Pierwsze minuty w kosmosie wystarczyły, żeby rośliny zmieniły już aktywność swoich genów. Wyniki mają nam pomóc w przygotowaniu przyszłych upraw poza Ziemią, więc są szalenie ciekawe.
Rośliny nie mają oczywiście oczu, uszu ani układu nerwowego, ale potrafią za to błyskawicznie rozpoznać, iż zmieniły się warunki otoczenia. Naukowcy właśnie udowodnili, iż wystarczy kilka minut lotu kosmicznego, żeby ich komórki zaczęły funkcjonować inaczej. W eksperymencie przeprowadzonym na pokładzie rakiety Blue Origin zaobserwowano zmiany aktywności ponad 1200 genów.
Co szczególnie interesujące, reakcja rozpoczęła się już podczas pierwszych etapów podróży. Rośliny nie musiały spędzać tygodni na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, żeby uruchomić mechanizmy związane ze stresem i przystosowywaniem się do nowych warunków. Ich organizmy zaczęły reagować jeszcze zanim zdążyły na dobre znaleźć się w kosmosie.
Wysłali rośliny w kosmos. Podróż trwała tylko 10 minut
Za cały eksperyment odpowiadają naukowcy z Uniwersytetu Florydy, kierowani przez Roberta Ferla i Annę Lisę Paul. Oboje od ponad 20 lat badają reakcje organizmów żywych na warunki lotów kosmicznych, ale tym razem postanowili sprawdzić coś, czego wcześniejsze doświadczenia nie pozwalały dobrze uchwycić.
Dotychczas naukowcy najczęściej porównywali rośliny, które spędziły na orbicie wiele dni lub tygodni, z ich odpowiednikami hodowanymi na Ziemi. Dzięki temu mogli zobaczyć rezultaty długotrwałego przebywania w mikrograwitacji, ale nie wiedzieli dokładnie, kiedy rozpoczynały się poszczególne reakcje.
Rozwiązaniem okazał się krótki lot suborbitalny. 29 sierpnia 2024 r. Ferl wszedł na pokład kapsuły New Shepard podczas misji NS-26 firmy Blue Origin. Zabrał ze sobą kilkadziesiąt niewielkich roślin rzodkiewnika pospolitego (Arabidopsis thaliana), gatunku powszechnie wykorzystywanego w badaniach genetycznych.
Rakieta wzniosła się na wysokość około 105 km, przekraczając tym samym umowną granicę kosmosu, a następnie wróciła na Ziemię. Cała podróż trwała nieco ponad 10 min, z czego tylko kilka przypadło na warunki mikrograwitacji.
Paradoskalnie to właśnie krótki czas trwania lotu był największą zaletą eksperymentu. Naukowcy mogli sprawdzić nie tylko, jak rośliny funkcjonują w kosmosie, ale przede wszystkim, jak reagują na samo przejście z ziemskich warunków do stanu nieważkości i z powrotem.
Cztery momenty lotu i każdy ujawnił coś innego
Ferl zabrał do kapsuły specjalne pojemniki opracowane we współpracy z NASA. Ich konstrukcja pozwalała w określonym momencie uwolnić substancję konserwującą, która zatrzymywała procesy biologiczne zachodzące w próbkach. Dzięki temu naukowcy mogli zachować stan aktywności genów z konkretnej chwili, zamiast badać dopiero rośliny, które przeszły już przez wszystkie etapy podróży.
Próbki zabezpieczano przed startem, po wejściu w mikrograwitację, pod koniec okresu nieważkości oraz po lądowaniu. Jednocześnie na Ziemi przygotowano identyczne rośliny kontrolne. Badacze aktywowali ich pojemniki w tych samych chwilach, co astronauta znajdujący się w kapsule. Tak przygotowany eksperyment pozwolił porównywać zmiany zachodzące na poszczególnych etapach eksperymentu.
To naprawdę wielka różnica względem wielu wcześniejszych doświadczeń. Jakiś czas temu opisywaliśmy problem, z którym zetknęli się polscy naukowcy badający glony po ich powrocie z ISS. Organizmy ponownie znalazły się pod wpływem ziemskiej grawitacji, zanim można było przeprowadzić wszystkie analizy. Tym razem badacze zabezpieczali próbki jeszcze podczas lotu.
Ponad 1200 genów zmieniło aktywność. Rośliny reagowały błyskawicznie
W badaniu opublikowanym w czasopiśmie npj Microgravity naukowcy opisali zmiany ekspresji ponad 1200 genów zaobserwowane w trakcie eksperymentu. Ekspresja genów to proces wykorzystywania informacji zapisanych w DNA do produkcji cząsteczek potrzebnych komórce. W zależności od warunków niektóre geny stają się bardziej aktywne, a inne są wyciszane.
