Rakieta Blue Origin w locie trwającym 10 minut. Geny roślin zareagowały niemal natychmiast

Rośliny nie dysponują ani narządem wzroku, ani słuchu, ani układem nerwowym, a mimo to są w stanie natychmiast wyczuć, że ich otoczenie się zmieniło. Zespół badaczy wykazał właśnie, że zaledwie kilkuminutowy lot kosmiczny wystarcza, by komórki roślinne zaczęły działać inaczej niż zwykle. Podczas eksperymentu zrealizowanego na pokładzie rakiety Blue Origin odnotowano zmianę aktywności w ponad 1200 genach.

Szczególnie zaskakujące jest to, że pierwsze reakcje pojawiły się już na samym początku lotu. Nie trzeba było czekać tygodniami na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, aby uruchomić mechanizmy obronne związane ze stresem i adaptacją do nowego środowiska - rośliny zaczęły się przestawiać, zanim właściwie na dobre dotarły w kosmiczną przestrzeń.

Dziesięciominutowa podróż w kosmos

Badanie poprowadzili naukowcy z Uniwersytetu Florydy - Robert Ferl oraz Anna Lisa Paul, którzy od dwóch dekad analizują, jak organizmy żywe znoszą warunki panujące podczas lotów kosmicznych. Tym razem chcieli uchwycić coś, czego wcześniejsze metody badawcze nie były w stanie pokazać.

Standardowo porównywano rośliny przebywające na orbicie przez kilka dni lub tygodni z roślinami hodowanymi na Ziemi. Taki układ ujawniał skutki długotrwałej ekspozycji na mikrograwitację, nie dawał jednak odpowiedzi, w którym momencie konkretne procesy się zaczynają.

Dlatego tym razem postawiono na krótki lot suborbitalny. 29 sierpnia 2024 roku Robert Ferl wziął udział w misji NS-26 firmy Blue Origin, lecąc kapsułą New Shepard. Na pokład zabrał kilkadziesiąt niewielkich okazów rzodkiewnika pospolitego (Arabidopsis thaliana) - gatunku chętnie wykorzystywanego w badaniach genetycznych.

Rakieta osiągnęła pułap około 105 km, czyli przekroczyła umowną granicę kosmosu, po czym wróciła na Ziemię. Cały lot zajął niewiele ponad 10 minut, z czego faza mikrograwitacji trwała zaledwie kilka minut.

To właśnie krótki czas trwania misji okazał się kluczowy dla wyników. Pozwolił on nie tyle zbadać funkcjonowanie roślin w przestrzeni kosmicznej, ile uchwycić moment ich reakcji na samo przejście między stanem normalnej grawitacji a nieważkością i z powrotem.

Cztery etapy lotu - cztery różne obrazy

Ferl wziął ze sobą specjalnie zaprojektowane pojemniki, stworzone przy współpracy z NASA. Mechanizm umożliwiał w wybranym momencie uwolnienie środka konserwującego, który natychmiast zatrzymywał procesy biologiczne zachodzące w próbkach. Dzięki temu udało się utrwalić stan aktywności genów dokładnie z danej chwili, zamiast analizować rośliny dopiero po zakończeniu całej podróży.

Próbki zabezpieczono w czterech momentach: przed startem, zaraz po wejściu w mikrograwitację, pod koniec fazy nieważkości oraz po lądowaniu. Równolegle na Ziemi utrzymywano identyczne rośliny kontrolne, których pojemniki aktywowano dokładnie w tych samych chwilach co w przypadku kapsuły. Taki schemat dał możliwość bezpośredniego porównania zmian zachodzących na kolejnych etapach eksperymentu.

To spore osiągnięcie w porównaniu z wcześniejszymi próbami. Opisywaliśmy wcześniej trudność, na jaką natrafili polscy naukowcy analizujący glony powracające z ISS - organizmy te zdążyły ponownie znaleźć się pod wpływem ziemskiej grawitacji, zanim udało się dokończyć wszystkie pomiary. W tym przypadku próbki zabezpieczono jeszcze w trakcie samego lotu.

Ponad tysiąc genów zmieniło aktywność niemal od razu

Wyniki opublikowano w czasopiśmie npj Microgravity. Badacze opisali w nich zmiany ekspresji ponad 1200 genów, jakie zaobserwowano w trakcie eksperymentu. Ekspresja genów oznacza wykorzystanie informacji zapisanej w DNA do wytwarzania cząsteczek niezbędnych komórce - w zależności od warunków jedne geny stają się bardziej aktywne, a inne ulegają wyciszeniu.

