Alrededor de la Luna y de regreso a la Tierra: Una prueba de vuelo para la ciencia
Cuando contemples la Luna en el cielo durante la noche, imagina un futuro donde los seres humanos puedan vivir y trabajar en la superficie lunar.
Concepto artístico de la cápsula de Orion en órbita lunar. El BioExperimento 01 (BioExpt-01) será un pionero para las investigaciones biológicas más allá de la órbita terrestre baja, y tendrá cuatro investigaciones dentro de la cápsula de Orion en la misión Artemis I que orbitará la Luna y regresará a la Tierra. Las investigaciones analizarán los efectos del espacio profundo sobre el valor nutricional de semillas de plantas, la reparación del ADN de los hongos, la adaptación de la levadura y la expresión genética de las algas. El tema común de estas investigaciones es estudiar los efectos biológicos del espacio profundo, incluyendo los niveles elevados de radiación ionizante, que es más fuerte fuera de la órbita terrestre baja.
Parte de ese trabajo incluye valiosas investigaciones, ya que la Luna ofrece dos entornos importantes para la ciencia, y a los que actualmente no tenemos acceso desde tierra: La gravedad de la Luna es solo una sexta parte de la gravedad de la Tierra, y tiene una atmósfera muy delgada que está expuesta a una radiación más intensa que la que existe en la Tierra. Además, establecer una presencia sostenible en la superficie lunar es un paso esencial para prepararnos para las misiones a Marte.
Sin embargo, antes de eso, para ir más lejos y permanecer más tiempo en el espacio, incluido Marte, debemos investigar cómo se comportan los fenómenos biológicos y físicos en el entorno único de la Luna.
Crear un camino a la Luna y más allá
Con el fin de allanar el camino para la exploración humana de la Luna, Marte y más allá, las misiones Artemis de la NASA están concebidas como una serie de misiones cada vez más complejas. La primera, Artemis I, será un vuelo de prueba sin tripulación del Sistema de Lanzamiento Espacial (SLS, por sus siglas en inglés) y la nave espacial Orion alrededor de la Luna. Los objetivos principales de este vuelo de prueba son demostrar los sistemas de Orion y de esta manera garantizar un viaje seguro a la Luna y de regreso a la Tierra para el primer vuelo tripulado a bordo de Artemis II.
Aunque no estará tripulado, el compartimiento de la tripulación de Artemis I tendrá minúsculas formas biológicas de vida a bordo, junto con otras cargas útiles científicas. Algunos de estos diminutos viajeros a bordo de Orion conforman la misión del Experimento Biológico 01 (BioExpt-01) de Ciencias Biológicas y Físicas de la NASA, que servirá como pionero para las investigaciones biológicas más allá de la órbita terrestre baja.
BioExpt-01 incluye cuatro investigaciones que evaluarán los efectos del entorno del espacio profundo sobre el valor nutricional de semillas de plantas, la reparación del ADN en el interior de los hongos, la adaptación de la levadura y la expresión genética de las algas. Al enviar estas investigaciones a través de dos anillos gigantes de radiación situados alrededor de la Tierra — llamados los cinturones de Van Allen— a regiones más allá de la órbita terrestre baja, los investigadores obtendrán una comprensión como nunca antes de los niveles elevados de la radiación ionizante y de su impacto en las formas de vida biológica. Este conocimiento nos ayudará a entender cómo las formas biológicas de vida pueden prosperar mejor en el espacio profundo y apoyar futuras misiones tripuladas a la Luna y Marte.
Fundamentos del crecimiento sano en el espacio profundo
Enviar a los humanos de regreso a la Luna y más adelante a Marte requiere buscar respuestas a preguntas fundamentales. Desde que la humanidad pisó por última vez la superficie lunar el 19 de diciembre de 1972, los científicos se han estado preguntando qué impacto tiene el espacio profundo en el cuerpo humano y en otras formas de vida, como las plantas, que sostendrán a los humanos durante misiones espaciales de larga duración.
Cuatro estudios dentro de BioExpt-01 que utilizan organismos modelos y semillas de plantas tienen como objetivo ayudar a responder preguntas cruciales que son esenciales para garantizar la salud de la tripulación en futuras misiones de larga duración:
1. ¿Cómo afecta al ADN la radiación del espacio profundo?
La investigación Genómica de la radiación en el espacio profundo será pionera en descubrimientos científicos al correlacionar qué genes proporcionan a las células una mayor probabilidad de supervivencia, así como comprender los tipos y las dosis de radiación que experimentan más allá de la magnetosfera protectora de la Tierra.
“Estamos utilizando células de levadura en esta investigación porque tienen mucho en común con nuestras propias células humanas”, explica Luis Zea, investigador principal de la Universidad de Colorado en Boulder, Colorado. “En lugar de enviar cantidades limitadas de seres humanos en una nave espacial, podemos enviar millones de células de levadura en una pequeña bolsa y estudiar los efectos del espacio profundo en esas células, lo que sería muy similar a lo que ocurriría dentro de nuestras propias células en las mismas condiciones”.
Para prepararse para este vuelo, Zea y su equipo tuvieron que desarrollar un nuevo tipo de hardware que permite a los científicos hacer sus investigaciones en el espacio sin la presencia de viajeros humanos dentro de la nave espacial.
