Atracţia gravitaţională este o constantă pentru toate organismele de pe Pământ. Aceasta acţionează asupra fiecărui aspect al fiziologiei, comportamentului şi dezvoltării; indiferent de ce eşti, ai evoluat într-un mediu în care gravitaţia ne ţine pe sol. Dar ce se întâmplă dacă eşti luat din mediul familiar şi plasat într-unul în afara experienţei tale evolutive?

 

 

 

Aceasta este exact întrebarea pe ne-o punem zilnic privitor la plantele pe care le creştem în laboratorul nostru. Acestea sunt plantate în laboratorul de pe Pământ, dar sunt apoi transmise în spaţiu. Ce poate fi mai nou, ca mediu de dezvoltare, decât condiţiile cu gravitaţie zero ale unui zbor cosmic?


Studiind modul în care plantele reacţionează la viaţa din spaţiu putem învăţa despre cum noi ne putem adapta la modificările de mediu. Plantele nu sunt importante doar pentru fiecare faţetă a vieţii pe Terra, dar vor fi de mare însemnătate în cazul explorării de către specia umană a Universului. Dacă vizăm o viitoare colonizare a altor tărâmuri, este vital să înţelegem cum se comportă plantele în afara planetei noastre, înainte de a ne baza pe ele efectiv pentru a ne recicla aerul şi apa şi a ne suplimenta hrana.



Astronautul Jeff Williams, recoltând plante din specia Arabidopsis pe Staţia Spaţială Internaţională (ISS)


Creșterea plantelor în condiţii de gravitaţie zero ne-a adus deja unele surprize şi ne-a schimbat o parte din ce ştiam despre cum cresc plantele pe Terra.


Învăţând de la plante stresate

Plantele reprezintă un subiect de cercetare fascinant dacă eşti interesat cu privire la stresul de mediu. Pentru că sunt blocate într-un anume loc, plantele trebuie să se descurce în locul respectiv, indiferent de condiţiile de mediu. Mutarea într-un alt loc nu este o opţiune.

Dar ce pot face plantele este să modifice "mediul" intern, iar plantele sunt adevăraţi maeştri în a manipula metabolismul lor pentru a face faţă perturbărilor din mediu. Această caracteristică este unul dintre motivele pentru care noi folosim plante în cercetările noastre; ne putem baza pe ele ca reporteri sensibili ai schimbărilor de mediu, chiar în medii complet noi, cum este un zbor spaţial.

Oamenii s-a arătat curioşi privind modul în care plantele răspund la mediu în spaţiu încă de când a apărut această posibilitate de cercetare. Am lansat primul experiment privind creşterea plantelor în spaţiu pe naveta Columbia, în 1999, iar lucrurile pe care le-am aflat încă alimentează noi ipoteze privind modul în care plantele gestionează absenţa gravităţii.



Robert Ferl (dreapta) şi Anna-Lisa Paul (mijloc) efectuează un experiment (care implică plante) în condiţii de microgravitaţie într-o navetă NASA


Noi suntem în Florida, dar plantele noastre cresc în spaţiu

Zborul în spaţiu ridică anumite probleme, în sensul că sunt necesare: habitate de creştere specializate, instrumente specializate pentru observare şi colectarea mostrelor şi - desigur - persoane specializate care să supravegheze experimentul pe orbită.

Un experiment tipic începe pe Terra, în laborator, cu plantarea unor seminţe de Arabidopsis (mici plante, înrudite cu varza şi muştarul) în vase Petri care conţin un gel cu nutrienţi. Acest gel (spre deosebire de sol) stă laolaltă în condiţii de gravitaţie zero şi asigură apa şi nutrienţii de care are nevoie planta. Vasele sunt apoi înfăşurate în cârpe negre, duse la Centrul Spaţial Kennedy şi apoi încărcate în capsula Dragon a rachetei Falcon 9 pentru a fi trimise către ISS.

Odată ajunse la bord, un astronaut introduce vasele într-un dispozitiv special conceput.



Dispozitivul cu vase Petri

Lumina din interior stimulează încolţirea seminţelor, camerele de luat vederi înregistrează evoluţia creşterii plantei în timp, iar la finalul experimentului astronautul recoltează plantele în vârstă de 12 zile, pe care le depozitează în tuburi care conţin conservant.

Odată ajunse înapoi pe Pământ, efectuăm teste suplimentare asupra plantelor pentru a investiga procesele metabolice unice pe care planta le-a dezvoltat pe când era în orbită.


Dezvăluirea misterelor

Unul dintre primele lucruri pe care le-am descoperit este că anumite strategii de creştere despre care toată lumea a crezut că necesită forţa gravitaţională nu au, în fapt, nevoie de aceasta.

