宇宙植物学

植生レッドエッジ（VRE）は、地球を望遠鏡で観測することで観測できる近赤外線波長のバイオシグネチャーであり、進化によって植物生命がより複雑になるにつれてその強度が増しています。 ^{[ 10 ]}地球上では、この現象は月の惑星光の分析によって検出されており、700  nmでピークを示す反射スペクトルが見られます。^{[ 10 ]} 1990年にNatureに掲載された記事で、 Saganらは、地球から放射される赤外線のガリレオによる検出を、地球上の「広範囲にわたる生物活動」 ^{[ 11 ]}の証拠として説明し、光合成の証拠が特に強力な要因であると述べています。

地球のVREバイオシグネチャーの強度の増加は、初期地球の放射線のモデリングによって評価されてきた。^{[ 10 ]}オルドビス紀と石炭紀に地球上で優勢だったコケ類とシダ類は、現代の地球の植生よりも700 nmで検出可能な赤外線放射のピークが弱い。^{[ 10 ]}地球外植生に焦点を当てた宇宙植物学者は、これらの同じモデルを使用することで、それぞれのハビタブルゾーンにある系外惑星に現在植生が存在するかどうかを測定でき、VREバイオシグネチャーをモデル化された過去の地球の放射線と比較することで、この植生の複雑さを推定できる可能性があると理論づけている。^{[ 12 ]} 

系外惑星のVRE（超常現象）の検出には、いくつかの障害が存在する。

• ガリレオ探査機が地球のVRE（超常現象）を検出できたのは、衛星が地球に物理的に近かったためです。 2021年12月にジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡が打ち上げられるまでは、望遠鏡の技術はまだ十分に進歩しておらず、遠方の系外惑星系におけるVREの特徴的な赤外線放射のピークを検出することはできませんでした。
• 厚い雲はVREの検出に悪影響を及ぼすことが観察されている。雲量が増えると全体のアルベドが増加し、放射波長の多様性を検出することがより困難になるためである。^{[ 13 ]}さらに、雲は地表観測にも悪影響を及ぼすため、地球上の望遠鏡から観測可能な系外惑星VREを検出するための最小条件として、植生被覆率が20%以上で、かつ雲のない地表が存在することが推定されている。^{[ 14 ]}
• 特定の鉱物は、光合成色素の光捕集と同様の鋭いエッジの反射スペクトルを示すことがわかっています。これは、生物学的説明を確認する前に、VREのような効果の鉱物起源をまず除外する必要があることを意味します。^{[ 13 ]}地球上では、より細かいレゴリス粒子の形態の鉱物は、地球上で見られる大きな結晶形態とは異なる反射特性を示すため、これを達成するのは難しいかもしれません。Sara Seagerらが提案した 1 つは、大気測定を使用して大気中の酸素レベルを決定することです。酸素レベルが高い場合は、非酸化鉱物の表面への存在を排除できます。^{[ 13 ]}

「宇宙植物学の創始者」と呼ばれるガヴリール・アドリアノヴィチ・ティホフは、地球外植物の探索を取り巻く新興分野を説明するために、1945年にこの用語を造語した。^{[ 1 ]}火星の嵐によって地球から見える表面の暗化が生じるため、ティホフの同時代人は、地球の季節的な植生の色の変化に匹敵する火星の植生が存在すると信じることが多かった。^{[ 14 ] [ 1 ]} 1914年に月の地球照を調査することによって得られた結論を基に、1918年と1921年にティホフは望遠鏡のカラーフィルターを使用して、火星の表面ではクロロフィルが検出されないことを発見し、火星の植生は青みがかった色調で、主にコケと地衣類で構成されている可能性が高いという仮説を立てた。^{[ 1 ]}ティホフの宇宙植物学の研究は後に宇宙での植物栽培の研究、あるいは地球外環境（特に火星とシベリアの気候の比較）での植物の生育可能性の実証へと発展したが、彼は地球外衛星の植生レベルを測定するために色を使用した最初の天文学者として知られている。^{[ 1 ]}

1990年のガリレオ探査機の地球フライバイでVRE効果が実証されて以来、地球外植物に対する宇宙植物学的な関心は主にVRE検出の実現可能性の検証に集中しており、^{[ 10 ] [ 13 ] [ 15 ] [ 16 ]}いくつかのプロジェクトが提案されている。

