Astrobotánica

El borde rojo de la vegetación (VRE) es una biofirma de longitudes de onda del infrarrojo cercano que se puede observar a través de la observación telescópica de la Tierra, y ha aumentado en intensidad a medida que la evolución ha hecho más compleja la vida vegetal. ^{[ 10 ]} En la Tierra, este fenómeno se ha detectado a través del análisis del brillo planetario en la Luna, que puede mostrar un espectro de reflexión que alcanza un pico en 700  nm. ^{[ 10 ]} En un artículo publicado en Nature en 1990, Sagan et al. describieron la detección por parte de Galileo de luz infrarroja que irradia desde la Tierra como evidencia de "actividad biológica generalizada" ^{[ 11 ]} en la Tierra, siendo la evidencia de fotosíntesis un factor particularmente fuerte.

El aumento de la intensidad de la biofirma VRE de la Tierra se ha evaluado mediante la modelización de la radiación de la Tierra primitiva. ^{[ 10 ]} Los musgos y helechos , que predominaban en la Tierra durante los periodos Ordovícico y Carbonífero , producen picos de radiación infrarroja detectables más débiles a 700  nm que la vegetación terrestre moderna. ^{[ 10 ]} Los astrobotánicos centrados en la vegetación extraterrestre han teorizado, por lo tanto, que utilizando estos mismos modelos, sería posible medir si los exoplanetas en sus respectivas zonas Ricitos de Oro albergan vegetación actualmente y, comparando las biofirmas VRE con la radiación histórica modelada de la Tierra, estimar la complejidad de esta vegetación. ^{[ 12 ]}

Existen varios obstáculos para la detección de VRE exoplanetarios:

• La detección de la radiación ultravioleta extrema (VRE) de la Tierra por parte de Galileo se vio facilitada por la proximidad física del satélite a la Tierra; hasta el lanzamiento del telescopio espacial James Webb en diciembre de 2021, la tecnología telescópica aún no estaba lo suficientemente avanzada como para detectar los característicos picos de radiación infrarroja de la VRE en sistemas de exoplanetas distantes.
• Se ha observado que la densa nubosidad es perjudicial para la detección de VRE, ya que una mayor nubosidad aumenta el albedo general , lo que dificulta la detección de la variedad de longitudes de onda de la radiación. ^{[ 13 ]} Además, las nubes son perjudiciales para la observación de la superficie, lo que lleva a estimar que se requiere una cobertura vegetal de ≥20 % Y una superficie libre de nubes como mínimo para detectar VRE exoplanetario visible desde telescopios terrestres. ^{[ 14 ]}
• Se ha demostrado que ciertos minerales presentan espectros reflectantes de borde nítido similares a los de los pigmentos fotosintéticos captadores de luz. Esto significa que primero se deben descartar los orígenes minerales de los efectos tipo VRE antes de poder confirmar una explicación biológica. ^{[ 13 ]} Esto puede ser difícil de lograr desde la Tierra, ya que los minerales en forma de partículas de regolito más finas presentan características reflectantes diferentes a las de las grandes formas cristalinas que se encuentran en la Tierra. Una sugerencia de Sara Seager et al. es utilizar mediciones atmosféricas para determinar el nivel de oxígeno atmosférico, que, de ser alto, descartaría la abundancia superficial de minerales no oxidados. ^{[ 13 ]}

Apodado "el creador de la astrobotánica", ^{[ 1 ]} Gavriil Adrianovich Tikhov acuñó el término en 1945 para describir el campo emergente en torno a la búsqueda de vegetación extraterrestre. Debido a las tormentas en Marte que causan un oscurecimiento de la superficie visible desde la Tierra, los contemporáneos de Tikhov a menudo creían en la existencia de vegetación marciana comparable a los cambios de color estacionales de la vegetación de la Tierra. ^{[ 14 ] [ 1 ]} Partiendo de las conclusiones alcanzadas al examinar el brillo terrestre en la Luna en 1914, en 1918 y 1921 Tikhov descubrió, mediante el uso de filtros de color telescópicos, que las clorofilas eran indetectables en la superficie marciana, lo que lo llevó a hipotetizar que el carácter de la vegetación marciana probablemente sería de tonalidad azul, compuesta principalmente de musgos y líquenes. ^{[ 1 ]} La investigación de Tikhov sobre astrobotánica se convertiría más tarde en una investigación sobre el cultivo de plantas en el espacio, o en la demostración de la posibilidad de que las plantas crecieran en condiciones extraterrestres (especialmente comparando el clima de Marte y Siberia), pero fue el primer astrónomo conocido en utilizar el color para intentar medir el nivel de vegetación en un satélite extraterrestre. ^{[ 1 ]}

Después del sobrevuelo de Galileo en 1990 que demostró el efecto VRE en la Tierra, el interés astrobotánico en la vegetación extraterrestre se ha centrado principalmente en examinar la viabilidad de la detección de VRE, ^{[ 10 ] [ 13 ] [ 15 ] [ 16 ]} y se han propuesto varios proyectos:

