Le piante superiori e la microgravità

Studiare come le piante reagiscono alla vita nello spazio, consente di capire di più su come queste si adattano ai cambiamenti ambientali. Le piante non solo sono cruciali per quasi ogni aspetto della vita sulla Terra, ma saranno ancor più fondamentali per le esplorazioni dell'universo. Mentre si guarda ad un possibile futuro di colonizzazione spaziale, è di particolare rilevanza comprendere come le piante possano allontanarsi dal pianeta prima di affidarci a loro all'interno di avamposti spaziali per riciclare aria, acqua e integrare il cibo destinato agli astronauti. Quindi, mentre noi restiamo sulla terra, gli impianti sperimentali vengono posizionati nella Stazione Spaziale Internazionale (ISS). Al momento gli studi compiuti ci hanno fornito alcune sorprese riguardo all’accrescimento vegetale a gravità zero e hanno messo in discussione alcuni nostri convincimenti su come le piante crescono sul nostro pianeta.
Nella ISS sono molti gli esperimenti condotti finora sulle piante sia quelli gestiti da un’astronauta, sia quelli realizzati a terra per cercare di migliorare la vita e le conoscenze nell’avamposto realizzato nello spazio.
Per far vivere delle piante nello spazio i punti nodali da collaudare sono i seguenti:
• gestione di aria e acqua
• serre planetarie
• sistemi terrestri per ecosistemi in microgravità
• scelta delle specie
• illuminazione e gestione dell’energia
• radicazione nello spazio
Una prima domanda è: scegliendo e prelevando le piante dal pianeta Terra, come si accresceranno in assenza di gravità? In breve si tratta di selezionare e assemblare in modo opportuno degli organismi (batteri, alghe, piante superiori) secondo fasi successive di riciclo al fine di convertire gli scarti (residui colturali) e i rifiuti organici dell’equipaggio a bordo in O2, H2O, cibo. In sostanza le piante rappresentano dei veri e propri biorigeneratori che verrebbero fatti crescere in un ambiente artificiale su appositi substrati o in idroponia e nutrite dai componenti essenziali contenuti nei residui vegetali e nelle deiezioni.

Alcune innovazioni dallo spazio
Questo tipo di ricerca fornisce delle nuove informazioni su come le piante percepiscono e rispondono agli stimoli esterni a livello molecolare. Più saremo in grado di imparare come le piante rispondono agli ambienti estremi, meglio potremo capire come queste si adattano alle mutevoli condizioni di crescita. L'aver accertato che la gravità non è così vitale per le piante come si pensava in passato, è una notizia positiva nella prospettiva di coltivare su pianeti con bassa gravità, e persino su veicoli spaziali dove invece la gravità non esiste. 

Influenza della gravità sulle piante      
Le condizioni di microgravità a bordo delle stazioni spaziali orbitanti o di gravità ridotta su piattaforme planetarie possono essere percepite dalle piante come fonte di stress. La gravità ridotta non impedisce il completamento dei cicli vitali delle piante: nello spazio i semi germinano e le piante possono svilupparsi, fiorire e formare frutti contenenti semi a loro volta capaci di germinare. Anche nello spazio è quindi possibile coltivare piante a scopo alimentare per produrre cibo fresco nelle varie forme (foglie, germogli, frutti e semi). Tuttavia, la microgravità può provocare delle alterazioni in alcuni processi e fenomeni biologici che innescano alterazioni nella struttura e nella funzionalità di diversi organi. Queste modifiche, anche quando non sono tali da mettere a rischio la sopravvivenza, potrebbero comunque determinare alterazioni delle principali funzioni svolte dalle piante generando variazioni della quantità e qualità delle parti eduli fresche.
La maggior parte delle informazioni disponibili sull’effetto della microgravità deriva da esperimenti svolti o a bordo delle piattaforme spaziali, dove, di fatto, la microgravità agisce insieme ad altri fattori spaziali, quali ad esempio le radiazioni ionizzanti, oppure sulla Terra, dove l’assenza di gravità si può simulare con vari strumenti tra cui i clinostati (di uso botanico) che annullano gli effetti dell’azione unidirezionale della forza di gravità sull’organismo facendolo ruotare in continuo.
Nel corso del ciclo biologico gli effetti della microgravità sono stati studiati principalmente su alcuni processi ed in particolare su:
• capacità germinativa dei semi e sviluppo morfologico
• gravitropismo (crescita radicale guidata dall’attrazione gravitazionale)
• sviluppo del sistema vascolare
• formazione delle pareti cellulari (per trasporto e sostegno strutturale)
• traslocazione di sostanze di riserva (amido)
• accumulo di antiossidanti prodotti a seguito di stress (sostanze fenoliche)
• capacità di riproduzione
• efficienza degli scambi gassosi (fotosintesi e traspirazione)
• attività del nucleo e cicli cellulari.

