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宇宙での植物の栽培は、多くの科学的関心を集めています。[1] 20世紀後半から21世紀初頭にかけて、植物はしばしば低地球軌道の宇宙に持ち込まれ、無重力だが加圧された制御された環境で栽培されました。これは宇宙庭園と呼ばれることもあります。[1]有人宇宙飛行の観点からは、植物は食料として消費され、さわやかな雰囲気を提供します。[2]植物は空気中の二酸化炭素を代謝して貴重な酸素を生成し、客室の湿度を制御するのに役立ちます。[3]宇宙で植物を育てることは、有人宇宙飛行の乗組員に心理的な利益をもたらす可能性があります。[3]通常、植物は宇宙庭園をさらに開発したり、科学実験を行うための研究や技術開発の一部でした。[1]現在まで、宇宙に持ち込まれた植物は主に科学的関心の対象であり、宇宙船の機能への貢献は限られていますが、アポロムーン ツリープロジェクトは多かれ少なかれ林業に触発されたミッションであり、木は国の建国200周年記念の一部です。
宇宙で植物を育てる際の最初の課題は、重力なしで植物を育てる方法です。[4]重力が根の発達に与える影響、土壌への統合、重力なしでの散水、適切な種類の照明の提供など、さまざまな問題に直面します。特に、根への栄養供給、栄養の生物地球化学的循環、土壌ベースの基質における微生物学的相互作用は特に複雑ですが、低重力および微小重力での宇宙農業を可能にすることが示されています。 [5] [6]
NASAは宇宙で植物を栽培し、宇宙飛行士の食糧を助け、長期宇宙飛行に心理的利益をもたらすことを計画している。[7] 2017年、国際宇宙ステーションの植物栽培装置で、5回目の収穫となった白菜（Brassica rapa）は乗組員の消費用に割り当て、残りは研究用に保存された。[8]宇宙の植物に関する初期の議論は、1869年の短編小説「ブリック・ムーン」 に登場するブリック・ムーン宇宙ステーションの木々であった。[9]
歴史
2010年代には長期宇宙ミッションへの要望が高まり、宇宙飛行士の食料として宇宙での植物生産への要望が高まりました。[10]その一例は、地球軌道上の国際宇宙ステーションでの野菜生産です。[10] 2010年までに、国際宇宙ステーションで20件の植物栽培実験が実施されました。[1]
微小重力、宇宙環境と地球環境における植物の成長と分布の比較に焦点を当てた実験がいくつか行われてきました。これにより、科学者は特定の植物の成長パターンが生来のものか、環境に起因するものかを調べることができます。たとえば、アラン・H・ブラウンは1983年にスペースシャトル コロンビア号に乗って苗の動きをテストしました。軌道上でヒマワリの苗の動きが記録されました。彼らは、無重力にもかかわらず苗が回転成長と回旋運動を経験していることを観察し、これらの行動が本能的であることを示しました。[11]
他の実験では、植物は低重力条件でも重力屈性を示す能力があることがわかっています。たとえば、ESAの欧州モジュラー栽培システム[12]は植物の成長の実験を可能にし、ミニチュア温室として機能し、国際宇宙ステーションの科学者は変動重力条件で植物がどのように反応するかを調べることができます。Gravi-1実験（2008年）では、EMCSを使用して、カルシウム依存経路でのレンズ豆の苗の成長とアミロプラストの動きを研究しました。 [13]この実験の結果、植物は非常に低いレベルでも重力の方向を感知できることがわかりました。[14] EMCSを使用した後の実験では、768本のレンズ豆の苗を遠心分離機に入れて、さまざまな重力の変化を刺激しました。この実験、Gravi-2（2014年）では、植物がいくつかの重力レベルで成長している間に、カルシウムシグナル伝達を根の成長に向けて変化させることが示されました。[15]
多くの実験では、特定の成長行動ではなく、植物全体の成長パターンを観察するより一般的なアプローチが採用されています。たとえば、カナダ宇宙庁によるそのような実験の1つでは、反重力宇宙環境でのトウヒの苗木は、地球上の苗木と比較して成長が異なっていることがわかりました。 [16]宇宙の苗木は、地上の対照群と比較して、新芽と針葉の成長が促進され、アミロプラストの分布もランダム化されていました。 [17]
