Κάνοντας πράσινο τον Κόκκινο Πλανήτη:Πώς θα καλλιεργήσουμε καλλιέργειες στον Άρη

Το 2016, ο Wieger Wamelink, οικολόγος φυτών με έδρα το Πανεπιστήμιο Wageningen, κάθισε στο New World Hotel στην Ολλανδία με 50 επισκέπτες για ένα μοναδικό γεύμα.

Τα πράγματα μπορεί να φαίνονταν αρκετά συνηθισμένα με μια γρήγορη ματιά στο μενού, αν ίσως λίγο cheffy - ορεκτικά με πουρέ μπιζελιού για να ξεκινήσετε, ακολουθούμενη από σούπα πατάτας και τσουκνίδας με ψωμί σίκαλης και αφρό ραπανάκι και μετά σορμπέ καρότου για να τελειώσετε.

Αλλά αυτό που το έκανε μια τόσο εξαιρετική περίσταση ήταν ότι όλα τα λαχανικά που χρησιμοποιήθηκαν για την παρασκευή του γεύματος είχαν καλλιεργηθεί σε προσομοίωση αρειανών και σεληνιακών εδαφών από τον Wamelink και την ομάδα του.

Από τότε, έχουν καλλιεργήσει 10 εντυπωσιακές καλλιέργειες, συμπεριλαμβανομένων κινόα, κάρδαμου, ρόκας και ντομάτας χρησιμοποιώντας εδάφη προσομοίωσης που παράγονται με θρυμματισμένα ηφαιστειακά πετρώματα που συλλέγονται εδώ στη Γη. Η ομάδα παρήγαγε το προσομοιότυπο χώμα της ταξινομώντας τα σωματίδια του βράχου σε διαφορετικά μεγέθη και αναμειγνύοντάς τα σε αναλογίες που ταιριάζουν με τις αναλύσεις των ρόβερ για το έδαφος του Άρη.

Διαβάστε περισσότερα σχετικά με τη ζωή εκτός Γης:

• Ανακοινώθηκαν οι νικητές του τελικού σταδίου του διαγωνισμού για τους αρειανούς οικοτόπους της NASA
• Μετακινηθείτε, Άρη:γιατί πρέπει να κοιτάξουμε πιο μακριά για μελλοντικές ανθρώπινες αποικίες
• Το πείραμα σκέψης:Τι θα έκανε στο σώμα μου η ζωή στον Άρη;

Τα εδάφη αναπτύχθηκαν αρχικά έτσι ώστε τα ρόβερ και οι διαστημικές στολές να μπορούν να δοκιμαστούν στη Γη για να διαπιστωθεί πόσο καλά χειρίζονταν τα επιφανειακά υλικά του Άρη και της Σελήνης. Λίγοι πίστευαν ότι τα εδάφη θα μπορούσαν ποτέ να καλλιεργηθούν.

Αρχικά, υπήρχαν ανησυχίες σχετικά με την υφή του εδάφους, ειδικά μετά από τις πρώτες προσπάθειες καλλιέργειας μοντέλων σεληνιακών εδαφών που δυσκολεύτηκαν ως αποτέλεσμα μικροσκοπικών, αιχμηρών θραυσμάτων βράχου που τρύπησαν τις ρίζες των φυτών. Στον Άρη, ωστόσο, οι κινήσεις του αρχαίου νερού και η συνεχιζόμενη αιολική διάβρωση έχουν αφήσει μια πολύ πιο συγχωρητική επιφανειακή κάλυψη στον πλανήτη και τα εδάφη της προσομοίωσης έχουν αποδειχθεί επιτυχημένα.

Διατροφικά, ο Wamelink λέει ότι δεν υπάρχει διαφορά μεταξύ των «αρειανών» καλλιεργειών και εκείνων που καλλιεργούνται σε τοπικά εδάφη, και όσον αφορά τη γεύση εντυπωσιάστηκε περισσότερο από τη γλυκύτητα της ντομάτας.

