宇宙飛行士にとって、宇宙で野菜を育てることの利点は何ですか?新鮮なものを食べられるだけではありません！

地球外環境で人類が生存するために必要な食料、酸素、純水を確保するために植物をどのように利用するかは、宇宙生命科学における最も関心の高い課題です。中国の宇宙ステーションの建設が完了したことにより、今後、中国の宇宙ステーションでさらに多くの植物栽培実験が行われることになる。では、なぜ宇宙で植物を育てるのでしょうか?

100年以上前のSFファンタジーが、今日の宇宙飛行士のメニューの一部となっている

宇宙空間での植物の生育は科学界にとって大きな関心事です。 1869 年にはすでに、短編小説「レンガの月」で、月の宇宙ステーションに木を植える方法について論じられていました。著者はレンガを使って13のキャビンを備えた人工衛星を建造することを構想している。船に持ち込まれた物資の中には、小さな家禽類や穀物などが含まれていた。宇宙に来てから、彼らは進化論に従って進化を促し、わずか数か月で健全な生態系を築き上げました。これは今では冗談のように聞こえるかもしれませんが、宇宙で植物を育てて自給自足するというのは決して新しいアイデアではないと断言できます。

現代の宇宙飛行が始まって以来、植物はしばしば低軌道の宇宙に運ばれ、無重力だが加圧された制御された環境で栽培されてきました。有人宇宙飛行環境では、それらは食料として機能し、空気中の二酸化炭素を代謝して酸素を生成し、客室内の湿度を制御するのに役立ちます。

宇宙に植物を植えると、宇宙飛行士の気分も良くなります。したがって、宇宙プラントは、有人宇宙活動、特に将来の有人深宇宙探査の重要な内容の 1 つとなることは間違いありません。

宇宙飛行士が宇宙ステーションの野菜生産システム機器のメンテナンスを担当

宇宙で植物を育てる上での最初の課題は、重力なしで植物を育てる方法です。これは、無重力が根系にどのような影響を与えるかということだけでなく、人間がどのように適切な照明を提供するかということもテストします。直射日光を植物に当てると、植物は死んでしまうか、予期せぬ突然変異を引き起こしてしまいます。特にルートシステムの問題。ご存知のように、根系は植物に栄養を供給するために使われており、地球の生化学サイクルや土壌中の微生物との相互作用との関係は非常に複雑です。しかし、宇宙飛行により、植物の根は低重力および微小重力下でも機能し続けることが実証されました。

2016年1月に国際宇宙ステーションで栽培されたオレンジ色のハナズオウ

何年もの努力の末、自家消費用の宇宙野菜栽培が実験段階に入った。 2017年には、国際宇宙ステーションの植物栽培装置で5回目のカブ栽培が行われ、一部は宇宙飛行士が食べ、残りは研究用に保存された。宇宙菜園や宇宙農場が、そう遠い未来の話ではないと信じる理由がある。

宇宙飛行士ジェシカ・メイアは国際宇宙ステーションで新鮮なグリーンマスタードを楽しんでいる

宇宙最古の植物

宇宙に到達した最初の生物は、1946年7月9日に米国によって打ち上げられました。当時使用された乗り物はドイツから回収されたV-2ロケットで、高度134キロメートルまで打ち上げられました。具体的な品目は「特別に開発された種子」だったが、サンプルは回収されなかった。 1946 年 7 月 30 日、米国はトウモロコシの種子の打ち上げと回収に成功しました。その後、ライ麦や綿の種子も空に飛んでいきました。ハーバード大学と海軍研究所によって実施されたこれらの初期の弾道生物学的実験は、宇宙放射線が生体組織に与える影響の研究に重点が置かれていました。

V-2ロケット

1966 年 9 月 22 日、ソビエト連邦のコスモス 110 号衛星は 2 匹の犬と一束の保湿種子を宇宙に運びました。地表に戻ると、これらの種子のいくつかは発芽し、地球上の対照サンプルよりもレタス、キャベツ、および一部の豆の収穫量が多くなりました。 1971 年、アポロ 14 号は、テーダマツ、プラタナス、カエデ、セコイア、ダグラスモミなど 500 種の樹木を積んで月を周回しました。地球に戻った後、樹木種は発芽しましたが、変化は検出されませんでした。

1982年、ソ連のサリュート7号宇宙ステーションの宇宙飛行士たちは、当時のリトアニア・ソビエト社会主義共和国の科学者アルフォンソ・メルケスらがフィトン3実験用マイクロ温室装置を使用してシロイヌナズナを栽培する実験を行い、宇宙で開花し種子を生成した最初の植物となった。同時に、米国のスカイラボは、微小重力と光が米に与える影響を研究した。 1997年、SVET-2宇宙温室はミール宇宙ステーションで種子植物の栽培に成功しました。

前述のコスモス110は、ソビエト/ロシアの生物衛星BIONシリーズに属します。これは回収可能な衛星「ゼニット」をベースとしており、主に放射線が人間に与える影響に焦点を当てています。 2013年までに計11機の衛星を打ち上げる計画だ。宇宙第110号、第605号、第690号、第782号など。

BION 5衛星

1971年、ソ連とアメリカ合衆国は「米ソ科学応用協定」に署名した。ソ連とアメリカは1975年にコスモス782号ミッションに関する最初の共同研究を実施し、その後さらに8回の飛行試験に参加した。 1996年12月のBION 11ミッションが米国が参加した最後のミッションとなった。これらのミッション中、アメリカ人は合計 100 回以上の実験を実施し、飛行試験期間は BION 6 (コスモス 1514) では 5 日間、BION 1 とコスモス 110 では 22 日間に及んだ。

