Zielono mi w bezkresnym kosmosie, czyli o roślinach w przestrzeni kosmicznej

Arystoteles wyróżniał trzy części duszy, odpowiadające trzem poziomom organizacji życia: 1) dusza wegetatywna odpowiadająca za odżywianie, wzrost i rozmnażanie; 2) dusza zmysłowa zdolna poruszać się i postrzegać zmysłowo rzeczywistość; oraz 3) dusza rozumna zdolna do myślenia. O ile rozum występuje tylko u ludzi, o tyle postrzeganie zmysłowe jest wspólne i ludziom i zwierzętom, a funkcje wegetatywne występują u wszystkich organizmów żywych i stanowią właściwie ich podstawę. Według Arystotelesa organizmami, stojącymi na tym najniższym poziomie są rośliny. Kiedy myślimy o życiu w ogóle; o życiu kształtującym się na przekór przeciwnościom, o życiu, które rozwija się nawet w najbardziej niegościnnych miejscach na świecie, najczęściej staje nam przed oczami roślina wyrastająca spomiędzy kamieni.

Rośliny są z nami od zawsze – dają nam powietrze, żywią nas, dostarczają materiałów do tworzenia tkanin albo budowy domu. Rośliny są tym, co kojarzymy najbardziej z Ziemią – i to zarówno ziemią jako żywiołem, jak i Ziemią jako planetą. Nic więc dziwnego, że od dłuższego czasu naukowcy eksperymentują z hodowlą roślin w różnych środowiskach około-kosmicznych – od marsjańskich habitatów-odpowiedników, poprzez Międzynarodową Stację Kosmiczną, a na ciemnej stronie Księżyca skończywszy.

Rosyjscy pionierzy

Co prawda pierwszym kosmicznym eksperymentem z roślinami były nasiona znajdujące się na pokładzie wystrzeliwanych w 1946 przez Amerykanów rakiet batalistycznych V2 (eksperyment miał na celu zbadać wpływ promieniowania kosmicznego na tkanki); i Amerykanie wysyłali w kosmos pierwsze drzewa, ale w botanice kosmicznej szlaki przecierali przeważnie Rosjanie. To właśnie uczeni radzieccy w latach sześćdziesiątych wysłali w kosmos nasiona roślin uprawnych i ozdobnych wraz z psami Biełką i Striełką; a w latach siedemdziesiątych eksperymenty na florze były częścią misji wszystkich stacji kosmicznych Salut.

W 1979 roku na stacji Salut-6 w przeciągu 30 dni wykiełkowały tulipany, które osiągnęły 50 cm długości. Były to pierwsze kwiaty w przestrzeni kosmicznej, ale prawdziwym przełomem była misja Salut-7 z 1982 roku, kiedy to podczas czterdziestodniowego cyklu udało się wyhodować w zerowej grawitacji rzodkiewnik wydający nasiona. Autorami eksperymentu na Salut-7 byli naukowcy litewscy pod przewodnictwem Alfonsasa Merkysa.

Najwięcej badań botanicznych przeprowadzono na stacji kosmicznej Mir. Tam właśnie powstała i funkcjonowała pierwsza w pełni automatyczna szklarnia Svet. Svet została stworzona w ramach międzynarodowego programu Interkosmos, według projektu bułgarskiego. Przez dziesięć lat – od 1990 do 2000 – przeprowadzono 6 eksperymentów, w ramach których w Svet wyhodowano sałatę, rzodkiewki, pszenicę i różne zielone warzywa. Na podstawie zebranych dzięki Svet danych opracowano i zbudowano szklarnię Lada, która została zainstalowana na rosyjskim segmencie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Rosyjscy kosmonauci przeprowadzali eksperymenty na grochu, pszenicy, jęczmieniu, rzodkiewce i zielonych warzywach. W latach 2002-2011 Rosjanie przeprowadzili 17 eksperymentów z roślinami, a najbardziej przełomowym z nich było wyhodowanie czterech kolejnych pokoleń grochu – dzięki temu wiemy, że rośliny mogą być uprawiane w przestrzeni kosmicznej przez długi okres czasu i nie utracą zdolności rozrodczych. To zaś jest cenną informacją, zwłaszcza w perspektywie planów na kolonizację Marsa.

Kosmiczne ogródki

NASA i Międzynarodowa Stacja Kosmiczna od lat pracują nad hodowlą roślin w kosmosie – i chodzi tutaj zarówno o rośliny jadalne, jak i te bardziej dekoracyjne, albowiem nie od dziś wiadomo, że praca w ogrodzie łagodzi stres.

Rok po ogrodniczym sukcesie Salut-7, Allan H. Brown z NASA przeprowadził na pokładzie wahadłowca kosmicznego Columbia test na nasionach słonecznika w stanie mikro-grawitacji. Podczas eksperymentów nagrano ruchy sadzonek na orbicie i na nagraniu dało się zaobserwować wzrost cykliczny i ruchy nutacyjne (koliste lub wahadłowe ruchy części roślin, spowodowane nierównomiernym wzrostem tkanek i mające na celu odnalezienie podpory). Późniejsze eksperymenty wykazywały, że rośliny w przestrzeni kosmicznej przejawiają również grawitropizm – reagowały na zmianę położenia względem wektora grawitacji. Te zachowania zaś oznaczały, że również w zerowej grawitacji rośliny zachowują pewne instynkty z Ziemi, tak więc istniała szansa, że mogą się zaadaptować do warunków kosmicznych.

