Naukowcy wyhodowali rośliny w glebie pochodzącej z Księżyca, po raz pierwszy w historii ludzkości. Jest to przełomowy moment w eksploracji Księżyca i kosmosu.
W nowym artykule badawczym opublikowanym w czasopiśmie „Communications Biology” 12 maja 2022 roku naukowcy z University of Florida wykazali, że rośliny mogą z powodzeniem kiełkować i rosnąć w glebie księżycowej. W ich badaniu przyjrzano się również, w jaki sposób rośliny reagują biologicznie na glebę Księżyca, znaną również jako regolit księżycowy, która radykalnie różni się od typowej gleby występującej na Ziemi. Badania te są pierwszym krokiem w kierunku uprawy roślin na Księżycu lub na statkach kosmicznych w celu uzyskania żywności i tlenu.
Na zdjęciu: Anna-Lisa Paul (po lewej) i Rob Ferl, pracujący z glebami księżycowymi w swoim laboratorium. Paul i Ferl są uznanymi na arenie międzynarodowej ekspertami w dziedzinie badań roślin w kosmosie. Za pośrednictwem UF Space Plants Lab wysłali eksperymenty na promach kosmicznych, na Międzynarodową Stację Kosmiczną i na loty suborbitalne. Źródło: UF/IFAS, Tyler Jones
Rośliny odgrywały ważną rolę od początków eksploracji Księżyca. Pomogły np. ustalić, że próbki gleby przywiezione z Księżyca nie zawierały patogenów ani innych nieznanych składników, które mogłyby zaszkodzić życiu ziemskiemu. Tamte rośliny zostały jednak jedynie oprószone księżycowym regolitem i nigdy w nim nie były uprawiane.
W przyszłych i dłuższych misjach kosmicznych będziemy mogli wykorzystać Księżyc jako hub lub platformę startową, więc zapewne chcielibyśmy wykorzystać glebę, która już tam jest, do uprawy roślin. Musimy zatem wiedzieć, co się dzieje, gdy uprawiamy rośliny w glebie księżycowej, robiąc coś, co jest całkowicie poza ewolucyjnym doświadczeniem rośliny. Musimy zbadać, jak będzie wyglądać zachowanie roślin w księżycowych szklarniach oraz zastanowić się nad kształceniem przyszłych księżycowych rolników.
Na zdjęciu: Prof. Anna-Lisa Paul zwilża gleby księżycowe za pomocą pipety. Naukowcy odkryli, że gleby odpychały wodę (były hydrofobowe), powodując gromadzenie się wody na powierzchni. Do przełamania hydrofobowości i równomiernego zwilżenia gleby wymagane było aktywne mieszanie materiału z wodą. Po zwilżeniu, gleby księżycowe mogą być nawilżane przez działanie kapilarne w kulturze roślinnej. Źródło: UF/IFAS, Tyler Jones
Aby zbadać te zagadnienia, Ferl i Paul zaprojektowali prosto brzmiący eksperyment: posadź nasiona w księżycowej glebie, dodaj wodę, składniki odżywcze i światło i zanotuj wyniki. Poważną komplikacją był fakt, że naukowcy mieli do dyspozycji tylko 12 gramów (kilka łyżeczek) gleby księżycowej do przeprowadzenia tego eksperymentu. Wypożyczona z NASA gleba została zebrana podczas misji Apollo 11, 12 i 17 na Księżyc. Uzyskanie dostępu do tych próbek gleby zajęło naukowcom 11 lat.
Niewielka ilość księżycowej gleby, która sama w sobie jest bezcenną próbką, sprawiła, że Paul i Ferl musieli zaprojektować niezwykle staranny eksperyment możliwy do przeprowadzenia w małej skali. Aby stworzyć swój mały księżycowy ogród, naukowcy wykorzystali pojemniczki wielkości naparstka umieszczone w plastikowych płytkach zwykle używanych do hodowli komórek. Każdy pojemniczek pełnił funkcję doniczki. Po napełnieniu każdej doniczki około jednym gramem gleby księżycowej, naukowcy zwilżyli ją roztworem odżywczym i dodali kilka nasion rośliny Arabidopsis. Arabidopsis jest często badana w naukach o roślinach, ponieważ jej kod genetyczny został w pełni zmapowany. Uprawa Arabidopsis w glebie księżycowej umożliwiła naukowcom lepszy wgląd w to, jak ta gleba wpływa na rośliny, aż do poziomu ekspresji genów.