Ο Wamelink και η ομάδα του προσπαθούν τώρα να βελτιώσουν τις αποδόσεις των καλλιεργειών εγχύοντας στο έδαφος της προσομοίωσης του Άρη ανθρώπινα ούρα πλούσια σε άζωτο, έναν πόρο που είναι πιθανό να είναι άμεσα διαθέσιμος σε αποστολές με πλήρωμα στον Κόκκινο Πλανήτη. Σχεδιάζει επίσης να εισάγει βακτήρια που θα σταθεροποιούν περισσότερο άζωτο της ατμόσφαιρας και θα τρέφονται επίσης με τα τοξικά υπερχλωρικά άλατα που υπάρχουν στο έδαφος του Άρη.

Αλλού, στο Πανεπιστήμιο Villanova στην Πενσυλβάνια, ο καθηγητής Ed Guinan και η Alicia Eglin ηγούνται του έργου Red Thumbs και είχαν αρκετές επιτυχίες στην καλλιέργεια του δικού τους προσομοιωτή του Άρη.

Αρχικά προερχόμενοι από πετρώματα που συγκεντρώθηκαν στην έρημο Μοχάβε, οι ερευνητές του Villanova αύξησαν το μοντέλο του εδάφους τους με φάρμες γαιοσκωλήκων, λόγω της ικανότητας των ζώων να απελευθερώνουν άζωτο από τη νεκρή οργανική ύλη μέσω του τρυπήματος και της τροφοδοσίας τους.

Το έργο Red Thumbs έγινε πρωτοσέλιδο το 2018, όταν τα διεθνή μέσα ενημέρωσης ενθουσιάστηκαν με την προοπτική της αρειανής μπύρας, αφού η ομάδα του Guinan και του Eglin κατάφεραν να παράγουν με επιτυχία κριθάρι και λυκίσκο.

Όλη η σαλάτα θέλετε, αλλά όχι πατατάκια

Μερικά χρόνια αργότερα και η Guinan και η Eglin έχουν προσθέσει πλέον ντομάτες, σκόρδο, σπανάκι, βασιλικό, λάχανο, μαρούλι, ρόκα, κρεμμύδι και ραπανάκια στα θερμοκήπια τους. Η ποιότητα της συγκομιδής ποικίλλει, αλλά η κύρια από τις επιτυχίες ήταν το λάχανο λάχανο, το οποίο στην πραγματικότητα αναπτύχθηκε καλύτερα στο προσομοιώσιμο έδαφος του Άρη παρά σε τοπικά εδάφη.

Άλλες καλλιέργειες δυσκολεύτηκαν, όπως οι τόσο απαραίτητες και πλούσιες σε θερμίδες πατάτες. Αποδεικνύεται ότι οι πατάτες προτιμούν περισσότερο ένα χαλαρό, μη συμπιεσμένο έδαφος και απέτυχαν να αναπτυχθούν καθώς τα προσομοιάζοντα εδάφη έγιναν βαριά και αδιαπέραστα όταν ποτίστηκαν, γεγονός που οδήγησε σε πνιγμό των πατατών.

Ο Eglin πιστεύει ότι το κλειδί της επιτυχίας μπορεί να είναι η καλλιέργεια καλλιεργειών χαμηλότερης απόδοσης που μπορεί να απολαμβάνουν περισσότερα φυσικά οικοσυστήματα από ό,τι θα επέτρεπε μια εγκατάσταση ενός είδους. Ακόμη και στη Γη, οι γεωργικές μονοκαλλιέργειες συχνά υποφέρουν με την πάροδο του χρόνου, καθώς τα θρεπτικά συστατικά που είναι απαραίτητα για το ένα φυτό που καλλιεργείται εξαντλούνται προοδευτικά και δεν αντικαθίστανται μετά από κάθε συγκομιδή.