• 欧州宇宙機関のダーウィン計画とNASAの地球型惑星探査機は^、それぞれ2007年と2011年に中止される前に、系外惑星のVREバイオシグネチャーを分析できた可能性の^あるプロジェクトとして挙げられている[17 ^]。
• 2028年に打ち上げ予定のESO超大型望遠鏡[18]も、系外^惑星のVREバイオシグネチャーを 検出できる望遠鏡として挙げられている^{[ 12 ] [ 19 ] 。}
• 将来のNASA宇宙望遠鏡、例えば居住可能系外惑星撮像ミッションなどは、VREバイオシグネチャーを調査する能力を備えて計画されている。^{[ 20 ]}

ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は、2021年からTRAPPIST-1系外惑星系を探索し、大気データ（TRAPPIST-1の系外惑星が恒星の前を通過する際に可視化されるVREバイオシグネチャーを含む）を取得することで、地球外植生の兆候を探しています。NASAは、TRAPPIST-1の岩石系外惑星3つ（1e、1f、1g）が液体の水（および植生などの他の生物物質）のハビタブルゾーン内にあると判断しました。^{[ 16 ] [ 21 ]}

地球外の植生の特徴を正確に記述することは非常に推測的だが、ダンディー大学のジョン・アルバート・レイブン教授によれば、「固体物理学と大気化学」の原理に従う。^{[ 17 ]}

地球外植物の特徴を決定する要因の1つは、その系の中心にある恒星です。太陽はG型主系列星であり、クロロフィル光合成の条件と、風などの大気条件を左右する放射線レベルを提供し、進化の発達に影響を与えます。TRAPPIST-1は超低温の赤色矮星であり、太陽のほぼ半分のエネルギーしか供給しないため、TRAPPIST-1系外惑星の植物ははるかに暗く、人間の目には黒に見える可能性があるという宇宙植物学的な推測があります。^{[ 14 ]}

一方、シグマ・ブーティスのようなF型主系列星は、そのタイプの星から放出される高レベルの青色光子を反射するために、その系外惑星系内で黄色^{[ 17 ]}または青色^{[ 14 ] [ 22 ]}の地球外植物の成長を促進すると推測されている。

宇宙に持ち込まれた最初の生物は、1946年7月9日に米国が打ち上げたV-2ロケットで高度134km （83マイル）まで打ち上げられた「特別に開発された種子の系統」でした。これらのサンプルは回収されませんでした。宇宙に打ち上げられ、回収に成功した最初の種子は、1946年7月30日に打ち上げられたトウモロコシの種子で、その後すぐにライ麦と綿が続きました。これらの初期の準軌道生物実験は、ハーバード大学と海軍研究所によって実施され、生体組織への放射線被曝に関するものでした。^{[ 26 ]} 1971年には、500個の樹木の種子（テーダマツ、プラタナス、アメリカフウ、セコイア、ダグラスファー）がアポロ14号で月周回飛行しました。これらの月の木は地球に戻って対照群とともに植えられ、成長しましたが、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乗組員は、リトアニアの科学者（アルフォンサス・メルキス他）が準備した実験を行い、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し、宇宙で開花して種子を生産した最初の植物となった。^{[ 27 ] [ 28 ]}スカイラブの実験では、重力と光がイネに与える影響を研究した。^{[ 29 ] [ 30 ]} SVET -2宇宙温室は、1997年にミール宇宙ステーションで種子から種子までの植物の成長に成功した。^{[ 4 ]}ビオン5号はニンジンを、ビオン7号はトウモロコシを運んだ。

国際宇宙ステーションでは植物の研究が続けられました。バイオマス生産システムはISS第4次長期滞在で使用されました。野菜生産システム（Veggie）システムは後にISSで使用されました。^{[ 31 ]宇宙に行く前にVeggieでテストされた植物には、レタス、スイスチャード、大根、白菜、エンドウ豆などがありました。 [ 32 ]}レッドロメインレタスは第40次長期滞在で宇宙で栽培され、成熟したら収穫され、冷凍されて地球に戻ってからテストされました。第44次長期滞在のメンバーは、2015年8月10日にレッドロメインレタスが収穫されたとき、宇宙で栽培された植物を食べた最初のアメリカ人宇宙飛行士になりました。^{[ 33 ]} 2003年以来、ロシアの宇宙飛行士は収穫した作物の半分を食べ、残りの半分はさらなる研究に使われています。^{[ 34 ]} 2012年には、 NASAの宇宙飛行士ドナルド・ペティットの世話の下、ISSでヒマワリが咲きました。^{[ 35 ]} 2016年1月、アメリカの宇宙飛行士がISSでジニアが開花したと発表した。 ^{[ 36 ]}

