Skleníky vo vesmíre Oddelené od gravitácie

17. február 2020 · Skleníky vo vesmíre - to je to, čo chce vesmírne cestovanie. Ako sa však rastliny vyrovnávajú s gravitáciou a či sa im bez nej dlhodobo darí, je záhadou. Vedci pri výskume experimentujú na parabolických letoch. Pracujete v pozastavení 22 sekúnd a 31-krát, ale tiež zažívate takmer dvojnásobnú gravitačnú silu.

Z od samého začiatku sa hovorilo iba to, že sa otočíme. Technický problém, nič vážne. Pod nami Atlantik, spredu Bretónsko, teraz let smeroval späť do Bordeaux. Všade dlhé tváre a Dario Ricciardi, kľačiaci pred škatuľou veľkosti kufra, stratil všetky úsmevy. Po jeho entuziazme, ktorý sám sprevádzal experimentom, po ktorom sa celé mesiace pomáhal pripravovať v „laboratóriu nulovej gravitácie“ na Goetheho univerzite vo Frankfurte, už nebolo ani stopy.

Motory vedy: vľavo je vyobrazená silueta ženy, na druhej strane silueta muža. sks
Marjorie Guichard z Heidelbergu a Maik Böhmer z Frankfurtu pracujú na poli IMPACT-Box, v ktorom mladé rastliny Arabidopsis zažívajú rôzne gravitačné sily v parabole a potom sú fixované. Lekári (v svetlo modrej a oranžovej farbe) sú vždy na palube. Novespace
Prepracovaný systém pre jemné rastliny: V teste ich metanol ukončí už po jednej jedinej parabole. Foto: Univerzita Zero G.-Lab vo Frankfurte

Skoro ráno študent vložil do krytu šestnásť tanierov potomkov, každú utiahol po osemnástich skrutkách, spustil tok a uzavrel systém. Jeho náhle vážna tvár prezradila napätie. S nejasnou nádejou, že tretí a posledný deň lietania môže byť stále úspešný. Až neskôr. Možno poobede? Bol 12. september, štvrtok, tesne po pol desiatej ráno. Preliezli sme cez biele čalúnené povrchy k zadnej časti niekoľkých radov sedadiel, ktoré sme práve uvoľnili. Minulé tajomné škatule so všetkými druhmi tlačidiel, stĺpov, káblov, lepiacich pások, varovné oznámenia - špičkové technológie s nádychom domácej, viac „teórie veľkého tresku“ ako „vesmírnej odyssey“.

Boli to projekty štrnástich výskumných skupín, ktorých maskoti sa smutne viseli z múrov bez okien. Keby všetko prebehlo podľa plánu, čoskoro by sme videli sovy, králiky, žaby, leňochy - celú plyšovú zoologickú záhradu s papierovými lietadlami vo vzduchu; zviazané, inak by ich zastrelili. Pre tím vo Frankfurte bol netopier Frédéric na štarte ako talisman šťastia. Nie po prvýkrát a prvé dva dni letu 34. parabolickej leteckej kampane Nemeckého leteckého a kozmického strediska (DLR) prebehlo všetko opäť hladko, a to aj pre frankfurtských biológov a ich závod. Ako sa na výročie patrí: DLR vedie svoje vlastné parabolické letové kampane od roku 1999. Dvadsať rokov výskumu beztiaže - alebo s menším gravitačným účinkom, aký sa našiel napríklad na Mesiaci alebo Marse. Na tento účel sa od roku 2015 používa Airbus A310, ktorý mal prvý let v roku 1989 a ktorý bol dočasne používaný ako kancelársky Airbus „Konrad Adenauer“ predtým, ako bol prevedený na „ZERO-G“.

Parabola od začiatku do konca trvá asi tri minúty

Začiatok beztiaže

Koniec beztiaže

Zdroj: DLR/F.A.Z.-processing joth., She.

Parabola od začiatku do konca trvá asi tri minúty

Začiatok beztiaže

Koniec beztiaže

g = gravitácia (9,81 m/s²)/zdroj: DLR/F.A.Z. - spracovanie joth., sie.

Na dvadsaťdva sekúnd sa gravitačný ťah prakticky zruší a letí sa dokonale ovládaná parabola. Takáto fáza trvá tri minúty od začiatku do konca, s celkovým počtom 31 na sekvenciu, s krátkymi prestávkami, napríklad na nastavenie testovacieho zariadenia. Za týmto účelom musí tím kapitána letu Éric Delesalle pozostávajúci zo štyroch osôb pracovať niekoľko hodín vysoko koncentrovaný: Všetci traja v kokpite musia nielen kompenzovať turbulencie, ale aj presne lietať pod uhlami, aby dosiahli nulu G. Skopolamín, látka, ktorá má našim cestujúcim uľahčiť prechod z nuly na 1,8 g, čo je takmer dvojnásobná sila gravitácie, a zabrániť nevoľnosti, ale ktorá môže narušiť koordináciu, je pre nich tabu.