宇宙探査の実現には食糧生産が鍵となる。現在、国際宇宙ステーション（ISS）に食糧を送るコストは1kgあたり2万～4万ドルと推定されており、乗組員1人当たり1日あたり約1.8kgの食糧（包装費を含む）が支給される。地球、月周回宇宙ステーション、火星居住地から食糧を補給するには、それより大幅にコストがかかる。火星への最初の旅は往復3年かかると予想されており、4人の乗組員には1万～1万1千kgの食糧が必要になると推定されている。[18]
初期の取り組み
宇宙に運ばれた最初の生物は、1946年7月9日に米国のV-2ロケットで高度134kmに打ち上げられた「特別に開発された種子の系統」であった。これらのサンプルは回収されなかった。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あった。すぐにライ麦と綿が続いた。これらの初期の弾道生物学的実験は、ハーバード大学と海軍研究所によって行われ、生体組織への放射線被曝が問題となった。 [19] 1966年9月22日、コスモス110号が2匹の犬と湿らせた種子を乗せて打ち上げられた。それらの種子のいくつかは最初に発芽し、その結果、地球上の対照群よりも収穫量の多いレタス、キャベツ、いくつかの豆が生まれた。[20] 1971年、アポロ14号で500本の樹木の種子（テーダマツ、シカモア、モミジバフウ、セコイア、ダグラスモミ）が月面を周回しました。これらの月の木は地球に戻って植えられ、対照群とともに成長しましたが、変化は検出されませんでした。
宇宙ステーション時代
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・メルキスら）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、宇宙で開花し種子を生成した最初の植物となった。[22] [23]スカイラブの実験では、重力と光が稲に与える影響について研究した。[24] [25] 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。[3] ビオン5号はニンジンを、ビオン7号はトウモロコシを積んだ。
国際宇宙ステーションでの植物研究は継続された。バイオマス生産システムはISSの第4次長期滞在で使用された。野菜生産システム（Veggie）システムは後にISSで使用された。[26]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、ラディッシュ、白菜、エンドウ豆などがあった。[27]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、成熟すると収穫され、冷凍され、地球に戻ってテストされた。 2015年8月10日、第44次長期滞在隊員は、レッドロメインレタスを収穫し、宇宙で育った植物を食べた最初のアメリカ人宇宙飛行士となった。[28] 2003年以来、ロシアの宇宙飛行士は収穫物の半分を食べ、残りの半分はさらなる研究に回されている。[29] 2012年には、 NASAの宇宙飛行士ドナルド・ペティットの世話により、ISSでヒマワリが咲いた。[30] 2016年1月、米国の宇宙飛行士はISS内でジニアが開花したと発表した。 [31]
2017年にISS向けに高度植物生息地が設計された。これは低地球軌道上の宇宙ステーション向けのほぼ自立型の植物栽培システムだった。[32]このシステムは、ステーション内の別の植物栽培システムであるVEGGIEと並行して設置されており、そのシステムとの大きな違いは、APHは人間による維持管理が少なくて済むように設計されていることだ。[32] APHは、植物生息地アビオニクスリアルタイムマネージャーによってサポートされている。[32] APHでテストされる予定の植物には、矮性小麦やシロイヌナズナなどがある。[32] 2017年12月、VEGGIEシステムで栽培するために数百の種子がISSに届けられた。[33] APHは、宇宙での植物の成長を理解する上で、ひいては宇宙探査の将来全般を理解する上で重要な進歩である。[34]
2018年にISSで行われたVeggie-3実験では、植物用クッションとルートマットがテストされました。[35]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。[35]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。[35] 2018年には、微小重力下での栄養素供給のためのPONDSシステムがテストされました。[36]
