V3PO – Wie kommt man schneller an mehr Grünzeug?

Pflanzen an Bord eines Raumfahrzeugs sind die ideale Ergänzung zur menschlichen Besatzung. Sie produzieren Sauerstoff, sie bereiten Grauwasser auf, sie wirken ausgleichend auf die Psyche und liefern obendrein noch Nahrung. Allerdings hat die Sache einen kleinen Haken: Das Ansinnen, den gesamten benötigten Grünzeugvorrat für eine längere Mission mal eben von der Erde mit an Bord zu nehmen, ist nicht nur wegen des chronischen Platzmangels ziemlich illusorisch. Jedes Extrakilo kostet obendrein auch extra Treibstoff. Und was Essbares angeht, kann man zig Kisten frische Erdbeeren, Salat und Radieschen auch gar nicht so schnell essen wie der Inhalt verderben würde.

Bleibt also, Samen mitzunehmen und an Bord bei Adam und Eva mit dem Anbau zu beginnen. Das klingt nicht nur mühsam, sondern ist es auch. Es hat aber auch eine Reihe von Vorteilen. Samen nehmen – wenn man es nicht gerade auf Seychellenpalmen abgesehen hat – wenig Platz weg und sind relativ leicht. Sie sind auch nicht sonderlich anfällig für Transportschäden, sie können lange gelagert werden und bei der Auswahl so gemischt, dass beim Anbau möglichst große genetische Vielfalt gewährleistet ist. Allerdings dauert es seine Zeit, bis sie keimen und die Pflanzen voll ausgewachsen sind. Zeit, die man an Bord oft nicht hat. Obendrein können Faktoren wie Strahlung und der Wegfall der Schwerkraft zu Problemen bei der Vermehrung führen. So fielen in bisherigen Versuchen zum Beispiel Pollenschläuche unter Schwerelosigkeit um ca. 8% dünner aus als unter normalen Bedingungen. Eine Befruchtung und die anschließende Samenbildung wird damit erschwert, wenn nicht gar verhindert. [1] Strahlung ihrerseits schädigt ggf. das Erbgut, so dass erfolgreich gebildete Samen am Ende vielleicht gar nicht keimen oder unbrauchbare Pflanzen hervorbringen. [2]

V3PO

Es gibt jedoch eine Alternative bzw. Ergänzung zur generativen Vermehrung über Befruchtung und Samen: Die sogenannte vegetative Vermehrung, also den Anbau aus Stecklingen etc. Vegetative Vermehrung ist quasi das „What You See Is What You Get“ der Botanik: Ein abgetrennter Steckling hat zwangsläufig dieselben Erbanlagen und – gleiche Umweltbedingungen vorausgesetzt – dieselben Eigenschaften wie das Exemplar, von dem er stammt. Die aus ihm entstehende Pflanze ist ein Klon. Man steckt ihn in eine Nährlösung (oft reicht auch schon einfaches Wasser), wartet, bis er erste Wurzeln hat, pflanzt ihn dann an seinen Bestimmungsort und lässt ihn weiter wachsen. Fertig. Das hat wahrscheinlich jeder von uns schon mal irgendwann mit irgendeiner Pflanze gemacht. In vielen Fällen geht das ziemlich schnell, und einige Pflanzen erledigen dies sogar ganz von alleine. Erdbeeren oder Vallisnerien beispielsweise über ihr sogenanntes Rhizom, oder sämtliche Zwiebelgewächse über ihre Brutzwiebeln.

Die Frage ist nur, ob man den Steckling auch im Orbit bzw. im All dazu bringen kann, sich zu einer kompletten Pflanze weiter zu entwickeln. Hierüber macht sich zur Zeit ein Schülerteam aus Ravensburg Gedanken. Ihr Projekt „V3PO“ steht für „Vegetative Vermehrungsfähigkeit Von Pflanzen im Orbit“ und wird – falls die Finanzierung klappt – demnächst Teil des NASA Education Programms auf der ISS sein.

