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¿La Quínoa en el Espacio Exterior?

Quinoa

[SEPA] Investigadoras del Instituto de Morfología Vegetal de la Fundación Miguel Lillo de Tucumán -Argentina- concurrieron a las instalaciones del Laboratorio Instrumental Planetaria, LIP, del Centro de Investigación de Ciencias de la Tierra y del Espacio, CICTE, perteneciente a la Universidad de York, Toronto -Canadá-, invitadas por la Dra. Pamela Such, para la realización de estudios científicos en material orgánico de alto impacto en ciencias planetarias.

La Universidad de York aportó el Instrumental y el grupo de Investigadores, a citar: Dra. Pamela Such, Geóloga Planetaria, Dr. Mike Daily, Jefe de la Misión Osiris Rex y el Dr. en Física Emannuel Lalla. Los Integrantes del Equipo de trabajo por Argentina, Tucumán pertenecientes a la Fundación Miguel Lillo son: Dr. Juan González, Dra. María Inés Mercado, Dra. Graciela Ponessa, Lic. Sebastián Boedo y Daniela González perteneciente a CONICET e IMBIOFIV.

El proyecto presentado fue “Estudios morfo anatómicos y germinativos de aquenios de Chenopodium quinoa y su potencial aplicación para sistemas ecológicos controlados de soporte vital en ambientes extremos”.

El objetivo fue someter a efectos de exposición a los granos o aquenios de quinoa a ambientes espaciales de baja presión, baja temperatura y radiación UV y evaluar los efectos del desarrollo en su ciclo de vida, proceso de fotosíntesis, intercambio gaseoso y transporte de agua y solutos.

Relevancia del proyecto, sucede que las misiones espaciales de exploración a largo plazo requieren de sistemas de soporte vital, capaces de regenerar condiciones necesarias para la supervivencia. Las plantas superiores pueden ser utilizadas para proveer en forma continua alimentos frescos, revitalizar la atmosfera y limpiar el agua para uso humano. Se demostró que plantas capaces de adaptarse a ambientes extremos en nuestro planeta pueden crecer y desarrollar de forma completa su ciclo de vida en ambientes de micro-gravedad. Sin embargo más conocimiento sobre los efectos a largo plazo de la exposición a ambientes extraterrestres en el crecimiento y desarrollo vegetal son necesarios.

¿Qué dice Wikipedia?

Quínoa
Pterosauria

CELSS
CELSS

Misión a Marte
Misión a Marte

Futuras misiones a la Luna y a Marte que involucrarían estadías de largo plazo en el espacio, dependerán del desarrollo de sistemas de soporte vital para la producción de alimentos y regeneración de recursos. Se seleccionó la “quínoa” Chenopodium quinoa Willd Chenopodiaceae , por ser una especie de origen andino, con una alta asimilación fotosintética, a pesar de ser una especie C3.

Su elevada plasticidad genética le permitió adaptarse naturalmente a diferentes condiciones de altitud de 0 hasta los 4000 m/sobre nivel del mar y latitudes desde el sur de Ecuador hasta Chile. Esta extraordinaria plasticidad le permitió desarrollar mecanismos de tolerancia/resistencia a bajas presiones, bajas temperaturas, diferentes intensidades de radiación ultravioleta y salinidad. Si bien existen numerosas investigaciones sobre quínoa referidas a su cultivo, su química, valor nutricional y evaluación de nuevas variedades; hasta el momento no se realizó evaluación del impacto que pueden causar las condiciones extremas de radiación y presión atmosférica extraterrestre a nivel de estructuras celulares al grano de quínoa y su correlación con tasas de germinación de los mismos.

Considerando la adaptabilidad de quínoa ante diversos factores abióticos que actúan como estresantes para otras especies cultivadas clásicas, se especula que la quínoa podría presentar mecanismos de resistencia/tolerancia que serían de alto interés para la ciencia en sí y para misiones fuera del planeta Tierra en un futuro cercano.

El grano de quínoa presenta un alto valor nutritivo vinculado con su riqueza de minerales, de lípidos, carbohidratos y proteínas con una composición única de aminoácidos esenciales como la licina, cisteína, metionina.

“Sistemas de soporte vital ecológico controlado o cerrado (CELSS)

Hasta la fecha, cuando los humanos han ido al espacio, han llevado consigo todo el aire que necesitaban para respirar, más su agua y su comida. Todos los desechos creados fueron arrojados al espacio o devueltos a la Tierra en su forma original. (El agua que bebían los astronautas a menudo era un subproducto de la generación de energía eléctrica por medios químicos: celdas de combustible de hidrógeno y oxígeno).

Los desechos gaseosos fueron reciclados por máquinas: el dióxido de carbono se procesó para producir oxígeno, mediante procesos “físico-químicos”.
Para ser autosuficientes en el espacio, independientes de la Tierra, se necesita cultivar comida en el espacio. Se puede usar máquinas para reciclar la orina y el vapor de agua en el aire para producir agua potable, pero eventualmente sería más deseable y económico reciclar nuestros desechos humanos de forma natural en lugar de solo máquinas, y hacerlo de forma natural junto con la producción de alimentos. Las máquinas se usarían solo para esterilizar y purificar el agua que ya ha sido reciclada a través de la biosfera artificial.

En la Tierra, los animales respiran oxígeno (O2) del aire y exhalan dióxido de carbono (CO2) como desecho. Las plantas absorben este dióxido de carbono del aire, y al usar la energía de la luz solar más el agua y los materiales del suelo y el aire producen azúcar, almidón y otras cosas, en base a un proceso llamado fotosíntesis. Las plantas emiten oxígeno como desecho. Eso completa el ciclo animal-planta. De esta manera cíclica, los animales y las plantas son inter-dependientes. Las plantas producen tanto alimento como oxígeno para los animales. A su vez, los animales producen dióxido de carbono para las plantas. Además, los animales producen desechos de excrementos que enriquecen el suelo. Las plantas muertas también enriquecen el suelo y no se desperdician.

