Magyar növények Föld körüli pályán – így terem meg az űrpaprika

A Debreceni Egyetemen már 2018 környékén elindult a DE Space program, amelynek egyik eleme a növényekkel kapcsolatos űrkutatás volt – emlékeztet a Mandinernek adott interjújában Veres Szilvia, akit az úgynevezett űrpaprika-projektről is kérdeztünk, illetve arról, hogy kerültek kapcsoltba a HUNOR-programmal. – Ez a projekt több kiválasztási fordulón ment keresztül, és végül bekerült az orosz űrállomási programok közé. Amikor néhány évvel később elindult a HUNOR-program, az egyetem ezen a területen már két-három sikeres kísérleti tervvel rendelkezett. Ezek megvalósítása részben el is kezdődött, bár különböző okok miatt nem zárult le teljes egészében. Mindezt jelentős szakmai tapasztalat és kiterjedt nemzetközi kapcsolatrendszer egészítette ki, hiszen korábban finn, francia és dél-amerikai kutatókkal is együtt dolgoztunk.

A történetnek van egy korábbi előzménye is – ezt már Fári Miklós mondja lapunknak. – Pályám elején még nem az egyetemen, hanem egy kutatóintézetben dolgoztam. Farkas Bertalan 1980-as űrrepülése akkora inspirációt jelentett számunkra, hogy már akkor létrehoztunk egy kutatócsoportot azzal a céllal, hogy növényeket juttassunk fel az űrbe. Érdekesség, hogy a választás már akkor is a retekre esett.
A cél az volt, hogy húsz nap alatt, mindössze 20 milliliter víz és tápoldat felhasználásával ehető retektestet hozzunk létre. Laboratóriumi körülmények között ezt sikerült is megvalósítani, ám mivel Farkas Bertalan repülését nem követte újabb magyar űrutazás, az éles kísérlet végül elmaradt. 

Érdemes megemlíteni azt is, hogy a téma már jóval az űrkorszak előtt megjelent a magyar gondolkodásban. Kardos Árpád kertész már 1886-ban, Utazás a Szaturnuszba című művében egy olyan botanikusról írt, aki azon dolgozik, miként lehet az űrben fogyasztható növényeket termeszteni. Ez is mutatja, hogy az űrbéli növénytermesztés gondolata régóta foglalkoztatja az embereket.

Hogyan válhatott valósággá a már kikísérletezett magyar elképzelés?

Fári Miklós: Kevesen tudják, de a kínai kutatók viszonylag korán felfigyeltek az eredményeinkre. Debrecenben már akkor is működött egy erős biotechnológiai laboratórium, a kínai fél pedig elhatározta, hogy elindít egy űrnemesítési programot. 

Ezeket a hatásokat elsősorban a magokon vizsgálták.

A visszatérő magokból kantononként úgynevezett űrnemesítő telepeket hoztak létre, és magyar kutatókat is bevontak a munkába külső szakértőként. Ennek köszönhetően már a HUNOR-program indulása előtt számos alkalommal utaztunk Debrecenből Kínába.

A távol-keleti ország számára azért volt kiemelten fontos ez a kutatás, mert az elmúlt évtizedek intenzív ipari fejlődése jelentős erdőirtással és talajszennyezéssel járt. Ezekre a problémákra hosszú távon fenntartható megoldásokat kerestek, részben űrlaboratóriumi kísérletek eredményeire támaszkodva.

Miért a búzára, a paprikára és a retekre esett a választásuk?

Veres Szilvia: A paprikával kapcsolatban az egyetem mintegy negyven évre visszanyúló kutatási eredményekkel rendelkezik, és ez a növény professzor úr szakmai pályáján is meghatározó szerepet játszott. A kísérletek során egyrészt egy olyan amerikai genotípust vizsgáltunk, amely korábban már járt az űrben, így közvetlenül kapcsolódott korábbi űrkutatási projektekhez. Emellett bevontunk egy magyar nemesítésű fajtát is, az úgynevezett űrpaprikát, ami lehetőséget adott az amerikai és a hazai fajta összehasonlítására.

A retek esetében már rendelkezésre álltak releváns előzetes tapasztalatok, ugyanakkor ezúttal a fő cél a mikrozöld előállítása volt. Ehhez Kapu Tiborék küldetésének időtartama is ideálisan illeszkedett, hiszen eredetileg tíznapos periódussal számolhattunk. A gyors fejlődésű retek így alkalmas választásnak bizonyult, amit az eredmények is visszaigazoltak. Fontos megjegyezni, hogy ehhez hasonló mikrozöldkísérletekre korábban nem került sor, különösen nem űrbeli kabinkörülmények között.