Ist es möglich, auf einer Raumstation pflanzliche Nahrungsmittel in einer größeren Menge mit gleicher Qualität zu produzieren und damit die Versorgung der Astronauten mit frischem Gemüse auf langen Missionen gewährleisten zu können? (…) Im Gegensatz [zur generativen Vermehrung] kann durch die vegetative Vermehrung (z.B. Stecklinge) ein einheitlicher Bestand erreicht werden. Zudem gewährleistet die vegetative Vermehrung den Bestand auch dann, wenn Pflanzen nur wenig, schlecht keimfähige oder gar keine Samen hervorbringen. (Quelle: https://www.sciencestarter.de/v3po)

Die Schüler beschäftigen sich hauptsächlich mit der Frage, ob Stecklinge unter Schwerelosigkeit ausreichend Wurzeln und Knospen ausbilden und ob diese sich korrekt im Raum orientieren werden. Bisherige Versuche weisen darauf hin, dass ihr Experiment gute Chancen auf Erfolg hat. Süßkartoffel-Stecklinge zum Beispiel bildeten in einem ähnlichen Experiment sogar mehr und längere Wurzeln aus als die Kontrollgruppe auf der Erde:

Bisherige Erkenntnisse

All stem cuttings produced adventitious roots and growth was quite vigorous in both ground-based and flight samples and, except for a slight browning of some root tips in the flight samples, all stem cuttings appeared normal. The roots on the flight cuttings tended to grow in random directions. Also, stem cuttings grown in microgravity had more roots and greater total root length than ground-based controls. (…) Despite the greater accumulation of carbohydrates in the stems, and greater root growth in the flight cuttings, overall results showed minimal differences in cell development between space flight and ground-based tissues. This suggests that the space flight environment did not adversely impact sweetpotato metabolism and that vegetative cuttings should be an acceptable approach for propagating sweetpotato plants for space applications. [3]

Zwar waren die Wurzeln nicht normal ausgerichtet, aber Versuche mit anderen Pflanzen wie Schaumkresse (Arabidopsis) haben ergeben, dass sich die Wachstumsrichtung unter Umständen durch passende Beleuchtung korrigieren lässt:

Skewing and waving, thought to be gravity dependent phenomena, occur in spaceflight plants. In the presence of an orienting light source, phenotypic trends in skewing are gravity independent (…) [4]

Das V3PO-Team hat sich für Ficus Pumila, eine Feigenart, als Versuchsobjekt entschieden. Auch hier sind sicherlich interessante Erkenntnisse zu erwarten, denn es bilden nicht alle Stecklinge aller Pflanzenarten gleichermaßen bereitwillig Wurzeln aus. Bei manchen geht es sehr schnell, bei anderen dauert der Prozess sehr lange. Dies lässt sich notfalls allerdings chemisch beschleunigen, wie man schon seit 1957 weiß [5]. Es ist dazu nicht einmal notwendig, Stecklinge im ursprünglichen Sinn, also ganze Blätter, Sprosse etc., zu verwenden. Schon ein relativ kleines, aus einem Blatt ausgestanztes Teil kann durchaus wieder zu einer ganzen Pflanze heranwachsen. Im Extremfall reichen einzelne Zellen. Auf diese Weise wäre es im Prinzip möglich, aus einer einzigen Mutterpflanze in relativ kurzer Zeit eine ganze Plantage entstehen zu lassen. [6]

Vor- und Nachteile

Bei langsam keimenden Pflanzen oder auch solchen, die gar nur einmal im Leben blühen und Samen bilden, ist die vegetative Vermehrung in der Tat eine gute Option, um die Besatzung eines Raumfahrzeugs schneller mit den gewünschten Pflanzen in gleichbleibender Qualität zu versorgen. Anbau und Ernte werden bzgl. Dauer und Umfang besser planbar und gehen zügiger vonstatten. Zudem hat man es direkt mit vergleichsweise robusten, adulten Pflanzen zu tun, statt mit empfindlichen Keimlingen. Auch die Gefahr, dass Strahlungsschäden eine ganze Generation unbrauchbar machen, ist reduziert. Sie können zwar an einzelnen Teilen einer Pflanze auftreten, aber in den meisten Fällen wird man noch genügend gesunde Teile übrig haben, die man weiterverwenden kann.

