La botanica di The Martian

Dall’ultima missione lunare (1972), nessun astronauta si è spinto oltre l’orbita delle stazioni spaziali orbitanti, ma le agenzie spaziali non hanno mai smesso di studiare la prossima tappa del programma spaziale umano: il pianeta Rosso. Alla fine del 2014 la Nasa ha cominciato a parlare ufficialmente di una roadmap per raggiungere Marte con un equipaggio umano nel giro dei prossimi venti o trent’anni. Obiettivi simili sono stati dichiarati anche dall’ESA e dall’agenzia spaziale cinese, e si sa bene che anche Elon Musk, il magnate della compagnia aerospaziale SpaceX, ha Marte tra i suoi obiettivi. Così, mentre le sonde continuano a raffinare la nostra immagine del Pianeta Rosso, si sperimentano nuovi veicoli e si organizzano missioni simulate per prepararsi a raggiungere il quarto pianeta dal Sole.
La forza del film The Martian, il blockbuster di Ridley Scott tratto dal best-seller di Andy Weir, è appunto di aver permesso al grande pubblico di intuire alcuni dei grandi problemi che gli ingegneri stanno realmente tentando di risolvere per permettere a un equipaggio di rimanere vivo e in salute su un mondo alieno per un periodo prolungato. Ma se il protagonista del film, sopravvissuto a un incidente che lo ha separato dal resto dell’equipaggio, comincia a produrre il suo cibo costruendo una serra di fortuna, nella realtà la coltivazione di Marte è un’ipotesi che da tempo viene discussa. Per capirne di più abbiamo intervistato il professor Renato Bruni, botanico all’Università di Parma e autore del libro Erba volant – Imparare l’innovazione dalle piante (Codice, 2015).

Per saperne di più sulle missioni simulate puoi leggere l’articolo Mars 500 è «tornato» su Aula di Scienze.

Il protagonista di The Martian sopravvive coltivando patate, ma quali sarebbero le maggiori difficoltà in una serra marziana?

Le piante sono organismi molto più resistenti e adattabili di noi, quindi la loro sopravvivenza su Marte all’interno di serre pressurizzate sarebbe, in teoria, praticabile. Dagli esperimenti sulla Stazione Spaziale Internazionale già sappiamo che le piante crescono piuttosto bene anche in assenza di gravità, e probabilmente la gravità di Marte, pari a un 1/3 di quella terrestre, potrebbe addirittura far risparmiare energie alla pianta. Su Marte non esiste un vero e proprio suolo, in quanto la componente rocciosa non è integrata da quella organica come sulla Terra, ma potremmo ricavare dalla sua superficie un substrato che, opportunamente arricchito, sarebbe idoneo alla crescita delle piante terrestri.
Probabilmente Andy Weir, l’autore del libro, deve aver letto di alcuni esperimenti di coltivazione con surrogati del terreno marziano che le patate terrestri sembrano apprezzare.  Nel film vediamo il protagonista prelevare terreno marziano e fertilizzarlo solamente con gli escrementi dell’equipaggio, ma con tutta probabilità una serra marziana dovrebbe anche creare le condizioni per la crescita del rizobioma, ovvero per le comunità di microorganismi simbionti associati alle radici che facilitano la crescita delle piante.
Non bisogna però dimenticare che, a causa dell’atmosfera rarefatta e della mancanza di un campo magnetico, su Marte arrivano molte radiazioni cosmiche: le piante, come accennato, sono straordinariamente resistenti; ma come farebbero gli astronauti a coltivarle in sicurezza? Sarà necessario utilizzare, anche per le serre, qualche tipo di schermatura, e c’è addirittura chi suggerisce di spostarsi sotto la superficie del pianeta e coltivare con luci artificiali.
In definitiva quindi non sarebbe particolarmente difficile la crescita delle piante in sé, ma se da queste deve anche dipendere la sopravvivenza degli astronauti (come vediamo nel film), le cose cambiano. Per esempio, un patogeno vegetale che, per qualunque motivo, penetrasse nella serra potrebbe sterminare rapidamente tutte le piante; anche per variare la dieta degli astronauti, quindi, sarebbe opportuna la coltivazione di diverse specie e varietà.

Per saperne di più sull’importanza della biodiversità all’interno dei nostri suoli puoi leggere l’articolo La biodiversità da (non) calpestare su Aula di Scienze.

Che tipo di piante terrestri potrebbero essere più adatte (o adattabili) al Pianeta Rosso?