2018年12月、ドイツ航空宇宙センターはユークロピス衛星を低軌道に打ち上げた。このミッションでは、まず月、次に火星（それぞれ6か月）の模擬重力下で、宇宙での人間の存在による副産物を栄養源としてトマトを栽培することを目的とした2つの温室を運んだ。科学者が実験を開始したところ、温室は機能していたが灌漑システムが機能していなかったため、休眠中の種子は使用できなかった。[37]
2013年から2017年にかけてISSで行われた、向性や細胞周期のメカニズムを研究するための一連の実験「実生成長」。[38] [39]これらの実験では、モデル植物であるシロイヌナズナも使用され、NASA（ PI：ジョン・Z・キス）とESA（PI：F・ハビエル・メディナ）の共同研究でした。[39] [40]
2020年11月30日、国際宇宙ステーションに搭乗した宇宙飛行士は、ステーションで栽培された大根の最初の収穫を収穫しました。合計20本の植物が収穫され、地球への輸送のために準備されました。現在、実験を繰り返し、2回目の栽培を行う計画があります。[41]
月面
月の土
2019年1月に打ち上げられた嫦娥4号月面着陸船は、植物と昆虫が一緒に孵化し、相乗効果で成長できるかどうかをテストするために、多くの種子と昆虫の卵が入った3kg（6.6ポンド）の密閉された「バイオスフィア」を運びました。 [42]この実験には、ジャガイモ、トマト、シロイヌナズナ（顕花植物）の種子とカイコの卵が含まれていました。2019年1月15日、バイオスフィアで綿の種子が育ったことが報告されました。これは、月で栽培された最初の植物となりました。 [43] [44] 月の低い重力を除けば、コンテナを地球のように居心地の良い状態に保つ環境システムが整っていました。[45]卵が孵化すれば、幼虫が二酸化炭素を生成し、発芽した植物が光合成によって酸素を放出することが期待されていました。植物とカイコが一緒にコンテナ内で単純な相乗効果を確立できることが期待されていました。この生物学的実験は28の中国の大学によって計画された。[46] [47]
2023年には、当初の100日間の実験が9日間に短縮され、昆虫は孵化せず、ジャガイモは発芽しなかったと報告されました。[48]綿花は2日間生き残りましたが、その後温度変化に屈しました。[49]
地球上の月の土壌
月の土壌は植物が生育できることも証明されており（検証が必要）、フロリダ大学の研究室でテストされている。[50]これらの実験では、シロイヌナズナは月の土壌で発芽して生育できるものの、多くの植物が成長が遅いため、植物の生育能力に課題があることが示された。発芽した植物は、形態学的および転写学的にストレスの兆候を示した。[51]
宇宙で育つ植物
宇宙で栽培される植物には以下のものがあります。
実験
植物に関する実験には次のようなものがあります。
- ビオン衛星は1973年に始まりました。
- NASAのクリーンエア研究は1989年にステニス宇宙センターで始まりました。[60]
- SVET は 1990 年 6 月にミールに乗って始まりました。[61]
- SVET-2は1997年にミール宇宙基地で実施された。[62]
- 植物成長実験（STS-95）は1998年10月にISSで開始されました。[63]
- スペース・ローズ（STS-95）では、微小重力が芳香成分の生成に与える影響を評価するために、開花していない蕾と半分咲いたバラの植物が、1998年10月29日から11月6日までの9日間、NASAのスペースシャトルSTS-95に搭載されて宇宙に送られました。[64]
- バイオマス生産システムは2002年4月にISS上で開始されました。[65]
- ラダ温室（別名ラダ検証野菜生産ユニット）は2002年にISS上で稼働を開始しました。[1]
- ISSとミールに搭載された先進宇宙農業（ADVASC）[66]
- トランスジェニックシロイヌナズナ遺伝子発現システム（TAGES）の実験は、2009年11月にISSで開始されました。[67] [68]
- 植物シグナリング（STS-135）は2011年7月にISSで開始されました。[69]
- 野菜生産システム（Veggie）は、2014年5月にISSで開始されました。[70] [71]
- 先進的植物生息地プロジェクトは2017年4月にISS上で開始された。[34]
- エコストレスは2018年6月にISSで開始されました。[72] [73]