Na zdjęciu: Rośliny Arabidopsis 6 dni po wysianiu nasion. Cztery pojemniki po lewej stronie zawierają rośliny rosnące w imitacji gleby księżycowej JSC-1A. Trzy pojemniki po prawej zawierają rośliny rosnące na glebach księżycowych zebranych podczas misji Apollo 11, 12 i 17. Źródło: UF/IFAS, Tyler Jones.
Dla porównania, naukowcy posiali Arabidopsis w JSC-1A, substancji ziemskiej, która naśladuje prawdziwą glebę księżycową, a także symuluje gleby marsjańskie i gleby ziemskie z ekstremalnych środowisk. Te rośliny stanowiły grupę kontrolną badania. Przed eksperymentem naukowcy nie byli pewni, czy nasiona zasiane w glebach księżycowych wykiełkują. Tymczasem prawie wszystkie to zrobiły i wprawił badaczy w zdumienie. To pokazało, że gleby księżycowe nie zakłócają działania hormonów i sygnałów związanych z kiełkowaniem roślin.
Jednak z biegiem czasu naukowcy zaobserwowali różnice między roślinami wyhodowanymi w glebie księżycowej a grupą kontrolną. Na przykład niektóre rośliny uprawiane na glebach księżycowych były mniejsze, rosły wolniej lub były bardziej zróżnicowane pod względem wielkości niż ich odpowiedniki. Były to fizyczne oznaki, że rośliny ciężko pracowały, aby poradzić sobie z chemicznym i strukturalnym składem księżycowej gleby.
Zostało to dodatkowo potwierdzone, gdy naukowcy przeanalizowali wzorce ekspresji genów badanych roślin. Na poziomie genetycznym, rośliny korzystały z narzędzi zwykle używanych do radzenia sobie ze stresorami, takimi jak sól i metale lub stres oksydacyjny. Można więc przyjąć, że rośliny postrzegają środowisko gleby księżycowej jako niesprzyjające.
Wiedząc to, naukowcy będą starać się wykorzystać dane dotyczące ekspresji genów, by pomóc złagodzić reakcje roślin na stres do poziomu, w którym rośliny, zwłaszcza te uprawne, będą w stanie rosnąć w glebie księżycowej nie odczuwając dyskomfortu.
Na zdjęciu: Rob Ferl i Anna-Lisa Paul patrzą na płytki wypełnione częściowo ziemią księżycową, a częściowo glebą kontrolną, będące pod oświetleniem LED. W tamtym czasie naukowcy nie wiedzieli, czy nasiona w ogóle wykiełkują w glebie księżycowej. Źródło: UF/IFAS, Tyler Jones.
To, w jaki sposób badane rośliny reagują na glebę księżycową, może być powiązane z miejscem, w którym gleba została zebrana. Na przykład naukowcy odkryli, że rośliny z największymi oznakami stresu to rośliny uprawiane w tym, co geolodzy księżycowi nazywają dojrzałą glebą księżycową. Te dojrzałe gleby są bardziej narażone na wpływ wiatru kosmicznego, który zmienia ich skład. O wiele lepiej radziły sobie rośliny uprawiane na glebach stosunkowo mniej dojrzałych.
Warto też pamiętać, że uprawa roślin na glebach księżycowych może zmienić samą glebę. Księżyc to niezwykle suche miejsce. Jak minerały w glebie księżycowej zareagują na wyhodowanie w nich roślin z dodatkiem wody i składników odżywczych? Czy dodanie wody sprawi, że mineralogia księżyca stanie się bardziej gościnna dla roślin?
Dalsze badania będą dotyczyć poszukiwań odpowiedzi na te i wiele innych pytań. Na razie naukowcy świętują podjęcie pierwszych kroków w kierunku uprawy roślin na Księżycu.
Więcej informacji:
- Publikacja „Plants grown in Apollo lunar regolith present stress-associated transcriptomes that inform prospects for lunar exploration”, Anna-Lisa Paul i in., 12 May 2022, Communications Biology. DOI: 10.1038/s42003-022-03334-8
Opracowanie: Joanna Molenda-Żakowicz
Na ilustracji: Wizja artystyczna rośliny rosnącej na Księżycu. Źródło: Stock
