우주의 식물들

Plants in space
지구궤도 우주정거장에 꽃이 핀 지니아 식물

우주 공간에서 식물의 성장은 많은 과학적 관심을 이끌어냈습니다.[1] 20세기 말과 21세기 초에, 식물들은 종종 무중력이지만 압력이 높은 통제된 환경에서 자라기 위해 지구의 낮은 궤도에서 우주로 옮겨졌습니다, 때때로 우주 정원이라고 불립니다.[1] 인간의 우주 비행의 맥락에서, 그것들은 음식으로 섭취될 수 있고 상쾌한 분위기를 제공할 수 있습니다.[2] 식물은 공기 중의 이산화탄소를 대사하여 귀중한 산소를 생성할 수 있으며, 객실 습도를 조절하는 데 도움을 줄 수 있습니다.[3] 우주에서 식물을 기르는 것은 인간 우주 비행 승무원들에게 심리적인 이점을 제공할 수 있습니다.[3] 보통 식물은 우주 정원을 더 개발하거나 과학 실험을 수행하기 위한 연구 또는 기술 개발의 일부였습니다.[1] 지금까지 우주로 간 식물들은 우주선의 기능에 대한 기여가 제한적일 뿐 대부분 과학적인 관심을 가지고 있었지만, 아폴로 달 나무 프로젝트는 숲에서 영감을 받은 임무였으며 나무들은 한 나라의 200주년 기념 행사의 일부입니다.

우주에서 식물을 키우는 첫 번째 과제는 중력 없이 식물을 자라게 하는 방법입니다.[4] 이는 중력이 뿌리 발달, 토양 통합 및 중력이 없는 물 공급에 미치는 영향, 적절한 유형의 조명 제공 및 기타 문제와 관련된 어려움에 직면합니다. 특히 뿌리에 대한 영양소 공급과 영양소 생지화학적 주기, 토양 기반 기질의 미생물학적 상호 작용은 특히 복잡하지만 저중력 및 미세 중력에서 우주 농업을 가능하게 하는 것으로 나타났습니다.[5][6]

나사는 우주 비행사들에게 먹이를 주고 장기적인 우주 비행에 심리적인 이익을 제공하기 위해 우주에서 식물을 기를 계획입니다.[7] 2017년, 1개의 식물 성장 장치에 있는 ISS에서 5번째 작물인 중국 양배추(Brassica rapa)는 승무원 소비를 위한 할당을 포함하고 나머지는 연구를 위해 저장했습니다.[8] 1869년 단편소설 "벽돌달"에 나오는 벽돌달 우주정거장의 나무들이 우주에서 식물에 대한 초기 논의였습니다.[9]

역사

논의중인 ISS의 채소생산시스템

2010년대에는 장기적인 우주 임무에 대한 욕구가 증가했고, 이는 우주 비행사들의 식량으로 우주에 기반한 식물 생산에 대한 욕구로 이어졌습니다.[10] 이것의 예는 지구 궤도에 있는 국제 우주 정거장에서의 채소 생산입니다.[10] 2010년까지 20개의 식물 성장 실험이 국제 우주 정거장에서 수행되었습니다.[1]

식물의 성장과 분포가 미세 중력, 우주 조건과 지구 조건에서 어떻게 비교되는지에 대한 여러 실험이 집중되었습니다. 이를 통해 과학자들은 특정 식물 성장 패턴이 선천적인지 환경적인지 탐구할 수 있습니다. 예를 들어, 앨런 H. 브라운(Allan H. Brown)은 1983년 우주왕복선 컬럼비아호에서 묘목의 움직임을 실험했습니다. 궤도에 있는 동안 해바라기 묘목의 움직임이 기록되었습니다. 그들은 묘목들이 중력이 부족함에도 불구하고 여전히 회전적인 성장과 회유를 경험한다는 것을 관찰했고, 이러한 행동들이 본능적이라는 것을 보여주었습니다.[11]

