Una serra nello spazio: Cibo nello spazio (parte 1)

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5, 4, 3, 2, 1 ... decollo!

Con la partenza di altri tre astronauti diretti alla Stazione Spaziale Internazionale dalla base di Baikonur, nel Kazakistan, è iniziata la missione MagISStra dell'ESA.

La ISS è un incredibile veicolo spaziale che, a 400 chilometri di altezza sulla Terra, compie 16 orbite al giorno attorno al nostro pianeta, a una velocità di 28.000 chilometri all'ora.

Nei prossimi giorni o mesi, questi astronauti vivranno, lavoreranno e dormiranno a bordo della Stazione, in un ambiente molto diverso da quello a cui siamo abituati sulla Terra. Le condizioni di microgravità presenti nello spazio, ad esempio, richiedono che tutti gli oggetti a bordo siano fissati o legati per non volare via.

ISS orbit
ISS orbit

Il cibo e l'acqua di cui gli astronauti necessitano devono essere trasportati sulla ISS. I materiali che occorrono all'equipaggio per vivere in questo spazio relativamente ristretto provengono dalla Terra.

Gli astronauti devono consumare pasti correttamente bilanciati in base alle loro esigenze alimentari e svolgere una regolare attività fisica per mantenersi in forma a bordo della Stazione spaziale.

Veicoli specializzati come l’ATV, HTV e Progress trasportano le provviste di cibo e acqua sulla ISS.

A bordo della ISS gli astronauti lavorano e si occupano della manutenzione della Stazione. Svolgono numerosi esperimenti scientifici fornendo importanti contributi alla ricerca in ambito medico e tecnologico. Gli esperimenti permettono di confrontare i fenomeni osservati in condizioni di assenza di peso o microgravità con quanto invece accade sulla Terra.

Prima di prendere in esame un esperimento molto particolare che riguarda la crescita delle piante a bordo della ISS, vediamo perché le piante sono così importanti per l'uomo.

Parte A: L'importanza delle piante

Le piante sono organismi viventi multicellulari. Crescono, respirano, traspirano, si riproducono e rispondono agli stimoli esterni.

Le piante rappresentano la nostra principale fonte di nutrimento e senza di esse non esisterebbero gli esseri umani e gli animali. Riuscite a immaginare perché?

Pensate alle catene alimentari e alle reti trofiche che avete studiato.

Con che cosa iniziano tutte le catene alimentari? Disegnate qualche catena alimentare e rete trofica, anche complessa. Il ruolo essenziale delle piante dovrebbe emergere chiaramente dai vostri schemi. Ogni catena alimentare parte dagli organismi che sono in grado di produrre da sé il proprio nutrimento (piante e chemiotrofi).

Sulla Terra abbiamo tutti gli ingredienti necessari per la vita: aria, acqua, luce, sostanze nutritive e calore. L'uomo (e tutti gli animali) è in grado di ricavare l'energia che gli occorre per vivere e crescere dal cibo e dall'ossigeno presente nell'aria.

Siamo in grado di scomporre le molecole complesse degli alimenti (carboidrati, proteine e grassi) in molecole più semplici che il nostro organismo può utilizzare (glucosio, aminoacidi, grassi acidi e glicerolo). Con queste sostanze costruiamo le molecole che ci permettono di vivere, muoverci e crescere.

Glucose and starch
Glucose and starch

Le piante si comportano diversamente. Utilizzano molecole semplici, come l'anidride carbonica contenuta nell'aria e l'acqua, per costruire molecole più complesse come il glucosio. Utilizzando anche alcune sostanze nutritive presenti nel terreno fertile (come azoto e zolfo), le piante possono elaborare il glucosio per produrre molecole ancora più complesse, come carboidrati, proteine e grassi, che immagazzinano in particolari strutture delle foglie.

Il processo attraverso il quale le piante producono glucosio dall'anidride carbonica e dall'acqua è detto fotosintesi e utilizza l'energia solare. Un sottoprodotto della fotosintesi è l'ossigeno.

Photosynthesis
Photosynthesis

Quindi le piante utilizzano l'acqua e la luce solare per crescere e producono ossigeno. Gli animali invece si nutrono delle piante (e di altri animali!), consumano ossigeno e producono anidride carbonica respirando. Nella maggior parte delle catene alimentari, le piante potrebbero essere descritte come "cucine" del pianeta Terra.

In che modo un seme diventa pianta?

I semi secchi si gonfiano a contatto con l'acqua (imbibizione). È quello che è successo anche ai semi di Arabidopsis che sono stati piantati nella serra.

L'esperimento può essere ripetuto in classe anche con altri semi, ad esempio fagioli o grano. Metteteli nell'acqua e osservate cosa accade.

Seeds and plants

La cuticola che riveste il seme si aprirà esponendo i cotiledoni che contengono le sostanze nutritive immagazzinate nel seme. I cotiledoni forniscono al seme l'energia necessaria per continuare a crescere trasformandosi in pianta. Inoltre proteggono il germoglio e la giovane radice. Che cosa si sviluppa prima?

La radice ancorerà la pianticella al terreno permettendole di assorbire acqua e nutrienti attraverso i peli radicali. Il processo di trasformazione di un seme in pianta è detto germinazione.

Quando il germoglio emerge dal terreno, si formano le prime foglie. Le foglie permettono alla pianta di iniziare a produrre il nutrimento in modo autonomo dopo avere esaurito le riserve. La pianta continua a crescere e successivamente produrrà fiori e semi.

Parte B: Cibo nello spazio

Gli astronauti vivono a bordo della Stazione spaziale. Qui troverete informazioni e immagini della loro vita nello spazio. Tutto il cibo viene portato a bordo dalla Terra.

