Hvis mennesker vil bo på Mars, bliver vi nødt til at dyrke mad. Hvor godt kan frø overleve hårde, ikke-jordiske forhold?
Brug mange måneder knyttet til ISS og se, hvor godt du vokser. Billede via NASA.
Gina Riggio, University of Arkansas
Vil vi en dag kolonisere rummet? Vil vores børn besøge andre planeter? For at nå mål som disse, er vi nødt til at knække en afgørende udfordring: hvordan vi kan fodre os i lange perioder væk fra Jorden.
En tur til Mars ville tage måneder, og at udforske Galaxy's dybder ville tage endnu længere tid. Tilvejebringelse af nærende mad til rejsende er en betydelig hindring. Mens lagring af mad er en mulighed, kan opbevaring nok til at vare mange måneder stamme vægt og pladsbegrænsninger i rumfartøjer - og missioner kan let overgå madholdbarheden. At dyrke mad i rummet vil være vigtigt.
Vigtig - og ikke nødvendigvis let. Forholdene i rumvakuumet er ret barske sammenlignet med Jorden. Frø i rummet skal kunne modstå store doser ultraviolet og kosmisk stråling, lavt tryk og mikrogravitet.
Tro det eller ej, de første plads rejsende var frø. I 1946 lancerede NASA en V-2-raket med majsfrø for at se, hvordan de blev påvirket af stråling. Siden da har det videnskabelige samfund lært en hel del om virkningen af rummiljøet på frø spiring, stofskifte, genetik, biokemi og endda frøproduktion.
Astrobiologer David Tepfer og Sydney Leach undersøgte for nylig, hvordan frø ville gøre tilbage på Jorden efter at have tilbragt længere perioder på den internationale rumstation. Eksperimenterne, de udførte på EXPOSE-missionerne, var meget længere end mange andre ISS-frøeksperimenter og placerede frøene på ydersiden af stationen, i rummet, snarere end indeni. Målet var at forstå ikke kun virkningerne af langvarig stråleeksponering, men lidt om molekylmekanismerne for disse effekter.
Frø har nogle forsvar
Frø har et par bemærkelsesværdige træk, som Tepfer og Leach antagede, ville give disse ”model-rumfarere” en kamp chance.
Frø beskytter deres vigtige indersider med en stærk ekstern frøfrakke. Billede via LadyofHats.
For det første indeholder de flere kopier af vigtige gener - hvad forskere kalder redundans. Genetisk redundans er almindelig i blomstrende planter, især fødevarer, såsom frøfri vandmelon og jordbær. Hvis en genetisk kopi er beskadiget, er der endnu en anden til rådighed for at gøre jobbet.
For det andet indeholder frøovertræk kemikalier kaldet flavonoider, der fungerer som solcremer, og beskytter frøets DNA mod skader med ultraviolet (UV) lys. På Jorden filtrerer vores planetens atmosfære noget skadeligt UV-lys, før det kan nå os. Men i rummet er der ingen beskyttende atmosfære.
Ville disse specielle funktioner være nok til at lade frøene overleve eller endda trives? For at finde ud af det gennemførte Tepfer og Leach en række eksperimenter - både uden for Den Internationale Rumstation og tilbage på Jorden - med tobak, Arabidopsis (en blomstrende plante, der ofte bruges til forskning) og morgenherlighedsfrø.
EXPOSE-R-eksperimentet knyttet til det ydre af den internationale rumstation. Billede via NASA.
Bombarderet med energi
Deres EXPOSE-E-eksperiment fløj til International Space Station (ISS) i 2008 og varede i 558 dage - så lidt under to år.
De lagrede frøene i et enkelt lag på ydersiden af ISS bag en speciel slags glas, der kun lader ind ultraviolet stråling med bølgelængder mellem 110 og 400 nanometer. DNA absorberer let UV-stråling i dette bølgelængdeområde. Et andet, identisk sæt frø var på ISS, men afskærmet fuldstændigt mod UV-stråling. Formålet med dette eksperimentelle design var at observere virkningerne af UV-stråling adskilt fra andre typer stråling som kosmiske stråler, der er overalt i rummet.
