru, na pokładzie statku przemierzającego głęboką przestrzeń kosmiczną czy na piaszczystych, smaganych wiatrem równinach Marsa.

– Badamy stres cieplny, stres świetlny i stres związany z niedoborem składników odżywczych, ponieważ w kosmosie rośliny będą narażone na silny stres – mówi Luis Purquerio, który kieruje laboratorium uprawy roślin w warunkach kontrolowanych w IAC.

Luis Purquerio i jego współpracownicy mają nadzieję, że badania nad pozaziemskim rolnictwem pomogą również w produkcji żywności na Ziemi, gdzie brazylijskie regiony rolnicze coraz dotkliwiej odczuwają skutki zmian klimatu. Jak zauważa dr Ricardo Lourenço Ogando, astrofizyk z Centro de Tecnologia da Informação Renato Archer, którego naukowcy również uczestniczą w projekcie, ocieplająca się planeta sama staje się coraz mniej przyjaznym środowiskiem. – Jesteśmy bliżej przekształcenia Ziemi w Marsa niż Marsa w Ziemię – mówi.

Bataty i ciecierzyca mają żywić astronautów podczas długich misji

Astronauci mają już za sobą pierwsze uprawy na orbicie. Na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej hodowali między innymi warzywa liściaste, ryż, rzodkiewki, papryczki chili i inne rośliny. Uprawiano je jednak przede wszystkim w celach badawczych, a nie jako stały element jadłospisu – choć od czasu do czasu trafiały na talerze astronautów, na przykład jako dodatek do sałatek. Przyszli odkrywcy kosmosu będą potrzebowali bardziej sycącego i pożywnego jedzenia, zwłaszcza podczas długotrwałych misji, mówi prof. Alessandra Pereira Fávero, badaczka z Embrapy, brazylijskiej instytucji zajmującej się badaniami rolniczymi, która wraz z Brazylijską Agencją Kosmiczną kieruje projektem.

Zespół koncentruje się na batatach i ciecierzycy. Decyzję tę podjęto po wielu miesiącach analiz, podczas których wykluczono między innymi rośliny wymagające zapylania przez pszczoły – z oczywistych powodów, jak zauważa prof. Alessandra Fávero. Żaden z wybranych gatunków nie jest szczególnie wymagający w uprawie. Ciecierzycę wybrano ze względu na wysoką zawartość białka, natomiast w przypadku batatów zdecydowano się na odmianę o purpurowym miąższu, bogatą w antocyjany – silne przeciwutleniacze.

– To bardzo korzystne zarówno dla ludzi, jak i dla samych roślin – mówi prof. Alessandra Fávero. Badania wykazały, że antocyjany obecne w nasionach pomagają chronić je przed promieniowaniem kosmicznym. Brazylia dysponuje ponadto dużymi bankami plazmy zarodkowej obu tych roślin, czyli zbiorami materiału genetycznego, z którego naukowcy mogą korzystać przy tworzeniu nowych odmian.

Prof. Alessandra Fávero ma nadzieję, że przyszli odkrywcy nie będą ograniczać się do zrywania liści batatów i jedzenia ich na surowo, lecz zajmą się prawdziwym międzyplanetarnym gotowaniem – albo przynajmniej przygotują sobie kosmiczny hummus.

Przyszłość kosmicznych przekąsek będzie zapewne wymagała wyhodowania bardziej odpornych odmian batatów i ciecierzycy, o cechach szczególnie przydatnych w warunkach pozaziemskich: krótszym cyklu wzrostu, większych plonach i wyższej wartości odżywczej.

Luis Purquerio i jego zespół zamierzają uprawiać sadzonki batatów i ciecierzycy w zamkniętych pomieszczeniach, bez naturalnej gleby i tradycyjnego podlewania. Zamiast ziemi rośliny będą rosły w podłożu z włókna kokosowego, a ich korzenie otrzymają roztwory składników odżywczych za pośrednictwem sztucznego systemu nawadniania – podobnego do tego, z którego w przyszłości będą zapewne korzystać astronauci zajmujący się uprawą roślin. Regulując natężenie i rodzaj sztucznego oświetlenia oraz ilość substancji odżywczych, badacze będą mogli sprawdzić, jak silny stres rośliny są w stanie znieść, zachowując przy tym dobrą kondycję i wydajność.