Obecnie na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej znajdują się dwa egzemplarze Vegitable Production System (System Produkcji Warzyw; w skrócie Veggie) – agregatu hodowli roślin autorstwa naukowców z NASA, który został zainstalowany na ISS w 2014. Wybudowany przez firmę ORBITEC w Madison, Wisconsin, w ramach NASA Small Business Innovation Resaearch, Veggie ma na celu umożliwić prosty i energooszczędny sposób hodowli warzyw, aby z jednej strony wzbogacić dietę astronautów przebywających na ISS, a z drugiej – służyć celom rekreacyjnym. Veggie wyposażony jest w światła LED, wiatraki i elektroniczne systemy kontrolne, które zużywają zaledwie 70 wattów energii. Rośliny przymocowane są do knotów wydobywających się z „poduszek roślinnych”, a knoty te dostarczają sadzonkom wodę. „Poduszki roślinne” wykonane są z czarnego, owleczonego teflonem kevlaru z dnem z nomexu (polimeru o wysokiej odporności chemicznej i termicznej, stosowanego, na przykład, w uniformach ochronnych straży pożarnej), w którym znajduje się glina wapienna. Więcej o Vegitable Production System można przeczytać na stronie NASA.

Dzięki Veggie udało się wyhodować takie rośliny jak różne odmiany sałaty, kapustę pekińską, ziarna japońskiej musztardy mizuna, rosyjski jarmuż oraz kwiaty cynii. To właśnie cynia 16 stycznia 2016 roku zrobiła furorę, kiedy to astronauta Scott Kelly wstawił na twittera zdjęcia wyhodowanej przez niego pomarańczowo-żółtej cynii sfotografowanej na tle widoku na ziemski glob. Wbrew twierdzeniom Kelly’ego, nie był to pierwszy kwiat, który zakwitł w kosmosie – pomijając radzieckie tulipany i rzodkiewnik z 1982, w 2012 roku na ISS zakwitły słoneczniki Dona Pettita.

O wiele bardziej zaawansowaną konstrukcją do hodowli roślin na ISS jest Advanced Plant Habitat (APH), który swój test próbny miał w 2018 roku. Wyposażony w światła LED i substrat z porowatej gliny, APH to komora wzrostu z funkcjami nawożenia, nawodnienia i dostarczania składników odżywczych i tlenu do roślin. Dodatkowo posiada kamery i sensory, które nieustannie monitorują stan roślin w komorze i przekazują dane do Centrum Kosmicznego Kennedy’ego. Odzyskiwanie i dystrybucja wody, skład atmosfery, poziom wilgoci i temperatury są w pełni zautomatyzowane, a komora wyposażona jest w czerwone, zielone, niebieskie i białe żarówki LED (a także podczerwień) – dzięki temu astronauci nie muszą poświęcać uprawom w APH zbyt wiele czasu. Kiedy przychodzi czas plonów, załoga zbiera próbki roślin, konserwuje je chemicznie bądź termicznie, a następnie przesyła je na Ziemię, aby tam zostały przebadane pod kątem tego jak kosmiczne środowisko wpłynęło na ich wzrost i rozwój.

Porażka i nadzieja

Przełomowym pod wieloma względami wydarzeniem było wylądowanie 3 stycznia 2019 roku chińskiej misji lądownika Cheng’e-4 po ciemnej stronie Księżyca. Na Cheng’e-4 znajdowały się drożdże, jajeczka muszki owocówki i jedwabników, ziemniaki oraz nasiona bawełny. Pod trzykilogramową, uszczelnioną „biosferą” chińscy astronauci mieli zbadać, czy rośliny i owady są w stanie przetrwać na Księżycu i utworzyć synergię (owady miały wytwarzać dwutlenek węgla, a rośliny tlen). Cheng’e-4 była pierwszą misją, która wylądowała na ciemnej stronie Księżyca, a 7 stycznia Chińska Agencja Kosmiczna ogłosiła, że załodze ich lądownika udało się wyhodować bawełnę na powierzchni ziemskiego satelity, a konkretnie – wewnątrz krateru Von Kármán.

Radość z przełomowej chwili nie trwała jednak długo – 13 stycznia wszystkie sadzonki bawełny zamarzły w temperaturze -180 stopni Celsjusza i obumarły. Chociaż pierwszy lunarny ogród nie okazał się sukcesem, stanowi źródło cennych informacji – w końcu dotąd rośliny były hodowane na Ziemi bądź na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej; nigdy na powierzchni pozaziemskiego ciała niebieskiego. Wiadomo, że wszelkiego rodzaju hodowle roślin w koloniach marsjańskich i księżycowych będą możliwe tylko w sztucznych biosferach, tak więc dopracowanie ich jest ważnym etapem w przyszłej kolonizacji kosmosu.

Zrozumienie jak kosmos wpływa na rośliny ma kluczowe znaczenie, jeśli myślimy o dalszej jego eksploracji, podróżach międzygalaktycznych czy koloniach na innych planetach. Szczególnie ważnym pytaniem jest wpływ mikro-grawitacji na ligninę – jeden z podstawowych składników drewna i substancji, która stanowi „kościec” większości roślin. Nie można też bagatelizować gleby oraz warunków atmosferycznych panujących na ciałach niebieskich, które zamierzamy w przyszłości skolonizować. Rośliny z jednej strony mają niesamowitą zdolność do przystosowania się do niemal każdych warunków, a z drugiej – jednak pewne minimum czynników potrzebnych do życia trzeba im zapewnić. Pierwsza roślina, która wyrośnie na powierzchni naszej przyszłej pozaziemskiej kolonii, będzie miała też symboliczne znaczenie