Ist vegetative Vermehrung nun also das Nonplusultra des Pflanzenanbaus im All? Ich denke nicht. Bei Pflanzen wie z. B. Getreide oder anderen schnell keimenden Arten (Kresse!) ist es wahrscheinlich ohnehin sinniger, direkt Samen zu verwenden und auf die vegetative Vermehrung nur bei Fehlentwicklungen zurück zu greifen. Auch Neuzüchtungen werden in vielen Fällen die generative Vermehrung erfordern. Hinzu kommt: Genetische Vielfalt durch generative Vermehrung hat einen nicht zu unterschätzenden Wert. Gerade in einem Umfeld wie einem Raumfahrzeug, wo Nachschub schwer zu organisieren ist. Stellen wir uns vor, wir sind unterwegs zum Mars oder noch weiter und es bricht eine Krankheit unter einer Pflanzenart aus. Oder man entdeckt erst mit einiger zeitlicher Verzögerung eine unerwünschte Eigenschaft wie Fäulnisanfälligkeit an der Originalpflanze. Wenn alle Jungpflanzen nun von diesem einen Exemplar geklont wurden, wird man in solchen Fällen Mühe haben, den Bestand zu retten. Hat man aber weitere Exemplare bzw. Samen mit anderem Genom, stehen die Chancen ganz gut, dass sich darunter brauchbarer Ersatz findet. Klonen kann man zur Not immer noch. Es ist aber wie schon angedeutet auch gar keine Frage von entweder – oder, generativ oder vegetativ. Beides kann gleichzeitig oder nacheinander erfolgen; die Methoden ergänzen einander.

Wer das Projekt der Schüler unterstüzten möchte, kann das über ihre Sciencestarter-Seite tun, wer den Fortschritt verfolgen möchte, findet sie auf Twitter unter @JufoV3PO. In jedem Fall wünsche ich dem Team allen erdenklichen Erfolg bei der Finanzierung und Durchführung!

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[1] http://www.livescience.com/27868-plant-sex-zero-gravity.html

[2] http://www.spacesafetymagazine.com/2012/09/04/chinese-space-radiation-mutate-food-crops/

[3] Mortley, Bonsi et al.: „Influence of Microgravity Environment on Root Growth, Soluble Sugars, and Starch Concentration of Sweetpotato Stem Cuttings„, J Am Soc Hortic Sci. 2008 May 1; 133(3): 327–332.

[4] http://www.biomedcentral.com/1471-2229/12/232

[5] Skoog F, Miller CO: „Chemical regulation of growth and organ formation in plant tissue cultured in vitro. Symposia of the Society for Experimental Biology 1957;11:118-131., zitiert in [6]

[6] Ray J. Rose1, Xin-Ding Wang1, Kim E. Nolan1 and Barry G. Rolfe2, „Root meristems in Medicago truncatula tissue culture arise from vascular-derived procambial-like cells in a process regulated by ethylene„, J. Exp. Bot. (2006) 57 (10): 2227-2235. doi: 10.1093/jxb/erj187

Ausgerechnet Tomaten

Algen, Bakterien und Urin. Das klingt wie eine Mischung, die man zwar loswerden, nicht aber für viel Geld ins All schießen möchte. Die DLR und die Universität Erlangen sehen das anders. Nimmt man nämlich noch einen Satelliten und ein paar Tomatensamen mit dazu, wird aus dieser Kombination ein spannendes Experiment: „Eu:CROPIS“ (Euglena and Combined Regenerative Organic-Food Production in Space) soll umfassende Erkenntnisse für den Anbau von Nutzpflanzen für Langzeitmissionen oder auch auf Himmelskörpern wie Mond oder Mars liefern.

Wie schon beim ebenfalls kurz bevorstehenden Lunar Plant Growth Experiment der NASA geht es auch bei dieser Mission darum, das Wachstum von Nutzpflanzen bei unterschiedlicher Gravitation zu erforschen. Gleichzeitig möchten die Forscher jedoch auch herausfinden, wie das optimale Urin-Recyclingsystem samt Wasserkreislauf aussehen müsste, welches man auf Langzeitmissionen in kompakten Fahrzeugen benötigt.

Es gibt aber noch einen fundamentalen Unterschied zum LPGE der NASA. Wie Jens Hauslage, der Verantwortliche bei der DLR erklärt, wurde für Eu:CROPIS mit den Tomaten eine Pflanze gewählt, von deren Bestandteilen lediglich die Früchte essbar sind. Entscheidend ist also im Gegensatz zu NASAs Schaumkresse und Rüben nicht nur Keimung und gutes Wachstum, sondern auch erfolgreiche Befruchtung und eine brauchbare Ernte. Dass dies im All problematisch sein kann, haben bereits frühere Studien bewiesen. Nicht nur fehlen Insekten und Wind als Bestäubungshilfe; die geringere Gravitation beeinträchtigt zudem die Entwicklung der sogenannten Pollenschläuche. [1] Dennoch wird man aus ernährungstechnischen Gründen gerade auf Langzeitmissionen um derartige Pflanzen nicht herum kommen. Salat, Rüben & Co. sind auf die Dauer schlicht zu einseitig und zu wenig gehaltvoll.