Luis Purquerio wyobraża sobie system przypominający uprawę bonsai: niewielkie rośliny batatów, które nieustannie wytwarzają nowe liście, gotowe do regularnego zbioru. – Liście są bardzo bogate w różnego rodzaju składniki odżywcze – mówi.

Przedsmak przyszłego kosmicznego rolnictwa można już zobaczyć w laboratorium Luisa Purqueria. Półki sięgające niemal sufitu zastawione są donicami z krępymi, gęsto ulistnionymi pomidorami – roślinami, które mogą posłużyć jako model dla batatów i ciecierzycy przeznaczonych do uprawy poza Ziemią. To odmiana hybrydowa, która nie osiąga typowej dla pomidorów wysokości, za to wydaje większe niż zwykle owoce. – Im niższe są rośliny, tym więcej poziomów uprawy mogę zmieścić w laboratorium – wyjaśnia.

Niewielkie, a zarazem wydajne rośliny dobrze sprawdziłyby się również w ciasnych wnętrzach kosmicznej szklarni. – Podczas długotrwałych misji kosmicznych liczy się każdy zasób – mówi Matheus Kainan, doktorant z zespołu Luisa Purqueria. Rośliny uprawiane w kosmosie będą musiały radzić sobie przy znacznie mniejszej dostępności zasobów niż na Ziemi. – Wypracowanie takich przystosowań z myślą o warunkach kosmicznych może później przełożyć się bezpośrednio na nasze potrzeby na Ziemi – podkreśla.

Kosmiczne rolnictwo może pomóc uprawom przetrwać suszę i upały na Ziemi

Badania nad roślinami przeznaczonymi do uprawy w kosmosie mogą pomóc opracować sposoby zwiększania odporności ich ziemskich odpowiedników. Naukowcy mają nadzieję, że rozwiązania powstające w ramach projektu kosmicznego rolnictwa „trafią bezpośrednio do rolników” na długo przed tym, zanim astronauci wyruszą ku obcym i nieprzyjaznym światom.

W latach 60. XX wieku, gdy Brazylia tworzyła swój narodowy program kosmiczny – budowała pierwszy ośrodek startowy i rozwijała rakiety suborbitalne – rozpoczęła również ekspansję rolnictwa, która z czasem przekształciła kraj z borykającego się z problemami importera żywności w rolniczą potęgę. Dziś Brazylia dysponuje jednym z największych programów kosmicznych w Ameryce Południowej, a zarazem należy do światowej czołówki producentów najważniejszych roślin uprawnych. Rosnące temperatury na świecie, a także wylesianie i niezrównoważone praktyki rolnicze stosowane w samym kraju – które dodatkowo napędzają zmianę klimatu – stanowią jednak coraz większe zagrożenie dla rolników.

W ostatnich dekadach Brazylia doświadcza coraz częstszych i gwałtowniejszych ekstremalnych zjawisk pogodowych, a w ciągu roku przybywa niebezpiecznie upalnych dni. Pory suche stają się dłuższe, powodując niedobory wody w gospodarstwach i sprzyjając rekordowej liczbie pożarów. Ekstremalne upały uszkadzają rośliny, zmniejszają plony i sprzyjają rozprzestrzenianiu się szkodników przenoszących choroby. Są też wyczerpujące i niebezpieczne dla pracowników rolnych wykonujących swoje obowiązki na zewnątrz. A kiedy wreszcie nadchodzi pora deszczowa, opady bywają niezwykle intensywne i prowadzą do niszczycielskich powodzi.

