Astrobotanik: Pflanzen im Weltraum

Astrobiologie ist ein medienwirksames Thema. Dabei geht es meist um Bakterien oder Tiere, gerade Bärtierchen sind bei AstrobiologInnen und Publikum besonders beliebt. Die Rolle der Pflanzen in Astronautik und Astrobiologie ist weniger bekannt. Dabei gibt es den Begriff „Astrobotanik“ schon seit 1945.

Pflanzenanbau und -versuche im Weltraum

In Zeiten bemannter Raumstationen ist der Anbau von Pflanzen auch im Orbit und darüber hinaus ein wichtiges Thema. Schließlich erzählen AstronautInnen immer wieder, dass sie nach frischem Salat, anderem Gemüse oder Obst gieren. So erzählte der deutsche Astronaut Alexander Gerst nach seinem Aufenthalt auf der ISS, wie er mit einem Salatkopf ein Experiment durchführen sollte und dass es ihn Selbstbeherrschung gekostet habe, diesen Salat nicht zu essen. Das kann ich mir lebhaft vorstellen! Auf einigen meiner Reisen waren frisches Gemüse und Obst nur eingeschränkt verfügbar und ein Apfel wurde auf einmal zu einer Kostbarkeit. Ob ich auf der ISS die Selbstbeherrschung gehabt hätte, den Salat nicht anzubeißen, dafür möchte ich nicht garantieren.

Spätestens bei längeren Aufenthalten im Weltall, auf dem Mond oder dem Mars wird verfügbare pflanzliche Ernährung dann zu einem kritischen Punkt für das Gelingen der Mission. Sowohl Vitamine und Nährstoffe als auch Textur und Anblick des Grünzeugs sind für die physische und psychische Gesundheit der AstronautInnen unentbehrlich. Pflanzen wären im Weltraum nicht nur eine willkommene Abwechslung zum Essen, sondern könnten auch Luft und Wasser filtern oder organische Abfälle recyceln. Darum gibt es im Hinblick auf geplante Raumstationen wie den lunaren Ideen Moon Village oder Artemis längst Experimente mit geschlossenen Treibhaussystemen als grüne Oasen in eigentlich pflanzenfeindlicher Umgebung.

Hinter dem paradiesischen Namen EDEN ISS verbirgt sich ein DLR-Projekt zur „Ground Demonstration of Plant Cultivation Technologies and – Operation in Space“ (Bodendemonstration von Pflanzenkultivierungstechnologien und – Operation in Space), das ein Treibhaussystem auf der deutschen Antarktisstation Neumayer erprobt hat. So wuchsen erfolgreich Gurken, Tomaten und andere Gemüsegenüsse im ewigen Eis. Dabei ging es konkret um den sicheren Gemüseanbau etwa an Bord der Internationalen Raumstation (ISS) oder „zukünftiger bemannter Weltraumforschungsfahrzeuge und Planetare Außenposten“. Ein geschlossenes System sorgt dabei für die Zirkulation der eingesetzten Ressourcen wie Luft, Wasser und Nährstoffen und einen möglichst nachhaltigen Anbau. Die Pflanzen sollen dabei vor der Verunreinigung geschützt werden, etwa durch noch unbekannte fiese extraterrestrische Keime. Gleichzeitig muss die Kontamination eines anderen Planeten durch irdische Substanzen oder Lebensformen verhindert werden, was eine Vorgabe des planetaren Schutzkonzeptes ist (Mehr zum EDEN ISS-Projekt ist hier und hier).

In Raumfahrzeugen und der ISS werden schon lange Experimente mit Pflanzen durchgeführt. Das Experiment TICTOC (Targeting Improved Cotton Through Orbital Cultivation) untersuchte 2021 die morphologischen und molekularen Anpassungen von Baumwollsämlingen an die Mikrogravitationsumgebung der ISS. Pflanzen orientieren sich mit Schweresinnesorganen in ihren Zellen im Schwerefeld der Erde. Das Signalmolekül Auxin sorgt dafür, dass eine Pflanze ihre Wurzeln nach unten und die Sprossachse nach oben, dem Licht entgegen, ausrichtet. Im TICTOC-Experiment ging es um die Untersuchung, wie die Architektur des Wurzelsystems die Widerstandsfähigkeit der Pflanze gegenüber Stress, die Wassernutzungseffizienz und die Kohlenstoffbindung beeinflusst, gerade in der der kritischen Phase der Keimlingsbildung. Die Wurzeln der Pflanzen spielen eine zentrale Rolle für Stressresistenz und Überleben von Pflanzen, ihre Wachstumsmuster hängen von der Gravitation ab. TICTOC sollte analysieren, wie Umweltfaktoren und Gene die Entwicklung von Wurzeln ohne Schwerkraft steuern. Die Baumwollsprösslinge stammten aus drei unterschiedlichen Linien, einem Wildtyp und zwei Züchtungen. Baumwolle ist eine nicht nur für Kleidung viel genutzte Naturfaser, die aufgrund der Klimakrise unter Hitze und Dürre leidet.