- 嫦娥4号月着陸船の「生物圏」には、植物と昆虫が相乗効果で孵化し、一緒に成長できるかどうかをテストするための種子と昆虫の卵が2019年に搭載され始めた。[42]
- スペースモス（スペースX CRS-18 ）は、微小重力下でのコケ類ヒメツリガネゴケの成長を研究するNASAの実験であり、2019年7月にISSで開始されました。[74]
- 宇宙における持続可能な食料としての藻類。[75] [76]
- ノースカロライナ州立大学は2022年に微小重力が液胞に与える影響を調べる実験を行った。[77]
- フロリダ大学食品農業科学研究所（UF/IFAS）の実験。シロイヌナズナの植物は、エピジェネティクス研究の一環として、2024年初頭にISSで種子から栽培されました。[78]
野菜生産システム実験
野菜生産システム（Veggie）は、2014年5月にISSで開始されました。これには以下が含まれます。[79]
- 2014年にISSでレタスを栽培するVeg-01A。
- 2015年にISSで赤いロメインレタスを栽培するVeg-01B。
- 2015年にISSでジニアの花を栽培するVeg-01C。
- VEG-03A、2016年に「カットアンドカムアウェイ反復収穫」技術を使用してレッドロメインレタスを栽培。
- VEG-03B、2017年に白菜を栽培中。
- VEG-03C、2017年に「切ってまた生える」反復収穫技術を使用して白菜を栽培。
- VEG-03D、2017年に「カットアンドカムアゲイン」反復収穫技術を使用してマスタード、レッドロメインレタス、「Waldmann's Green」レタスを栽培 - これは感謝祭に収穫され食べられました。
- VEG-03E と VEG-03F は、2018 年に「カット アンド カム アゲイン」反復収穫技術を使用して、マスタード、レッド ロメイン レタス、および「Waldmann's Green」レタスを栽培しています。
- VEG-03G、2018年にケールとレタスを栽培中。
- 2019年のVeg-03H実験では、ISSでワサビマスタードグリーンとエクストラドワーフパクチョイを栽培しました。[80]
- 2021年のVeg-03I研究では、もやし、ケール、パクチョイを使用した宇宙での植物移植に初めて成功しました。[81]
- 2021年のVeg-03J研究では、ISSでの収穫用にエクストラドワーフパクチョイ、アマラマスタード、レッドロメインレタスを栽培する際の種子フィルムの使用を検討した。[82] [83]
- 2021年のVEG-03KとVEG-03Lの実験では、アマラマスタードの栽培が検討され、植物は64日間成長しました。[84]
- 2024年、VEG-04A実験では28日間にわたって光の質の処理と植物への影響を調べ、VEG-04B研究ではこれを56日間に延長しました。[85]
- VEG-05実験では、ISSで矮性トマトを栽培することに取り組みました。[85]
参照
- 宇宙植物学
- バイオ宇宙工学
- バイオラボ（国際宇宙ステーションのコロンバス実験室のペイロードラック）
- ビオン
- バイオパン
- バイオ衛星計画（宇宙生物学衛星と実験のシリーズ）
- 岩石内生（岩石内に生息する長命の微生物）
- EXPOSE（低地球軌道で生物をテストする国際宇宙ステーション実験）
- 宇宙でテストされた微生物のリスト
- 月面に着陸した種のリスト
- 月の木（アポロ14号の宇宙飛行で運ばれた種子から育った木）
- O/OREOS (眼窩型Halorubrum chaoviatorisとBacillus subtilis )
- 宇宙食（植物は宇宙飛行士の食糧の成分となっている）
- テラフォーミング
- 2015年のアメリカのSF映画『オデッセイ』では火星でジャガイモが栽培される。
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外部リンク
ウィキメディア・コモンズには、宇宙の植物に関連するメディアがあります。
- 宇宙プロジェクトにおける植物
- STS-118 植物の成長 2017年7月4日アーカイブ - Wayback Machine
- 火星の温室
- 火星の太陽光: 火星にはトマトを育てるのに十分な光があるでしょうか?
- 受賞歴のある火星庭園
- 地球軌道、月、火星の植物栽培施設を支援する低気圧での植物生物学
- 植物は上を知る方法