Növénytermesztés az űrben: az első növény asztronautáktól napjainkig

A magyar projekt is bemutatkozott az AGROMASH EXPO-n

Fotó: Nagy Z. Róbert

Lajkának jobb volt a marketingese, mint a növény-asztronautáknak

Az űrutazások és hosszabb űrben tartózkodás során a növénytermesztés kulcsfontosságú kérdés, ami szorosan kapcsolódik az asztronauták élelmiszer ellátásához.

Az űrbe látogató első élőlény nem Lajka kutya (1957. november) volt, hanem még az ő utazását megelőzően, 1946. nyarán 134 kilométer magasságba lőttek fel magvakat. E kísérlet során az élő szövet reakcióit vizsgálták (volna) a nagy magasságban lévő sugárzással összefüggésben. Az első magok soha nem tértek vissza a Földre, de a néhány héttel később a kukoricamagokkal megismételt kísérlet már sikeres volt.

1966-ban is két kutya űrutazása kapott nagyobb sajtóvisszhangot, de ekkor nedves zöldség magvak is az űrbe jutottak, melyekből visszaérkezésüket követően a saláta, bab és káposzta termés nagyobb produktumú volt, mint a kontroll csoport eredményei, de az űrbéli sugárzást - mint ennek okát - nem tudták bizonyítani akkor.

1990-ben a nemzetközi űrállomáson megpróbáltak növényeket nevelni LED megvilágítással, akkor még sikertelenül, ám hét évvel később sikeresen neveltek magról lúdfüvet, így megdőlt az a feltevés, hogy gravitáció híján a gyökerek össze-vissza nőnek. A gyökerek csírázáskor egy irányba növekednek, de utána a pótmegvilágítás segít szabályozni a növekedés irányát.

A lúdfűre alacsony kromoszómaszáma miatt esett a választás, mint sok más biológiai kísérletben is. E kísérletet számos kultúrnövény sikeres felnevelése is követte azóta.

Az űrben legyen a növény kicsi, teremjen sokat és gyorsan, ne legyenek nagy igényei, és minden része felhasználható legyen...

Fotó: wikipedia, NASA

Növénytermesztés az űrben

Az űrbéli növénytermesztési kísérletek idővel rendszeressé váltak. Az Advanced Plant Habitat (APH) egy teljesen zárt és automatizált növénytermesztő kamra, melyben 180 érzékelő figyeli a folyamatokat, emellett a nedvesség és a tápanyag-utánpótlás is mechanikusan vezérelt benne.

A világűrben a növények vízellátása nagy kihívást jelent, mert a vízrészecskék apró súlytalan cseppekké válnak, emiatt porózus, agyagos táptalajba kell ültetni a növényeket, hogy fel tudják venni a vizet, és ne száradjanak ki.

Öt évvel ezelőtt az APH-rendszerben a lúdfű mellett már törpebúzát is sikeresen termesztettek. A kutatások célja volt megvizsgálni, hogy a súlytalanságból adódóan milyen genetikai és egyéb változások jelentkeznek a növényeken. A gravitáció hiánya miatt az űrhajósok csontjai és izmai is sorvadni kezdenek, hasonló folyamat játszódik le a növények lignintartalmú vázrendszerében. Azóta is vizsgálják, hogy a gravitáció hiánya hogyan és milyen mértékig befolyásolja a növényeket, és tudnak-e hosszú távú, relatíve normális vegetációt végezni a súlytalanság állapotában.
A kutatók megállapították azt is, hogy a Földön túli környezet rontja a palánták védekezőképességét. Súlytalan állapotban a növényimmunitásnak a Földön ismert mikrobiológiai folyamatai, a védekező mechanizmusai nem indulnak be, mert nem észlelik a növények a baktériumok bizonyos aminosavait. Így ezt a folyamatot kívülről stimulálták egy mesterségesen beadott aminosav koktéllal. Sajnos ez is rávilágított arra, hogy még sok kutatás és fejlesztés szükséges ahhoz, hogy érdemi mennyiségű növényt tudjanak termeszteni az űrben.

Cél, hogy idővel az űrhajósok élelmiszer ellátása földi utánpótlás nélkül is megoldható legyen

Fotó: wikipedia, NASA

A paprika nagy kedvenc az űrben

Az elmúlt nyolc év során a Nemzetközi Űrállomáson az asztronauták 11 különböző növényt termesztenek és fogyasztanak is. 2021. végén nagy áttörés következett be, mivel az űrhajósoknak sikerült hosszú tenyészidejű chili paprikát termeszteni és betakarítani. Ez azért nagy siker, mert a paprika genetikailag összetettebb növény, mint a búza, vagy főleg a lúdfű. Csírázási ideje hosszú, sok nedvességet kell számára biztosítani és még a virágok beporzását is mesterségesen kell megoldani. A gabona esetében a beporzás légkeringetéssel elvégezhető, paprikánál kézzel kell porozni. Előbb 12, majd 7 paprikát szüreteltek az űrhajósok, melyek közül néhányat visszaküldtek a Földre, a maradékkal pedig a chilis taco-jukat ízesítették.