A búza kiválasztását az indokolta, hogy egyszikű növényként a hosszú távú űrutazások során kiemelt szerepe lehet a jövőben. Nemcsak a termése, hanem például a leveléből kinyerhető búzafűlé révén is értékes tápanyagforrást jelenthet az űrhajósok számára.

Bizonyított az űrpaprika

A mostoha űrkörülmények, az erős sugárzás és a súlytalanság milyen hatást gyakoroltak a növényekre?

Fári Miklós: Professzor asszony elsősorban az extrém környezettudomány oldaláról közelíti meg a kérdést, én pedig a genetikai hatásokat vizsgálom. Bár molekuláris szinten jelentős stressz éri a növényeket, meglepően ellenállónak bizonyulnak: képesek teljes életciklusukat – a magtól a magig tartó fejlődést – az űrben is végigvinni.

A Nemzetközi Űrállomáson a mikrogravitáció alapvetően megzavarja a növények térbeli orientációját és a tápanyagszállítás folyamatait. A gravitáció hiányát a növények elsősorban a fény irányába történő növekedéssel próbálják ellensúlyozni. A súlytalanság hatással van a szövetek és szervek kialakulására, a gázcserére, valamint a víz- és tápanyagfelvételre, sőt az általános ellenálló képességre is.

Mindezt tovább súlyosbítja, hogy az ISS-en a földinél jóval erősebb kozmikus sugárzás éri az élő szervezeteket. Az ionizáló sugárzás közvetlen és közvetett módon is DNS-károsodást, illetve mutációkat idézhet elő a növényi sejtekben. A növények ugyanakkor fokozott antioxidáns-tevékenységgel és bizonyos enzimek túltermelésével igyekeznek megvédeni genetikai állományukat. A mutációk kialakulásának esélye különösen akkor nő meg, amikor a magokat nem az űrkabin védett terében, hanem az űrállomáson kívül, rövidebb-hosszabb időre helyezik el.

Éppen ezért kiemelkedő jelentőségűek az űrben végzett növénybiológiai kísérletek: segítségükkel megérthetjük, miként képesek a növények fennmaradni extrém környezetben, hogyan módosul genetikai felépítésük, és milyen módon reagálnak a tartós stresszhatásokra.

A NASA és az ESA korábban már végzett növénykísérleteket az űrben, ám ezek jellemzően speciális növénynevelő rendszerekben zajlottak, ahol a lehető legideálisabb körülményeket biztosították. Ennek köszönhetően például paprikanövényt is sikerült termésig nevelni. A mostani vizsgálatok azonban kabinkörülmények között történtek, ami egészen új tudományos megfigyelésekre ad lehetőséget.

Miként kerültek fel a magok a Nemzetközi Űrállomás fedélzetére? 

Fári Miklós: A folyamat három fő szakaszból állt: koncepció alkotás, tervezés és megvalósítás. Szoros együttműködésben dolgoztunk a HUNOR-program munkatársaival, az amerikai környezetvédelmi és mezőgazdasági hatóságokkal, az Axiom Space-el, illetve a NASA-val. A kísérlethez mintegy 120–130 különböző alkotóelemnek kellett megfelelnie a szigorú előírásoknak, és a tervezést többször is újra kellett gondolni.

Veres Szilvia: Minden elemnek meg kellett felelnie a környezeti és az úgynevezett biobiztonsági előírásoknak. Ugyanis semmilyen idegen mikroorganizmus nem mehet fel sem a növénymintával, sem pedig az eszközökkel. 

Ezután jött a sterilitást igazoló, a NASA által is elvárt dokumentumok, igazolások kiállítása.

Hogy zajlott a kísérlet?

Veres Szilvia: A küldetés előtt volt egy olyan tervezési szakasz, amely során azon tanakodtunk a kollégákkal és a felelős csoportokkal, hogy hova kerüljenek majd a kabinban a növények. A nehézséget az jelentette, hogy nem tudtuk, milyen fényviszonyok uralkodnak majd a fedélzet adott helyén. Abban voltunk csak biztosak, hogy nem lesz olyan intenzitású a fenti fény, „ amit „hulladékfénynek” nevezünk –, mint a földi, klasszikus növénynevelőben. Tehát valójában csak megbecsülni tudtuk, hogy mi történhet majd az űrben a növényekkel.
A fény a növényi szárazanyag-produkció, azaz a fotoszintézis miatt kulcsfontosságú.

Kapu Tibornak először 

• össze kellett raknia azokat az előre megtervezett, a Pécsi Tudományegyetem kollégáival együttműködésben, 3D nyomtatással készült speciális dobozokat, amelyek a magvakat tartalmazták,
•  ezeket fecskendővel meg kellett „öntöznie”,
•  ezt követően pedig naponta ellenőriznie kellett, hogy hogyan fejlődnek, hogy áll a csírázásuk, növekedésük. 

