Este artículo es copiado de Naukas, ya que algunas veces los artículos valiosos como este son borrados de la fuente original y que el editor de este blog considera que tiene alta relevancia para desarrollar el primer tema del programa de física de Costa Rica, es que se ha realizado esta copia textual de dicho artículo.
El reciente descubrimiento de agua líquida en Marte por la sonda Mars Express ha abierto de nuevo las esperanzas de poder establecer una colonia humana en Marte. Significa un empujón para los futuros proyectos que pretendan establecer una colonia humana en Marte, y permitiría, o al menos facilitaría, la realización de cultivos vegetales en invernaderos situados suelo marciano. Pero ¿cuáles son los retos y dificultades de cultivar plantas en Marte?
Recreación artística de un invernadero marciano. Crédito de la imagen: NASA
Al estar más lejos del Sol que la Tierra y tener una atmósfera muy fina, uno de los problemas más obvios es que en Marte hace mucho frío. En un día de verano en el ecuador marciano la temperatura puede alcanzar los 20°C, pero por la noche la temperatura bajaría a -73°C, matando incluso a las plantas más tolerantes al frío. Por lo tanto, las plantas en Marte tendrán que cultivarse en invernaderos con calefacción. Además, la intensidad de la luz solar es alrededor del 50% comparados con la intensidad de la luz en la Tierra, lo cual obligaría a introducir iluminación artificial. Aunque como se acaba de descubrir, pueden existir lagos de agua líquida, ésta también puede obtenerse fundiendo el hielo que se encuentra en el suelo marciano. El dióxido de carbono necesario para la fotosíntesis no sería un problema ya que constituye el 95% de la atmósfera marciana, aunque hay que tener en cuenta que la presión atmosférica en Marte es menor que en la tierra por lo tendría que ser aumentada artificialmente para permitir la supervivencia de los vegetales. El resto de minerales necesarios para la vida de las plantas podrían, en principio, obtenerse a partir del suelo marciano, aunque en el caso del nitrógeno no está tan claro, como veremos a continuación. Hay, sin embargo, otros detalles que puede afectar a los cultivos y que son más difíciles de modificar como, por ejemplo la menor gravedad.
Imagen NASA a partir de un fotograma de la película The Martian
¿Pueden las plantas crecer en suelo marciano?
Las muestras tomadas por la Mars Pathfinder mostraron que el suelo en Marte es parecido a la arena y si bien contiene casi todos los nutrientes que las plantas necesitan para crecer, hay una excepción. El suelo marciano carece de compuestos nitrogenados reactivos como el nitrato (NO3-) y el amonio (NH4+). Estos compuestos son vitales para que las plantas fabriquen proteínas y ADN. En la Tierra, la mayor parte del nitrógeno reactivo proviene de la descomposición de la materia orgánica, pero como no hay vida en Marte, al menos que se sepa, el suelo marciano carece de estos nutrientes. Una solución sería llevar estos compuestos desde la tierra pero resultaría muy costoso enviar toneladas de compost al planeta rojo. Los residuos dejados por los astronautas podrían cubrir parte las necesidades, pero no todas.
Para poder hacer ensayos de cultivo en suelo marciano, la NASA fabricó una simulación de este suelo partiendo de ceniza volcánica de Hawai, que tiene muy poco material orgánico, y que fue tratado hasta que se pareciera química y estructuralmente al suelo marciano. Los investigadores usaron este suelo para tratar de cultivar plantas. Utilizaron semillas de 14 especies diferentes. Todas tenían en común el hecho de presentar semillas de pequeño tamaño. La razón fue que así el crecimiento de las plantas no podía realizarse a partir de los nutrientes almacenados en el interior de la semilla. Todas las semillas germinaron normalmente en el suelo simulado de Marte, y, a pesar de la falta de nitrógeno reactivo, muchas de las plantas crecieron normalmente. Concretamente, cuatro de ellas, tomate, centeno, zanahoria y berro, sobrevivieron bien en el suelo de Marte, lo que es un buen augurio para el cultivo de plantas en Marte en el futuro. ¿Cómo se las arreglaron si carecían de nitrógeno activo? En realidad, por muy buena que fuera la simulación del suelo, no es descartable que pudiera contener pequeñas cantidades de material orgánico porque, a pesar de todo, provenía de la Tierra. Si esa fuera la razón, los desperdicios humanos podrían ser suficientes para fertilizar los suelos. Pero existe una segunda explicación. Muchas de las raíces de las plantas están asociadas, en mayor o menor medida, a microorganismos, una de cuyas actividades es la de fijar nitrógeno. La presencia de estas bacterias y hongos es ubicua en la tierra, incluso en las condiciones más extremas, pero estos microorganismos no estarían presentes en el suelo marciano, si bien podrían ser aportados artificialmente. Eso sí, para que tal cosa fuera posible, habría que dedicar bastante tiempo y dinero en identificar cuáles serían los hongos o las bacterias más adecuadas e, incluso, para realizar programas de mejora genética tratando de aislar las mejores variedades de cada planta para aprovechar mejor estas interacciones.
