| |||
|
Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. | |||
|
Vesmírné zahradničení
Lucie Kulhánková
Když si představujeme, co takový astronaut dělá na Mezinárodní kosmické staniciISS – International Space Station, mezinárodní vesmírná stanice. Od roku 1993 je společným projektem americké NASA, Ruska, Kanady, evropských států sdružených v kosmické agentuře ESA a Japonska. První modul byl vynesen v roce 1998, první posádka na stanici byla v roce 2000. V roce 2008 byl k ISS připojen evropský výzkumný modul Columbus. V roce 2011 byl instalován víceúčelový americký modul Leonardo a v roce 2021 zatím poslední ruský modul Nauka. V roce 2011 letěl k ISS poslední raketoplán. Od té doby zajišťují styk se stanicí lety ruských lodí Sojuz, v poslední době se přidaly lodi Crew Dragon soukromé společnosti SpaceX. Na ISS operuje stálá posádka., málokoho asi jako první napadne okopávání záhonků s rajčaty. Ale ač je to možná překvapivé, tak výzkum chování rostlin ve vesmíru je až nečekaně rozsáhlá a stará experimentální oblast. První rostliny putovaly do vesmíru už v roce 1960 na palubě Sputniku 4. A byli to také Rusové, kteří vyslali na palubě Saljutu 1 v roce 1973 první systém pro jejich pěstování jménem Oasis. Američané se samozřejmě nenechali zahanbit a první zástupce rostlinné říše poslali na oběžnou dráhu v roce 1967 v Biosatelitu 2. Dnes na Mezinárodní kosmickou stanici pravidelně putují zásilky semen určených k experimentům. V roce 2014 dokonce poprvé astronauti ochutnali zeleninu vypěstovanou pouze v nulové gravitaci (pro zájemce to byl římský salát). Rostliny v extrémních podmínkách pomáhají vědcům porozumět nejen tomu, jak rostliny mohou pomoci při dlouhodobém pobytu ve vesmíru, ale usnadňují navíc recyklaci vody nebo vzduchu. Rostliny ve vesmíru nám také pomáhají porozumět fyziologii rostlin přímo u nás, na domácí půdě.
Výhonky řeřichy klíčí v průhledném gelu na Mezinárodní kosmické
stanici.
Zdroj: NASA/Smithsonian.
|
ISS – International Space Station, mezinárodní vesmírná stanice. Od roku 1993 je společným projektem americké NASA, Ruska, Kanady, evropských států sdružených v kosmické agentuře ESA a Japonska. První modul byl vynesen v roce 1998, první posádka na stanici byla v roce 2000. V roce 2008 byl k ISS připojen evropský výzkumný modul Columbus. V roce 2011 byl instalován víceúčelový americký modul Leonardo a v roce 2021 zatím poslední ruský modul Nauka. V roce 2011 letěl k ISS poslední raketoplán. Od té doby zajišťují styk se stanicí lety ruských lodí Sojuz, v poslední době se přidaly lodi Crew Dragon soukromé společnosti SpaceX. Na ISS operuje stálá posádka. Germinace – obyčejné klíčení. Počátek vývoje rostlin, kdy po přijetí vody v semenech započnou štěpné procesy zásobních látek (tuků, bílkovin či polysacharidů). Fytohormon – rostlinný hormon. V porovnání s živočišnými hormony mají často méně specifické funkce, a tak výsledek záleží na kooperaci více fytohormonů. Fotosyntéza – biochemický pochod, při kterém dochází k přeměně světelného záření na energii chemických vazeb. Při fotosyntéze se takto zpracovává oxid uhličitý a voda na kyslík a cukr. Fototropizmus – ohyb rostliny nebo její části za zdrojem nebo od zdroje světla. Pomocí fototropizmu jsou například rostliny schopné regulovat množství ozářených listů, a tím i míru fotosyntézy. Gravitotropizmus – ohyb rostliny nebo její části ve směru nebo od směru gravitace (dle toho se dále rozděluje na gravitropizmus pozitivní či negativní). U rostlin tuto funkci zajišťuje primárně fytohormon auxin. |
Příprava na život ve vesmíru
