Un Grupo para Estudio de Plantas Espaciales Esta semana estudiantes, científicos y astronautas unirán sus esfuerzos para estudiar cómo crecen las plantas en el espacio.

Mayo 10, 2001 — “¿Cuando vamos a poder usar esta información?”

Los maestros muchas veces tienen dificultad para dar una respuesta adecuada cuando los estudiantes hacen esta vieja pregunta. Pero gracias a un proyecto de cooperación con NASA, la respuesta para 600 maestros de ciencias en los Estados Unidos será: “¡Ahora mismo!”

Esta semana, los astronautas a bordo de la Estación Espacial Internacional (EEI) activarán la cámara de crecimiento de plantas Astro cultura Avanzada, (Advanced AstrocultureTM en inglés) – que fuera llevada a la EEI en abril por el trasbordador espacial Endeavour. Una solución de nutrientes inundará un lecho de “tierra” inorgánica, haciendo germinar las semillas que se encuentran enterradas allí.

Entretanto, en la Tierra, miles de estudiantes empezarán a cultivar sus propios lotes de la planta , Arabidopsis thaliana, una yerba que florece, más conocida como berro de tales. Una comparación de las plantas que empiezan a nacer en la Tierra con las que se encuentran en órbita, ayudará a los científicos y estudiantes a entender cómo la ausencia de la gravedad afecta el ciclo de vida de las plantas.

Arriba: Estudiantes de la Escuela Superior del Area de Bangor (Bangor, Pennsylvania) mezclan soluciones de nutrientes que serán utilizados para alimentar a las plantas. La información sobre el crecimiento de sus plantas será comparada con las observaciones tomadas en la Estación Espacial Internacional. Imagen cortesía de Space Explorers, Inc.

“La posibilidad de comparar sus experimentos con uno que se está llevando a cabo en el espacio — esto es algo que (mis estudiantes) piensan que es interesante y divertido,” dice Terri Cole, un maestro de Ciencias de octavo grado que participa en el proyecto en la Escuela Media Echols en Northport, Alabama. Esto despierta el interés de los estudiantes de una manera que los textos no pueden lograr.

Izquierda: El Trasbordador Espacial Endeavour despegó el 19 de abril, llevando el experimento de crecimiento de plantas a la EEI. La cámara de cultivo, montada en un estante, será activada después de su instalación en la EEI, lo cual se esperaba llevar a cabo el Viernes pasado. Varios sensores supervisarán docenas de variables sobre crecimiento de plantas, y la información será transmitida a los estudiantes y científicos en la Tierra.

Esta clase de investigación es importante para el futuro de la exploración espacial, porque las plantas seguramente proveerán alimento y hasta reaprovisionarán el aire y el agua necesarios para futuros viajeros espaciales. Las estadías de larga duración en el espacio requerirán que varias generaciones de plantas crezcan de manera confiable, por esto, los científicos deben entender el comportamiento desde semilla hasta semilla de las plantas que se cultivan en el espacio.

“Usted puede leer sobre el ciclo de vida de una planta en un texto escolar, y los estudiantes no van a creer que es algo especial,” dice Eric Brunsell, uno de los investigadores principales del proyecto y director de programas educativos de Space Explorers, Inc. (SEI), la compañía comercial con sede en Green Bay, Wisconsin, que está desarrollando el programa de estudios para las escuelas.

“Pero cuando usted puede observar el crecimiento de la planta a través de varios ciclos de vida y sabe que un experimento similar se está llevando a cabo en la Estación Espacial Internacional, esto le agrega una nueva dimensión de entusiasmo,” dice Brunsell.

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Las plantas de los estudiantes servirán como “grupo de control” para el experimento — un punto de referencia de crecimiento “normal” y reproducción el cual se puede comparar con las plantas en la EEI. Durante el progreso del experimento, los estudiantes podrán ver las diferencias entre sus plantas y las plantas en el espacio a través de actualizaciones de información e imagines disponibles diariamente en la Red de Internet. .

Zachary Upton, un estudiante de 14 años de la clase de ciencias del profesor Cole, tiene una teoría sobre cómo las plantas en la EEI pueden diferir de sus semejantes en la Tierra.

“Seguramente las plantas en la Estación Espacial no se caerán al suelo”, especula Upton. “Algunas de nuestras flores, los tallos y demás caen al suelo por la fuerza de la gravedad. En el espacio seguramente que no lo harán.”