(E.t.a.: Wie Mona ganz richtig in den Kommentaren erwähnt, sind die Blüten immerhin einer Reihe von Blühpflanzen so beschaffen, dass sie sich selbst befruchten können. Die Tomaten gehören zu dieser Gruppe.) Zum Einsatz kommt bei dieser Mission die Zwergtomate „Micro-Tina“.* Sie trägt nicht nur qualitativ hochwertige Früchte, sondern sie ist physisch robust, klein, resistent gegen eine Reihe der gängigen Tomatenkrankheiten, blüht früh und lässt ihre Früchte zudem auch schneller reifen als die meisten anderen Sorten. Das ist hilfreich, um die Dauer des Experiments auf ein Minimum zu reduzieren bzw. früh Ergebnisse zu erzielen. Micro-Tina ist also quasi die perfekte Pflanze für’s Weltall.

Zwei Gewächshäuser an Bord des Satelliten beherbergen in identischem Versuchsaufbau Substrat, Wassertank und Filter, Tomatensamen, künstlichen Urin als Dünger und – noch ein Unterschied zum LPGE – einen Tank mit einzelligen Algen. Konkret: Euglena gracilis, die über eine Leitung durch den mit Mikroorganismen durchsetzten Rieselfilter geschickt werden:

„Das Gewächshaussystem hält alle Nährstoffe bereit, die die Tomatenpflanzen benötigen: Das Wasser kommt aus einem Tank, der Dünger wird vor Ort hergestellt. In regelmäßigen Abständen wird dem Kreislauf künstlicher Urin zugeführt, der mithilfe von Bakterien im Filter zu dem benötigten Nitrat abgebaut wird.

Hier kommt Euglena gracilis, die einzellige Alge, ins Spiel: Denn bevor aus Urin Nitrat entsteht, wird das für Pflanzen giftige Ammoniak gebildet. Durch den Urin erhöht sich zunächst also der Ammoniak-Spiegel im Wasser. Die Filterbakterien bauen das Ammoniak zwar auch ab, allerdings nur langsam. Die Tomaten könnten in dieser Zeit an dem Gift Schaden nehmen. Euglena soll den Bakterien nun beim Abbau des Ammoniaks unter die Arme greifen.“
Dr. Sebastian Strauch, FAU

In den beiden Gewächshäusern wird nacheinander jeweils ein eigenes Experiment durchgeführt: Der Satellit wird in Rotation versetzt und simuliert auf diese Art in Experiment 1 die Schwerkraft des Mondes (0,16 x g) und in Experiment 2 die Schwerkraft des Mars (0,38 x g). Um herauszufinden, welche Gene am Anpassungsprozess der Tomaten und der Euglena beteiligt sind bzw. welche Gene sich durch die Mikrogravitation evtl. gar verändern, installieren die Forscher auch ein PCR-Gerät für fortlaufende Analysen. Des weiteren befindet sich ein Ionenchromatograph zur Analyse der Stoffkreisläufe an Bord und insgesamt 32 Kameras werden das Wachstum der Pflanzen und das Verhalten der Algen überwachen. Darüber hinaus verfolgen diverse Sensoren u.a. die Entwicklung von pH- und Sauerstoffwerten.

Währenddessen sollen unabhängig davon auch noch weitere Experimente laufen:

„Das DLR-Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin nutzt den Flug ins All für die Langzeitmessung der Weltraumstrahlung mit den Strahlungsdetektoren RAMIS (Radiation Measurement in Space). Das Strahlungsfeld im Weltraum ist gerade bei Langzeitaufenthalten im Weltall nicht nur für Astronauten ein limitierender Faktor, sondern wirkt auch auf jedes andere biologische System – seien es Pflanzen, Tiere oder Mikroorganismen. Mit RAMIS messen die DLR-Strahlenbiologen deshalb sowohl an der Außenwand als auch im Inneren des Satelliten das Strahlenfeld. Die Daten sollen sowohl als Grundlage für die Weiterentwicklung von Modellen des Strahlenfelds dienen als auch die Höhe der Strahlungsdosis erfassen, die während des Flugs auf die Eu:CROPIS-Lebensgemeinschaft einwirkt. Die amerikanische Weltraumbehörde NASA führt ein Experiment zur Photosynthese-Messung an Algen mit.“ [2]

Der ungefähr 250 Kilogramm schwere Eu:CROPIS-Satellit soll im Frühjahr 2016 von Kalifornien aus ins All geschossen werden und in ca. 600 km Höhe ein Jahr lang aktiv bleiben. Er wird anschließend in der Erdatmosphäre verglühen. [2]