Nie oznacza to, iż DNA roślin uległo mutacji. Zmienił się sposób korzystania z zapisanych w nim instrukcji, co pozwalało komórkom reagować na nowe środowisko. Najbardziej interesujące okazały się zmiany występujące w pierwszych minutach lotu. Już podczas startu i wejścia w mikrograwitację rośliny uruchamiały odmienne programy aktywności genetycznej. Nie była to jedna reakcja, która utrzymywała się przez całą podróż. W kolejnych fazach zmieniały się również zestawy aktywnych genów.
Naukowcy zauważyli ponadto, iż liście i korzenie reagowały inaczej. Jest to bardzo ważne, ponieważ na Ziemi obie części rośliny korzystają z informacji o kierunku działania grawitacji w odmienny sposób. Korzenie zwykle rosną zgodnie z kierunkiem działania siły ciężkości, natomiast pędy kierują się w stronę przeciwną. W mikrograwitacji ten podstawowy sygnał orientacyjny przestaje działać tak jak na powierzchni planety.
Komórki uruchomiły alarm. Problemem nie jest tylko nieważkość
Analiza wykazała, iż wiele zmieniających aktywność genów uczestniczy w reakcjach na stres komórkowy. Dotyczyło to m.in. procesów związanych z nieprawidłowym fałdowaniem białek i działaniem reaktywnych form tlenu.
Te ostatnie są cząsteczkami powstającymi również podczas zwykłego funkcjonowania organizmu. W nadmiernych ilościach mogą jednak uszkadzać składniki komórek, dlatego rośliny posiadają mechanizmy ograniczające ich szkodliwe działanie.
Badacze zwrócili również uwagę na zmiany dotyczące mitochondriów, czyli struktur odpowiedzialnych za znaczną część przemian energetycznych zachodzących w komórkach. Wyniki wskazują, iż lot kosmiczny może uruchamiać reakcję na stres znacznie szybciej, niż sugerowały wcześniejsze obserwacje prowadzone po długotrwałym pobycie na orbicie.
Nie można jednak na ten moment jednoznacznie stwierdzić, iż za wszystkie zmiany odpowiada wyłącznie mikrograwitacja. Podczas startu rośliny doświadczały dużych przeciążeń, drgań i innych czynników, które również mogą wpływać na pracę ich komórek. Nowy eksperyment pozwala lepiej rozdzielać te etapy, ale nie izoluje całkowicie wszystkich oddziałujących bodźców.
Zauważmy, iż w polskim eksperymencie Space Volcanic Algae na ISS naukowcy również wykryli rozległe zmiany aktywności genów. Tam jednak organizmy przebywały w warunkach kosmicznych znacznie dłużej. Nowe wyniki pokazują, iż pierwsze reakcje mogą rozpoczynać się niemal natychmiast.
Chcemy uprawiać rośliny na Marsie. Musimy więc dokładnie poznać ich słabości
Przyszłe wyprawy na Księżyc i Marsa będą wymagały systemów produkcji żywności, które nie mogą polegać wyłącznie na dostawach z Ziemi. Rośliny mogą dostarczać astronautom świeżego pożywienia, ale również uczestniczyć w przetwarzaniu dwutlenku węgla, produkcji tlenu i utrzymywaniu obiegu substancji w zamkniętych habitatrach.
Na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej prowadzono już eksperymentalne uprawy pomidorów. Pokazały one, iż produkcja żywności poza Ziemią jest możliwa, choć wymaga odpowiedniego sterowania oświetleniem, nawadnianiem i innymi warunkami wzrostu.
Naukowcy sprawdzają również odporność poszczególnych gatunków na środowisko kosmiczne. W 2025 r. pisaliśmy o wysłaniu nasion konopi siewnych w celu zbadania ich reakcji na promieniowanie. Z kolei niedawno opisana mapa marsjańskich gruntów ma pomóc wskazać regiony, których podłoże może najlepiej nadawać się do przyszłych upraw.
Jednak choćby najlepszy system nawadniania czy odpowiedni skład mineralny podłoża nie wystarczą, jeżeli rośliny nie będą radziły sobie ze zmienioną grawitacją i stresem towarzyszącym podróży. Nowy eksperyment pozwala naukowcom badać właśnie ten początkowy etap. Dzięki niemu można lepiej ustalać, które mechanizmy ochronne uruchamiają się najwcześniej i czy w przyszłości da się zwiększać odporność roślin na warunki kosmiczne.
Pamiętajmy, iż jest to tak naprawdę dopiero punkt wyjścia. Badanie przeprowadzono na jednym gatunku podczas krótkiego lotu suborbitalnego. Nie wiadomo jeszcze, czy rośliny uprawne, takie jak pomidory, ziemniaki czy zboża, reagują w identyczny sposób.
*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI
