Glony uwielbiają metale ciężkie. Teraz sprawdzą je w nieważkości

W kosmicznej probówce będzie zielono, ciasno i toksycznie. Na Międzynarodową Stację Kosmiczną mają polecieć mikroglony, które potrafią przetrwać w wodzie pełnej związków szkodliwych dla większości organizmów, a przy okazji wychwytują metale ciężkie. Teraz naukowcy dołożą im dwa kolejne problemy: mikrograwitację i promieniowanie.

Jak czytamy na łamach Nauka w Polsce, bohaterem eksperymentu AstroDesmus jest Desmodesmus armatus, mikroskopijna zielenica spotykana w wodzie słodkiej. Glon nie traktuje kadmu, niklu czy ołowiu jak obiadu. Metale ciężkie są dla komórek toksyczne. Mogą zakłócać fotosyntezę, uszkadzać białka i utrudniać wzrost. Niektóre mikroglony potrafią jednak związać jony metali na powierzchni komórek albo zgromadzić je wewnątrz. Dzięki temu stężenie zanieczyszczeń w wodzie spada.

Ten proces nazywa się biosorpcją lub bioakumulacją, zależnie od tego, gdzie i w jaki sposób metal zostaje zatrzymany. Niewielkie organizmy zachowują się jak biologiczny filtr, który wyciąga z roztworu substancje trudne do usunięcia zwykłymi metodami.

Desmodesmus armatus ma jeszcze jedną przydatną cechę. Wytrzymuje wysokie stężenia nadchloranów, czyli soli zawierających jon nadchloranowy. Na Ziemi są one zanieczyszczeniem, które może trafiać do gleby i wody m.in. z przemysłu oraz materiałów pędnych. Na Marsie występują naturalnie w regolicie i przez lata uchodziły za jeden z poważniejszych problemów dla przyszłych upraw oraz biologicznych systemów podtrzymywania życia.

Nie oznacza to jednak, że wystarczy wylać zieloną hodowlę na marsjański pył, by powstała oczyszczalnia. Odporność wykazana w ziemskim laboratorium jest dopiero pierwszym krokiem. Kosmos szybko pokaże, ile naprawdę jest warta.

Hodowla mikroglonów na Ziemi korzysta z grawitacji, choć zwykle o niej nie myślimy. Cięższe komórki opadają, pęcherzyki gazu unoszą się, a cieplejsze i chłodniejsze warstwy cieczy zaczynają krążyć. W mikrograwitacji te mechanizmy niemal znikają.

Dwutlenek węgla i tlen nie oddzielają się od cieczy tak, jak w ziemskim bioreaktorze. Składniki odżywcze nie rozchodzą się w ten sam sposób, a komórki mogą gromadzić się w miejscach, w których konstruktorzy się ich nie spodziewali. Nawet proste napowietrzanie hodowli staje się osobnym problemem inżynieryjnym.

Do tego dochodzi promieniowanie. Międzynarodowa Stacja Kosmiczna nadal znajduje się częściowo pod ochroną ziemskiego pola magnetycznego, ale dociera do niej więcej promieniowania jonizującego, niż do laboratorium na powierzchni. Może ono uszkadzać DNA, wywoływać stres oksydacyjny i zmuszać komórki do przebudowy metabolizmu.

AstroDesmus ma odpowiedzieć na pytanie, czy glon, który na Ziemi toleruje nadchlorany i potrafi akumulować metale ciężkie, zachowa te zdolności po dodaniu kosmicznych stresorów. Może się okazać, że mikrograwitacja zwiększy jego wydajność. Równie dobrze komórki mogą przeznaczyć całą energię na przetrwanie i przestać skutecznie wychwytywać metale. Właśnie dlatego symulacja w ziemskiej wirówce nie wystarczy. Ostateczny test trzeba wykonać na orbicie.

Nie jest to pierwsze podejście naszego regionu do mikroglonów na ISS. W ramach misji IGNIS Sławosz Uznański-Wiśniewski przeprowadził eksperyment Space Volcanic Algae, przygotowany przez polską firmę Extremo Technologies i zespół Ewy Borowskiej.

Na orbitę poleciały wówczas mikroorganizmy pochodzące ze środowisk wulkanicznych. Miały pokazać, jak mikrograwitacja wpływa na ich fotosyntezę, produkcję tlenu, budowę komórek i pracę genów. Jak pisaliśmy w tekście: Polskie glony poleciały w kosmos i wróciły zmienione. Co tam się stało?, próbki wróciły z inną budową błon i ścian komórkowych, zmienioną aktywnością genów oraz zaskakująco intensywną fotosyntezą. Kosmos nie uśpił ich metabolizmu. Zmusił komórki do gwałtownego przeorganizowania działania.

Kolejne analizy pokazały skalę tej reakcji. Spośród około 5 tys. genów aż około 4 tys. działało inaczej niż w próbkach kontrolnych hodowanych na Ziemi. Nie była to kosmetyczna korekta, lecz przebudowa znacznej części komórkowej maszynerii.