Aby stworzyć swego rodzaju galaktyczny spichlerz, który mógłby służyć zarówno rolnikom na Ziemi, jak i tym pracującym poza nią, prof. Augusto Tulmann Neto, specjalista w dziedzinie hodowli roślin z Centrum Energii Jądrowej w Rolnictwie (CENA) na kampusie Uniwersytetu São Paulo w Piracicabie, bada sposoby genetycznej modyfikacji nasion zwiększającej ich szanse na przetrwanie. Na terenie szklarni, około godziny jazdy na zachód od Campinas, prof. Augusto Tulmann Neto pokazuje mi tacę z młodymi roślinami ciecierzycy. Ich delikatnie omszone liście wyrastają z wilgotnej gleby. Rośliny mają różną wysokość i ustawiono je starannie od najwyższej do najniższej, jak gdyby przesunęła się nad nimi niewidzialna różdżka stopniowo je pomniejszająca. W pewnym sensie tak właśnie się stało: przed wysianiem nasiona potraktowano promieniowaniem gamma, a kolejne partie wystawiano na coraz większe dawki.

Proces ten w ciągu kilku sekund losowo zmienia DNA nasion, wywołując przypadkowe mutacje. Jak mówi profesor, w przypadku napromieniowanej ciecierzycy coś stało się z hormonami odpowiedzialnymi za wzrost.

Technologię napromieniania od dziesięcioleci wykorzystuje się do wywoływania u roślin określonych cech, takich jak większa odporność na suszę czy choroby. Zdaniem prof. Augusto Tulmanna Neto może ona również pomóc przygotować rośliny do życia w niegościnnym środowisku kosmicznym. Naukowcy nie są w stanie przewidzieć, jakie mutacje pojawią się w pierwszym pokoleniu, mogą jednak obserwować kolejne generacje wyhodowane z tych samych roślin i wybierać osobniki o pożądanych właściwościach.

W przypadku ciecierzycy jedną z takich cech może być wcześniejsze niż zwykle kwitnienie. Pozwala ono roślinom rosnącym w skrajnie suchych warunkach zakończyć cykl życiowy zanim stres cieplny wyrządzi im zbyt duże szkody. Jak zauważa naukowiec, rośliny zmodyfikowane tak, aby radziły sobie przy ograniczonych zasobach wody w bazie księżycowej, mogą być jeszcze lepiej przygotowane do przetrwania suszy na Ziemi.

Brazylia wysyła rośliny w kosmos i testuje uprawy przyszłości

W ubiegłym roku Space Farming Brazil Network wysłała swoje pierwsze rośliny doświadczalne – sadzonki batatów i nasiona ciecierzycy – na skraj przestrzeni kosmicznej na pokładzie rakiety Blue Origin. Były to odmiany pochodzące z kolekcji Embrapy, wcześniej udoskonalone tak, by były bardziej wydajne i miały większą wartość odżywczą. Jak mówi prof. Alessandra Fávero, naukowcy wciąż czekają na powrót tych próbek do Brazylii, gdzie będą mogły zostać poddane analizom.

W miarę rozwoju projektu urządzenia i stanowiska badawcze przeznaczone do eksperymentów kosmicznych będą przechodziły testy w Narodowym Instytucie Badań Kosmicznych (INPE) w São José dos Campos, gdzie przed startem montuje się i sprawdza satelity. W laboratoriach instytutu znajduje się kilka urządzeń symulujących warunki panujące w przestrzeni kosmicznej, pozwalających sprzętowi zmierzyć się wcześniej z niewyobrażalnym zimnem, które będzie na niego czekać poza Ziemią. Największa z tych komór termiczno-próżniowych ma rozmiary stodoły.

Niepozorne drzwi prowadzą tu do kolejnych ogromnych pomieszczeń, w których zaawansowana infrastruktura techniczna pozwala uzyskać niemal magiczne efekty. W komorze bezechowej ściany pokrywają tysiące kolczastych elementów z pianki, które niezwykle skutecznie pochłaniają fale dźwiękowe, pozostawiając po sobie czystą, pozbawioną echa ciszę.