Rostliny jsou pro kosmický program extrémně zajímavé díky své schopnosti měnit oxid uhličitý na kyslík a vodu při fotosyntézeFotosyntéza – biochemický pochod, při kterém dochází k přeměně světelného záření na energii chemických vazeb. Při fotosyntéze se takto zpracovává oxid uhličitý a voda na kyslík a cukr.. Taková vlastnost se nám může náramně hodit, pokud chceme pobývat mimo planetu Zemi delší dobu a potřebujeme si vytvořit vlastní soběstačný biosystém. Poznatky získané studiem rostlin na oběžné dráze se ale zdaleka nepoužívají jenom při pokusech o dlouhodobý pohyb ve vesmíru. Naopak, mnoho dat, která byla získána, našlo uplatnění v základním výzkumu. Například se zjistilo, že charakteristický pohyb stonku při růstu (cirkumnutace) není vlastností rostlin jako takových, ale důsledek gravitace. Také byl, díky možnosti poslat rostliny na výlet do vesmíru, u některých semen rostlin objeven fototropizmusFototropizmus – ohyb rostliny nebo její části za zdrojem nebo od zdroje světla. Pomocí fototropizmu jsou například rostliny schopné regulovat množství ozářených listů, a tím i míru fotosyntézy. k červenému světlu. Tento jev byl dlouhá desetiletí maskován právě větším vlivem gravitace při semenění. Objev možná zní triviálně, ale pomáhá objasnit předtím neznámé části evoluce rostlin.
Jak pěstovat rostliny ve vesmíru?
Především musíme souběžně pěstovat rostliny na Zemi. Ke každému experimentu v nulové gravitaci běží stejný experiment i „tady dole“. Například při experimentech s rostlinnou Brassica rapa (Brukev řepák) se v průhledném gelu do vesmíru přinesla semínka rostliny a po 28 dní se pozorovala germinace za umělého světla ve speciální komoře. Úplně stejná komora se použila i v kontrolním experimentu na Zemi. Astronaut musí jednou denně rostliny vyndat z komory a pořídit fotografie, které jsou zaslány výzkumníkům na Zemi. Po ukončení experimentů lze semena rostlin nebo i celé rostlinky chemicky fixovat a dopravit zpět na povrch, kde je možné provádět další standardní experimenty, na které na Mezinárodní kosmické stanici není místo. Jde například o mikroskopické studie semen pomocí elektronového mikroskopuElektronový mikroskop – mikroskop, který k zobrazení předmětů využívá vlnových vlastností svazku elektronů. Elektron se chová podobně jako světlo, jeho vlnová délka je ale výrazně kratší a tak je možné sledovat menší předměty než za pomoci světla. Elektronový mikroskop byl vynalezen v roce 1931 Ernstem Ruskou. nebo třeba DNADNA – Deoxyribonucleic acid, deoxyribonukleová kyselina. Jde o nukleovou kyselinu, jejíž cukernou složkou je 2'-deoxyribóza. Báze jsou tvořeny především čtveřicí adenin, thymin, guanin a cytosin; vzájemně komplementární jsou nukleotidy s adeninem a thyminem, a nukleotidy s cytosinem a guaninem. DNA vytváří dvoušroubovici z navzájem komplementárních opačně orientovaných řetězců, pracovního a paměťového. Její hlavní funkcí je uchovávání genetické informace. či RNARNA – Ribonucleic acid, ribonukleová kyselina. Jde o nukleovou kyselinu, jejiž cukernou složkou je ribóza, nukleotidy jsou obdobné jako v DNA, pouze báze thymin je nahrazena uracilem, který také umožňuje komplementaritu s adeninem. Hlavní funkcí RNA je přenos informace z DNA do dalších struktur. Na rozdíl od DNA dvoušroubovice není typickou strukturou RNA. analýzu. V některých experimentech lze rostliny pěstovat v aeroponickýchAeroponie – získávání živin ze vzduchu. komorách, kde jsou rostliny pravidelně zavlažovány sprejem bohatým na důležité živiny. Tento způsob pěstování nevyžaduje téměř žádné živné médium, a lze tak pěstovat jídlo po celý rok.