スペースシャトルではいくつかの植物実験も行われました。たとえば、1983 年にアラン H. ブラウンはスペースシャトル コロンビア号に乗ってヒマワリの苗の動きを記録しました。彼らは、重力がないにもかかわらず、苗木が回転成長を遂げていることを観察し、これらの行動が植物にとって本能的なものであることを示した。

2018年12月、ドイツ航空宇宙センターはEuCROPIS衛星を低地球軌道に打ち上げました。このミッションでは、宇宙での人類の活動によって生じる副産物を栄養源として利用し、月と火星の重力を模した環境でトマトを栽培するための温室を2つ搭載した（温室ごとに6か月間）。

宇宙ステーションでの植物実験

サリュート宇宙ステーションからミール宇宙ステーション、そして国際宇宙ステーションに至るまで、植物実験は常に重要な内容の一つでした。前述のサリュート7号宇宙ステーションでの1982年の実験は成功しませんでした。シロイヌナズナは種子から成熟し、開花して結実するまで成長しましたが、これは限られた成功だと考えられており、植物の成長は非常に遅く、全体的に貧弱でした。植物は宇宙で69日間栽培されました。地球の研究所に戻った後、約200個の種子の発育が止まりました。さらに、植物は同じ植物栽培装置で育てられた地上対照群に比べて活力と健康度がはるかに低く、生産された種子の多くは空でした。

サリュート7号宇宙ステーション

ソ連はミール宇宙ステーションに独自のスヴェトブロックM装置を配備し、小麦の栽培実験を行ったが、これも成功しなかった。超矮性小麦は167日間生育したが、高さはわずか13cmで、分げつは1本しかなかった。光の条件が悪かったため、種子は収集されませんでした（地球上の対照実験でも同様です）。小麦の一部は地球の研究所に戻され、わずかに高い光量の下で成熟し、28 個の種子を生産しました。

ソ連の宇宙飛行士が、ブルガリアで開発されたSVET装置をミール宇宙ステーションで使用し、54日間にわたる白葉ニンジンと白菜の長期植物実験に初めて成功したのは、1990年になってからだった。それ以来、ミール宇宙ステーションでは数多くの植物実験が行われ、多くの成果が得られました。

国際宇宙ステーションが運用開始されてからは、植物実験のためのより良い条件が整った。この時代におけるテスト機器は、標準テストキャビネットのサイズとインターフェースの要件に応じて開発する必要があります。米国やロシアだけでなく、欧州やカナダも独自の植物実験を実施し、満足のいく結果を達成しました。

宇宙ステーションでの小麦の発芽から穂出しまでの過程

未来の宇宙植物

科学者によれば、地球の生物圏における化学元素のリサイクルに基づく生物学的生命維持システムを確立することは、人類文明の根本的でありながら非常に複雑な科学的課題であり、将来の長期有人宇宙ミッションの前提条件である。理論上、高等植物や動物を含むシステムは、宇宙飛行士の生活に必要な資源の90％から95％を確保することができます。

植物は宇宙飛行士のための食料と酸素を生産し、密閉された宇宙船内の環境から二酸化炭素と余分な湿気を除去します。自然生態系と同様、生物学的生命維持システムの機能には、主要な栄養素を供給する生物が含まれます。最初のレベルはシステムのエネルギー「ゲート」であり、外部エネルギーを生物学的栄養に変換します。これがシステムの存在の基盤です。そしてこのレベルは、植物の光合成によっても生成されます。

ロシアの宇宙飛行士が国際宇宙ステーションのラダシステムを管理

次の栄養段階は、人間や動物などの従属栄養生物によって占められています。彼らは植物を摂取し、有機物を生成します。栄養連鎖の最後のリンクは、さまざまな微生物（菌類、細菌など）で構成されており、有機物の分解を完了し、それを植物が利用できるミネラル元素に変換します。

植物は生物の生命維持システムに不可欠な要素であり、将来の宇宙ステーションや他の惑星へ航行する宇宙船を支えることができます。食用植物製品の最大収穫量を達成することで、研究者は現在地球から輸送されている食料を宇宙で栽培された新鮮な食料で補うことができるようになるだろう。

火星の未来農場のビジョン

植物は光合成によって酸素を放出し、宇宙飛行士の呼吸によって生成される二酸化炭素を吸収することで、宇宙船の大気を再生することもできる。同時に、長期間にわたって限られた空間で生活し、働くことの複雑さを考慮すると、地球から遠く離れた場所で庭の手入れをすることによる心理的影響は穏やかであり、宇宙ミッションの成功に貢献するだろう。

植物は非常に重要ですが、成熟した神経系を持っていないため、人間や動物よりも極端な空間条件に適応することが困難です。環境条件が悪いと、植物は「ストレス」を感じ、成長が止まったり、死んでしまうこともあります。ストレスの初期兆候は肉眼では見えません。人々が気付いたときには、植物は救えないほど損傷している可能性があります。

これが今日の宇宙植物実験の主な任務です。植物の光合成や蒸散を自動でモニタリングする手法を確立することで、植物が正常に成長し、開花や結実し、人間の食料となるための「ストレスのない生育環境」を植物に提供することができます。