Le patate sono effettivamente una scelta piuttosto logica per diversi motivi. Innanzitutto, come ben sa il protagonista di The Martian, per la loro moltiplicazione non serve il seme e si possono propagare per via vegetativa: piantando direttamente i tuberi o parti di essi, è possibile ottenere più individui (cloni) da una singola patata. I semi, infatti, cominciano a germinare solo quando si presentano le condizioni ideali, mentre la riproduzione per via vegetativa è molto più tollerante.
Un altro vantaggio delle patate è che la parte commestibile è il tubero, una porzione modificata del fusto che si sviluppa sottoterra: non bisogna attendere che la pianta fruttifichi per alimentarsi o effettuare la propagazione, come nel caso del pomodoro per esempio. La produzione di fiori e frutti sulla Terra è infatti innescata da una serie di stimoli, tra cui temperatura e illuminazione, e non è detto che su Marte sia facile replicare esattamente queste condizioni. La durata del giorno marziano è simile a quella del giorno terrestre, e la mancanza di nuvole permetterebbe un buon irraggiamento delle serre anche considerando che l’intensità della luce solare, per via della maggiore distanza dal Sole, sarebbe minore. Tuttavia le stagioni sarebbero diverse, come diversa sarebbe senz’altro la lunghezza d’onda della luce, e in queste condizioni il completo sviluppo di una pianta, dal seme al frutto, non è scontato.
Le patate, inoltre, hanno un’elevata concentrazione di carboidrati, saziano con facilità un essere umano e sono conservabili per un periodo abbastanza lungo. L’insalata come quella cresciuta e consumata pochi mesi fa a bordo della Stazione Spaziale Internazionale, offrirebbe invece ben poco sostentamento rispetto alla fatica fatta per crescerla.
Le piante che potrebbero essere preferibili per una serra marziana di supporto all’equipaggio dovrebbero quindi riprodursi facilmente e velocemente per via vegetativa, e offrire prodotti altamente energetici e con buona conservabilità. Potremmo però ipotizzare, con fondi sufficienti, una selezione di nuove varietà appositamente progettate per Marte.

Per approfondire il rapporto tra condizioni ambientali e ciclo vegetativo puoi leggere Colori d’autunno: il foliage, un’intervista al fisiologo molecolare Paolo Trost.

Ma in che modo potremmo selezionare delle piante “marziane” prima di mettere piede sul pianeta?

Le condizioni di una serra marziana possono essere replicate grazie ai fitotroni, delle speciali serre all’interno delle quali ogni parametro di crescita, dal fotoperiodo alla pressione atmosferica, può essere manipolato. In questo modo sarebbe teoricamente possibile preparare in anticipo qualche varietà particolarmente adattata a Marte.
Dal momento che le nostre sonde hanno analizzato con precisione la composizione del suolo marziano, potremmo anche riprodurre un terriccio “sintetico” per replicare al meglio le condizioni di crescita nel Pianeta Rosso. Questa selezione potrebbe avvalersi anche dell’ingegneria genetica; recentemente, per esempio, è stato identificato il gene che “spegne” il sistema immunitario di una particolare specie di tabacco, permettendole di investire tutte le sue energie nella crescita e nella produzione dei semi. In questo modo la pianta riesce a svilupparsi rapidamente sulle aride colline australiane, ma avendo perso il suo sistema immunitario non potrebbe sopravvivere fuori dalla sua nicchia. Se su Marte, invece, si riuscisse a mantenere la serra in condizioni sterili o quasi, una pianta commestibile con il sistema immunitario silenziato potrebbe diventare un ogm molto apprezzato dagli astronauti.

Esistono molti modi per produrre una nuova varietà vegetale; nell’approfondimento Come si fa una nuova ciliegia puoi scoprire come l’Università di Bologna ha creato in pochi anni nuove varietà di ciliegio.

In che altri modi gli astronauti potrebbero sfruttare i vegetali per i propri bisogni?