Langzeitmissionen, für die derartige Systeme in ausgereifter Form benötigt werden, liegen natürlich noch in relativ ferner Zukunft. Dennoch werden die Experimente der Eu:CROPIS-Mission vermutlich durchaus unmittelbar von Nutzen sein. So können die Erkenntnisse bzgl. der Euglena wahrscheinlich auch in der terrestrischen Landwirtschaft genutzt werden, um die güllebedingte Ammoniakbelastung von Böden zu reduzieren. Darüber hinaus bieten die extra für diese Mission konstruierten, super-kompakten Versionen des PCR-Gerätes und des Chromatographen ebenfalls irdische Anwendungsmöglichkeiten, z.B. beim raschen Nachweis von Krankheitserregern, veränderten Genen oder bei der Überwachung der Trinkwasserqualität in Brunnen. Der erwähnte Rieselfilter (C.R.O.P.) ist offenbar sogar bereits im Einsatz – an der Landwirtschaftlichen Fakultät der Universität Bonn:

 

* (Wer sie selbst einmal aussäen möchte und über Kontakte zu Lehrern in den USA verfügt, kann die Samen im Internet erwerben.)

[1] http://www.livescience.com/27868-plant-sex-zero-gravity.html
[2] http://www.dlr.de/dlr/desktopdefault.aspx/tabid-10258/368_read-10095#gallery/14438

Der Mond wird begrünt!

Sauerstoff, Wasser und Nahrung. Diese drei sind Grundvoraussetzung, um einen Großteil aller uns bekannten Lebensformen zu erhalten. Zumindest aber sind sie Grundvoraussetzung für menschliches Leben. Sie sind somit also auch essenziell für jeden Lebensraum, den wir uns in Zukunft durch die bemannte Raumfahrt erschaffen oder aneignen wollen. In der Schnittmenge dieser drei Faktoren befinden sich Pflanzen. Sie produzieren Sauerstoff, sie bereiten Grauwasser auf, sie dienen als Nahrungsmittel, und nicht zuletzt wirken sie auch ausgleichend auf die Psyche. Kurz: Sie sind für die Kolonisierung des Weltraums unabdingbar.

Quelle: NASA

Pflanze im All. © NASA

Ob und welche Pflanzen allerdings am Ende wirklich in extraterrestrischen Gefilden gedeihen können, muss man zunächst einmal herausfinden. Immerhin gilt es im All bzw. auf anderen Planeten oder Monden eine ganze Reihe von Hindernissen zu überwinden. Die erhöhte Strahlung während des Fluges und auf Planeten ohne Atmosphäre und Magnetfeld ist eines der größten davon. Ein weiteres ist die unterschiedliche Schwerkraft. Kommen Pflanzen mit diesen Änderungen in ihrer Umwelt klar? Können sie wachsen, Früchte tragen, sich vermehren? Oder sind ihre Erbinformationen strahlungsgeschädigt, die Keim- und Fortpflanzungsfähigkeit beeinträchtigt? Wachsen die Pflanzen auch bei geringerer Schwerkraft korrekt, oder werden sie deformiert? *)

Um dies genauer unter die Lupe zu nehmen, hat sich die NASA nun das „Lunar Plant Growth Experiment“ (LPGE) einfallen lassen. Sie plant, ein kleines, ca. ein Kilogramm schweres Gewächshaus auf dem Mond auszusetzen, darin Samen keimen zu lassen und deren Fortschritt mit Hilfe spezieller Kameras und Sensoren bis zu 10 Tage lang zu beobachten:

„After landing in late 2015, water will be added to the seeds in the module and their growth will be monitored for 5-10 days and compared to Earth based controls. Seeds will include Arabidopsis, basil, and turnips.“* (Quelle: NASA)
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* Schaumkresse, Basilikum und Rüben

Selbstverständlich haben ähnliche Experimente auch an Bord der bisherigen Raumstationen bereits stattgefunden. Da allerdings aufgrund der anwesenden Menschen dort immer auch ein Mindestmaß an Strahlenschutz vorhanden ist, unterscheiden sich die Versuchsbedingungen erheblich von denen des LPGE. Letzteres würde hingegen erstmals konkrete Anhaltspunkte liefern, ob Gewächshäuser auf dem Mond oder anderen Planeten einen Sinn hätten, wie sie beschaffen sein und über welche Ausstattung sie verfügen müssten.