Pre pilotov je takmer jedno, či sú vedci na palube alebo súkromné osoby, uviedla Delesalle popoludní prvého dňa letu, keď najskôr letia rovnakými manévrami a bezpečnosťou. Okrem toho skúsený pilot žartoval, že vedci sa možno budú musieť trochu vzdať pohodlia, pretože „výkon“ je pre nich dôležitejší ako zábava. Ak sa chcete dobre baviť, je vám úplne jedno, či sa budete môcť 18 alebo 20 sekúnd cítiť beztiažovo. Vedci vždy chcú viac, takže Delesalle je zvyknutá. Nudné? Nie, nikdy nebude.

Francúzska spoločnosť Novespace poskytuje Airbus predovšetkým na výcvik vedy alebo astronautov na letisku Bordeaux-Mérignac, ale tiež organizuje súkromné rezervácie exkurzií do beztiaže. Lístok za 6 000 eur je takmer výhodný, peniaze prospievajú vede, ktorá je mimoriadne zložitá, mnohokrát drahšia a spolieha sa na tento špeciálny A310 ako hardvér, napríklad na základných výskumníkov z oblasti robotiky, aerodynamiky, mechaniky tekutín, cestovania vesmírom. alebo neurológia. Fyzici napríklad cestovali s ťažkou technikou pre túto 34. kampaň DLR, aby študovali prašnú alebo zložitú plazmu; Vesmírni lekári so sebou vláčili bunky rakoviny prostaty a fyziológovia rastlín priniesli vlastný inkubátor.

Kontrolné zoznamy sú dôsledne udržiavané: To, čo sa zabudlo na testovacie série v Airbuse, si niekedy môžete požičať od kolegov z univerzity v Bordeaux, ale pri ceste do vesmíru neexistujú alternatívy, náhradné diely sú zriedkavé. A čím stabilnejší je systém - a ľahšie sa používa, tým lepšie. Aj o tom sa diskutovalo v prípravnom týždni a navzájom si pomohli, pretože bez ohľadu na to, na akú oblasť sa účastníci špecializovali, všetci hľadajú technické riešenia prekvapivo podobných problémov.

Väčšie problémy sa neobjavili až do toho septembrového rána, že čelné sklo kleslo vysoko nad more a jedna z jeho vrstiev vytvorila strašne krásny obraz praskliny. Potrebná bola výmena a pravdepodobne by ubehli dni, kým by lietadlo mohlo opäť vzlietnuť. Hovorilo sa v nedeľu a všetky plány boli zrušené. Kto mohol, odložil si cestu domov a zablokoval stáž, predĺžil prenájom automobilov a ubytovania a hľadal finančnú podporu. Urobte všetko pre to, aby ste získali viac dát a uložili niekedy neopakovateľné pokusy. V prípade plazmy žiadny problém, ale pre rakovinové bunky dochádzalo médium a tiež to znamenalo koniec pre Daria Ricciardiho a IMPACT-Box: 10 000 rastlín vo vhodnom veku nebolo možné jednoducho vykúzliť čerstvé; Arabidopsis thaliana rastie rýchlo, ale nebolo dosť času. Tento experiment by už skončil po prvej parabole. Injekcia metanolu v priebehu niekoľkých sekúnd by zabila rastliny a zachovala procesy v ich koreňoch, ak by boli úplne oddelené od gravitácie.

Nakoniec, vzorky z prvých dvoch dní letu sú bezpečne pozastavené: „Zostanú chvíľu v mrazničke a druhá kampaň by nám mohla poskytnúť potrebný počet replík,“ opísal ďalšie kroky Maik Böhmer z frankfurtskej univerzity. „Alebo analyzujeme konkrétne v porovnaní so zmenami, ktoré sme v minulých rokoch merali na parabolických letoch v rastlinách divého typu.“ V tejto oblasti výskumu sa naučíte prispôsobovať okolnostiam a zosúladiť s nimi analýzy bez toho, aby ste obetovali vedeckú kvalitu.