La scelta delle specie 
Sulla terra, la diversità degli ambienti entro cui coltivare i vegetali alimentari ci obbliga a scegliere le specie più adatte e a diversificare le coltivazioni e i prodotti. La scelta delle specie da coltivare nello spazio, deve soddisfare molte esigenze e vincoli.
Coltivare nello spazio diventa essenziale per missioni interplanetarie di lunga durata, ma la logistica disponibile sulle astronavi è molto limitata ed è quindi indispensabile sviluppare piante di piccola dimensione, capaci di accrescersi molto velocemente. Piante di questo tipo possono essere allevate in piccole camere climatiche simili ad armadi di vegetazione.
Nel corso degli anni ‘90 presso l’Università dello Utah (USA) sono state costituite delle varietà di frumento, riso, pomodoro e pisello definite “super-dwarf” caratterizzate da una statura massima di 25 cm e da un ciclo vegetativo inferiore ai 90 giorni. 
Accanto a queste specie sarà possibile coltivare anche lattuga e spinacio per integrare la dieta con ortaggi a foglia. La produzione delle parti eduli dovrà essere elevata (alto harvest index) rispetto ai residui colturali da riciclare.
Le specie prescelte dovranno crescere bene in condizioni ambientali facili da riprodurre e mantenere, senza competere fra loro, per convivere in sistemi poli-colturali. Le piante spaziali dovranno possedere fotosintesi ed evapotraspirazione efficienti nonché essere capaci di acclimatarsi a variazioni di luce e di radiazioni ionizzanti (raggi X), temperatura e umidità dell’aria. Così, controllando accuratamente l’ambiente di crescita, non si otterrà solo cibo, ma anche fissazione della CO2, produzione di O2 e vapore acqueo. In sostanza un modo per purificare l’aria e l’acqua utilizzate dagli astronauti.
Il cibo poi dovrà essere facilmente utilizzabile, con minime esigenze di lavorazione, cottura, trasformazione e conservazione. Sarà utile scegliere piante ricche di diversi nutrienti in modo da poter comporre una dieta equilibrata.
Negli esperimenti condotti finora sono state studiate principalmente le specie che di regola sulla terra forniscono la base energetica, come le già ricordate frumento, riso, patata e soia dalle quali si ottengono carboidrati, proteine e grassi. Sono state studiate anche insalate, rucola, spinacio e fragola che forniscono altre componenti di una dieta ben diversificata, come vitamine, sali minerali, fibre, antiossidanti e nutraceutici.
Presso l’Istituto di Biologia Agroambientale e Forestale del CNR, in collaborazione con DAFNE (Dipartimento Scienze e tecnologie per Agricoltura Foreste Natura e Energia) dell’Università della Tuscia, ormai da tempo vengono svolti esperimenti riguardanti la risposta di alcune orticole all’ambiente spaziale per ottimizzarne la capacità nutrizionale.
Gestendo al meglio le condizioni ambientali (temperatura, luce, CO2) si possono ad esempio ottenere spinaci con aumentata vitamina C. Nello spazio si dovrà prevenire l’insorgenza di fitopatie, in modo che il vegetale sia esente da residui di antiparassitari. Con la stessa attenzione si dovrà evitare che le piante accumulino fattori anti-nutrizionali, poiché durante il lungo corso evolutivo, molte specie hanno acquisito la capacità di sintetizzare composti utili per la pianta, ma tossici per l'uomo.

L’atmosfera in un “modulo serra” posto in orbita 
Un “modulo serra” rappresenta una parte fondamentale all’interno di qualsiasi concetto di base stabile e indipendente per le future missioni spaziali di lunga durata. Infatti all’interno di un ambiente controllato (serra) è possibile rigenerare una parte delle risorse necessarie all’uomo attraverso la realizzazione dei cicli vitali di un habitat, tra cui in via primaria il riciclo dell’acqua, la rimozione della CO2, la produzione di O2 e cibo.
In questo ambito si colloca lo studio di fattibilità coordinato dal centro aerospaziale tedesco DLR** (Istituto per l'aviazione e il volo spaziale) e condotto nell’ambito del programma MELiSSA (progetto ESA***). Si sta infatti progettando un ecosistema artificiale che usa i microrganismi per trasformare ad esempio i rifiuti in modo da permettere la coltivazione di piante o alghe. L’obiettivo principale resta l’ideazione di un “modulo serra” per base lunare. Vengono progettate e studiate le principali componenti che costituiscono il modulo serra. Tra queste:
• scelta delle piante e loro posizionamento
• dimensione della coltivazione
• apporto di nutrienti
• tipo di illuminazione
• gestione dell’aria
• richiesta di energia
• struttura del modulo.

Dalla documentazione prodotta dal programma in atto si rileva che il sistema che gestisce l’atmosfera all’interno della serra potrà essere costituito da un nucleo centrale rigido e da più camere di crescita denominate “petali”. Per garantire un microclima adeguato all’accrescimento di ciascuna specie, le coltivazioni verranno differenziate per “petalo”. Ogni “petalo” conterrà quindi una diversa pianta ed avrà specifiche caratteristiche ambientali: luce, temperatura, umidità e composizione dell’aria.  Le piante saggiate finora per la coltivazione sono state grano duro e tenero, soia, barbabietola e lattuga. In particolare è stata prodotta una lattuga (GM) capace di produrre l'ormone paratiroideo umano in grado di proteggere dal calo di densità ossea in assenza di gravità. Si potrebbero così aiutare gli astronauti nel prevenire le anomalie causate dai lunghi voli spaziali in assenza di gravità. 

**Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.
***Alle ricerche ESA partecipa il Dipartimento di Agraria dell’Università degli Studi di Napoli Federico II (S. De Pascale e il suo team)