다른 실험들은 식물들이 저중력 상태에서도 중력을 나타낼 수 있는 능력을 가지고 있다는 것을 발견했습니다. 예를 들어, ESA의 유럽 모듈식 재배 시스템은[12] 식물 성장에 대한 실험을 가능하게 합니다. 작은 온실 역할을 하는 국제 우주 정거장에 탑승한 과학자들은 식물이 가변 중력 조건에서 어떻게 반응하는지 조사할 수 있습니다. Gravi-1 실험(2008)은 EMCS를 활용하여 칼슘 의존 경로에서 렌틸콩 묘목 성장과 아밀로플라스틱 움직임을 연구했습니다.[13] 이 실험의 결과는 식물들이 매우 낮은 수준에서도 중력의 방향을 감지할 수 있다는 것을 발견했습니다.[14] 나중에 EMCS를 사용한 실험에서는 768개의 렌틸콩 묘목을 원심분리기에 넣어 다양한 중력 변화를 자극했습니다. 이 실험인 Gravi-2(2014)는 식물이 여러 중력 수준에서 자라는 동안 뿌리 성장을 향해 칼슘 신호를 변화시킨다는 것을 보여주었습니다.[15]

많은 실험들은 하나의 특정한 성장 행동이 아니라 전체적인 식물 성장 패턴을 관찰하는 데 더 일반화된 접근법을 가지고 있습니다. 예를 들어, 캐나다 우주국의 그러한 실험 중 하나는 하얀 가문비나무 묘목이 지구에 묶인 묘목과 비교하여 반중력 우주 환경에서 다르게 자란다는 것을 발견했습니다;[16] 우주 묘목은 새싹과 바늘로부터 향상된 성장을 보였습니다. 그리고 또한 무작위 아밀로플라스트 분포를 지구에 결합된 대조군과 비교했습니다.[17]

식량 생산은 우주 탐사를 가능하게 하는 핵심입니다. 현재, 국제 우주 정거장으로 음식을 보내는 비용은 2만-4만 달러/kg로 추산되며, 각 승무원은 하루에 ~1.8kg의 음식(더 많은 포장)을 받습니다. 지구, 달 궤도를 도는 우주 정거장 또는 화성 거주지에서 음식을 재입고 하는 것은 훨씬 더 비용이 많이 들 것입니다. 화성으로의 첫 여행은 3년의 왕복 여행이 될 것으로 예상되며, 4명의 승무원이 10-11,000 kg의 음식이 필요할 것으로 추정됩니다.[18]

초기 노력

우주 최초의 유기체는 1946년 7월 9일 미국이 발사한 V-2 로켓에 실려 134km(83mi)까지 발사된 "특별히 개발된 종자 균주"였습니다. 이 샘플들은 회수되지 않았습니다. 우주로 발사되어 성공적으로 회수된 최초의 씨앗은 1946년 7월 30일 발사된 옥수수 씨앗이었습니다.호밀목화를 뒤따랐습니다. 이러한 초기 궤도 아래 생물학적 실험은 하버드 대학해군 연구소에서 담당했으며 살아있는 조직에 방사선 노출을 우려했습니다.[19] 1966년 9월 22일, 코스모스 110은 두 마리의 개와 보습 씨앗으로 출시되었습니다. 그 씨앗들 중 몇 개가 발아했고, 처음으로 발아했고, 그 결과 상추, 양배추 그리고 일부 콩들이 지구에서 대조군보다 더 많은 수확량을 거두었습니다.[20] 1971년 아폴로 14호를 타고 500개의 나무 씨앗(Lobolly pine, Sycamore, Sweetgum, Redwood, Douglas fir)이 달 주위를 날았습니다. 이 달 나무들은 변화가 감지되지 않은 지구에서 대조군과 함께 심어지고 자랐습니다.

우주정거장 시대

Veg-03을 위해 재배하는 아루굴라 같은 양상추 미즈나
ISS에[21] 탑승한 어린 해바라기 식물

1982년, 소련 살류트 7 우주 정거장의 승무원들은 리투아니아 과학자들(알폰사스 머키스 등)에 의해 준비된 실험을 수행했고, Fiton-3 실험 마이크로 온실 장치를 사용하여 일부 아라비돕시스(Arabidopsis)를 재배하여 우주에서 꽃을 피우고 씨앗을 생산한 최초의 식물이 되었습니다.[22][23] 스카이랩 실험은 에 대한 중력과 빛의 영향을 연구했습니다.[24][25] SVET-2 우주 온실은 1997년 우주 정거장 미르에서 성공적으로 종자에서 종자 식물로의 성장을 달성했습니다.[3] Bion 5Daucus carota를, Bion 7옥수수(일명 옥수수)를 운반했습니다.