Inżynierowie z INPE pomogą naukowcom zajmującym się roślinami dostosować ich eksperymenty do warunków kosmicznych, mówi dr Adenilson Roberto da Silva, starszy technolog kierujący pionem systemów kosmicznych instytutu. Gdy niedawno jeden z badaczy przyniósł urządzenie z diodami LED, które miało zastępować światło słoneczne roślinom uprawianym w kosmosie, dr Adenilson Silva spojrzał na nie i stwierdził: – To się zepsuje. Ten element trzeba zastąpić innym.

Instytut pomógł również przygotować najnowszy eksperyment suborbitalny realizowany przez sieć, którego start z jednego z brazylijskich kosmodromów zaplanowano na wrzesień. Niewielki pojazd zabierze ze sobą mikroorganizmy dostarczające azot roślinom soi. Na Ziemi ten proces biologiczny pozwolił ograniczyć stosowanie nawozów sztucznych, których użycie przyczynia się do emisji gazów cieplarnianych.

Naukowcy sprawdzą, jak te mikroskopijne organizmy radzą sobie w warunkach obniżonej grawitacji. Każdy przyszły rolnik próbujący uprawiać rośliny w ubogiej w azot marsjańskiej glebie z pewnością chciałby zabrać je ze sobą.

Kosmiczne rolnictwo zaczyna się na Ziemi

Brazylijski program dopiero raczkuje, ale jeden z jego uczestników, Serguei Balachov, badacz z Centro de Tecnologia da Informação Renato Archer, podzielił się tekstem radzieckiej piosenki z lat 60., która dobrze oddaje wizję kosmicznego rolnictwa przyszłości. Jak to często bywa z tłumaczeniami, w oryginalnym rosyjskim brzmi ona piękniej, ale jej słowa można przełożyć mniej więcej tak: „Wspaniale jest żyć i wierzyć / Przed tobą drogi, jakich dotąd nie znano / Kosmonauci i marzyciele twierdzą / Że na Marsie zakwitną jabłonie”.

Marsjańskie jabłka – podobnie jak ziemniaki uprawiane przez fikcyjnego botanika Marka Watneya w „Marsjaninie” – wciąż należą do sfery marzeń. Jednym z pierwszych namacalnych efektów brazylijskiego programu jest jednak to, że połączył on inżynierów lotniczych i kosmicznych z naukowcami zajmującymi się roślinami. Podobnie jak prof. Alessandra Fávero, część specjalistów od rolnictwa niespodziewanie stała się przy tym zapalonymi miłośnikami kosmosu.

Po powrocie do Campinas Purquerio i Kainan zabierają mnie na przejażdżkę po terenie instytutu. Drobne, białe kwiaty zdobią tu gałęzie kawowców, a pękate, różowe kielichy zwisają z pnączy drzew armatnich. Myśl o podróżach kosmicznych wydaje się w tym miejscu niezwykle odległa – w tej falującej, szmaragdowozielonej krainie roślinności, wyrosłej z gleby dzięki setkom milionów lat ewolucyjnej pamięci jednej, konkretnej planety, przechowującej historię Ziemi w korzeniach, łodygach i liściach.

Przyszłe misje kosmiczne, zaopatrzone w nasiona i kiełki przeznaczone na kosmiczne zbiory oraz pożywny posiłek, mogą ten dystans skrócić. Gdy ludzie wyruszą w dalsze i bardziej niebezpieczne wyprawy, zabiorą ze sobą cząstki tej planety, by odżywić ciała i umysły, które nie wyewoluowały do funkcjonowania nigdzie indziej. Bo w skali kosmosu nie ma drugiego takiego miejsca jak dom.

Źródło: National Geographic

Szukasz inspirujących podróży, fascynujących odkryć i opowieści ze świata nauki? Skorzystaj ze specjalnej oferty prenumeraty magazynów National Geographic Polska i National Geographic Traveler.