Un problema adicional es la presencia de sustancias nocivas en el suelo marciano nativo. Por ejemplo, el suelo marciano contiene mayor cantidad de metales pesados que el terrestre. Estos componentes no impedirían el crecimiento de las plantas, pero las plantas crecidas en él acumularían estos elementos de manera que podrían no serían aptas para el consumo humano. La gravedad
La gravedad en Marte es alrededor del 38% de la que experimentamos en la Tierra. Esto significa que las cosas pesan un 62% menos en Marte. La fuerza de la gravedad afecta de manera importante al crecimiento de las plantas y posiblemente en más sentidos de los que podemos imaginarnos a priori. El crecimiento a favor de la gravedad o en contra de ella se denomina gravitropismo. ¿Cómo detectan la gravedad las plantas? Las células de los meristemas (las células situadas en los extremos de las raíces y los tallos y por donde crecen) poseen unos orgánulos especializados denominados estatolitos que están llenos de granos de almidón muy densos. Debido a su densidad, los estatolitos se establecen en el fondo de las células, y de ese modo identifican la dirección de la gravedad. La presencia de estatolitos inhibe el transporte de una hormona vegetal, la auxina, lo cual reprime las divisiones celulares y, por tanto, el crecimiento. En las puntas de los tallos la percepción de la gravedad es semejante. Con todo, algunos vegetales que carecen de estatolitos, como algunos mutantes de Arabidopsis, presentan una respuesta a la gravedad reducida, pero significativa. En consecuencia, puede que los estatolitos no sean la única causa implicada en el gravitropismo.
Una segunda hipótesis, conocida como la hipótesis de la presión gravitacional, afirma que la gravedad empuja las proteínas a la membrana plasmática superior y añade presión a las proteínas en las membranas plasmáticas inferiores, lo que permite a la planta distinguir entre arriba y abajo. Por ejemplo, las proteínas denominadas integrinas, conectan la parte externa de la membrana celular al citoesqueleto interno. Las diferencias de presión producidas por la gravedad podrían generar diferencias en el citoesqueleto que determinaran la dirección del crecimiento.
¿Hasta qué punto una menor gravedad puede alterar o hacer que dejen de funcionar estos mecanismos? Se están realizando ensayos con plantas de Arabidopsis thaliana crecidas en condiciones de microgravedad. Básicamente, se colocan las plantas dentro de una máquina denominada “Random Positioning Machine” que lo que hace es rotar continuamente las muestras en todas las direcciones de manera que no son capaces de detectar una dirección predominante de la gravedad. Otra opción es crecer plantas en una estación espacial, aunque resulta un poco mas cara. Los resultados muestran que células vegetales crecidas en simulaciones de la gravedad marciana ven alteradas gravemente su proliferación y crecimiento, que son funciones celulares esenciales para el desarrollo normal de las plantas.
Sin embargo, el crecimiento de las raíces y tallos no solo depende de la gravedad. Otros estímulos como la luz o la presencia de agua también afectan a la dirección del crecimiento. Por ejemplo, las raíces pueden modificar una respuesta gravitacional estrictamente vertical para crecer horizontalmente hacia una fuente de agua. Esto abre posibilidades para, por ejemplo, compensar la menor gravedad con la presencia de humedad en la dirección del crecimiento.
Pero la falta de gravedad tiene otros efectos sobre las plantas. Por ejemplo, la gravedad influye en el movimiento del calor y los gases. El aire frío es más denso que el aire caliente, lo que significa que un volumen dado de aire caliente pesa menos que el aire más frío. El aire caliente se eleva y es reemplazado por aire denso y más frío, haciendo que el aire se mueva y circule en un proceso conocido como convección. En condiciones de menor gravedad las diferencias de densidad son menos relevantes y los movimientos de convección se reducen. El aire en Marte no circulará tanto como en la Tierra. Si el aire alrededor de los estomas, los poros de las hojas, no se renueva tan rápido se irá empobreciendo en CO2 y enriqueciendo en agua. Esto limitará la capacidad de las plantas de absorber CO2 y reducirá la fotosíntesis. Además, limitará la capacidad de liberar agua a través de los estomas de sus hojas en el proceso de la transpiración, la cual es importante porque enfría las superficies de las hojas y es la fuerza impulsora de la absorción de agua, y de nutrientes, del suelo. En resumen, las hojas se calentarán más y la planta verá reducida su capacidad de absorber agua y nutrientes.