Hasta la fecha, solo dos experimentos realizados en el espacio han podido completar un ciclo de vida completo, hace notar Weijia Zhou, investigador principal para el proyecto y director del Centro de Wisconsin para Automatización Espacial y Robótica ( Wisconsin Center for Space Automation and Robotics, WCSAR). Un experimento con trigo completó un ciclo de vida en la Estación Mir, pero solo produjo semillas vacías (debido a una alta concentración ambiental de etileno.) El segundo experimento satisfactoriamente produjo semillas en múltiples generaciones en Mir, pero el experimento utilizó una especie resistente que no es representativa de la mayoría de las cosechas de alimentos.

La duración de ocho semanas del experimento que se está llevando a cabo a bordo de la EEI permitirá tiempo suficiente para una generación completa, terminando con la producción de nuevas semillas. Durante su crecimiento, muchas observaciones se harán sobre las plantas, desde la altura del tallo y número de semillas hasta la temperatura y niveles de CO₂. Esta amplia gama de información debería proporcionar una clara imagen de como Arabidopsis responde a las condiciones de órbita terrestre.

Izquierda:Cámaras de crecimiento cerradas y con un ambiente controlado, como se muestra en esta fotografía, fueron utilizadas por los investigadores principales para llevar a cabo experimentos en tierra semejantes a los que están en desarrollo a bordo de la EEI. Imagen cortesía de WCSAR.

Para comprender el papel tanto de la genética como de las condiciones ambientales en los resultados del experimento, WCSAR llevará a cabo análisis de DNA y RNA cuando las plantas regresen a la Tierra. Las plantas cultivadas en la EEI serán comparadas genéticamente con las cultivadas en la tierra utilizando un aparato semejante al que se usa en la Estación Espacial. La cámara de cultivo de la EEI es un “invernadero” automatizado, completamente cerrado desarrollado por WCSAR y co-financiado por el Programa de Desarrollo de Productos Del Centro Marshall de Vuelo Espacial en Huntsville, Alabama.

Diferencias marcadas en “expresión” de genes (es decir, activación of genes durante las funciones normales de la planta) en las plantas de la EEI significarían que los científicos tendrían que observar con más cuidado para determinar si el cultivo de plantas alimenticias en el espacio, a través de generaciones múltiples, sería viable.

La Arabidopsis thaliana es una pequeña planta de flores muy utilizada por los investigadores como un “organismo modelo” para el estudio de la biología de las plantas. Es un miembro de la familia Brassica que incluye especies tales como el repollo, coliflor, brócoli y rábano. Para estudio, es un excelente modelo por su corto ciclo de vida (aproximadamente 6 semanas de semilla a semilla), fácil de cultivar en áreas pequeñas, alta producción de semillas, y con una secuencia completa de su genoma (un mapa de todos sus genes).

Aunque la genética molecular está más allá de las posibilidades de una clase típica de ciencia, el uso de la tecnología DNA en el proyecto proveerá un medio para la enseñanza de genética básica.

“Una de las secciones de la biología que enseñamos trata de la genética, de tal manera que esto complementaría lo que ya tenemos,” dice Cole.

Derecha: ¿Puede usted distinguir el “invernadero” en esta fotografía? La cámara automatizada de cultivo, desarrollada por WCSAR, ocupa la parte izquierda superior de este estante. Esta fotografía da una idea de como aparece el experimento de cultivo de plantas en la EEI, cuando se encuentre instalada en el estante EXPRESS del Módulo de Laboratorio de EE UU. Una vez instalada, esta unidad solo requiere un mínimo cuidado de parte de la tripulación de la EEI. Imagen cortesía de WCSAR.

Los datos y video del experimento continuarán siendo usados en un currículum de Ciencia disponible comercialmente aún después de que el experimento en la EEI regrese a la Tierra. Space Explorers, Inc. reunirá la información para presentarla en un currículum sobre la Red de Internet llamado Laboratorio en Orbita, y el cual tendrá versiones diseñadas para cada grado desde kinder hasta Secundaria

La información recolectada por los estudiantes, que será entregada por ellos a bases de datos en la Red, contribuirá también al resultado científico del experimento, agregándole credibilidad a las estadísticas de los resultados.

“Es emocionante pensar que de verdad estamos ayudando,” dice Kaitlyn Killion, una estudiante de 14 años de la clase de Cole

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Ciencia @ NASA
Astronautas de Color Verde
Los científicos de NASA están aprendiendo a cultivar plantas en el espacio. Estos remotos cultivos eventualmente tomarán su lugar junto a personas, microbios y máquinas en hábitats autónomos para astronautas.