La durata relativamente breve delle missioni sulla ISS e il cambio dell'equipaggio permettono di disporre sempre di sufficienti provviste di cibo, acqua e ossigeno portati a bordo per gli astronauti.

Nel caso di missioni più lunghe, ad esempio il viaggio di andata e ritorno su Marte che richiederebbe circa un anno e mezzo, sarebbe necessario adottare una strategia diversa.

Nel caso di missioni più lunghe, ad esempio il viaggio di andata e ritorno su Marte che richiederebbe circa un anno e mezzo, sarebbe necessario adottare una strategia diversa. L'invio di equipaggi per missioni di lunga durata e su lunghe distanze richiede numerosi preparativi e prove. Attualmente un team dell'Agenzia Spaziale Europea e del Russian Institute for Biomedical Problems (IBMP) di Mosca sta lavorando al progetto di ricerca Mars500.

Una soluzione potrebbe essere la produzione nello spazio di alcuni cibi freschi per garantire la parziale autosufficienza alimentare degli astronauti. Per questo è necessario progettare speciali serre da installare sui veicoli spaziali, sulle stazioni in orbita o sulla superficie dei nuovi pianeti.

Una serra potrebbe fornire un contributo essenziale alla sostenibilità dei viaggi nello spazio. Sebbene l'ambiente dello spazio sia molto diverso da quello della Terra, vi sono alcuni elementi che renderebbero comunque possibile il processo di crescita delle piante. Le piante necessitano essenzialmente di acqua, sostanze nutritive, aria (ossigeno e anidride carbonica) e luce.

Vediamo come funzionerebbe una serra nello spazio. Quali sarebbero le differenze rispetto alla Terra?

Durante la missione MagISStra, l'astronauta dell'ESA Paolo Nespoli ha iniziato a lavorare a una mini serra. È solo uno dei tanti esperimenti dei quali l'astronauta si occuperà nei sei mesi di missione a bordo della Stazione Spaziale Internazionale. Potete assistere a parte della giornata di inizio di questa attività (17 febbraio 2011 ore 14.25 CET). È segnata sul foglietto giallo fissato al suo programma giornaliero di bordo.

Paolo's daily schedule

Fate clic qui per assistere alle fasi iniziali del suo esperimento nello spazio.

Le piante ci forniscono il cibo. Sulla Terra è relativamente facile farle crescere e coltivarle, ma quando l'uomo deciderà di esplorare nuovi mondi dovrà trovare il modo di produrre il cibo anche lontano dalla Terra perché sarebbe molto costoso trasportare tutti gli alimenti che occorrerebbero, ad esempio, a un equipaggio in viaggio verso Marte. Gli scienziati pensano da molto tempo a come gli astronauti potrebbero rendersi autosufficienti producendo da soli il cibo necessario per le missioni di lunga durata.

Cosa accade nell'ambiente spaziale e come si comportano le piante in presenza di microgravità? Di quali condizioni particolari necessitano e perché? Completate la tabella seguente mettendo a confronto tutti i modi in cui le piante si procurano l'acqua (come annaffiate le piante sulla Terra e come fa invece Paolo?) e le fonti di ossigeno, anidride carbonica e luce per la fotosintesi.

Comparison table
Comparison table

La pianta scelta per l'esperimento si chiama Arabidopsis thaliana. È una angiosperma (pianta da fiore) e dicotiledone (con seme a due cotiledoni) e appartiene alla famiglia della senape (Brassicaceae). È nota come Arabetta comune ed è considerata una pianta infestante.

Quando è completamente matura ha questo aspetto:

La pianta è piccola e presenta una rosetta piatta di foglie dalla quale parte lo stelo del fiore che raggiunge una lunghezza di 15-30 cm. È inoltre una pianta autoimpollinante e cresce in spazi relativamente ristretti. L'Arabidopsis ha un ciclo di vita breve: circa 6 settimane dalla germinazione alla maturazione dei semi.

Produce i semi all'interno di corpi fruttiferi chiamati silique (ovario formato da due carpelli fusi tra loro). Questa pianta è stata studiata a lungo da botanici e genetisti.

Arabidopsis thaliana

I semi sono molto piccoli e devono essere piantati con cura. Nella serra spaziale tutti i semi sono già all'interno della camera di germinazione dove vengono trattenuti in una speciale carta solubile in acqua.

Quando Paolo ha iniziato l'esperimento iniettando acqua con una siringa, la carta si è sciolta e i semi hanno potuto germinare.

Ecco la prima immagine della Arabidopsis con uno dei semi che emerge dal substrato a 5 giorni dall'irrigazione a bordo della ISS.

Dopo circa 3 settimane, nella serra spaziale sono comparse tracce di muffa. Mantenere integro l'ambiente all'interno della ISS è di importanza essenziale per la salute dell'equipaggio. Pertanto, in questa situazione, è stato necessario rimuovere la serra dalla ISS.

Lo stesso esperimento tentato a bordo della ISS era però stato avviato contemporaneamente anche dall'equipaggio del progetto Mars500. L'equipaggio di Mars500 sta simulando una possibile missione su Marte (maggiori informazioni sul sito Mars500).

Arabidopsis growing

Potete seguire la crescita della vostra pianta e di quella dell'equipaggio di Mars500 e inviare i vostri risultati a isseducationteam@esa.int al termine del progetto (fine giugno 2011).

I risultati finali inviati dai diversi paesi e quelli dell'equipaggio di Mars 500 saranno analizzati e pubblicati in questa lezione online non appena riceveremo tutti i dati.

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