Komory pro růst rostlin na Mezinárodní kosmické stanici. Zdroj: NASA.
Letový inženýr Steve Swanson připravuje mikroskop pro
pozorování
klíčení Arabidopsis Thaliana. Zdroj:
NASA.
Ke kořenům
Jak rostliny na Zemi vědí, kterým směrem je nahoru a kterým dolů? Směr dokáží detekovat několika způsoby. Například díky fototropizmuFototropizmus – ohyb rostliny nebo její části za zdrojem nebo od zdroje světla. Pomocí fototropizmu jsou například rostliny schopné regulovat množství ozářených listů, a tím i míru fotosyntézy.. Pokud je část rostliny ve stínu, tvoří se v oné části fytohormonFytohormon – rostlinný hormon. V porovnání s živočišnými hormony mají často méně specifické funkce, a tak výsledek záleží na kooperaci více fytohormonů. auxin, který způsobuje elongaci (prodloužení) buněk, a tak nutí rostlinu růst směrem za světlem. Naopak kořeny se snaží růst od světla. Tohle není žádná novinka, už Charles Darwin dělal pokusy s ohýbáním rostlin tím, že zakrýval část rostliny kusem látky. Druhým, a ještě silnějším pomocníkem při orientaci, je gravitotropizmusGravitotropizmus – ohyb rostliny nebo její části ve směru nebo od směru gravitace (dle toho se dále rozděluje na gravitropizmus pozitivní či negativní). U rostlin tuto funkci zajišťuje primárně fytohormon auxin.. Známých receptorů gravitace je několik. Aktinová filamentaAktinová filamenta – součást buněčného cytoskeletu. Jde o 7 nm tlustá vlákna, která tvoří síť podílející se na vnitřní stavbě a tvaru buňky. Podílejí se také na buněčném transportu. Jsou tvořeny pospojovanými jednotkami proteinu aktin. a vápníkové kanály mají na vnímání gravitace vliv, který je zvlášť dobře pozorovatelný na jednobuněčných rostlinách. AmyloplastyAmyloplast – druh plastidu (semiautonomní rostlinná organela), ve kterém rostliny skladují zásobní látku a škrob. si zase v rostlinných buňkách „sedají“ díky gravitaci a pomáhají tak expresiExprese – exprese genu, převod genetické informace z DNA do funkční podoby. To může znamenat pouhý přepis do RNA, která sama může mít v buňce funkci, či následný přepis RNA do proteinu. Gen, u něhož právě probíhá exprese, se označuje jako exprimující gen. fytohormonu auxinu a rostlina roste směrem dolů. Druhým hormonem v tomto procesu je pak cytokinin, který podporuje dělení buněk v kořenu.
FototropizmusFototropizmus – ohyb rostliny nebo její části za zdrojem nebo od zdroje světla. Pomocí fototropizmu jsou například rostliny schopné regulovat množství ozářených listů, a tím i míru fotosyntézy. lze jednoduše vyřešit osvětlováním rostliny bílým nebo modrým světlem uměle, ale gravitace se už nahrazuje hůře. Logicky tak vědce zajímalo, co se stane, pokud rostlinu vystavíme mikrogravitaci. Vytvořili tak genový reportér, vlastně fluorescenční barvu, kterou označili auxin či cytokinin, a mohli poté pozorovat jejich rozložení v rostlinných pletivech. Ukázalo se, že auxin vykazuje podobné rozložení v pozemských i vesmírných rostlinách. Zato cytokinin měl rozložení jiné. Auxin ovlivňuje založení primárního kořene rostlin, a tak počátek rostlinného vývoje není téměř narušen ani při nedostatku gravitace. Rostlina se ve vesmíru přeorientuje na fototropizmus a kořeny rostou podle gradientu světla. Pokud například světlo přivedeme z více směrů, je růst kořenů pozměněn, ale stále je rostlina schopná rozpoznat, že kořen má růst směrem od vrchní části. Nicméně samotný vzhled kořenů se pak velice změní.
Růst kořenů Arabidopsis thaliana na světle. Nalevo ISS,
napravo zemský povrch.
Zdroj NASA.