Pentru a căuta apă şi nutrienţi, plantele au nevoie ca rădăcinile să se întindă cât mai departe de locul în care sunt plantate. Pe Pământ, gravitaţia este cel mai important indiciu privind direcţia de creştere, dar plantele folosesc şi un simţ tactil (ca un fel de deget sensibil) pentru a naviga în jurul obstacolelor.

În 1880 Charles Darwin a arătat că atunci când plantele sunt crescute pe suprafeţe înclinate, rădăcinile nu se dezvoltă în mod egal, radial, ci preferă o anumită direcţie de dezvoltare. Această strategie de dezvoltare, conform ipotezei lui Darwin, este o combinaţie a efectelor gravitaţiei şi a "simţului tactil" al plantei (în raport de mediul de creştere); pentru 130 de ani, aceasta a fost ideea dominantă în biologie.



Rădăcinile păstrează modelul de creştere de pe Pământ şi în spaţiu, în condiţii de gravitaţie zero


În anul 2010 am observat că plantele crescute pe ISS au dezvoltat un model de creştere a rădăcinii pe vasele Petri asemănător celui de pe Terra, în lipsa gravitaţiei. Aceasta a fost o surpriză.

Dar pe ISS mai există o sursă de informaţii pentru plantă, care poate oferi indicii de direcţie: lumina. Aşa că am presupus că, în lipsa gravitaţiei, lumina joacă un rol important în stabilirea de către plantă a unui drum pentru rădăcini care să se depărteze de frunze.

Şi am descoperit că, într-adevăr, lumina este importantă, dar nu orice lumină, ci lumină de o anumită intensitate.


Ajustarea metabolismului

În absenţa gravitaţiei plantele nu pot folosi instrumentele obişnuite pentru navigaţie, aşa că trebuie să identifice alte soluţii. Şi pentru asta reglează modul în care se realizează activarea genelor. În felul ăsta pot produce mai multe sau mai puţin proteine care sunt sau nu de folos în condiţii de gravitaţie zero. Diferitele părţi ale plantei vin cu propriile lor strategii de reglare genetică.



Plante "luminate" ne indică ce gene sunt active, lămurindu-ne cu privire la ce proteine sunt create


Am descoperit că un număr de gene care sunt implicate în crearea şi remodelarea pereţilor celulelor sunt activate în mod diferit în plantele crescute în spaţiu. Alte gene, cu rol în identificarea luminii, care în mod normal sunt active la nivelul frunzelor - sunt active la nivelul rădăcinilor (pe ISS). În frunze multe gene asociate cu transmiterea de informaţii hormonale sunt reprimate, iar genele asociate cu protecţia împotriva insectelor sunt mai active. Aceste tendinţe sunt observate şi în numărul (mai mare) de proteine implicate în transmiterea mesajelor, metabolismul pereţilor celulelor şi protecţia plantei.

Aceste modele ale funcţionării genelor şi proteinelor spun o poveste: în condiţii de microgravitație plantele răspund prin slăbirea pereţilor celulelor şi crearea unor noi căi de a înţelege (simţi) mediul.



Plante Arabidopsis modificate. Culoarea verde arată unde proteina fluorescentă verde este activată, iar culoare roşie arată fluorescenţa naturală a clorofilei.


Noi monitorizăm schimbările la nivelul genelor în timp real prin etichetarea anumitor proteine cu elemente fluorescente. Plantele modificate cu proteine fluorescente pot apoi informa cu privire la modul în care răspund la mediu. Aceste plante modificate acţionează la senzori biologici. Camere specializate şi microscoapele ne permit să urmărim cum planta utilizează aceste proteine fluorescente.



Autorii articolului în interiorul "Vomit Comet", unde sunt recreate, pe Terra, condiţii de gravitaţie zero


Acest tip de cercetare ne permite să înţelegem cum plantele simt şi răspund la stimuli externi, la nivel molecular. Cu cât aflăm mai multe despre modul în care plantele răspund la medii noi şi extreme, cu atât vom şti mai multe cu privire la modul în care plantele vor răspunde, aici pe Terra, la schimbările de mediu.

Desigur, cercetarea ajută şi la lămurirea comportamentului plantelor în spaţiu. Observaţia conform căreia gravitaţia nu este atât de importantă pentru plante precum am crezut până de curând reprezintă o veste bună în contextul în care ne dorim să creştem plante pe alte planete (fără gravitaţie ori cu gravitaţie scăzută) într-o zi.

Oamenii sunt exploratori. Când vom părăsi orbita Pământului, fiţi siguri că vom lua plante cu noi!




Autorii:
Anna-Lisa Paul - Research Professor, Graduate Faculty in Plant Molecular and Cellular Biology at University of Florida
Robert Ferl - Director of the Interdisciplinary Center for Biotechnology Research at University of Florida

Traducere după Taking plants off planet