2018年に、植物枕と根マットを使用したVeggie-3実験がテストされました。^{[ 37 ]}目標の1つは、乗組員が消費する食料を栽培することです。^{[ 37 ]}この時点でテストされた作物には、キャベツ、レタス、ミズナなどがあります。^{[ 37 ]}

宇宙で栽培された植物には以下のようなものがある。

• シロイヌナズナ（タレノシッソウ） ^{[ 38 ] [ 39 ]}
• チンゲンサイ（東京別菜）（白菜）^{[ 40 ]}
• チューリップ^{[ 39 ]}
• カランコエ^{[ 39 ]}
• 亜麻^{[ 39 ]}
• タマネギ、エンドウ豆、大根、レタス、小麦、ニンニク、キュウリ、パセリ、ジャガイモ、ディル^{[ 39 ]}
• シナモンバジル^{[ 41 ]}
• キャベツ^{[ 42 ]}
• Zinnia hybrida ('Profusion' var.) ^{[ 43 ]}
• レッドロメインレタス（「アウトレッジアス」品種）^{[ 44 ]}
• ヒマワリ^{[ 45 ]}
• Ceratopteris richardii ^{[ 46 ]}
• Brachypodium distachyon ^{[ 47 ]}

タバコやアサガオなどの植物は、宇宙で直接栽培されたのではなく、宇宙環境にさらされた後、地球上で発芽・栽培された。^{[ 48 ]}

藻類は、人間と植物の生命維持システムの最初の候補でした。1950年代と1960年代の初期の研究では、クロレラ、アナシスティス、シネコシスティス、セネデスムス、シネココッカス、スピルリナ種を使用して、閉鎖系で光合成生物がO ₂とCO _2の循環にどのように使用できるかを研究しました。 ^{[ 49 ]}その後、ロシアのBIOSプログラムと米国のCELSSプログラムによる研​​究では、高等植物を使用して大気調節、廃棄物リサイクル、持続的なミッションのための食料としての役割を果たすことが調査されました。最も一般的に研究されている作物には、小麦、ジャガイモ、米などのデンプン作物、大豆、ピーナッツ、インゲン豆などのタンパク質が豊富な作物、レタス、イチゴ、ケールなどの栄養価を高める他の多くの作物が含まれます。^{[ 50 ]}閉鎖系における最適な生育条件の試験には、特定の作物に必要な環境パラメータ（短日作物と長日作物で異なる日長など）と、生命維持システムでの生育に最適な品種の両方に関する研究が必要でした。

宇宙空間における人間と植物の生命維持システムの試験は、地球上で行われた同様の試験や、宇宙空間での植物の成長に関する微小重力試験に比べて比較的少ない。宇宙空間で行われた最初の生命維持システムの試験には、小麦、ジャガイモ、オオアオウキクサ（Spyrodela polyrhiza）を用いたガス交換実験が含まれていた。小規模なプロジェクトは、「サラダマシン」と呼ばれることもあり、宇宙飛行士に栄養補助食品として新鮮な農産物を提供するために使用されてきた。^{[ 49 ]}植物を閉じ込められた環境で人間の精神的健康に及ぼす影響を調査する今後の研究が計画されている。^{[ 51 ]}

最近の研究では、これらの生命維持システムを他の惑星、主に火星基地に拡張することに焦点を当てています。相互に連結された閉鎖システムである「モジュール式バイオスフィア」が、火星表面で4～5人の乗組員をサポートするために試作されています。^{[ 52 ]}これらのキャンプは、膨張式の温室および基地として設計されています。^{[ 53 ]}火星の土壌を成長基質および廃水処理に使用し、惑星外生命のために特別に開発された作物品種を使用することが想定されています。^{[ 54 ]}また、火星の衛星フォボスを資源基地として使用し、表面から凍結水と二酸化炭素を採掘し、最終的には採掘ミッション中に収穫できる自律型成長チャンバーとしてくり抜かれたクレーターを使用することについても議論されています。^{[ 53 ]}