V Bordeaux bola nádejou momentálne FLUMIAS. Vo svojom provizórnom laboratóriu v Novespace sa biológovia, ktorí odcestovali z Nemecka, sústredili na svoje experimenty s fluorescenčným mikroskopom, pretože inžinieri Airbusu zodpovední za to dokázali predĺžiť svoj pobyt až do víkendu. Jej objektmi neboli jednotlivé bunky ani vrstvy tkanív: „To by pri rastlinách bolo zbytočné. Nechceme robiť výskum artefaktov, skôr pozorovať, ako reaguje mnohobunkový organizmus, “vysvetlil cieľ Böhmer. Pretože vápnik hrá kľúčovú úlohu ako vnútorný signál, jeho tím a tím Christopha Forreitera z Marburgu testovali špeciálne mutanty, aby zistili, ako na nich počas parabolického letu vplýva meniaca sa gravitácia. Ak sa vápnik uvoľní v koreni, fluorescencia v týchto oblastiach stúpa, svieti načerveno a iba v Marburgu je na tento účel potrebné vyhodnotiť 60 000 mikroskopických snímok. Aj na univerzite v Heidelbergu bude pravdepodobne postdoktorka Marjorie Guichard chvíľu zaneprázdnená svojimi analýzami, ako napríklad Sandra Thiele vo Zero Gravity Lab vo Frankfurte.

Jeden výhonok rastie hore, koreň nadol. Už dlho je známe, že rastliny sa nielen orientujú na svetlo, ale aj na gravitáciu. Toto sa nazýva gravitropizmus a škrobové zrná slúžia ako statolity a podriaďujú sa gravitácii: „Reagujú na gravitáciu, padajú dole. A potom čo? Snažíme sa odpovedať na túto údajne jednoduchú otázku, “hovorí Böhmer. Viete, čo sa stane po tridsiatich minútach alebo dňoch, ale neviete, čo sa stane v prvých šesťdesiatich sekundách reakcie: Ako vyzerá začiatok signálnej kaskády? O ktoré receptory, ktoré enzýmy sa jedná? Toto sú otázky, ktoré sa týkajú bunkových biológov, pretože je potrebné odstrániť určité medzery v reakčnom reťazci, a to aj v záujme chovateľov: Ak budú v budúcnosti búrky častejšie stláčať polia, je užitočné vedieť, čo pomáha rastlinám, aby sa opäť vzpriamili, a podľa toho možno použiť vhodné Odrody sa hľadajú a vyberajú.

Pre rastliny to znamená stres porovnateľný so suchom a teplom a molekulárna odpoveď môže byť spočiatku rovnaká v každej z týchto mimoriadnych udalostí. Zatiaľ sa nenašiel základ, ale: „Chceme dešifrovať signálnu kaskádu a pochopiť, ako funguje súhra jednotlivých procesov,“ hovorí Böhmer. Zatiaľ čo paradajky sú vhodné napríklad na tepelné testy, gravitácia sa skúma pomocou modelu dnes už dobre preskúmanej Arabidopsis. Či by bolo rozumné zasiahnuť, ak je to potrebné, sa dá určiť, iba ak sú známe mechanizmy. „Nie sme chovatelia, ale poskytujeme základné základy,“ sumarizuje Böhmer. Ak sa na boku objavia vhodné odrody rastlín na kultiváciu pri nižšej gravitácii na Mesiaci alebo Marse, je to samozrejme skvelé, ale nie úloha.

Zatiaľ čo sa Böhmer a jeho kolegovia venujú zásadným otázkam, ktoré nie sú dôležité iba pre cestovanie vesmírom, niektorí vedci požadujú, aby sa sústredili na úžitkové rastliny. Namiesto Arabidopsis vyskúšajte paradajky alebo šošovicu v beztiažovom stave. Napríklad vesmírny inžinier Paul Zabel. Vyvinul skleníkové systémy pre vesmír, a preto sa stal záhradníkom v Antarktíde (pozri „S kefou.“). "Dôvod, prečo si toľko nemyslím o modelových závodoch, je ten, že čas na výskum - na ISS - je veľmi obmedzený." Astronauti majú ešte čo robiť. Okrem toho existuje priestor iba pre malé komory pre rastliny a ja by som v nich radšej pestoval plodiny, aby sa vyrovnali s konkrétnymi problémami. “Inak by ste experimenty museli opakovať neskôr a najskôr porovnať výsledky. Nemusí to byť nutne pšenica alebo zemiaky, šaláty tiež.

