Koliko dobro sjeme može preživjeti u svemiru?

Provedite mnogo mjeseci vezanih uz ISS i pogledajte koliko dobro rastete. Slika putem NASA-e.

Gina Riggio, Sveučilište u Arkansasu

Hoćemo li jednog dana kolonizirati prostor? Hoće li naša djeca posjetiti druge planete? Da bismo postigli ciljeve poput ovih, trebat ćemo riješiti jedan ključni izazov: kako se hraniti za duge periode izvan Zemlje.

Putovanje na Mars trebalo bi nekoliko mjeseci, a istraživanje dubina galaksije trebalo bi još duže. Osiguravanje hranjive hrane za putnike značajna je prepreka. Iako je skladištenje hrane opcija, dovoljno skladištenja traje mnogo mjeseci i ograničava težinu i prostor u svemirskim brodovima - a misije bi lako mogle nadmašiti rok trajanja hrane. Uzgoj hrane u svemiru bit će neophodan.

Bitno - i ne nužno jednostavno. Uvjeti u vakuumu svemira su prilično teški u usporedbi sa Zemljom. Sjeme u prostoru mora biti u stanju podnijeti velike doze ultraljubičastog i kozmičkog zračenja, niski tlak i mikrogravitaciju.

Vjerovali ili ne, prvi svemirski putnici bili su sjeme. 1946. NASA je lansirala raketu V-2 koja je nosila sjeme kukuruza kako bi promatrala kako su pod utjecajem zračenja. Od tada, znanstvena zajednica naučila je mnogo o učincima svemirskog okoliša na klijanje sjemena, metabolizam, genetiku, biokemiju, pa čak i proizvodnju sjemena.

Astrobiolozi David Tepfer i Sydney Leach nedavno su istražili kako će sjeme obraditi na Zemlji nakon što je provela dulje vrijeme na Međunarodnoj svemirskoj stanici. Eksperimenti koje su proveli u misijama EXPOSE bili su mnogo duži nego kod mnogih drugih pokusa sa sjemenom ISS-a i sjeme je smjestilo na vanjsku stranu stanice, u mrtvo mjesto, a ne iznutra. Cilj je bio razumjeti ne samo učinke dugotrajne izloženosti zračenju, već i malo o molekularnim mehanizmima tih učinaka.

Sjeme ima neke obrane

Sjemenke posjeduju nekoliko izvanrednih osobina za koje su Tepfer i Leach pretpostavili da će ovim „modelima putnicima u svemir“ pružiti priliku za borbu.

Sjeme štiti svoje važne unutrašnjosti jakom vanjskom sjemenskom presvlakom. Slika putem LadyofHats.

Prvo, oni sadrže više kopija važnih gena - što znanstvenici nazivaju suvišnost. Genska redukcija uobičajena je u cvjetnicama, posebno u prehrambenim proizvodima poput lubenice bez jaja i jagoda. Ako je jedna genetska kopija oštećena, na raspolaganju vam je još jedna.

Drugo, sjemenske prevlake sadrže kemikalije nazvane flavonoidi koji djeluju kao kreme za sunčanje, štite sjeme DNA od oštećenja ultraljubičastom (UV) svjetlošću. Na Zemlji atmosfera našeg planeta filtrira štetnu UV svjetlost prije nego što može stići do nas. Ali u svemiru nema zaštitne atmosfere.

Bi li ove posebne osobine bile dovoljne da sjeme opstane ili čak uspijeva? Da bi to saznali, Tepfer i Leach proveli su niz eksperimenata i izvan Međunarodne svemirske stanice i na Zemlji s duhanom, Arabidopsisom (cvjetnom biljkom koja se obično koristi u istraživanjima) i sjemenkama jutarnje slave.

Eksperiment EXPOSE-R pričvršćen s vanjske strane Međunarodne svemirske stanice. Slika putem NASA-e.

Bombardiran energijom

Njihov eksperiment EXPOSE-E poletio je na Međunarodnu svemirsku stanicu (ISS) 2008. godine i trajao je 558 dana, dakle nešto manje od dvije godine.

Sjeme su skladištili u jednom sloju na vanjskoj strani ISS-a iza posebne vrste stakla koje je ultraljubičasto zračenje puštalo samo na valnim duljinama između 110 i 400 nanometara. DNA lako apsorbira UV zračenje u ovom rasponu valnih duljina. Drugi, identičan skup sjemenki bio je na ISS-u, ali potpuno zaštićen od UV zračenja. Svrha ovog eksperimentalnog dizajna bila je promatrati učinke UV zračenja odvojeno od ostalih vrsta zračenja poput kozmičkih zraka koje su posvuda u svemiru.