Heutige Baumwollkulturen brauchen viel Wasser und sind empfindlich gegen zu hohe Temperaturen. Darum besteht ein großes Interesse an stressresistenten Züchtungen, die Hitze- und Dürre-Streß besser vertragen. (Dass damit immer noch nicht geklärt ist, wer bei über 50 °C auf den Feldern die dann klimakrisenfeste Baumwolle zu ernten, ist nicht Teil des Projekts. Wäre aber eine mittlerweile wichtige Fragestellung).

 

Die Suche nach außerirdischen Pflanzen

Wesentlich weniger bekannt ist die Rolle der Pflanzen in der Astrobiologie bei der Suche nach außerirdischem Leben. Der sowjetische Astronom Gavriil Adrianovich Tichow (1875 – 1960) war ein Pionier der Astrobiologie war und gilt als „Vater“ der Astrobotanik. Er arbeitete von 1906 am Pulkovo-Observatorium bei St. Petersburg und analysierte dabei u. a. die Spektren ferner Sterne. Er untersuchte u. a. Sonnen und Planeten, die blaue Farbe und Polarisation des Himmels, das Erdlicht sowie die interstellare Absorption. Dafür konstruierte er neue Instrumente und schrieb über 230 wissenschaftliche Publikationen. Auf der Basis von Beobachtungen des Erdscheins schloss er, dass die Erde vom Weltraum aus gesehen blassblau sein müsste – Jahrzehnte später beschrieben Astronomen wie Carl Sagan und Astronauten wie Alexander Gerst die Erde vom Weltraum aus als blassen kleinen blauen Punkt (Sagan: „pale blue dot“, Gerst: „Mission Blue Dot“).
Tichow suchte ab 1906 nach Spuren von Leben auf dem Mars. Zu dieser Zeit wogte noch die Diskussion, ob die Marskanäle künstliche Strukturen und von Marsbewohnern gebaut worden seien. Tichow schaute also im Mars-Spektrum nach den charakteristischen Farbbändern, die auf Photosynthese hinweisen könnten. Zunächst suchte er nach Chlorophyll, dem grünen und häufigsten Photosynthese-Pigment der irdischen Pflanzen. Später suchte er auch nach anderen Spektren, wie etwa manche Algen mit roten Photosynthese-Pigmenten sie aufweisen. Auch das war vergeblich.
Tichow war einer der ersten Astronomen, die nach Biomarkern wie Chlorophyll in den Spektren ferner Himmelskörper suchten und hat damit die astrobiologische Fernerkundung bis heute beeinflusst.
Heute suchen AstronomInnen mit Teleskopen nach der sogenannten „Red Edge“ – dem roten Rand. Der „Rote Rand“ bezeichnet „die schnelle Änderung des Reflexionsvermögens der Vegetation im nahen Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums. Das in der Vegetation enthaltene Chlorophyll absorbiert das meiste Licht im sichtbaren Teil des Spektrums, wird jedoch bei Wellenlängen über 700 nm fast transparent. Die Zellstruktur der Vegetation bewirkt dann, dass dieses Infrarotlicht reflektiert wird, denn jede Zelle wirkt so etwas wie ein elementarer Winkelreflektor“. Damit läuft die Suche nach Exoplaneten etwa auf der Europäischen Südsternwarte ESO. Das dort montierte 3,6-Meter-Teleskop auf La Silla mit dem High Accuracy Radial velocity Planet Searcher (HARPS) ist ein besonders präziser Spektrograph der (zumindest 2019) weltweit führende Exoplaneten-Jäger.
Nach Tichows Tod 1945 geriet die Astrobotanik in Vergessenheit, in den 1960-er Jahren wurde die Astrobiologie im Kontext mit dem Apollo-Programm zu einer NASA-Domäne.

Nach Tichow sind heute einige Krater benannt, und ein fiktives Raumschiff: In der Star Trek Discovery-Episode 5, Staffel 3, ist ein Botanik-Schiff nach ihm benannt: Die USS Tichow.

Dieser Astrobotanik-Beitrag ist im Kontext mit einem Interview für einen DLR-Podcast zum Thema „Tieren und Pflanzen im Weltraum“ entstanden. Den Link dazu reiche ich noch nach.