NASA
Marshall Space Flight Center

ver leyendaAbril 9, 2001 — Cada año, más o menos por este tiempo, los chicos del hemisferio norte empiezan a sembrar semillas y a cuidar de cultivos en el salón de clases. Es una tradición familiar de la primavera. Pero si los científicos de NASA se salen con la suya, este ritual de jardinería anual podría convertirse en mucho más — ¡entrenamiento para astronautas!

Para futuros viajeros espaciales, los cultivos serán cuestión de supervivencia. Las plantas no solo proveerán alimento cuando los envíos de la Tierra no sean posibles, sino que también trabajarán para hacer el aire respirable y el agua potable. Plantas y personas — dos clases muy diferentes de astronautas — eventualmente vivirán juntos en un hábitat balanceado y autosuficiente, donde el contacto con la Tierra es un lujo, no una necesidad.

Derecha: Cuando se construye un “invernadero” en el espacio, la fuente de luz debe ser tan eficiente como sea posible para reducir la demanda de energía. Esta fotografía muestra trigo creciendo con luz proveniente de diodos que emiten luz Light Emitting Diodes (LEDs) por sus siglas en inglés — la misma tecnología que se utiliza para las luces indicadoras en productos electrónicos. Los LEDs ahorran energía al emitir luz sólo en frecuencias que las plantas utilizan para el proceso de fotosíntesis.

Este concepto de colonias autosuficientes en el espacio — o hasta en otros planetas — ha existido por varias décadas en las páginas de innumerables novelas de ciencia-ficción. El progreso de la Estación Espacial Internacional (EEI) hace que esta visión se acerque más a la realidad, pero la EEI no es autosuficiente. Sus sistemas de soporte de vida son estrictamente mecánicos, de tal manera que los alimentos deben transportarse de la Tierra

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“Con el fin de perseguir una exploración del espacio de larga duración, que sea económicamente viable — y aun de posible realización — debemos incluir la biología dentro del sistema general de soporte de vida, ” dice Chris Brown, director de programas espaciales del Instituto Kenan para Ingeniería, Tecnología y Ciencia en la Universidad Estatal de Carolina del Norte.

Los investigadores de NASA de los Centros Espaciales Kennedy (KSC) y Johnson (JSC) están tratando de averiguar exactamente como se llevaría esto a cabo. Están estudiando tecnologías que podrían reunir personas, plantas, microbios y máquinas en “ecosistemas” en miniatura, con capacidad para sostener a los viajeros espaciales indefinidamente. Este tipo de soporte de vida — llamado bioregenerativo” — sería completamente autosuficiente, creando un microcosmos ecológicamente confiable donde cada elemento sostiene y es sostenido por cada uno de los otros.

“Si verdaderamente queremos abandonar la Tierra de forma permanente, necesitamos saber cómo esta esfera azul nos sostendrá a todos y de alguna manera reproducir exactamente las partes que son necesarias para una vida continuada,” dice Jay Garland, Científico Jefe del Proyecto para Soporte bioregenerativo de Vida de Dynamac, Inc., en el Centro Espacial Kennedy.

Los humanos y las plantas son compañeros ideales para viajes espaciales. Los humanos consumen oxígeno y emiten bióxido de carbono. Las plantas devuelven el favor consumiendo bióxido de carbono y emitiendo oxígeno. Los humanos consumen las partes comestibles de las plantas para alimentarse, mientras que los desechos y las partes no comestibles de las plantas pueden — después de ser descompuestos por microbios en tanques llamados “bioreactores” – producir fertilizantes para cultivo de las plantas. Las plantas y los microbios pueden también cooperar para purificar el agua, seguramente con la ayuda de máquinas. El único ingrediente necesario para mantener este sistema en operación continuada es la energía en forma de luz.

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Arriba:Los tres elementos principales de un sistema bioregenerativo de soporte de vida son las personas, las plantas y los microbios. Este dibujo muestra como cada uno sostiene a los otros para crear un sistema ecológico “cerrado”. (El agua mostrada en color gris no es agua negra, es agua sucia o jabonosa proveniente de por ejemplo, actividades higiénicas de los humanos.)

Esto, claro está, es solo un esquema simplificado. Para los científicos e ingenieros que están tratando de diseñar un sistema real, la dificultad está en los detalles.

El encontrar, por ejemplo las especies de plantas adecuadas para un “cultivo especial”es un proceso laborioso.

“Las plantas serán el eje central del sistema de soporte de vida – o al menos la parte biológica del sistema,” dice Brown.