Jak pisaliśmy później w tekście: Organizmy z polskiego eksperymentu wpadły w szał. Zyskały tam "supermoce", mikroglony zwiększyły aktywność procesów związanych z wytwarzaniem kwasów nukleinowych i białek. Próbowały szybko dostosować się do środowiska, z którym ich ziemscy przodkowie nigdy nie mieli kontaktu. AstroDesmus nie ograniczy się do sprawdzania, czy organizm przeżyje i wyprodukuje tlen. Ma przetestować konkretną usługę biologiczną: wychwytywanie metali w warunkach kosmicznych.

Pamiętajmy, że transport każdego kilograma na orbitę kosztuje dużo, a przy wyprawie na Marsa logistyka staje się bezlitosna. Załoga nie może zabrać zapasu wody, tlenu, żywności i części na każdy możliwy scenariusz. Im dłuższa podróż, tym więcej rzeczy trzeba odzyskiwać, naprawiać oraz produkować na miejscu.

Mikroglony pasują do tego zadania z kilku powodów. Rosną szybciej niż większość roślin, nie potrzebują dużych donic i z niewielkiej próbki można uzyskać znaczną biomasę. Prowadzą fotosyntezę, więc pochłaniają dwutlenek węgla i wydzielają tlen. Część gatunków może dostarczać białek, tłuszczów i innych składników odżywczych.

Jeśli do tej listy dodamy oczyszczanie wody z metali, jeden mały bioreaktor zaczyna wykonywać kilka zadań naraz. W systemie obiegu zamkniętego to ogromna zaleta. Odpad z jednego procesu może stać się surowcem dla następnego, zamiast gromadzić się w workach czekających na powrót na Ziemię.

Jeszcze dalej idzie pomysł biogórnictwa kosmicznego. Mikroorganizmy mogą wiązać, rozpuszczać lub koncentrować pierwiastki znajdujące się w skale i regolicie. Zamiast budować ciężką hutę na Marsie, można byłoby wykorzystać bioreaktor, wodę oraz odpowiednio dobrane bakterie lub glony.

AstroDesmus nie będzie jeszcze wydobywał metali z marsjańskiej skały. Eksperyment ma sprawdzić odporność mikroalgi i jej zdolność do akumulacji metali w kosmosie. Dopiero pozytywny wynik pozwoli myśleć o większych instalacjach.

AstroDesmus jest jednym z dwóch czeskich doświadczeń skupionych na mikroglonach. Drugie, nazwane CryoAlgae, korzysta z organizmów zimnolubnych. Badacze wybrali dwa szczepy. Jeden pochodzi ze śniegu w Tatrach Wysokich, drugi z zamarzniętego jeziora w pobliżu czeskiej stacji antarktycznej na Wyspie Jamesa Rossa. Organizmy są przyzwyczajone do zimna, okresowego braku płynnej wody, intensywnego promieniowania UV i długich zmian oświetlenia.

Na orbicie naukowcy sprawdzą ich wzrost, produkcję tlenu, budowę komórek i profil metaboliczny. Szczególnie interesujące będą tłuszcze. Zimnolubne glony modyfikują skład błon komórkowych, aby nie zesztywniały w niskiej temperaturze. Część wytwarzanych przez nie związków mogłaby posłużyć do wzbogacania żywności astronautów.

To zupełnie inny kierunek, niż wychwytywanie metali, ale oba eksperymenty mają wspólną logikę. Naukowcy nie szukają jednego idealnego glonu do wszystkiego. Tworzą katalog szczepów, z którego będzie można wybierać organizmy do konkretnych zadań: produkcji tlenu, oczyszczania wody, dostarczania tłuszczów albo pracy w obecności toksycznych soli.

W tym projekcie jest też mocny polski wątek. Ewa Borowska, która kierowała eksperymentem Space Volcanic Algae, pracuje obecnie w europejskim centrum technologicznym ESTEC w Holandii. Zajmuje się integracją ładunków naukowych w module Columbus, czyli europejskim laboratorium ISS. Jej praca polega na doprowadzeniu do sytuacji, w której ciekawy eksperyment da się naprawdę bezpiecznie wysłać i uruchomić na stacji. Trzeba dopasować go do dostępnego zasilania, miejsca, systemów komunikacyjnych i rygorystycznych zasad bezpieczeństwa.

Na ISS nawet niewielka probówka nie może przeciekać, wydzielać niekontrolowanych gazów ani wymagać od astronauty improwizacji. Urządzenie powinno przetrwać start, działać bez obszernej instrukcji naprawczej i zmieścić się w precyzyjnie wyznaczonej przestrzeni.

Przeczytaj także:

Doświadczenia z polskiej misji IGNIS wracają więc w czeskim programie. Extremo Technologies współpracuje przy AstroDesmus, a Borowska od strony ESA pomaga zespołom przejść drogę od laboratoryjnego pomysłu do sprzętu gotowego do lotu.

Jak pisaliśmy w tekście: Nie mają dostępu do morza, a podbiją kosmos. Ahoj z orbity, Czechy przygotowują własną misję naukową na ISS z Alešem Svobodą, pilotem wojskowym i członkiem rezerwy astronautów ESA. Lot jest planowany na 2027 r., ale wymaga jeszcze zgody wszystkich partnerów stacji. Jeżeli plan się powiedzie, Svoboda zostanie pierwszym Czechem na ISS i drugim obywatelem dawnej Czechosłowacji w kosmosie po Vladimírze Remku.

*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI