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Außerirdisches Pflanzsubstrat

Erstmals Wachstumstests in Mond-Boden

Ein winziges Pflänzchen, das auf Mond-Boden gewachsen ist, wird zur genetischen Analyse geerntet. © UF/IFAS photo by Tyler Jones

Eignet sich das Material der Mondoberfläche für den Anbau von Pflanzen? Dieser Frage sind Forscher nun erstmals durch einen Wachstumstest mit Probematerial der Apollo-Missionen nachgegangen. Prinzipiell können Pflanzen demnach auf dem sogenannten Mondregolith gedeihen – ein gutes Substrat bildet er aber offenbar nicht: Die Versuchspflanzen wuchsen vergleichsweise schlecht und zeigten Anzeichen von Stress. Inwieweit sich das lunare Material für den Anbau von Pflanzen in Gewächshäusern zukünftiger Mondstationen eignet, muss deshalb noch genauer untersucht werden, sagen die Wissenschaftler.

Der Schritt zum Mond gelang bereits vor über 50 Jahren – nun plant der Mensch dort auch dauerhaft Fuß zu fassen: Auf der Mondoberfläche sollen in den kommenden Jahrzehnten Stationen entstehen, die eine dauerhafte Präsenz auf dem uns nächstgelegenen Himmelskörper ermöglichen könnten. Diesem Ziel ist das sogenannte Artemis-Programm der NASA gewidmet. In dessen Rahmen gehen Wissenschaftler auch der Frage nach, inwieweit es möglich ist, auf dem Mond Pflanzen zur Nahrungsmittel- und Sauerstoffversorgung anzubauen. „Es erscheint logisch, dass wir den Boden, der dort bereits vorhanden ist, für den Anbau von Pflanzen nutzen wollen“, sagt Rob Ferl von der University of Florida in Gainesville.

Doch bisher ist unklar geblieben, wie Pflanzen auf das Oberflächenmaterial des Mondes reagieren, denn es unterscheidet sich deutlich von irdischen Substraten. Es weist spezielle Mineralkombinationen auf, ist extrem feinkörnig und zudem von winzigen Glaspartikeln gekennzeichnet, die von Einschlägen auf dem Mond stammen. Außerdem sind bestimmte Bestandteile von der langen Exposition des Materials gegenüber der Strahlung im Weltall geprägt. Aus diesem Grund lässt sich Mondregolith nicht detailgetreu nachbilden, um zu klären, inwieweit Pflanzen auf dem außerirdischen Substrat wachsen können.

Probematerial für einen winzigen „Mondgarten“

Das Originalmaterial, das Astronauten der Apollo-Missionen mitgebracht haben, galt bisher als zu kostbar, um es für Wachstumstest zu benutzen. Pflanzen wurden deshalb nur damit bestäubt, um zu zeigen, dass es zumindest auf diese Weise keine biologischen Schäden verursacht. Doch nun hat die NASA Ferl und seinen Kollegen schließlich doch Probematerial für den Einsatz als Pflanzsubstrat zur Verfügung gestellt. Allerdings war dies natürlich kein Sack wie aus dem Gartencenter: Den Wissenschaftlern standen nur zwölf Gramm Mondboden – ein paar Teelöffel – für ihre Experimente zur Verfügung. Das Material stammte dabei von den Missionen Apollo 11, 12 und 17 und wurde an verschiedenen Stellen der Mondoberfläche gesammelt.

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Es war also Minimalismus bei den Versuchen der Forscher angesagt. Um ihren winzigen „Mondgarten“ im Labor anzulegen, verwendeten sie fingerhutgroße Vertiefungen in Plastikplatten, die normalerweise für die Zellkultur verwendet werden. Die Vertiefungen fungierten dabei als Pflanztöpfe: Sie wurden jeweils mit etwa einem Gramm Monderde befüllt und mit einer Nährlösung „angegossen“. Anschließend platzierten die Wissenschaftler einen Samen der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) auf dem Substrat. Dabei handelt es sich um die besterforschte Pflanze der Welt – sie dient seit vielen Jahren Wissenschaftlern als Modell und so sind ihre Merkmale und genetischen Reaktionen detailliert bekannt. Als Vergleichssubstrat diente im Rahmen der Studie unter anderem ein Material, das zumindest grundlegend ähnliche Merkmale wie der Mondboden aufweist.

Wie die Forscher betonen, schien aufgrund der speziellen Merkmale des Mondbodens nicht einmal klar, ob, die Samen überhaupt keimen. Doch wie sich zeigte, glückte dies. „So wurde zunächst deutlich, dass die Mondböden die Hormone und Signale, die an der Keimung der Pflanzen beteiligt sind, nicht unterbrechen“, erklärt Erstautorin Anna-Lisa Paul von der University of Florida in Gainesville. Im Verlauf der weiteren Entwicklung zeichneten sich dann jedoch Unterschiede zwischen den Pflanzen in der Monderde und den Kontrollgruppen ab: Viele blieben kleiner, wuchsen langsamer und bildeten verkümmerte Wurzeln in dem „Alien-Substrat“. Einige bildeten außerdem rötlich-schwarze Pigmente – Merkmale, die typischerweise auf Pflanzenstress hinweisen.

Wachstum ja, aber…

Die Pflanzen können demnach zwar überleben, offensichtlich stellt die chemische und strukturelle Beschaffenheit des Mondbodens aber eine Herausforderung für sie dar, erklären die Forscher. Dies spiegelte sich auch in der genetischen Aktivität wider, wie Transkriptom-Analysen zeigten. „Es wurde deutlich, dass die Pflanzen die typischen Werkzeuge zur Bewältigung von Stress durch Salze und Metallverbindungen oder oxidativen Stress aktivierten. Das bestätigt, dass sie den Mondboden als problematisch empfinden“, sagt Paul. Konkret vermuten die Forscher, dass Merkmale des Mondbodens, die durch kosmische Strahlung und Sonnenwind verursacht wurden, sowie bestimmte Eisenpartikel den Pflanzen zu schaffen machen.

Die Ergebnisse legen zudem nahe, dass es darauf ankommt, woher der Mondboden stammt. Denn die Pflanzen mit den meisten Stresssymptomen waren diejenigen, die in den Apollo 11-Proben gewachsen waren. Dieses Material wird dabei als „reif“ bezeichnen: Aus geologischen Gründen war es im Vergleich zu den anderen Proben offenbar länger der harten kosmischen Strahlung ausgesetzt gewesen, was seine Merkmale geprägt hat.

Wie die Forscher abschließend betonen, besteht nun weiterer Forschungsbedarf, um das Potenzial für den Anbau von Pflanzen in Mondboden besser auszuloten. Vielleicht gibt es Möglichkeiten, die Stressreaktionen so weit abzumildern, dass Pflanzen in der Lage sind, auf Mondboden zu wachsen, ohne dass ihre Gesundheit beeinträchtigt wird. Ein Aspekt ist dabei auch, dass die Kultivierung selbst das Substrat verändern könnte. Im Moment freuen sich die Forscher zunächst, dass sie die ersten Schritte in Richtung Pflanzenanbau auf dem Mond erfolgreich absolviert haben. „Wir wollten erst einmal die Frage beantworten, ob Pflanzen überhaupt in Mondboden wachsen. Dies können wir jetzt mit Ja beantworten“, so Ferl.

Quelle: University of Florida, Fachartikel: Communications Biology, doi:10.1038/s42003-022-03334-8 

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