Külön érdekesség, hogy mindössze 4,2 liter térfogatot, és 1,7 kg súlyt kaptunk az ISS-en tervezettkísérleteink feljuttatására. Így nagyon takarékoskodnunk kellett a térhasználat során.

Gondolva a jövőbeni, hosszabb időintervallumú űrmissziókra, a búza növénynevelő dobozok speciális „táptalajt” is tartalmaztak. Ezt a közeget annak érdekében  fejlesztettünk, hogy a csírázó magok gyökerei optimálisan hosszabb távon is növekedhessenek,  fenntartva a megfelelő levegő- és tápanyagforgalmat .

Fári Miklós: A kapott információk, fotók, videók alapján a kísérletek eredményesek voltak, a paprikanövények az előzetes várakozásoknál is gyorsabban növekedtek. A növények gyorsabb fejlődése egy kémiai kezelésnek, az úgynevezett seed primingnak – például a szelénnel való dúsításnak – volt köszönhető, ami lehetővé tette, hogy rövidebb idő alatt elkezdjen fejlődni a növény. A módszer pedig a földi körülményekre is kihathat a jövőben, hiszen nem mindegy a kertészetben dolgozónak sem, hogy a paprika magja 4 vagy 8 nap alatt csírázik-e ki, és ebből kifolyólag mennyivel korábban hoz termést. Az, hogy a magokat mivel kezeltük, az titkos, de ami biztos, hogy új kapukat nyitott a növények nemesítésében, hiszen így ellenállóbb és gyorsabban növekedő egyedeket tudunk termeszteni.

Mikor ismerhetjük meg pontosan a kísérlet eredményeit, és mik a jövőbeli tervek?

Fári Miklós: Jelenlegi információink szerint a Nemzetközi Űrállomást megjárt növényminták február és április között térnek vissza a Földre egy szállítóűrhajó fedélzetén. Addig elsősorban a földi kontrollkísérletek eredményeire tudunk támaszkodni. Célunk, hogy a Vitapric-program kiértékelését a lehető leghamarabb lezárjuk, és reményeink szerint fél éven belül már megoszthatjuk az eredményeket a tudományos közösséggel. Legfrissebb értesüléseink szerint az sem kizárt, hogy a minták már január folyamán visszakerülnek Debrecenbe.

Ezt követően részletes biokémiai és molekuláris biológiai vizsgálatok kezdődnek. 

Hosszú távú célunk olyan új, helyben előállítható, nagy tápértékű „szuper űrélelmiszerek” kifejlesztése, mint az ásványi anyagokkal dúsított búzafűlé, a paprikacsíra vagy a funkcionális retek mikrozöld.

Bár a Vitapric-program rövid távú kísérletként indult, a fókuszunk immár a hosszabb időtávú alkalmazások felé tolódott el. Arra törekszünk, hogy minél több módon hasznosíthatók legyenek ezek a zárt térben termesztett növények. A Debreceni Egyetemen felhalmozott tudás nemcsak az űrkutatásban, hanem a Föld jövőbeli, fenntartható élelmiszer-termelésében is meghatározó szerepet játszhat.

A paprikanemesítés egyik kiemelt célja, hogy a növény minden része – a terméstől a levelekig – ehető és hasznosítható legyen. Ez különösen nagy jelentőséggel bír a hosszú távú űrmissziók során, ahol a hely- és erőforrás-hatékonyság kulcsfontosságú: így kevesebb hulladék keletkezik, miközben változatosabb étrend biztosítható az űrhajósok számára.

Ezzel párhuzamosan az egyetemen olyan kutatások is zajlanak, amelyek célja további, terraformálásra alkalmas növényfajok azonosítása, vagyis olyan növényeké, amelyek hozzájárulhatnak bolygók és holdak felszínének földszerűvé alakításához.

Veres Szilvia: Nem titok, hogy 

Ennek létrejötte kiemelten fontos, hiszen a klímaváltozás hatásai már egyértelműen érzékelhetők, és ebben a kezdeményezésben egy közös nemzeti és európai szándék is megjelenne: a jövőnk védelme.

Az általunk fejlesztett eszközök közül már három elérte az úgynevezett „Forma–1 kategóriát”, vagyis sikeresen kipróbálták őket emberes űrrepülések során is. Ez a lehető legmagasabb, TRL–9 technológiai érettségi szintet jelenti. Emellett már most folyamatos egyeztetés zajlik a HUNOR-programmal, hiszen több, indulásra kész kutatási program is rendelkezésre áll.

Nyitókép: Debreceni Egyetem felvétele