• Tanto el proyecto Darwin de la Agencia Espacial Europea como el Terrestrial Planet Finder de la NASA fueron citados ^{[ 17 ]} como proyectos que podrían haber analizado biofirmas VRE exoplanetarias antes de ser cancelados en 2007 y 2011, respectivamente.
• El Telescopio Extremadamente Grande del ESO , cuyo lanzamiento está previsto para 2028, ^{[ 18 ]} también ha sido citado ^{[ 12 ] [ 19 ]} como otro telescopio que podrá detectar biofirmas VRE exoplanetarias.
• Los futuros telescopios espaciales de la NASA, como la Misión de Imágenes de Exoplanetas Habitables , se han planificado con la capacidad de examinar biofirmas VRE. ^{[ 20 ]}

El Telescopio Espacial James Webb ha estado buscando en el sistema exoplanetario TRAPPIST-1 desde 2021 indicios de vegetación extraterrestre mediante la captura de datos atmosféricos, incluyendo una biofirma VRE, que se hace visible cuando los exoplanetas de TRAPPIST-1 pasan frente a la estrella. La NASA ha determinado que tres de los exoplanetas rocosos de TRAPPIST-1 ( 1e , 1f y 1g ) se encuentran dentro de la zona habitable para agua líquida (y otra materia biológica, como vegetación). ^{[ 16 ] [ 21 ]}

La descripción precisa de las características de la vegetación extraterrestre es altamente especulativa, pero sigue principios de "física sólida y química atmosférica", según el profesor John Albert Raven de la Universidad de Dundee . ^{[ 17 ]}

Un factor que determina el carácter de la vegetación extraterrestre es la estrella en el centro del sistema. El Sol es una estrella de secuencia principal de tipo G , que proporciona las condiciones para la fotosíntesis de la clorofila y los niveles de radiación que rigen las condiciones atmosféricas, como el viento, afectando el desarrollo evolutivo. TRAPPIST-1 es una estrella enana roja ultrafría , que proporciona casi la mitad de la energía del Sol, lo que ha llevado a la especulación astrobotánica de que la vegetación en el sistema exoplanetario TRAPPIST-1 podría ser mucho más oscura, incluso negra para el ojo humano. ^{[ 14 ]}

Por otro lado, se ha especulado que las estrellas de secuencia principal de tipo F , como sigma Boötis , fomentan el crecimiento de vegetación extraterrestre de tonalidad amarilla ^{[ 17 ]} o de tonalidad azul ^{[ 14 ] [ 22 ]} dentro de su sistema exoplanetario, para reflejar los altos niveles de fotones azules emitidos por las estrellas de su tipo.

Los primeros organismos en el espacio fueron "cepas de semillas especialmente desarrolladas" lanzadas a 134 km (83 mi) el 9 de julio de 1946 en un cohete V-2 lanzado por EE. UU . Estas muestras no fueron recuperadas. Las primeras semillas lanzadas al espacio y recuperadas con éxito fueron semillas de maíz lanzadas el 30 de julio de 1946, a las que pronto siguieron centeno y algodón . Estos primeros experimentos biológicos suborbitales fueron manejados por la Universidad de Harvard y el Laboratorio de Investigación Naval y se centraron en la exposición a la radiación en tejido vivo. ^{[ 26 ]} En 1971, 500 semillas de árboles ( pino taeda , sicomoro , liquidámbar , secuoya y abeto de Douglas ) volaron alrededor de la Luna en el Apolo 14. Estos árboles lunares fueron plantados y cultivados con controles de regreso a la Tierra donde no se detectaron cambios.  

En 1982, la tripulación de la estación espacial soviética Salyut 7 llevó a cabo un experimento, preparado por científicos lituanos ( Alfonsas Merkys y otros), y cultivó Arabidopsis utilizando el aparato experimental de microinvernadero Fiton-3, convirtiéndose así en las primeras plantas en florecer y producir semillas en el espacio. ^{[ 27 ] [ 28 ]} Un experimento de Skylab estudió los efectos de la gravedad y la luz en las plantas de arroz . ^{[ 29 ] [ 30 ]} El invernadero espacial SVET-2 logró con éxito el crecimiento de plantas de semilla a semilla en 1997 a bordo de la estación espacial Mir . ^{[ 4 ]} Bion 5 transportó Daucus carota y Bion 7 transportó maíz (también conocido como corn).