Die erwähnten Kontrollgruppen dürften bei diesem Experiment fast ebensoviel Aufmerksamkeit erregen wie der eigentliche Versuch. Denn die NASA setzt diesmal auf die Beteiligung der Öffentlichkeit. Genauer gesagt auf die von Kindern und Jugendlichen. Diverse Schulen erhalten Kopien des kleinen Gewächshauses mit identischer Ausstattung. Die Schüler führen das Experiment zeitgleich auf der Erde durch und zeichnen ihre Ergebnisse für die NASA auf. Auf diese Art profitiert die US-Raumfahrtbehörde von Crowdsourcing und spart Zeit und Kosten, die erforderlich wären, um das Experiment eigenhändig zigfach zu duplizieren. Gleichzeitig gibt sie den Schülern Gelegenheit, sich aktiv an echter Wissenschaft zu beteiligen. Ein Gewinn für alle Seiten.

Aus wirtschaftlicher Sicht ist das Lunar Plant Growth Experiment eine der ersten Kooperationen zwischen der NASA und einem Privatunternehmen. Denn der „Spediteur“, der das kleine Pflanzenhabitat zum Mond bringen soll, wird keine staatliche Raumfahrtagentur, sondern der Sieger des Google Lunar XPRIZE sein:

„The Google Lunar XPRIZE aims to create a new “Apollo” moment for this generation and to spur continuous lunar exploration with $40 Million in incentive based prizes. In order to win this money, a private company must land safely on the surface of the Moon, travel 500 meters above, below, or on the Lunar surface, and send back two “Mooncasts” to Earth. Teams may also compete for Bonus Prizes such as exploring lunar artifacts or surviving the lunar night, and can be awarded prize money earlier by completing terrestrial or in-space milestones. All of this must be completed by December 31, 2015.“ (Quelle: Google Lunar XPRIZE)

Lunar Plants Lander, © NASA

Lunar Plants Lander, © NASA

Die NASA muss also nicht auf zukünftige Mondmissionen anderer Staaten warten, während der Gewinner des XPRIZE direkt einen ersten zahlenden Kunden akquiriert hat. Schätzungen zufolge hätte das LPGE noch vor nur 20 Jahren ca. 300 Mio US-Dollar gekostet. In der beschriebenen aktuellen Konstellation belaufen sich die Kosten für die NASA hingegen nur noch auf lediglich 2 Mio. Dollar, schätzt Chris McKay vom NASA Ames Research Center.

Sollte das Experiment erfolgreich verlaufen, sind lt. NASA Follow-Ups geplant:

„After LPX-0 demonstrates germination and initial growth in lunar gravity and radiation, we anticipate follow on experiments that expand the biological science. These include: 1) long term, over-lunar-night experiments, 2) multi-generation experiments, 3) Diverse plants.

Survival to 14 days demonstrates plants can sprout in the Moon’s radiation environment at 1/6 g. Survival to 60 days demonstrates that sexual reproduction (meiosis) can occur in a lunar environment. Survival to 180 days shows effects of radiation on dominant & recessive genetic traits. Afterwards, the experiment may run for months through multiple generations, increasing science return.“ (Quelle: NASA)

Der Nutzen dieser Studien erstreckt sich übrigens nicht nur auf die Raumfahrt. Gegenden mit für Pflanzen lebensfeindlichen Umweltbedingungen existieren auch auf der Erde. Die Erkenntnisse aus dem Lunar Plant Growth Experiment könnten also durchaus auch für die Nahrungsmittelversorgung in diesen Regionen eine Rolle spielen.

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*) Bisherige Forschungsergebnisse aus China lassen übrigens darauf schließen, dass – neben den erwarteten Schädigungen – die erhöhte Strahlung bei Pflanzen durchaus auch zu verbesserten Zuchtergebnissen führen kann. Allerdings ist der NASA die Kooperation mit China untersagt.

Pflanzen als Teil des Lebenserhaltungssystems an Bord

Mit zunehmender Länge der bemannten Missionen stehen Raumfahrer vor neuen Problemen. Interplanetare Flüge oder längere Aufenthalte in Raumstationen erfordern z.B. die Wiederaufbereitung von Luft und Wasser. Aber auch die Nahrungsmittelfrage ist nicht unerheblich, denn Proviant für über 500 Tage (die voraussichtliche Flugdauer einer bemannten Marsmission) würde in den meisten Fällen die zur Verfügung stehenden Kapazitäten sprengen.

