宇宙でジャガイモを育てるには何段階のステップが必要ですか？植物学者の答えは…

2024年10月12日、博士課程のShi Jun氏が、中国科学院植物学博士で上級研究図書館員の李鴻鴻氏は、科学普及中国星空フォーラムの「銀河を探査し、天空の夢を追う」テーマセッションで「野菜畑を宇宙へ」と題する講演を行い、宇宙探査における植物科学の知識について語りました。

以下はShi Jun氏のスピーチからの抜粋です。

諺にあるように、「食糧は人々の第一のニーズである」。星や海を旅するときには、避けられない問題が一つあります。それは「食事」です。

宇宙では食べ物はどこから来るのでしょうか？地球から持ってくるという人もいますが、価格が非常に高く、大勢の人々のニーズを満たすことはできません。したがって、宇宙では必要な食糧しか生産できません。

では、私たちが食べるあらゆる食物の中で、なぜ野菜畑を宇宙に移すべきなのでしょうか?なぜジャガイモを選ぶのですか?実のところ、ここには非常に興味深い植物科学の知識がたくさんあります。

なぜ宇宙で野菜を育てたいのでしょうか?

まず第一に、人類が頼りにしている巨大なエネルギー源である太陽には、実は寿命があるのです。現在までに、太陽の寿命は約46億年です。この時間は長く思えますが、ある日太陽が変化したら、私たちは別の惑星に移住する必要があるかもしれません。さらに、私たちは地球に衝突する小惑星などの「地球外からの来訪者」の脅威にも直面しています。このような衝突は大量絶滅を引き起こす可能性がありますが、これは地球の歴史において珍しいことではなく、最も有名な例は恐竜の絶滅につながった衝突です。

もちろん、これらは私たちにとって遠い話のように聞こえますが、人類は今日、地球規模の気候変動というさらに困難な問題に直面しています。工業化の過程で化石燃料が大量に消費された結果、地球の気候は劇的に変化し、異常気象が頻繁に発生し、地球は徐々に人間の居住に適さない場所になりつつあるかもしれません。このような状況で、私たちは新しい場所を探すことを検討する必要があり、それが野菜畑を宇宙に移した理由の 1 つです。

宇宙でジャガイモを栽培する、

なぜ？植え方は？

宇宙で野菜を育てるとき、なぜジャガイモを選ぶのでしょうか?それは単にジャガイモが美味しいからというだけではなく、ジャガイモそのものの特性も関係しています。ジャガイモの食べられる部分は花でも果実でもありません。私たちが実際に食べるのは塊茎です。

塊茎を食べることには大きな利点があります。ジャガイモを細かく切って土に埋めるだけで、新しいジャガイモが育つのです。この方法は、ジャガイモが開花して実を結ぶまで待ってから収穫するよりも簡単で効率的です。

ジャガイモ畑。ギャラリー内の画像は著作権で保護されています。転載して使用すると著作権侵害の恐れがあります。

宇宙にジャガイモを持ち込んだ後、どこに植えるべきでしょうか？誰もが最初に思いつくのは、土に植えることかもしれません。しかし、他の惑星の土壌は地球の土壌とは異なるため、実際には多くの問題があります。火星を例に挙げてみましょう。火星の土壌には、地球上で強力な消毒に主に使用される過塩素酸塩など、私たちには想像しにくい複雑な成分が含まれています。たとえば、一部の消毒用ワイプには過塩素酸塩が含まれています。この消毒剤がすべての微生物を殺すことができると想像してください。この土にジャガイモを直接植えると、おそらくそれらの微生物と同じ運命をたどり、生き残ることはできないでしょう。したがって、火星の土壌を使ってジャガイモを栽培したい場合、まず徹底的に洗浄して過塩素酸塩を除去する必要があり、これは非常に複雑なプロセスです。

さらに重要なのは、火星の土壌には植物の成長に不可欠な肥料が存在しないことだ。 「作物の豊作は肥料にかかっている」という中国の農業諺があり、作物の成長にとって肥料が重要であることを示しています。したがって、火星に着陸する最初の宇宙飛行士は、土壌の状態を改善するために懸命に努力する必要があるだろう。しかし、これは人間の排泄物が直接肥料として使用できることを意味するものではありません。発酵プロセスを経る必要があります。植物は発酵していない排泄物を吸収できません。発酵して単純なミネラル栄養素に分解されて初めて、植物はそれを吸収して利用できるようになります。このプロセスは複雑に聞こえますが、幸いなことに、植物を育てるのに土壌に完全に頼る必要はありません。

