Jednym z najtrudniejszych problemów przyszłej obecności człowieka poza Ziemią może okazać się uprawa rośliny. Jeśli ludzie mają spędzać długie miesiące w kosmosie, na Księżycu albo w drodze na Marsa, potrzebują nie tylko tlenu, wody i energii, lecz także żywności. Rośliny mogą być częścią takiego zamkniętego systemu życia, ale najpierw trzeba zrozumieć, jak reagują na warunki, których na Ziemi prawie nie doświadczają.

Najważniejszym z nich jest mikrograwitacja, czyli stan bardzo słabego ciążenia. Na Ziemi korzenie zwykle rosną w dół, a pędy ku światłu. W kosmosie ten porządek zostaje zaburzony. Roślina nie ma oczywistej informacji, gdzie jest „dół”, a gdzie „góra”. Badania takich zjawisk prowadzi się m.in. na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, w lotach parabolicznych albo za pomocą specjalnych urządzeń naziemnych. Loty są jednak kosztowne, ograniczone czasowo i logistycznie trudne.

Mgr inż. Maciej Malczyk, doktorant z Politechniki Śląskiej opisał w czasopiśmie naukowym SoftwareX (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352711026001226) otwarty system do prowadzenia takich doświadczeń na Ziemi. Badania dotyczyły oprogramowania sterującego klinostatem — urządzeniem, które przez odpowiedni obrót uśrednia działanie grawitacji odczuwanej przez roślinę.

Klinostat nie usuwa grawitacji, bo tego na Ziemi zrobić się nie da. Zamiast tego obraca próbkę tak, aby kierunek siły ciężkości ciągle się zmieniał. Roślina nie otrzymuje wtedy stałego sygnału, który jednoznacznie wskazywałby kierunek „w dół”. Dla wielu doświadczeń biologicznych daje to warunki przypominające mikrograwitację. W opisanym w artykule Malczyka systemie zastosowano klinostat, w którym próbka obraca się wokół dwóch osi. Dzięki temu wpływ grawitacji można rozkładać bardziej równomiernie.

Najważniejsza w tej pracy jest jednak automatyzacja. Uprawa roślin to proces długotrwały. Trzeba regularnie dostarczać wodę, kontrolować światło, rejestrować warunki i monitorować rozwój roślin. Ręczne prowadzenie takich doświadczeń łatwo prowadzi do błędów albo przerw w pomiarach. Automatyzacja pozwala zostawić eksperyment bez stałego nadzoru, a jednocześnie gromadzić dane potrzebne do późniejszej analizy.

System kontroluje więc obrót klinostatu, natężenie światła i podlewanie. Zbiera też dane z czujników oraz zdjęcia roślin. Oprogramowanie działa w układzie rozproszonym: część sterująca pracuje na platformie komputerowej Raspberry Pi, moduł czujników na małym komputerze jednopłytkowym, a dane trafiają do bazy MongoDB i serwera obrazów. Użytkownik obsługuje całość przez prosty interfejs uruchamiany w przeglądarce. Badacz podkreśla, że zarówno oprogramowanie, jak i powiązany projekt sprzętowy są dostępne jako rozwiązania open source, czyli można je przeglądać, modyfikować i odtwarzać bez opłat licencyjnych.

W artykule pokazano m.in. doświadczenia z rzodkiewką. Na zdjęciach widać różnicę między roślinami rosnącymi w symulowanej mikrograwitacji i w zwykłych warunkach. W warunkach symulowanych korzenie i pędy nie układają się tak jednoznacznie jak w kontroli ziemskiej. Autor badań opisuje to jako zmianę grawitropizmu, czyli reakcji rośliny na kierunek ciążenia.

Wynik ma również wymiar edukacyjny. Mgr inż. Malczyk zaznacza, że system testowali m.in. uczniowie szkół średnich uczestniczący w projekcie uniwersyteckim. Korzystając z przygotowanych narzędzi, byli w stanie prowadzić udane doświadczenia bez stałego nadzoru. Wystarczyły umiejętności techniczne, podstawy pracy z systemami Linux, elektroniką i drukiem 3D.

Klinostat nie zastąpi doświadczeń orbitalnych. Symulowana mikrograwitacja nie jest tym samym, co rzeczywisty lot kosmiczny. Rośliny na Ziemi nadal znajdują się w polu grawitacyjnym, a urządzenie jedynie zmienia sposób, w jaki ten sygnał jest przez nie odbierany. Dlatego wyniki wymagają ostrożnej interpretacji, zwłaszcza gdy chodzi o procesy komórkowe lub molekularne. Naukowcy wskazują, że dalsze potwierdzenie zmian wymaga obserwacji mikroskopowych i analiz RNA, czyli badań aktywności genów w komórkach. (PAP)

Nauka w Polsce

kmp/ agt/