Míg a Földön minden adott a növényi élethez, egy űrhajón mindent (is) biztosítani kell számukra

Fotó: Nagy Z. Róbert

Hazai kísérletek

Debrecenben is folynak kutatások a Bioregeneratív Élettámogató Rendszer (Bioregenerative Life Support System -BLSS) kapcsán, ezek eszközeiből láthattak néhányat az AGROmash résztvevői. A Bioregeneratív Élettámogató Rendszer kutatását a szovjet, a NASA és az ESA űrkutatási programok úttörő kezdeményezéseként ismerjük. A BLSS rendszer fontosságáról és nehézségéről 1966-ban, a NASA biológiai programjának vezetője, Dale W. Jenkins (1918-2012) a következőket írta: „A zárt ökológiai életfenntartó rendszerek kérdése az egyik legnehezebb tudományos és mérnöki feladat az űrprogramban. A hosszú távú emberes űrrepüléshez teljes életfenntartó rendszerre van szükség, amely képes ellátni az összes oxigént, élelmet és vizet: eltávolítani minden felesleges szén-dioxidot, vízgőzt az emberi szervezetből származó hulladékot... Ilyen feladat az oxigén, a szén-dioxid, a légköri nyomás és a hőmérséklet megfelelő szinten tartása, valamint a felhalmozódott mérgező termékek és káros szagok eltávolítása. Az űrhajóban az ember egy korlátozott környezetbe van bezárva, ahol szükség van egy teljesen kiegyensúlyozott mikrokozmoszra, vagy zárt ökológiai rendszer miniatürizálására. Ez egy óriási biológiai és biomérnöki probléma.”
Egy projekt keretében 240 négyzetméter felületű biológiai kutató és növénynevelő tér épült fel Debrecenben, BIODROME néven. A kutatások egyik legfontosabb területe jelenleg a
Marton Genetics és a Kruppa Kft. által nemesített búza és lucernafajták tesztelése a BIODROME kutatói által fejlesztés alatt álló – negyedik generációs - 3R hipogravitációs klinosztát kamrákban.

Futurisztikus látvány...

Fotó: Nagy Z. Róbert

Űrpaprika: legyen a levele is ehető

A projekt kapcsán az expo látogatói részére kiadott tájékoztatóban olvasható, hogy a FO statisztikái szerint a paprika a harmadik legnagyobb tömegben fogyasztott zöldségféle világszerte. Jelentőségét fokozza a paprikatermés számottevő biológiai értéke. Ez az érték nemcsak a C-vitamin tartalomra korlátozódik. Kiemelkedően magas benne például a karotin és az -vitamin, továbbá K-vitamint is tartalmaz. A paprika, mint potenciális űrnövény újabban ezért került a NSA Bioregenerative Life Support System (BLSS) program célkeresztjébe. 2021. nyarán a NuMex Espanola Improved paprika fajtával
végezték el az első, sikeres űrpaprika nevelési kísérletet az ISS állomáson.

Debreceni Egyetem Alkalmazott Növénybiológiai Tanszéke 2019/2020. óta folytat speciális „űrpaprika” nemesítési programot. A kutatások célja olyan étkezési paprikafajta sorozat előállítása, amely tagjaira a következő tíz képesség jellemző: alacsony fényhiány érzékenység, nagy térfogat hasznosítási hatékonyság, koncentrált, egyidejű virágképződés, kiemelkedő öntermékenyülési potenciál, gyors termésfejlődés, magas biológiai értékű termés, vékony kutikulával, optimális növekedési dinamika mesterséges (LED) fényen és zárt térben, hidroponiás termesztésre való alkalmasság, kiegyensúlyozott fejlődés fajtára optimalizált tápanyagellátásra alapozva, emberi fogyasztásra is alkalmas levelek, alacsony antinutritív tartalommal.

Azt is vizsgálják, hogy a paprika növény egyéb részei mennyire alkalmasak az emberi táplálkozásban hasznosítható rostok kinyerésére, a termesztés hulladék anyagai pedig esetleg alkalmasak e fehérje előállítási célú rovartenyészetekben takarmányként.
BIODROME Debrecen kutató üvegházban évi három generáció előállítása lehetséges. A munkához felhasználják a paprika biotechnológia eddig ismert legfontosabb biotechnológiai eszközeit, az embrió tenyésztéstől a portok tenyészésen át a megkettőzött haploid (DH) előállításig. paprika nemesítési kísérletek kiegészülnek a tigmomorfogenezis tanulmányozásával. Ennek alapja, hogy a legfinomabb emberi, állati, rovari vagy akár más növénytől származó érintés is jelentős génexpressziós választ vált ki egy növényben. Legszembetűnőbb botanikai példa erre a mimóza leveleinek csukódása. z ausztrál La Trobe Egyetem és a belga Genti Egyetem növénykutatóinak tanulmánya szerint harminc perccel az után, hogy megérintették, a növény genomjának 10 százaléka megváltozik.
debreceni nemesítési vizsgálatok témái még a LED világítási kutatások, de foglalkoznak a tápanyagellátás optimalizálásával, új generációs biostimulátorok kutatásával, a zöld biomassza optimalizált hasznosításával és növényvédelem alternatív módszereinek fejlesztésével.