Για να εξουδετερώσουν αυτό το αποτέλεσμα, οι αγρότες εισάγουν συχνά δευτερεύοντα είδη στην ίδια περιοχή καλλιέργειας. Αυτά δεν θα ανταγωνίζονταν την κύρια καλλιέργεια, επειδή τα ριζικά τους συστήματα είναι πιο ρηχά, αλλά θα εξακολουθούσαν να προσφέρουν πρόσθετη δέσμευση αζώτου για τη βελτίωση της γονιμότητας του εδάφους. Η Eglin σχεδιάζει τώρα να το δοκιμάσει καλλιεργώντας σόγια, η οποία θα μπορούσε να αποδειχθεί ζωτική πηγή πρωτεΐνης, και καλαμπόκι μαζί με το χοιρινό, ένα φυλλώδες λαχανικό διάσημο για τη χρήση του στο στιφάδο callaloo της Καραϊβικής.

Όμως, όσο μεγάλη επιτυχία έχουν αυτά τα έργα, πρέπει να θυμόμαστε ότι τα προσομοιωτικά εδάφη έχουν πολύ πραγματικούς περιορισμούς, εξηγεί η Christel Paille της ESA. Συμμετέχει στο πρόγραμμα Micro-Ecological Life Support System Alternative (MELiSSA), το οποίο διερευνά μια σειρά τεχνολογιών για χρήση σε αποστολές μεγάλων αποστάσεων, με πλήρωμα, όπως βακτηριακούς βιοαντιδραστήρες που ανακυκλώνουν τα απόβλητα αστροναυτών στον αέρα, το νερό και τα τρόφιμα. P>

Ενώ η MELiSSA έχει παράσχει υποστήριξη στο Wamelink, η Paille επισημαίνει ότι οποιεσδήποτε επιτυχίες από τα εδάφη του μοντέλου πρέπει να λαμβάνουν υπόψη το γεγονός ότι βασίζονται σε περιορισμένη γεωγραφική δειγματοληψία.

«Είναι μια γραμμή βάσης, αλλά μάλλον όχι κάτι που μπορούμε να γενικεύσουμε σε οποιαδήποτε τοποθεσία στην επιφάνεια του Άρη. Είμαστε πάντα πολύ προσεκτικοί σχετικά με ένα υλικό προσομοίωσης. Είναι πολύ δύσκολο σε έναν μόνο προσομοιωτή να συλλάβει κανείς όλα τα χαρακτηριστικά [της επιφάνειας του Άρη]», λέει.

Ίσως ο μόνος τρόπος να αντιμετωπιστεί αυτό είναι να συλλέξουμε ένα δείγμα από την επιφάνεια του Άρη και να το επιστρέψουμε στη Γη. Στις 30 Ιουλίου, το Perseverance Rover της NASA εκτοξεύτηκε από το ακρωτήριο Κανάβεραλ στη Φλόριντα με το βλέμμα του στα αρχαία κοιτάσματα δέλτα του ποταμού στον κρατήρα Jezero του Άρη. Εάν όλα πάνε σύμφωνα με το σχέδιο, τον επόμενο Φεβρουάριο το rover θα βρεθεί σε μια από τις πιο εύφορες εκτάσεις στον Κόκκινο Πλανήτη.

Χάρη στο σύστημα τροφοδοσίας που βασίζεται σε πλουτώνιο, το rover θα μπορεί να περάσει έως και μια δεκαετία αναλύοντας την επιφάνεια του Άρη. Ενώ προηγούμενες αποστολές αναζήτησαν σημάδια κατοικήσιμων συνθηκών που υπήρχαν στο παρελθόν, το Perseverance στοχεύει να προχωρήσει ένα βήμα παραπέρα αναζητώντας σημάδια παλαιότερης μικροβιακής ζωής.