국제 우주 정거장에서 식물 연구가 계속되었습니다. 바이오매스 생산 시스템은 ISS 익스페디션 4에 사용되었습니다. 채소 생산 시스템은 나중에 국제우주정거장에서 사용되었습니다.[26] 우주로 가기 전에 베지에서 실험된 식물들은 상추, 스위스 차드, 무, 중국 양배추와 완두콩을 포함했습니다.[27] 붉은 로메인 상추는 익었을 때 수확한 익스페디션 40에서 우주에서 재배되었으며, 이는 지구에서 다시 테스트되었습니다. 익스페디션 44 멤버들은 2015년 8월 10일 우주에서 자란 식물을 먹은 최초의 미국 우주 비행사가 되었고, 그들의 농작물인 레드 로메인이 수확되었습니다.[28] 2003년 이후로 러시아 우주 비행사들은 그들의 농작물의 절반을 먹어왔고 나머지 절반은 추가 연구를 위해 사용되고 있습니다.[29] 2012년, 한 해바라기가 나사의 우주비행사 도날드 페티트의 보살핌 아래 국제우주정거장에 피었습니다.[30] 2016년 1월, 미국 우주비행사들은 국제우주정거장에서 지니아가 꽃을 피웠다고 발표했습니다.[31]

2017년 첨단 식물 서식지는 ISS를 위해 설계되었으며, ISS는 지구 저궤도에 있는 우주 정거장을 위한 거의 자립적인 식물 성장 시스템이었습니다.[32] 이 시스템은 스테이션에 있는 다른 식물 재배 시스템인 VEGGIE와 병렬로 설치되어 있으며, 이 시스템의 주요 차이점은 APH가 사람의 유지 관리가 덜 필요하도록 설계되었다는 것입니다.[32] APH는 Plant Habitat Avionics Real-Time Manager에 의해 지원됩니다.[32] APH에서 테스트될 일부 식물에는 드워프 밀(Dwarf Wheat)과 애기장대(Arabidopsis)가 있습니다.[32] 2017년 12월, 수백 개의 종자가 VEGGIE 시스템의 성장을 위해 ISS에 전달되었습니다.[33]

2018년 ISS에서 베지-3 실험은 식물 베개와 뿌리 매트로 테스트되었습니다.[34] 목표 중 하나는 승무원 소비를 위한 식량을 재배하는 것입니다.[34] 이때 시험하는 작물은 배추, 상추, 미즈나 등이 있습니다.[34] 2018년에는 미세중력에서 영양소 전달을 위한 PONS 시스템을 테스트했습니다.[35]

가상의 오닐 원기둥 공간 서식지의 내부 모습으로, 땅과 창문 줄무늬가 번갈아 나타나는 모습입니다.

2018년 12월, 독일 항공 우주 센터EuCROPIS 위성을 지구 저궤도로 발사했습니다. 이 임무는 인류가 우주에 존재하는 부산물을 영양소 공급원으로 사용하여 처음에는 , 그 다음에는 화성모의 중력 하에서 토마토를 재배하기 위한 두 개의 온실을 운반합니다.[citation needed][needs update]

2013년에서 2017년 사이에 ISS에서 트로피즘의 메커니즘과 세포/주기를 연구하기 위한 일련의 실험이 수행되었습니다.[36][37] 이 실험들은 또한 모형 식물인 애기장대 탈리아나를 사용하는 것과 관련이 있으며, 나사(John Z)의 공동 연구였습니다. PI로 키스)와 ESA(PI로 F. 하비에르 메디나).[38][37]

2020년 11월 30일, ISS에 탑승한 우주 비행사들은 우주 정거장에서 재배된 무의 첫 수확물을 수집했습니다. 총 20개의 식물을 수집하여 지구로 운송하기 위해 준비했습니다. 현재 실험을 반복하고 두 번째 배치를 재배할 계획이 있습니다.[39]