Ak je v určitom okamihu cieľom Mars, nie je pochýb o tom, že by vesmírne lety s ľudskou posádkou boli pestovanie rastlín viac než vítané. Boli by potrebné čerstvé potraviny bohaté na vitamíny, zatiaľ čo skladované potraviny z dlhodobého hľadiska stratia svoju výživovú hodnotu. Rastliny by boli tiež žiadané ako producenti kyslíka, pretože náklady by boli enormné, ak by posádka niesla všetko potrebné na cestu, ktorá podľa scenára trvá 500 alebo 1000 dní tam a späť. Na viac ako sedemdesiatich metroch štvorcových by ste museli pestovať zeleň, aby ste zásobili tím troch ľudí kyslíkom; ak by sa použilo iba prirodzené svetlo, na podporu šesťčlennej misie na Marse by bolo potrebných 24 skleníkov s rozlohou 90 metrov štvorcových.

Predtým musí byť vo vesmíre zriadené ľahšie dostupné výskumné zariadenie: „Sme v procese navrhovania skleníka pre Mesiac,“ vysvetľuje Zabel. Ten by mal byť najskôr vytvorený v typickom vesmírnom module a neskôr poslaný na Mesiac. Americký program Artemis zrazu priniesol pohyb do vesmírneho cestovania, a to politicky aj technicky: „Pre nás inžinierov sú to vzrušujúce časy.“ Možno bude mesačná stanica postavená za šesť alebo sedem rokov. Alebo možno o dvadsať. Astronaut Esa Matthias Maurer si predstavuje misiu na Marse s dostatkom priestoru na experimenty, skôr pomalšie a správne naplánované, ako sa narýchlo vydalo. Je vedeckým pracovníkom v oblasti materiálov a chcel by pre tento prieskum udržateľné technológie. Pretože si ich nemôžete vyskúšať, Mesiac je ďalším cieľom testov. "A bolo by pekné mať so sebou niečo zelené," hovorí rodák zo Sárska, ktorý nemal so záhradníctvom nič spoločné. Bude ďalším Nemcom, ktorý poletí do vesmíru a vycvičí sa na misiu na ISS, kde môže byť rád, že sa môže starať o rastliny.

Maurer, ktorý bol pozvaný na 34. kampaň DLR, nechal na palube vysvetliť, čo sa skrýva za izolovanými testovacími jednotkami. Zatiaľ čo francúzsky astronaut Esa Thomas Pesquet bol súčasťou pilotného tímu, Maurer druhý deň letu absolvoval parabolický výcvik ako pasažier. Nemá zelený palec, ale je zvedavý a ako vedec chce pochopiť, o čom je experiment, „nielen stlačiť gombík, keď vyletím hore“. Fyziológovia rastlín mu tiež dokázali pomocou podrobných obrázkov ilustrovať svoje projekty FLUMIAS. Nemusíte byť nadšení z botaniky, koncept tejto fluorescenčnej mikroskopickej analýzy je dosť vzrušujúci. Kde inde môžete vidieť oscilujúce vápnik alebo jemné končeky koreňov, ktoré sedia v mikrofluidných čipoch?

A nielen vedci v oblasti materiálov ocenia dômyselný výrobný proces „RootChips“, ktorý vyvinul Guido Grossmann z univerzity v Heidelbergu. Pomocou fotolitografie ich možno vyrobiť z mäkkého silikónu, aby si takmer týždeň staré rastliny Arabidopsis našli dostatok priestoru. Ich korene rastú počas letu o niekoľko mikrometrov a jemnými kanálikmi prúdi živné médium. Špeciálne vyrobené mini čerpadlá ho udržujú v chode, zastavenie by ovplyvnilo reakcie. Plast by tiež nebol vhodný ako nosný materiál: „Naši kolegovia z Heidelbergu to vyskúšali a vyfrézovali kanály,“ uviedol Böhmer. Ale povrch je príliš drsný, korene by narazili a spustili by program „zranenia“. Akútna je horšia ako znížená gravitácia a reakcia by presiahla čokoľvek iné.

Rastliny nepoznajú stav pozastavenia, v priebehu svojho vývoja Zem nikdy nestratila svoju príťažlivosť. Stále dokáže uspieť pri sledovaní mechanizmov, ktoré existujú milióny rokov, do 22 sekúnd. Tretí let bol však zrušený - oprava sa ukázala byť komplikovanejšou, ako sa pôvodne myslelo. Analýzy však pokračujú a na jar 2021 bude môcť frankfurtská spoločnosť vyslať svoje závody do vesmíru pomocou výskumnej rakety. IMPACT sa musí zmenšiť na veľkosť bubna práčky, biológovia sú odmenení piatimi minútami beztiaže. Sláva prichádza neskôr. Možno.