Επίσης, και πολύ σημαντικό για εκείνους που ελπίζουν να καλλιεργήσουν τροφή στον Άρη, το rover θα συλλέξει δείγματα πετρωμάτων και εδάφους και θα τα αποθηκεύσει ως προετοιμασία για μια πιθανή μελλοντική ρομποτική αποστολή για να τα επιστρέψει στη Γη για ανάλυση. Μέχρι τότε, τα εδάφη προσομοίωσης είναι το μόνο που πρέπει να δουλέψουμε.

Υπάρχουν ακόμη πολλά που πρέπει να μάθουμε στο μεταξύ. Για παράδειγμα, αντί να δεσμεύεται για μεμονωμένα είδη, το πρόγραμμα MELiSSA της Paille προτιμά να αξιολογεί τα φυτά μέσα σε ένα αυτόνομο οικοσύστημα που υποστηρίζει τη ζωή.

Εδώ, τα οφέλη της βρώσιμης βιομάζας, της παραγωγής οξυγόνου και ακόμη και της επεξεργασίας του νερού εξισορροπούνται με τους πόρους για την ανάπτυξη κάθε φυτού και τη διαχείριση των αποβλήτων τους. Αλλά η πρόβλεψη της απόδοσης των καλλιεργειών στον Άρη θα απαιτήσει μια πιο θεμελιώδη κατανόηση της φυτικής βιολογίας.

«Πρόκειται για μείωση στη μοριακή κλίμακα», λέει ο Paille. «Πρέπει να χαρακτηρίσουμε αυτό που συμβαίνει υπόγεια, όπως στη ριζική αναπνοή. Πώς προσλαμβάνονται και παρέχονται στη ρίζα αέρια όπως το οξυγόνο. Και πώς διαχέεται πραγματικά το διοξείδιο του άνθρακα που παράγεται;»

Εμπόδια στην ανάπτυξη

Ακόμα κι αν αναπτυχθεί ένας κατάλληλος προσομοιωτής, υπάρχουν ακόμα άλλες προκλήσεις που πρέπει να ξεπεραστούν. Ο Άρης βρίσκεται σε μια τροχιά που απέχει περίπου 70 εκατομμύρια χιλιόμετρα πιο μακριά από τον Ήλιο από τη Γη. Ως αποτέλεσμα, το ηλιακό φως αποδίδει μόνο το 43 τοις εκατό περισσότερη ενέργεια, αφήνοντας τις μέσες θερμοκρασίες να εξασθενούν γύρω στους -60°C. Επίσης, λόγω της κλίσης και της εξαιρετικά ελλειπτικής τροχιάς του πλανήτη, οι εποχιακές διακυμάνσεις είναι ακραίες.

Ένα άλλο εμπόδιο είναι η ατμόσφαιρα του Άρη, η οποία είναι πολύ πιο λεπτή από τη Γη και στερείται αζώτου ζωτικής σημασίας για την ανάπτυξη των φυτών. Αντίθετα, κυριαρχείται από το διοξείδιο του άνθρακα, το οποίο είναι ζωτικής σημασίας για τη φωτοσύνθεση, αλλά είναι σε τόσο χαμηλές συγκεντρώσεις που όλα τα φυτά που αναπτύσσονται στην επιφάνεια θα δυσκολεύονται να αξιοποιήσουν αρκετά για να τονώσουν την ανάπτυξη.

Η λεπτή ατμόσφαιρα εκθέτει επίσης το έδαφος του Άρη σε κοσμική ακτινοβολία. Αυτό δημιουργεί ένα εχθρικό περιβάλλον για τυχόν μικροοργανισμούς που ενδέχεται να εισαγάγετε για την ανακύκλωση θρεπτικών ουσιών από νεκρή φυτική ύλη.