Zumindest für diese drei Problemstellungen bieten sich Pflanzen als Lösung an. Sie können nicht nur Sauerstoff herstellen, Kohlendioxid abbauen und sogenanntes Grauwasser wiederaufbereiten, sondern auch als Nahrungsmittel dienen. Überdies haben Pflanzen auf die Besatzung von Raumfahrzeugen auch einen stimmungsaufhellenden Effekt. Prinzipiell sind sie also die perfekte Ergänzung zum Lebewesen Mensch.

Quelle: NASA

Quelle: NASA

Ganz aktuell, nämlich seit dem 1. März 2013, läuft auf der ISS hierzu wieder einmal eine Reihe von Experimenten in Kooperation zwischen ESA und NASA (siehe auch => hier und hier), weshalb ich diesem wichtigen Thema auch einen eigenen Blogeintrag widme.

An Bord eines Raumfahrzeuges muss die Pflanze insgesamt eine beachtliche Anzahl von Bedingungen erfüllen:

Sie sollte schnell wachsen. Möglichst viele ihrer Bestandteile sollten essbar sein, sie sollten nicht zu hoch werden und widerstandsfähig sein gegen Krankheitsbefall. Darüber hinaus sollten sie jedoch auch mit relativ wenig Licht auskommen (wobei LEDs hier zunehmend für Abhilfe sorgen) und sich auch in der Schwerelosigkeit leicht in mehreren Generationen anbauen lassen.

Technik

Quelle: NASA

Adhäsion: Der Wassertropfen hält sich auf dem Blatt. Die Gasblase in der Mitte steigt aufgrund der Schwerelosigkeit nicht nach oben auf. Bildquelle: NASA

Genau hier lauern allerdings bereits weitere Schwierigkeiten. Ganz banal kann es in der Schwerelosigkeit zum Beispiel passieren, dass das Wasser, mit dem man eine Pflanze gießt, durch die Adhäsionskraft bedingt an deren Stengel hängen oder auf dem Substrat liegen bleibt, statt im Boden zu versickern. Man braucht also ein Substrat, das durch die Größe und Gleichmäßigkeit der Körnung diesen Effekt ausgleicht und das Wasser durch Kapillarkräfte nach unten zu den Wurzeln „saugt“. Gröbere Körnung würde die Wurzeln nicht versorgen, feinere Körung würde keine Luft mehr an dieselben lassen. Die optimale Größe liegt lt. Aussagen der NASA bei 1 bis 2 Millimeter; das entspricht in etwa feinerem Aquarienkies. Hieraus ergibt sich übrigens eine zusätzliche Bedingung: Die Pflanze darf bzgl. der Bodenbeschaffenheit nicht zu empfindlich sein.

Betrachtet man die Summe der Anforderungen, kommen bei weitem nicht alle Pflanzen für den Anbau im All in Frage. Experimentiert wird bisher mit bestimmten Sorten von Weizen, Tomaten, Spinat und einigen anderen Arten. [1]

Des weiteren muss die Besatzung dafür Sorge tragen, dass der von der Pflanze produzierte Sauerstoff sich in der Umgebung verteilt, statt sich um sie herum zu sammeln und sie somit vom benötigten Kohlendioxid abzuschneiden. Auch dies passiert in der Schwerelosigkeit nicht automatisch, kann jedoch mit einem Ventilator leicht gewährleistet werden.

Hat man diese rein technischen Herausforderungen überwunden, erwarten den Raumfahrer und seine Pflanzen jedoch noch weitere:

Wachstum
„Weiß“ eine Pflanze ohne Schwerkraft beispielsweise, in welche Richtung sie wachsen muss? Kennt sie „Oben und Unten“? Experimente mit der Art Arabidopsis an Bord der ISS haben gezeigt, dass diese Pflanze sich in jenem Punkt durchaus anpassen kann, auch wenn ihre Schwerkraftsensoren ausfallen. Eine geeignete Lichtquelle vorausgesetzt, richten sich die oberirdischen Teile der Pflanzen nach einer gewissen Übergangszeit nach dem Licht und die Wurzeln nach der Feuchtigkeit aus. Interessanterweise verhalten sich die Wurzeln zumindest bei Arabidopsis auch ohne Schwerkraft genauso wie beim Wachstum auf der Erde:

Skewing and waving, thought to be gravity dependent phenomena, occur in spaceflight plants. In the presence of an orienting light source, phenotypic trends in skewing are gravity independent (…) [2]

Dies bedeutet allerdings nach weiterer Aussage der Studien-Autoren leider nicht automatisch, dass alle anderen in Frage kommenden Arten oder auch nur alle Abkömmlinge einer einzelnen Art sich unter Schwerelosigkeit ebenso verhalten. Selbst bei sorgfältigster Auswahl und Planung des Anbaus an Bord von Raumfahrzeugen, kann deren Besatzung unliebsame Überraschungen und Rückschläge nicht völlig ausschließen.