皆さんの中には、水耕栽培で植物を育ててみたことがある人も多いかもしれません。ジャガイモを含む多くの野菜は、十分な水があれば土がなくても栽培できます。この新しい栽培方法は、ジャガイモを直接水に浸すのではなく、空中に置き、散布によって直接栄養を与えるというものです。この方法はすでにかなり成熟しています。つまり、土がなくても野菜を育てることができるのです。しかし、水は植物の成長に不可欠な要素であるため、必要不可欠です。

映画「オデッセイ」を例に挙げてみましょう。映画では主人公が火星に約100平方メートルのジャガイモ畑を作った。これらのジャガイモを栽培するには、60立方メートル、つまり60トンの水が必要です。怖いですね。 60トンの水は決して少ない量ではありません。この水のすべてがジャガイモの成長に使用されるわけではありません。その一部はジャガイモによって空気中に放出されます。これは、ジャガイモが栄養を吸収するときに、心臓が血液を送り出すのと同じように、体内の水分が流れる必要があるからです。

植物には心臓はありませんが、葉を通して同様の機能を果たします。それぞれの葉は小さな水ポンプのようなものです。水が空気中に放出されると、根から吸収された水を汲み上げる小さな力が発生します。この水ポンプは小さいですが、大量の水を消費します。したがって、100平方メートルを超えるジャガイモを栽培するには、60立方メートルの水が必要となり、これは非常に大きな量です。

幸いなことに、現在では水をリサイクルできるさまざまな節水装置があり、それが可能になりました。したがって、宇宙で野菜を栽培する上で、水はもはや大きな障害ではなくなりました。

想像上の宇宙農場（AIGC 画像）。ギャラリー内の画像は著作権で保護されています。転載して使用すると著作権侵害の恐れがあります。

宇宙でジャガイモを栽培する上でもう一つの障害があります。それは光です。

火星の表面は宇宙線や高エネルギー粒子、強い紫外線にさらされているため、火星の表面の屋外環境に直接ジャガイモを植えると、ジャガイモはすぐに焼けてしまいます。したがって、私たちが直面している問題は、植物に適切な光をどのように提供するかということです。幸いなことに、解決策はいくつかあります。

太陽電池と太陽光発電パネルを使用して、太陽光を植物が利用できる光に変換することができます。さらに、植物に光を供給する LED ライトの効率を大幅に向上させることができます。これをどうやって行うのでしょうか?ほとんどの植物は、主に赤と青紫の特定の波長の光のみを吸収するため、緑色に見えます。これらは緑色の光を反射するため、植物は緑色に見えます。植物は緑色の光を必要としませんが、今日では、植物の成長のニーズを完全に満たすことができる赤色と青紫色の光のみを放射する LED ランプを使用することができます。したがって、宇宙庭園で植物に適切な光を供給することは完全に可能です。人々が通常想像しないもう一つのハードルがあります。それは二酸化炭素の不足です。

二酸化炭素不足は今後も続くのだろうかと疑問に思う人もいるかもしれません。私たちは毎日、CO2排出量の削減について話していますが、CO2の影響は両面にあります。二酸化炭素は今日多くの宣伝でやや悪者扱いされており、人々は二酸化炭素という言葉を聞くとそれを悪いものと考えますが、実際には二酸化炭素が私たちに与える良い影響は悪い影響をはるかに上回ります。たとえば、二酸化炭素は温室効果の重要な要素です。温室効果が完全になくなると、地球の表面は月の表面のようになり、昼と夜の温度差は数百度になる可能性があります。そのような惑星で生命は生き残れるのでしょうか?不可能。

さらに重要なのは、宇宙庭園では植物に十分な二酸化炭素を供給する必要もあるということです。これはなぜでしょうか?私たちがよく光合成と呼んでいるのは、緑の植物が二酸化炭素と水を吸収してブドウ糖を生成するプロセスです。このプロセスは、光反応と暗反応の 2 つのステップで完了します。いわゆる「明反応」は太陽光を受け取るプロセスであり、「暗反応」は集めたエネルギーをグルコースに蓄えられたエネルギーに変換することです。