Růst kořenů Arabidopsis thaliana za tmy. Nalevo
ISS, napravo zemský povrch.
Zdroj: NASA..
Při bližším zkoumání ale vědci zjistili, že mnoho buněčných struktur je pozměněno na buněčné úrovni. Je to například xylémXylém – rostlinné pletivo vedoucí minerální látky a živiny z kořenové soustavy do vrchních částí rostlin., buněčná stěnaBuněčná stěna – pevná struktura na povrchu buňky vyskytující se u na rostlin, bakterií, hub, archeí a řas. Primárně buněčnou stěnu tvoří pektiny, celulózy a hemicelulózy., tvar buněk a listů, dělení buněk nebo cytoskeletCytoskelet – buněčná kostra, opěrný a pohybový aparát buňky, dynamická struktura průběžně tvořená polymerací a rozkládaná disociací podle aktuálních potřeb. Buněčná kostra se skládá z vláken a tubulů. Její funkce je strukturní, ochranná i transportní.. V posledních experimentech vědci našli díky transkriptomickýmTranskriptomika – studium transkriptomu, tedy veškeré RNA, která se nachází v buňkách. Díky transkriptomu můžeme zjistit, které geny jsou v buňce v dané chvíli aktivní a jsou tak z DNA přepisovány do RNA. metodám stovky genů, které mají zvýšenou nebo sníženou expresiExprese – exprese genu, převod genetické informace z DNA do funkční podoby. To může znamenat pouhý přepis do RNA, která sama může mít v buňce funkci, či následný přepis RNA do proteinu. Gen, u něhož právě probíhá exprese, se označuje jako exprimující gen. v závislosti na přítomnosti gravitace. Nabízí se pak otázka, zda bude mít prostředí obdobný efekt i na rostliny, které kořeny nemají. Další experimenty tak byly provedeny jak s jednobuněčnými rostlinami, tak s rostlinnými buněčnými kulturami. I tady lze pozorovat dramatické změny v genové expresi.
Dalším krokem je zkusit rostliny adaptovat na život ve vesmíru. Evoluce je tady díky své pomalosti krátká, a tak si vědci na pomoc berou metody molekulární biologie. Při vyřazení (knock-out) některých genů se lze přiblížit pozemskému fenotypu a usnadnit rostlinám adaptaci na mikrogravitaci, která je jinak velmi energeticky náročná a narušuje velikost rostlin. Přizpůsobování rostlin životu ve vesmíru je dlouhodobý úkol, který může přinést mnohá další překvapení.
Experimenty s růstem rostlin na ISS. Zdroj: Sestřiháno z materiálů NASA.
Odkazy
- Keller, N., Ducamp, M.-N., Robert, D., & Keller, V. (10. 7 2013). Ethylene Removal and Fresh Product Storage: A Challenge at the Frontiers of Chemistry. Toward an Approach by Photocatalytic Oxidation. Chemical Reviews, 113(7), 5029-5070.
- Paul, A., Wheeler, R., Levine, H., & Ferl, R. (2013). Fundamental plant biology enabled by the space shuttle. American Journal of Botany, 100(1), 226-234.
- Paul, A.-L., Sng, N., Zupanska, A., Krishnamurthy, A., Schultz, E., & Ferl, R. (29. 6 2017). Genetic dissection of the Arabidopsis spaceflight transcriptome: Are some responses dispensable for the physiological adaptation of plants to spaceflight? (J.-S. Zhang, Editor) PLOS ONE, 12(6), e0180186.
- Portefield, D., Neichitailo, G., Mashinski, A., & Musgrave, M. (2003). Spaceflight Hardware for Conducting Plant Growth Experiments in Space: The Early Years 1960-2000. Adv. Space Res, 31(1), 183-193.
- Poulet, L., Fontaine, P., & Dussap C.G. (2016). Plant’s response to space environment: a comprehensive review including mechanistic modelling for future space gardeners. Botany letter, 163:3, 337-347.
- Vogt, G., Nancy Moreno, E., & Countryman, S. Plants in Space – An Experiment Aboard the International Space Station. 2012, Baylor College of Medicine. ISBN: 978-1-888997-77-4.