Vermehrung

Quelle: NASA

Quelle: NASA

Zu klären wäre auch die Frage nach den nächsten Generationen. Während die Vermehrung bei Pflanzen, von denen man Stecklinge setzen kann, noch relativ leicht zu bewerkstelligen sein dürfte, gibt es im Fall von geschlechtlicher Fortpflanzung die eine oder andere Besonderheit, die evtl. zum Problem werden könnte. So hat sich zum Beispiel herausgestellt, dass die Pollenschläuche unter Schwerelosigkeit zwar auch in die richtige Richtung wachsen, dabei allerdings um ca. 8% dünner ausfallen als unter normalen Umständen. [3] Dies könnte zu Fehlschlägen bei Befruchtungsversuchen führen und somit zu unerwarteten Ernteausfällen bzw. dem Verlust ganzer Pflanzenarten an Bord. Ein Risiko, das man sich auf längeren Missionen absolut nicht leisten kann. In solchen Fällen wäre zu überlegen, ob man die Schwerkraft an Bord nicht mit Hilfe von Zentrifugen simulieren sollte, was allerdings wiederum den Energieverbrauch und den Platzbedarf steigen ließe.

Strahlung
Hat man die Pflanzen erfolgreich befruchtet, stellt sich bald die nächste Frage: Ist die nächste Generation brauchbar, oder hat sie durch die Weltraumstrahlung eventuell genetische Schäden davongetragen? Dass dies nicht auszuschließen ist, hat China jüngst bewiesen. Aus Samen, die dieser Strahlung mit voller Absicht ausgesetzt waren, zogen sie eine neue Generation Pflanzen heran, um aus diesen wiederum diejenigen mit profitablen spontanen Mutationen herauszusuchen und weiter zu züchten. Darunter befanden sich z.B. Salatgurken von enormer Länge. [4]

Die Mutationsrate derart bestrahlter Pflanzen ist einige hundert Mal so hoch wie auf der Erde. Allerdings produziert sie selbstverständlich bei weitem nicht nur erwünschte bzw. nützliche Mutationen. Zum Teil keimen die so behandelten Samen auch überhaupt nicht mehr, so dass man für Missionen, auf denen man auf Pflanzen angewiesen ist, unbedingt auch über eine bessere Abschirmung nachdenken muss, als eine Raumstation sie derzeit bietet. [5]

Andererseits haben jüngste Erfahrungen mit Flachs und Soja in radioaktiv verstrahlten Gebieten auf der Erde gezeigt, dass es durchaus auch weitgehend strahlungsresistene Pflanzen gibt, die sich ebenfalls für den Anbau an Bord eignen könnten. [6], [7], [8] Es stellt sich nun die Frage, ob man diese Eigenschaft ggf. auch auf andere Arten übertragen könnte, ohne damit deren Nutzen für die Astronauten zu kompromittieren.

Fazit
Angesichts all dieser Problemstellungen ist es derzeit  zumindest riskant, eine länger währende Mission von Pflanzen an Bord abhängig zu machen. Langzeitexperimente wie „Mars-500“ verliefen zwar grundsätzlich vielversprechend, boten aber natürlich nicht die selben Umgebungsbedingungen, da diese nicht komplett simuliert werden konnten. Insbesondere Schwerkraft und Strahlung entsprachen nicht den Gegebenheiten an Bord eines Raumfahrzeugs. Dennoch ist das bisher gewonnene Wissen über das Wachstum von Pflanzen im All auch aktuell und für den Otto-Normal-Verbraucher von Nutzen. Zum Beispiel in der Gentechnik.

[1] http://www.nasa.gov/mission_pages/station/research/experiments/273.html
[2] http://www.biomedcentral.com/1471-2229/12/232
[3] http://www.livescience.com/27868-plant-sex-zero-gravity.html
[4] http://www.spacesafetymagazine.com/2012/09/04/chinese-space-radiation-mutate-food-crops/
[5] http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0273117786900761
[6] http://www.popsci.com/technology/article/2011-03/plants-survive-radioactive-soils-chernobyl-implications-space-farming,
[7] http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/es100895s
[8] http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/pr900034u