写真はShi JunのスピーチPPTより

すると問題が発生します。二酸化炭素が不足すると光合成の「明反応」は継続しますが、「暗反応」は阻害されます。細胞は依然として太陽光を集めており、このエネルギーは細胞内に蓄積されます。また、酸素と結合して有害なフリーラジカルを形成するなど、結合するより活性な分子も見つけます。これらのフリーラジカルはタンパク質、DNA、細胞構造に損傷を与え、葉を直接腐らせる可能性があります。この状況に対処するために、植物は光合成を維持するために生成した二酸化炭素を分解する「光呼吸」を行うことがありますが、これは最後の手段にすぎません。したがって、将来の宇宙庭園では、二酸化炭素が貴重な資源となるかもしれません。

宇宙でジャガイモを栽培する上での「隠れたレベル」は重力です。

地球上に住む私たちにとって、重力はあまりにもありふれたものなので、その存在を見落としがちです。しかし、宇宙ではすべてが無重力であり、地上の環境とはまったく異なります。私たちが宇宙に持ち込む植物も重力の存在に慣れています。たとえば、土に種を植えると、植物の苗や芽は上向きに成長し、根は下向きに成長します。これが重力の影響です。

もし重力がなかったら、植物はどちら側が空でどちら側が土なのかどうやってわかるのでしょうか？この問題を解決するにはどうすればいいでしょうか?良いニュースは、中国の科学者たちが昨年この問題を解決する鍵を発見したことだ。彼らは植物細胞の中にアミロプラストと呼ばれる特殊なタイプの粒子を発見した。これらのデンプン小体は重力の影響を受けると、細胞の底に沈みます。これらの粒子が細胞壁や細胞膜に接触すると、細胞に上方向を伝える信号が伝達されます。したがって、将来的にはこの発見を利用して、宇宙での植物の成長を促進できる可能性があります。

写真はShi JunのスピーチPPTより

宇宙でジャガイモを栽培する予備的な試みは、実は既に行われている。例えば、私たちの天宮宇宙ステーションでは、レタスを中心にさまざまな野菜が栽培されています。これまでの生放送では、天宮の宇宙飛行士たちが新鮮なレタスを楽しんでいる様子が紹介されました。どんな味がするのか分かりませんが、将来皆さんにも味わってもらえる機会があればいいなと思います。

宇宙で野菜を育てるのは簡単ではない

宇宙船で野菜を育てるのはさらに難しいです！

宇宙で野菜を育てるのは、特に宇宙船上では困難です。

たとえば、1990年代に米国はミニチュアの地球をシミュレートすることを目的としたバイオスフィア2と呼ばれる実験を実施しました。建物は18万立方メートルの広さがあり巨大です。内部は 7 つの生態系ゾーンに分かれており、地球上のすべての生態系をシミュレートするために 4,000 種の生物が飼育されています。実験は21か月間続いたが、小さな生態系が適切に機能しなかったために実験者が餓死したり窒息したりしそうになったため、終了しなければならなかった。

この実験が私たちに与えた最大の発見は、地球上の生態系は単に種が集まって形成されたのではないということだ。生態系は有機的な全体であり、単に種を積み重ねるだけでは構築できません。車の部品を単に積み重ねて、自動的に車が組み立てられるとは期待できないのと同じです。したがって、たとえ多数の種を集めたとしても、自発的に健全な生態系が形成されるわけではありません。最善の解決策は、この美しい青い惑星である地球を守ることです。

たとえいつの日か、私たちが太陽系、あるいは天の川銀河から抜け出して、もっと遠い宇宙を探検できるようになったとしても、地球がいつまでも私たちの故郷であり、最も美しい故郷であることを忘れてはなりません。これは私たち一人一人が心に留めておく必要があることです。みなさんもこの地球の記憶を頼りに星の海を探検してみてはいかがでしょうか！

企画・制作

著者: Shi Jun、中国科学院植物学博士、上級研究図書館員

編集者: チャン・ヤン、ヤン・ヤーピン

イベント企画｜甘粛省蘇玄科学技術館広報渉外部

校正：Xu Lai、Lin Lin