Επίσης, η Jennifer Wadsworth στο Κέντρο Αστροβιολογίας του Ηνωμένου Βασιλείου έδειξε ότι η ηλιακή ακτινοβολία μπορεί να ενεργοποιήσει ενώσεις χλωρίου στο έδαφος του Άρη, μετατρέποντάς τες σε τοξικά υπερχλωρικά άλατα. Αυτά είναι δηλητηριώδη εάν καταναλωθούν και μπορεί να οδηγήσουν σε υποθυρεοειδισμό, ο οποίος εμποδίζει την απελευθέρωση ορμονών που ρυθμίζουν το μεταβολισμό. Τα δηλητηριώδη βαρέα μέταλλα όπως το κάδμιο, ο υδράργυρος και ο σίδηρος που βρίσκονται στο έδαφος αποτελούν επίσης τις δικές τους προκλήσεις.

«Ό,τι είναι δηλητηριώδες για τους ανθρώπους που μπορείτε να σκεφτείτε από την άποψη των βαρέων μετάλλων βρίσκεται σε αυτά τα εδάφη», λέει ο Wamelink. «Για τα φυτά δεν είναι πρόβλημα γιατί θα το αποθηκεύσουν κάπου. Αλλά αν τρώμε αυτά τα φυτά, τότε μπορεί να είναι [πρόβλημα για εμάς].”

Μια άλλη επιλογή μπορεί να είναι τεχνικές χωρίς έδαφος που χρησιμοποιούνται ήδη στη Γη. Η Aeroponics βλέπει τα φυτά να αιωρούνται στον αέρα ενώ οι ρίζες τους ψεκάζονται με μια θρεπτική ομίχλη. Εναλλακτικά, η υδροπονία βυθίζει τις ρίζες σε ένα θρεπτικό υγρό.

Αυτές οι προσεγγίσεις μπορούν να παράγουν μεγαλύτερες, ταχύτερα αναπτυσσόμενες καλλιέργειες και έχουν ήδη χρησιμοποιηθεί για την επιτυχή καλλιέργεια μαρουλιού στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό (ISS). Στην πραγματικότητα, οι αστροναύτες ήταν τόσο ευχαριστημένοι με τη συγκομιδή τους, λέει ο Wamelink, οι επιστήμονες πίσω στο σπίτι ήταν απογοητευμένοι με την ποσότητα δειγμάτων μαρουλιού που επέστρεψαν για ανάλυση αφού καταναλώθηκαν πάρα πολλά.

Θερμιδικό έλλειμμα

Παρά τη δημοτικότητα του μαρουλιού του ISS, η γεωργία αέρα ή νερού από μόνη της μπορεί να μην είναι αρκετή για να συντηρήσει τους αστροναύτες σε ταξίδια μεγάλων αποστάσεων στον Άρη, χάρη και πάλι στο πρόβλημα της καλλιέργειας πατάτας.

«Είναι πολύ δύσκολο να καλλιεργήσεις πατάτες στην υδροκαλλιέργεια, και μόνο η κατανάλωση μαρουλιού και ντομάτας δεν θα είναι αρκετή γιατί χρειάζεσαι θερμίδες», λέει ο Wamelink. "Οι πατάτες αναπτύσσονται πολύ καλύτερα σε εδάφη, όπου θα έχετε πολλή συγκομιδή ανά κυβικό μέτρο και η οργανική ύλη που δεν τρώτε μπορεί να ανακυκλωθεί."

Είτε καλλιεργείται σε χώμα, νερό ή ομιχλώδη αέρα, τα τρόφιμα πιθανότατα θα παίξουν πολύ περισσότερα από έναν απλό διατροφικό ρόλο σε οποιοδήποτε φυλάκιο του Άρη. Το να καθίσετε για ένα σωστό γεύμα θα αποδεικνυόταν ανεκτίμητο για την ψυχική υγεία και την άνεση κάθε πρωτοπόρου αστροναύτη που ζει εκατομμύρια χιλιόμετρα μακριά από το σπίτι. Ποιος ξέρει, ίσως στο μενού είναι τελικά το ψωμί σίκαλης και ο αφρός ραπανάκι.

• Αυτό το άρθρο εμφανίστηκε για πρώτη φορά στο τεύχος 354 του BBC Science Focus – μάθετε πώς να εγγραφείτε εδώ