La investigación sobre plantas continuó en la Estación Espacial Internacional . El Sistema de Producción de Biomasa se utilizó en la Expedición 4 de la ISS . El sistema del Sistema de Producción de Vegetales (Veggie) se utilizó posteriormente a bordo de la ISS . ^{[ 31 ]} Las plantas probadas en Veggie antes de ir al espacio incluyeron lechuga, acelga, rábanos, col china y guisantes. ^{[ 32 ]} La lechuga romana roja se cultivó en el espacio en la Expedición 40 , que se cosechó cuando maduró, se congeló y se probó de vuelta en la Tierra. Los miembros de la Expedición 44 se convirtieron en los primeros astronautas estadounidenses en comer plantas cultivadas en el espacio el 10 de agosto de 2015, cuando se cosechó su cultivo de lechuga romana roja. ^{[ 33 ]} Desde 2003, los cosmonautas rusos han estado comiendo la mitad de su cultivo mientras que la otra mitad se destina a más investigación. ^{[ 34 ]} En 2012, un girasol floreció a bordo de la ISS bajo el cuidado del astronauta de la NASA Donald Pettit . ^{[ 35 ]} En enero de 2016, los astronautas estadounidenses anunciaron que una zinnia había florecido a bordo de la ISS. ^{[ 36 ]}

En 2018, el experimento Veggie-3 se probó con almohadas para plantas y esteras de raíces. ^{[ 37 ]} Uno de los objetivos es cultivar alimentos para el consumo de la tripulación. ^{[ 37 ]} Los cultivos probados en este momento incluyen repollo , lechuga y mizuna . ^{[ 37 ]}

Entre las plantas que se han cultivado en el espacio se incluyen:

• Arabidopsis (berro de Thale) ^{[ 38 ] [ 39 ]}
• Bok choy (Tokyo Bekana) ( col china ) ^{[ 40 ]}
• Tulipanes ^{[ 39 ]}
• Kalanchoe ^{[ 39 ]}
• Lino ^{[ 39 ]}
• Cebollas , guisantes , rábanos , lechuga , trigo , ajo , pepinos , perejil , patata y eneldo ^{[ 39 ]}
• Albahaca con canela ^{[ 41 ]}
• Col ^{[ 42 ]}
• Zinnia hybrida (var. 'Profusión') ^{[ 43 ]}
• Lechuga romana roja (variedad 'Outredgeous') ^{[ 44 ]}
• Girasol ^{[ 45 ]}
• Ceratopteris richardii ^{[ 46 ]}
• Brachypodium distachyon ^{[ 47 ]}

Algunas plantas, como el tabaco y la campanilla, no se han cultivado directamente en el espacio, sino que se han sometido a entornos espaciales y luego se han germinado y cultivado en la Tierra. ^{[ 48 ]}

Las algas fueron las primeras candidatas para sistemas de soporte vital humano-vegetal. Las investigaciones iniciales en las décadas de 1950 y 1960 utilizaron _{especies de} Chlorella, Anacystis, Synechocystis, Scenedesmus, Synechococcus y Spirulina para estudiar cómo los organismos fotosintéticos podrían utilizarse para el ciclo _de O₂ y CO₂ en sistemas cerrados. ^{[ 49 ]} Investigaciones posteriores a través del programa BIOS de Rusia y el programa CELSS de EE. UU. investigaron el uso de plantas superiores para cumplir las funciones de reguladores atmosféricos, recicladores de residuos y alimento para misiones sostenidas. Los cultivos más comúnmente estudiados incluyen cultivos de almidón como el trigo , la patata y el arroz ; cultivos ricos en proteínas como la soja, el cacahuete y el frijol común; y una variedad de otros cultivos que mejoran la nutrición como la lechuga, la fresa y la col rizada . ^{[ 50 ]} Las pruebas para condiciones óptimas de crecimiento en sistemas cerrados han requerido investigación tanto de los parámetros ambientales necesarios para cultivos particulares (como diferentes períodos de luz para cultivos de día corto versus días largos) como de cultivares que se adaptan mejor al crecimiento en sistemas de soporte vital.

Las pruebas de sistemas de soporte vital humano-vegetal en el espacio son relativamente escasas en comparación con pruebas similares realizadas en la Tierra y pruebas de microgravedad sobre el crecimiento de plantas en el espacio. Las primeras pruebas de sistemas de soporte vital realizadas en el espacio incluyeron experimentos de intercambio de gases con trigo, patata y lenteja de agua gigante ( Spyrodela polyrhiza ). Se han utilizado proyectos a menor escala, a veces denominados "máquinas de ensalada", para proporcionar productos frescos a los astronautas como suplemento dietético. ^{[ 49 ]} Se han planificado estudios futuros para investigar los efectos de mantener plantas en el bienestar mental de los humanos en entornos confinados. ^{[ 51 ]}

Investigaciones más recientes se han centrado en extrapolar estos sistemas de soporte vital a otros planetas, principalmente a bases marcianas. Se han desarrollado prototipos de sistemas cerrados interconectados, denominados "biosferas modulares", para albergar tripulaciones de cuatro a cinco personas en la superficie marciana. ^{[ 52 ]} Estos campamentos están diseñados como invernaderos y bases inflables. ^{[ 53 ]} Se prevé que utilicen suelos marcianos como sustrato de cultivo y para el tratamiento de aguas residuales, así como variedades de cultivos desarrolladas específicamente para la vida extraplanetaria. ^{[ 54 ]} También se ha debatido la posibilidad de utilizar Fobos, la luna marciana, como base de recursos, extrayendo potencialmente agua congelada y dióxido de carbono de su superficie y, finalmente, utilizando cráteres huecos para cámaras de cultivo autónomas que puedan ser explotadas durante misiones mineras. ^{[ 53 ]}