Tepfer i Leach su za EXPOSE-E odabrali sjeme duhana i Arabidopsis jer oboje imaju suvišni genom i stoga su dobre šanse za preživljavanje. Također su uključivali genetski modificiranu raznolikost duhana s dodatkom gena otpornosti na antibiotike; plan je bio kasnije testirati ovaj gen na bakterije i utvrditi ima li oštećenja. Uz normalnu Arapidopsis, poslali su i dva genetski modificirana soja biljke koji su u sjemenskom omotaču sadržavali niske i odsutne UV-zaštitne kemikalije. Poslali su i pročišćenu DNK i pročišćene flavonoide. To je istraživačima omogućilo širok raspon scenarija pomoću kojih su mogli razumjeti učinke prostora na sjeme.

Druga ISS-ova misija pod nazivom EXPOSE-R uključivala je samo tri vrste sjemena Arabidopsis . Oni su dobili malo više od dvostruke doze ultraljubičastog svjetla zbog dužeg vremena eksperimenta, 682 dana. I na kraju, istraživači su izveli eksperiment u laboratoriju koji je Arabidopsis, duhan i sjeme jutarnje slave izložio vrlo velikim dozama UV svjetla samo mjesec dana.

Nakon svih ovih različitih uvjeta izloženosti, došlo je vrijeme da se vidi koliko dobro sjeme može rasti.

Eksperiment Expose-R bio je opremljen s tri ladice s različitim biološkim uzorcima koji uključuju sjeme. Slika putem NASA-e.

Što bi istraživači poželjeli?

Kad su se sjemenke vratile na Zemlju, istraživači su izmjerili stopu klijanja, odnosno koliko brzo je korijen izašao iz sjemenske prevlake.

Sjeme koje je bilo zaštićeno u laboratoriju je najbolje uspjelo, više od 90 posto ih je klijalo. Slijedilo je sjeme koje je mjesec dana bilo izloženo UV zračenju, koje je klijalo više od 80 posto.

Za sjeme koje putuje u svemir više od 60 posto oklopljenog sjemena klijalo je. Samo 3 posto svemira izloženih UV zračenju.

11 biljaka Arabidopsis koje su rasle i iz divljih vrsta i genetski inženjeriziranih sjemenki nije preživjelo jednom zasađeno u tlu. Biljke duhana, međutim, pokazale su smanjen rast, ali ta se stopa rasta oporavljala u sljedećim generacijama. Duhan ima mnogo srdačniji sjemenski omotač i suvišniji genom, što može objasniti njegovu očitu prednost u preživljavanju.

Kada su istraživači uključili gen rezistencije na antibiotike u bakterije, otkrili su da je i dalje funkcionalan nakon putovanja u svemir. Taj nalaz sugerira da genetička oštećenja ne čine ove sjemenke manje održivim. Tepfer i Leach smanjenu stopu klijanja pripisuju oštećenju drugih molekula u sjemenu osim DNK - kao što su proteini. Suvišni genom ili ugrađeni mehanizmi za popravljanje DNK ne bi prevladali tu štetu, dodatno objašnjavajući zašto biljke Arabidopsis nisu preživjele presađivanje.

U zemaljskim eksperimentima, istraživači su otkrili da oštećenje zračenja ovisi o dozi - što više zračenja primaju sjemenke, to je lošija i njihova klijavost.

Ova otkrića mogla bi pružiti buduće pravce za istraživanje u svemirskoj poljoprivredi. Znanstvenici mogu smatrati da sjeme genetičkog inženjeringa ima dodatnu zaštitu za stanični stroj koji je kritičan za sintezu proteina, poput ribosoma. Buduća istraživanja također će trebati dodatno istražiti kako sjeme pohranjeno u svemiru klija u mikrogravitaciji, a ne na Zemlji.

Dok istraživači dodaju saznanju o tome kako prostor utječe na biljke i njihovo sjeme, možemo nastaviti činiti korake potrebne za proizvodnju hrane u svemiru. Bit će to presudan korak prema održivim kolonijama koje mogu preživjeti i izvan udobnih granica Zemljine biosfere.

Gina Riggio, dr. Sc. Student stanične i molekularne biologije, Sveučilište u Arkansasu

Ovaj je članak prvotno objavljen u časopisu The Conversation. Pročitajte izvorni članak.