Este ciclo natural se puede mover al espacio, en su totalidad o en parte. Los primeros experimentos en las décadas de 1950 y 1960 se centraron en reciclar el aire utilizando algas, no cultivos alimentarios. Los tanques planos de algas se pusieron bajo luz artificial para absorber el dióxido de carbono que los humanos habían exhalado en cámaras cerradas y emitieron el oxígeno para que los humanos respiraran. Se descubrió que cada humano requería unos 8 metros cuadrados de algas para el equilibrio. (Los tanques de algas generalmente se apilaban como estantes para que ocuparan mucho menos de 8 metros cuadrados de espacio en el piso).

Investigaciones más recientes han ampliado esto para incluir la producción de alimentos comestibles y el reciclaje de desechos de excrementos humanos y desechos de plantas muertas en el ciclo alimentario.

En los primeros años de colonización espacial, se utilizará una combinación de sistemas naturales y máquinas. Siempre se puede importar oxígeno puro y agua de materiales de asteroides, así como dióxido de carbono. No es necesario producir un sistema completamente cerrado. Sin embargo, es importante mantener cultivos saludables y altamente productivos, que requieren habilidades de manejo de desechos y reciclaje.

Las tecnologías requeridas pueden desglosarse de la siguiente manera:

  • Intercambio de oxígeno y dióxido de carbono entre plantas y animales (también conocido como revitalización del aire)
  • Producción de alimentos (también conocida como producción de productos comestibles)
  • Desglose de desechos humanos (también conocido como tratamiento de aguas residuales)
  • Compostaje de residuos vegetales.
  • Purificación de agua para beber.
  • Eliminación de contaminantes del aire.

Este campo de estudio, los sistemas de soporte vital regenerativo, se llama “Sistemas de soporte vital ecológico controlado (CELSS)” (también llamado Cerrado... en lugar de Controlado... aunque “cerrado” probablemente no sea posible por un tiempo). Existe una gran cantidad de información de varias instituciones de todo el mundo sobre este tema, incluidos documentos presentados en conferencias que tratan sobre la utilización de materiales lunares y de asteroides.

Las cualidades mencionadas llevaron a esta especie a considerarla como un cultivo candidato para los denominados CELSS (Controlled -or closed- ecological life-support systems) o sistemas de soporte vital ecológicos controlados o cerrados, en español. El grano de quínoa es una fruto denominado aquenio donde la pared del fruto esta adherido al tegumento de la semilla. Sobre su superficie hay cuerpos con saponina considerados como anti-nutricionales que en la actualidad se valorizaron como agentes anti-colosteromiantes.

Selección y material de estudio. Actualmente el grupo de trabajo cuenta con 40 variedades o eco-tipos las que se encuentran en evaluación desde hace 10 años en el campo experimental de Encalilla de Amaicha del Valle (Tucumán-Argentina). El clima de la zona es de tipo desértico con un régimen anual de precipitación promedio de 200 mm con más de 70% de ese valor durante el periodo setiembre, a marzo. Las temperaturas máximas y mínimas promedias diarias son de 30,4 y 11,2° C mientras que la humedad relativa registrada es de 44,2% y 54,2%. La duración del día es de 9,8 horas a comienzos de la primavera y de 11,3 horas durante el verano.

Al fin de indagar sobre la resistencia/tolerancia ante condiciones de alto estrés, se seleccionaron dos variedades nativas de quínoa originarias de regiones de altura del noroeste argentino; una con un poder germinativo del 90% y de ciclo corto de 110 a 120 días, la otra variedad, con un poder germinativo algo menor y de ciclo largo. Estas características de precocidad, sobre todo en la primera variedad con su alta tasa de asimilación fotosintética y su alto rendimiento la convierten en un excelente candidato para evaluaciones en CELSS.

La primera etapa consistió en armar lotes de aquenios de ambas variedades y someterlos a 4, 8 y 16 horas de exposición al vacío y láser que simula plasma solar y luego a un tratamiento para sumarle bajas temperaturas. La cámara de vacío que se utilizo fue la cámara Amstrong de las que hay sólo tres en la Tierra de dimensiones útiles para este experimento: en Estados Unidos, España y Canadá. Esta cámara de vacío permitió la recreación de ambientes extremos de máximo 106°Torr de presión y menos 300o C, en una atmosfera controlada que se utilizó para exponer los aquenios.

Las condiciones de alta radiación UV fueron recreadas mediante el bombardeo 532nm láser durante la experimentación en la cámara de vacío. Estas condiciones generan ambientes análogos a la superficie de la Luna, de Marte y el espacio exterior. A posteriori, se analizaron los aquenios enteros y en cortes con Microscopio Electrónico de Barrido acoplado a un detector EDS que permitió el estudio de superficie y del material en trans-corte. Los datos espectrales analíticos de los tejidos permitieron definir la distribución de Ca (calcio), Al (aluminio), K (potasio), Na (sodio), C (carbono), O (oxígeno) y N (nitrógeno). A posteriori se puso a germinar en tierra ambas variedades con la sorpresa que en todos los casos germinaron en distintos porcentajes y el más alto registro de germinación fue el material que fue sometido a mayor stress y la variedad que en su origen está sometida a mayor UV y altura en su hábitat natural. Con estos resultados queda claro que quínoa es una planta PROMISORIA para ensayar como soporte vital en viajes al espacio.

Información proporcionada por:

Dra. Graciela Ponessa
Dra. María Inés Mercado

Inst. de Morfología Vegetal Fundación Miguel Lillo

 

 

 

 

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