Tepfer og Leach valgte tobak og Arabidopsis frø til EXPOSE-E, fordi begge har et overflødigt genom og derfor gode odds for overlevelse. De omfattede også en genetisk manipuleret række tobak med et antibiotisk resistensgen tilsat; planen var senere at teste dette gen i bakterier og bestemme, om der var nogen skade. Ud over det normale Arapidopsissendte de to genetisk modificerede stammer af planten, der indeholdt lave og fraværende UV-beskyttende kemikalier i deres frøfrakke. De sendte også oprenset DNA og oprenset flavonoider. Dette gav forskerne en bred vifte af scenarier, hvormed de kunne forstå effekterne af plads på frøene.
En anden ISS-mission kaldet EXPOSE-R omfattede kun de tre typer Arabidopsis frø. Disse modtog lidt over dobbelt så høj dosis ultraviolet lys på grund af den længere eksperimentstid, 682 dage. Til sidst udførte forskere et jordeksperiment tilbage i laboratoriet, der udsatte Arabidopsis, tobak og formiddagsfrø til meget høje doser UV-lys i kun en måned.
Efter alle disse forskellige eksponeringsforhold var det på tide at se, hvor godt frøene kunne vokse.
Expose-R-eksperimentet var udstyret med tre bakker indeholdende en række biologiske prøver - inklusive frø. Billede via NASA.
Hvad ville forskere høste?
Da frøene vendte tilbage til Jorden, målte forskerne deres spiringsgrad - det vil sige hvor hurtigt roden opstod fra frøbelægningen.
De frø, der var afskærmet i laboratoriet, gjorde det bedst, med mere end 90 procent af dem spirer. Dernæst kom frøene, der havde været udsat for UV-stråling i en måned i laboratoriet, med bedre end 80 procent spirende.
For de rumfartsfrø, der spirer mere end 60 procent af de afskærmede frø. Kun 3 procent af UV-udsatte frø af plads gjorde det.
De 11 Arabidopsis planter, der vokste fra både vildtypen og genetisk konstruerede frø, overlevede ikke en gang plantet i jord. Tobaksplanter viste imidlertid reduceret vækst, men den væksthastighed blev genvundet i efterfølgende generationer. Tobak har en meget hjerteligere frøfrakke og et mere overflødigt genom, hvilket kan forklare dets tilsyneladende overlevelsesfordel.
Da forskerne tilsluttede antibiotikaresistensgenet til bakterier, fandt de, at det stadig var funktionelt efter dens rejse til rummet. Denne konstatering antyder, at det ikke er genetisk skade, der gør disse frø mindre levedygtige. Tepfer og Leach tilskrev den reducerede spiringsgrad til skader på andre molekyler i frøet udover DNA - såsom proteiner. Et overflødigt genom eller indbygget DNA-reparationsmekanismer ville ikke overvinde den skade, hvilket yderligere forklarer, hvorfor Arabidopsis planter overlevede ikke transplantation.
I jordeksperimenterne fandt forskerne, at stråleskader er dosisafhængige - jo mere stråling frøene modtog, desto dårligere er spiringsgraden.
Disse opdagelser kunne informere fremtidige retninger om forskning inden for rumbrug. Forskere kan overveje genetisk manipulerende frø for at have tilføjet beskyttelse for det cellulære maskineri, der er kritisk for proteinsyntese, såsom ribosomer. Fremtidig forskning bliver også nødt til at undersøge nærmere, hvordan frø, der opbevares i rummet, spirer i mikrogravitet snarere end på Jorden.
Gina Riggio, Ph.D. Studerende i celle- og molekylærbiologi, University of Arkansas
Denne artikel blev oprindeligt offentliggjort på The Conversation. Læs den originale artikel.