Le piante hanno cambiato l’atmosfera della Terra e c’è chi sogna che un giorno, anche grazie a loro, riusciremo a rendere vivibile il Pianeta Rosso con progetti di terraforming, un progetto che l’astronomo Carl Sagan vagheggiava già nel 1973.
Se davvero si pensasse di rendere abitabile l’intero pianeta, allora i vegetali diventerebbero probabilmente indispensabili e potrebbe essere una buona idea guardare alle specie che hanno reso abitabile la Terra. I licheni, per esempio, sono così resistenti alle radiazioni e riescono a sopravvivere nello spazio: questi e altri organismi pionieri potrebbero forse riuscire a sopravvivere su Marte anche al di fuori delle serre o in strutture non completamente isolate, contribuendo così alla costituzione di un nuovo ecosistema marziano.
Di certo, anche nelle prime fasi della colonizzazione, la presenza di vegetali all’interno delle nostre basi marziane potrebbe aiutare a produrre ossigeno e riciclare efficientemente i nostri rifiuti. L’Agenzia Spaziale Europea sta già facendo degli esperimenti con la Spirulina, un’alga unicellulare (cianobatterio) che può essere allevata facilmente e rapidamente anche all’interno di piccoli volumi. L’idea è quella di costruire un circuito da installare o su un’astronave, o su una base extraterrestre, che permetta allo stesso tempo di produrre ossigeno, riciclare acqua e rifiuti, e fornire un’importante integrazione alimentare agli astronauti, che senza fonti di alcune vitamine e amminoacidi di certo potrebbero vivere di sole patate esclusivamente per periodi limitati o in caso di emergenza, come avviene nel film.

L’esperimento di ESA con la Spirulina è chiamato MELISSA (Micro-Ecological Life Support System Alternative). In questo video puoi vedere Samantha Cristoforetti che intervista alcuni degli scienziati coinvolti:

Esistono tecnologie ispirate dalle piante che potrebbero esserci utili nell’esplorazione spaziale?

La biomimetica è una disciplina che si ispira ai sistemi biologici per la risoluzione dei nostri problemi ed è proprio dalle piante che spesso arrivano le soluzioni più ingegnose.
L’Istituto Italiano di Tecnologia lavora da tempo a Plantoide, un robot che mima la struttura generale di una pianta. Le sue radici artificiali si muovono nel substrato in base ai sensori posti sul loro apice, e in futuro il robot potrebbe essere alimentato da pannelli fotovoltaici in grado di orientarsi nella direzione migliore, rendendo la macchina autonoma anche dal punto di vista energetico. Tra le applicazioni proposte per Plantoide c’è anche l’esplorazione di Marte: un insieme di questi alberelli artificiali potrebbe aumentare molto le nostre conoscenze geologiche del pianeta.
Un’altra applicazione biomimetica utile su Marte potrebbe essere la fotosintesi artificiale, una forma di fotocatalisi che utilizza l’energia solare per produrre molecole utili come l’idrogeno, che può essere immagazzinato e poi utilizzato per produrre energia elettrica, una risorsa indispensabile agli astronauti quanto il cibo. Visto poi che solo pochi millimetri di metallo e plastica separano gli astronauti da un ambiente estremo, potrebbero essere particolarmente utili i materiali auto-riparanti, ispirati, per esempio, al fusto dell’Aristolochia. Le piante ci possono aiutare anche per ridurre il peso del carico, uno dei fattori più limitanti per le missioni spaziali: per progettare nuovi materiali con un eccellente rapporto peso/performance, il regno vegetale è il posto giusto dove guardare (basti pensare al bambù).
Inoltre, gli ingegneri aerospaziali hanno già brevettato alcuni sistemi di piegatura di antenne paraboliche che prendono spunto dal modo in cui le piante “impacchettano” il loro fiore all’interno dei boccioli. In futuro, forse, potremo usare questi sistemi anche per piegare e dispiegare pannelli solari e le gigantesche vele solari con le quali, secondo alcuni, l’umanità potrebbe un giorno esplorare il cosmo.
Ma la più grande lezione della biomimetica è che le risorse sono sempre finite e che i sistemi biologici prosperano perché In un ecosistema stabile i rifiuti non esistono. Tenendo a mente questo principio è possibile ottimizzare le nostre attività in modo da minimizzare gli sprechi, dentro e fuori dal nostro pianeta. Le simbiosi industriali di Kalundborg, in Danimarca, e di Guitang, in Cina, sono due esempi di come è possibile produrre in modo che gli scarti di un’attività diventino la materia prima di un’altra, proprio come accade nel mondo naturale. Nella loro futura casa marziana lo spreco è un lusso che gli astronauti non potranno assolutamente permettersi, e occorrerà prendere spunto dagli ecosistemi per sopravvivere.

Per saperne di più sul robot Plantoide dell’IIT, guarda questa puntata di RAI Nautilus:

Immagine di apertura e immagine box:  20th Century Fox

Per la lezione

Commenti [2]

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  1. andreana Scagnelli

    Fantastica lezione, tanto materiale per approfindimenti ben organizzati
    Grazie Zanichelli

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