Para obtener más información, un equipo de investigación de Osaka se lanzó a los cielos para investigar el efecto de la gravedad sobre las plantas. Amarraron plantas de fresa, luces y sensores en un avión preparado para la realización de vuelos parabólicos de gravedad reducida similares a los utilizados para entrenar astronautas. Durante estos vuelos midieron la transpiración y las tasas de fotosíntesis de las plantas tanto en las condiciones de alta gravedad, es decir, mientras el avión ascendía, como en las condiciones de gravedad cero, durante los períodos de caída libre. Lo que observaron es que en condiciones de gravedad cero la transpiración de las plantas disminuyó en un 46% y hubo un 20% menos de fotosíntesis que en condiciones normales de gravedad. En cambio, en los periodos de alta gravedad se observó lo contrario, las plantas aumentaron su transpiración en un 32% y su fotosíntesis en un 7%. Esto muestra que la gravedad juega un papel importante en la regulación de la transpiración y fotosíntesis de las plantas, por lo que la gravedad reducida en Marte puede tener un impacto negativo en ellas, limitando su crecimiento, la absorción de nutrientes y la regulación de la temperatura. Existirían probablemente maneras de compensarlo pero que hay que ensayar, por ejemplo, moviendo artificialmente el aire mediante ventiladores de manera que el aire en la superficie de las hojas se renueve con mayor eficacia sin depender de la gravedad. Peligro de incendio
Durante la fotosíntesis las plantas absorben CO2 y desprenden oxígeno. El CO2 puede obtenerse de la atmósfera marciana, pero ¿Qué ocurrirá con el oxígeno desprendido? Una parte podrá ser consumido por los humanos, pero no todo. Es decir, se creará un excedente de oxígeno. Una atmósfera enriquecida en oxígeno podría limitar la fotosíntesis pero también incrementaría la respiración de las células vegetales y la oxidación, con unos efectos poco conocidos en la fisiología de las plantas. Se sabe que la presencia elevada de especies reactivas de oxígeno causan daños en los lípidos, proteínas y otros compuestos celulares, llegando a producir la muerte celular. Por si esto fuera poco, una elevada concentración de oxígeno también aumentaría el riesgo de incendios.
Una manera de solucionar estos problemas sería ventilar, pero no es tan sencillo. Dejar renovar el aire con el de la atmósfera marciana reduciría el oxígeno, pero también el nivel de nitrógeno gaseoso, necesario para mantener la presión del aire alta. La solución sería separar el oxígeno y expulsarlo, pero esto no es tan fácil con la tecnología actual y habría que desarrollar sistemas más eficaces para hacerlo. ¿Agua?
Actualmente sabemos que hay agua en Marte, incluso líquida, pero, ¿Podríamos utilizar esa agua para regar las plantas? El problema radica en que esa agua probablemente contiene muchas sales, en especial, perclorato, y es bastante probable que matara a cualquier planta que la toque. Así pues, debería ser previamente tratada para poderla usar como agua de riego, por ejemplo, destilándola. Esto eliminaría el perclorato, pero también otros minerales necesarios para las plantas. Así que el descubrimiento de agua, líquida o no, en Marte, no es garantía de que se puedan regar con ellas las macetas. Radiación
Otro problema que se podría encontrar quien trate de crecer plantas en Marte es el de los elevados niveles de radiación existentes. Según medidas realizadas en 2014 la radiación ionizante de los rayos cósmicos en Marte es tan baja que es insignificante, similar a los medidos dentro de la Estación Espacial Internacional. Estos niveles podrían aumentar esporádicamente asociados a erupciones solares, pero se trataría de eventos esporádicos y que duran de 2 a 5 días, por lo que no parece que este tipo de radiación pudiera impedir seriamente el crecimiento de las plantas. En cuanto a la radiación ultravioleta, sus niveles en la superficie marciana son letales incluso para los microbios sin protección, pero podría ser atenuada por las cubiertas protectoras de los invernaderos. No parece, por tanto, que este sea un problema preocupante para el futuro.
En resumen, existen todavía bastantes problemas que resolver antes de pensar en hacernos una ensalada con productos marcianos.
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