Nie chodzi tu o jakąkolwiek mutację materiału genetycznego roślin. Zmianie uległ jedynie sposób, w jaki komórki korzystały z zapisanych instrukcji, co umożliwiło im dostosowanie się do nowego środowiska. Najbardziej uderzające okazały się zmiany widoczne już w pierwszych minutach lotu - start i wejście w mikrograwitację uruchamiały odrębne programy aktywności genetycznej. Nie była to jedna, stała reakcja utrzymująca się przez cały czas trwania misji - w kolejnych fazach lotu zmieniał się także zestaw aktywnych genów.

Zaobserwowano też, że liście i korzenie reagowały na zupełnie innych zasadach. Ma to istotne znaczenie, ponieważ w warunkach ziemskich obie te części rośliny inaczej wykorzystują informację o kierunku działania grawitacji. Korzenie rosną zwykle zgodnie z kierunkiem siły ciężkości, a pędy w kierunku przeciwnym. W mikrograwitacji ten podstawowy sygnał orientacyjny przestaje istnieć.

Komórki włączają alarm - nie tylko z powodu nieważkości

Analiza pokazała, że znaczna część genów zmieniających swoją aktywność bierze udział w reakcjach na stres komórkowy, w tym procesach związanych z nieprawidłowym fałdowaniem białek oraz działaniem reaktywnych form tlenu.

Te ostatnie cząsteczki powstają zresztą także podczas normalnego funkcjonowania organizmu. Problem pojawia się, gdy jest ich zbyt dużo - wówczas mogą uszkadzać elementy komórek, dlatego rośliny wykształciły mechanizmy ograniczające ich negatywny wpływ.

Badacze odnotowali również zmiany dotyczące mitochondriów, czyli struktur odpowiedzialnych za dużą część przemian energetycznych w komórkach. Z wyników wynika, że reakcja stresowa wywołana lotem kosmicznym może pojawiać się dużo szybciej, niż sugerowały dotychczasowe obserwacje prowadzone po długim pobycie na orbicie.

Na tym etapie nie da się jednak jednoznacznie stwierdzić, że wszystkie zaobserwowane zmiany wynikają wyłącznie z mikrograwitacji. Podczas startu rośliny były narażone na silne przeciążenia, drgania i inne czynniki, które równie dobrze mogły wpłynąć na pracę ich komórek. Nowy eksperyment pozwala lepiej rozróżniać poszczególne etapy, ale nie eliminuje całkowicie wpływu wszystkich czynników działających jednocześnie.

Warto przypomnieć, że w ramach polskiego eksperymentu Space Volcanic Algae na ISS również odnotowano rozległe zmiany aktywności genów, jednak tam organizmy przebywały w warunkach kosmicznych znacznie dłużej. Najnowsze wyniki pokazują natomiast, że pierwsze reakcje mogą zachodzić niemal od razu.

Przyszłe uprawy na Marsie wymagają poznania słabych punktów roślin

Przyszłe misje na Księżyc i Marsa będą potrzebowały systemów produkcji żywności niezależnych od regularnych dostaw z Ziemi. Rośliny mogą zapewnić astronautom świeże pożywienie, a jednocześnie uczestniczyć w przetwarzaniu dwutlenku węgla, wytwarzaniu tlenu oraz utrzymywaniu obiegu substancji w zamkniętych habitatach.

Na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej prowadzono już eksperymentalne uprawy pomidorów, które dowiodły, że produkcja żywności poza Ziemią jest wykonalna, choć wymaga precyzyjnego sterowania oświetleniem, nawadnianiem i innymi parametrami wzrostu.

Naukowcy badają również odporność różnych gatunków na warunki kosmiczne. W 2025 roku informowaliśmy o wysłaniu nasion konopi siewnych w celu sprawdzenia ich reakcji na promieniowanie. Niedawno opisywana z kolei mapa marsjańskich gruntów ma pomóc wytypować regiony, których podłoże najlepiej nadawałoby się pod przyszłe uprawy.

Żaden, nawet najlepszy system nawadniania czy odpowiednio dobrany skład mineralny podłoża nie zda się na wiele, jeśli rośliny nie poradzą sobie ze zmienioną grawitacją i stresem towarzyszącym podróży. Najnowszy eksperyment umożliwia badanie właśnie tego początkowego etapu, dzięki czemu naukowcy mogą precyzyjniej ustalić, które mechanizmy obronne uruchamiają się jako pierwsze i czy w przyszłości możliwe będzie zwiększenie odporności roślin na warunki panujące w kosmosie.

Trzeba jednak pamiętać, że to dopiero wstępny etap badań. Eksperyment objął jeden gatunek podczas krótkiego lotu suborbitalnego, więc wciąż nie wiadomo, czy rośliny uprawne - takie jak pomidory, ziemniaki czy zboża - reagują w taki sam sposób.