달표면

2019년 1월 창어 4호 달 착륙선은 3kg(6.6lb) 크기의 봉인된 '생물권'을 많은 씨앗과 곤충 알로 운반해 식물과 곤충이 시너지 효과를 내며 부화하고 함께 성장할 수 있는지 시험했습니다.[40] 이 실험에는 감자, 토마토, 애기장대 탈리아나(꽃이 피는 식물)의 종자와 누에 알이 포함되었습니다. 이것들은 에서 자란 첫 번째 식물이 되었습니다[citation needed]. 환경 시스템은 낮은 달 중력을 제외하고 용기를 환대하고 지구와 같은 상태로 유지합니다.[41] 알이 부화하면 유충은 이산화탄소를 생성하고 발아한 식물은 광합성을 통해 산소를 방출합니다. 식물과 누에가 함께 용기 안에서 간단한 시너지를 낼 수 있기를 바랍니다. 미니어처 카메라는 모든 성장을 촬영합니다. 이 생물학 실험은 28개의 중국 대학이 설계했습니다.[42][needs update][43]

달의 토양은 또한 플로리다 대학의 실험실에서 실험된 식물이 자랄 수 있도록 하는 것으로 입증되었습니다.[44] 이 실험들은 애기장대 식물이 달의 토양에서 발아하고 자랄 수 있지만, 많은 식물들이 발달이 느렸기 때문에 식물의 번성 능력에 도전이 있다는 것을 보여주었습니다. 발아한 식물은 스트레스의 형태학적 및 전사체적 징후를 보였습니다.[45]

우주에서 자란 식물

우주에서 ISS를 타고 자란 상추

우주에서 자라는 식물은 다음과 같습니다.

실험들

가상의 화성 기지에서 자라는 식물의 그림.

식물과 관련된 일부 실험은 다음과 같습니다.

  • 2017년 4월 ISS에서 시작된 Advanced Plant Habitat.[52]
  • Bion 위성은 1973년에 시작되었습니다.
  • 바이오매스 생산 시스템은 ISS에서 2002년 4월에 시작되었습니다.[53]
  • 채소 생산 시스템(Veggie)은 ISS에서 2014년 5월에 시작되었습니다.[54]
  • SVET는 1990년 6월 미르를 타고 시작되었습니다.[55]
  • SVET-2는 1997년 미르에서 실시되었습니다.[56]
  • Lada 온실(일명 Lada Validating Vegetic Production Unit)은 ISS에서 2002년에 시작되었습니다.[1]
  • ADVASC, ISS와 미르에 탑승.[57]
  • TAGES는 ISS에서 2009년 11월에 시작되었습니다.[58][59]
  • 1972년 3월 Skylab에서 선택된 식물 성장/식물 포토트로픽.[60]
  • Oasis 식물 성장 장치는 1971년 Salyut 1호에서 시작되었습니다.[61]
  • 1998년 10월 29일부터 11월 6일까지 9일 동안 미개봉 꽃봉오리와 반꽃을 모두 가진 장미 식물이 NASA 우주왕복선 STS-95를 타고 우주로 보내졌습니다.[62]
  • 식물 신호(STS-135)는 2011년 7월 ISS에서 시작되었습니다.[63]
  • 식물 성장 실험(STS-95)은 1998년 10월 ISS에서 시작되었습니다.[64]
  • NASA 청정 공기 연구는 1989년 스테니스 우주 센터에서 시작되었습니다.[65]
  • 에코스트레스(ECOSTRESS)는 ISS에서 2018년 6월에 시작되었습니다.[66][67]
  • 식물과 곤충이 시너지 효과로 함께 부화하고 성장할 수 있는지를 실험하기 위해 종자와 곤충 알을 가진 창어 4호 달 착륙선 '생물권'이 2019년부터 시작됐습니다.[40]
  • 마이크로 중력에서 이끼 Physcomitrella patens의 성장을 연구하는 NASA 실험인 SpaceMoss (SpaceXCRS-18)는 2019년 7월 ISS에서 시작되었습니다.[68]
  • 우주에서[69][70] 지속가능한 음식으로서 조류

참고 항목

참고문헌

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