La planta ideal para el espacio tendría tallos cortos para ahorrar espacio, tendría pocas partes no comestibles, crecería bien en poca luz, y sería resistente a enfermedades originadas por microbios. En estos momentos el Centro Espacial Kennedy está investigando la selección de variedades de trigo, arroz, lechuga, papas y otras plantas que cumplen con estos criterios.

ver leyendazquierda:¡Cuando se vive a millones de kilómetros de la Tierra, no se puede permitir una mala cosecha! Los científicos están utilizando procesos de alta tecnología para encontrar las más adecuadas especies de plantas y sistemas de cultivo para asegurar cosechas eficientes y confiables.

Los investigadores están también trabajando para desarrollar un “invernadero” que funcione correctamente en el espacio.

En un invernadero en órbita, las plantas en caída libre no sienten la constante fuerza de atracción de la gravedad. Como resultado, el agua se distribuye en forma homogénea dentro del material que reemplaza la tierra alrededor de las raíces y esto hace que sea más difícil que el agua y el aire lleguen en cantidad suficiente a las raíces. Los investigadores tenían que escoger muy cuidadosamente el tamaño de los granos de “tierra”. Si los granos son demasiado grandes las raíces no reciben suficiente agua, si son demasiado pequeños, no reciben suficiente aire. (El tamaño correcto resultó ser de 1 to 2 milímetros; para mayor información, ver nota del editor al final de este artículo.)

En un ambiente como el de la Estación en órbita, existe menos aire en circulación — ¡las plantas pueden sofocarse un su propio oxígeno “exhalado”! Los ingenieros deben proveer ventiladores para mantener el aire en movimiento.

De todas maneras, los investigadores advierten que la solución por separado de todos estos problemas no garantizará que el sistema funcione correctamente cuando todas las partes han sido ensambladas.

“Existe el interrogante de cómo progresaría el sistema completo con el tiempo,” dice Garland. “Además de la preocupación de cómo las varias especies de microbios pasarían por el proceso de sucesión (es decir la secuencia de reemplazos de una especie de microbios por otra), debemos considerar efectos evolutivos. Con respecto a los microbios, con su corto tiempo entre generaciones, estamos hablando de escalas de tiempo que durante misiones prolongadas, podrían dar lugar a cambios evolutivos radicales.”

Con el fin de comprobar como las personas, las plantas y los microbios se comportan cuando se les aísla por un largo periodo de tiempo, el Centro Espacial Johnson está construyendo una cámara de prueba llamada BIO-Plex. Esta cámara estará equipada con todos los elementos de un sistema bioregenerativo de soporte de vida — incluyendo los humanos.

En caso de que usted considere que estas burbujas autosuficientes de vida fuera de la atmósfera terrestre, no estén al nivel imaginativo de la ciencia-ficción, los investigadores de NASA están estudiando la manera de cómo la combinación de biotecnología y nanotecnología podrían mejorar estas”burbujas” de maneras alucinantes.
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Como ejemplo, futuros avances en biotecnología y nanotecnología podrían permitir a los científicos alterar los genes de las plantas de tal manera que sus células produzcan pequeños sensores, transmisores y receptores moleculares. Estos elementos supervisarían las funciones internas de las plantas e informarían sobre su salud, con el fin de asegurar una buena cosecha; podrían también convertir a las plantas en entes controlables que producirían flores y frutos bajo comando.

Derecha: Los planes de diseño para futuras estaciones humanas extraterrestres, probablemente incluirían plantas como parte del sistema de soporte de vida. Cuando estas estaciones se conviertan en realidad, las plantas tendrán propiedades extraordinarias, que han sido posibles gracias a la biotecnología y a la nanotecnología.

Una idea paralela es la de diseñar plantas que produzcan ciertas sustancias químicas que las protegerían del aumento de radiación en el espacio y en planetas con atmósferas poco densas tales como Marte. Brown también sugiere que dispositivos nanotecnológicos dentro de las células de las plantas podrían suministrar luz directamente a las partes de las células que efectúan la fotosíntesis, haciéndolas más eficientes.

“Existen preguntas sobre factibilidad, pero … ninguna podría detenernos completamente,” dice Brown, quien escribió un estudio sobre los usos potenciales de la nanotecnología para estos sistemas se soporte de vida.

“Tal vez no podamos realizar esto hoy en día, pero nada que estemos considerando está contra las leyes de la física, la química o de la naturaleza,” dice.

Un sistema bioregenerativo de soporte de vida seguramente nunca va a reemplazar al sistema mecánico instalado en la Estación Espacial, agrega Garland. Cuando más, una pequeña cosecha puede cultivarse allí para proveer alimentos frescos. Pero eventualmente, con la ayuda de plantas y microbios, futuras Estaciones Espaciales — o bases en la Luna o en Marte — podrían llegar a ser verdaderos mundos autosuficientes.

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