“Con Artemis I, necesitamos tener la capacidad de comenzar el experimento en un momento específico durante el vuelo”, dijo Zea. “De modo que en BioServe desarrollamos un nuevo hardware llamado PLASM, que es la abreviatura de Laboratorio Peristáltico para la Investigación Científica Automatizada con Multigeneraciones, que podrá detectar dónde se encuentra en relación con la Tierra y la Luna. Este equipo mecánico comenzará el experimento de manera autónoma una vez que pase a través del último cinturón de Van Allen hacia el interior de un entorno de alta radiación para estudiar cómo la radiación del espacio profundo afecta el ADN y cómo el ADN es reparado por estas células”.
Es esencial comprender el daño que la radiación del espacio profundo hace al ADN y qué mecanismos de reparación del ADN son más eficientes en estas condiciones. Este conocimiento servirá como valores de referencia para futuros estudios sobre cómo los investigadores pueden apoyar mecanismos confiables de reparación del ADN para astronautas que viajan al espacio profundo.
2. ¿Qué organismos pueden sobrevivir en el espacio profundo y cumplir diferentes funciones?
Viajar al espacio profundo y de regreso requiere una gran cantidad de combustible, oxígeno y nutrición. De por sí, es difícil conseguir espacio disponible a bordo, lo que plantea la pregunta: ¿Qué es portátil y puede satisfacer las tres necesidades?
La investigación Combustible para Marte buscará identificar genes y vías metabólicas en el alga unicelular verde Chlamydomonas reinhardtii que parecen tener ventajas de supervivencia mejoradas cuando es expuesta a los efectos combinados de la radiación espacial y la gravedad alterada. Estas ventajas podrían incorporarse a las cepas progenitoras en estudios futuros para optimizar la generación de hidrógeno y otros combustibles en el espacio.
“Resulta ser que las algas son una maravillosa fuente de hidrógeno, que es un gas, pero que puede usarse como combustible”, dijo Holly Birdsall, investigadora principal de Combustible para Marte en la Facultad de Medicina Baylor en Houston, Texas. “Las algas también son comestibles y se pueden usar para producir vitaminas o aceites que los humanos necesitan para su nutrición. Y no podría ser más simple de cultivar: las algas requieren agua y luz, y eso es todo. Son un pequeño gran compañero de viaje que puede responder a muchas de nuestras necesidades”.
Esta investigación está dirigida por Birdsall y Timothy Hammond, investigador principal en la Escuela de Medicina de la Universidad de Duke en Durham, Carolina del Norte. Juntos, esperan obtener una comprensión más profunda de cómo las células interactúan con la radiación y cuál es la mejor manera de optimizar las plantas en el espacio.
“Los genes individuales en las Chlamydomonas han sido eliminados ayudando a dilucidar el papel de los genes vegetales importantes en el entorno único del espacio profundo”, dice Hammond. “Debido a esto, podemos determinar qué genes determinan la supervivencia, haciendo que las algas verdes sean la clave para estudiar las células y sus reacciones en todo el mundo vegetal”.
3. ¿Qué tratamientos podemos desarrollar para proteger mejor a los astronautas de los efectos de la radiación espacial?
La Investigación sobre los roles de la melanina y la reparación del ADN en la adaptación y supervivencia de los hongos en el espacio profundo ayudará a los investigadores a comprender cómo las células se adaptan a altos niveles de radiación cósmica durante los viajes espaciales al centrarse en las cualidades protectoras naturales de los hongos, como la reparación del ADN y la síntesis de la melanina.
Zheng Wang, investigador principal del Laboratorio de Investigación Naval en Washington D.C., espera que esta investigación ayude a los científicos a identificar nuevas formas de prevenir el daño por radiación a los seres humanos y a los equipos mecánicos en el espacio.
“Los hongos son uno de los primeros organismos en prosperar en entornos de la Tierra que experimentan actividad nuclear, por lo que existe mucho interés en conocer cómo los hongos son capaces de hacer un entorno más habitable no solo en el espacio terrestre sino también en el espacio profundo”, según Wang. “Los astronautas tendrán que superar niveles de radiación más altos durante los viajes espaciales, y una posible solución es usar productos fúngicos para protegerlos”.
Los diferentes tipos de hongos que Wang y su equipo están estudiando representan diferentes características que ayudan a los hongos a adaptarse a condiciones similares. El primer tipo es una cepa saludable de un tipo de hongo salvaje —lo que significa que ocurre normalmente—. La segunda y la tercera cepas son mutantes incapaces de realizar la reparación del ADN, lo cual es importante de investigar ya que el ADN lleva las instrucciones de cómo debe funcionar un cuerpo. La cuarta cepa mutante no puede producir melanina, que es un pigmento que ocurre en el cabello, la piel y el iris del ojo en seres humanos y animales y que ayuda a bloquear los rayos UV dañinos.
Wang y su equipo compararán la supervivencia de estas cepas para comprender lo importantes que son la reparación del ADN y la melanina para prosperar en el espacio profundo. Sus resultados ayudarán a diseñar tratamientos para proteger a los astronautas de altos niveles de radiación durante la exploración del espacio profundo, y ayudarán a establecer una presencia sostenible en el espacio, en la Luna o en Marte.
4. ¿Podemos desarrollar plantas más resistentes y nutritivas que puedan prosperar en el espacio profundo?
La investigación Vida más allá de la Tierra: Efecto de los vuelos espaciales en semillas con valor nutricional mejorado estudiará el impacto de los vuelos espaciales más allá del cinturón de radiación de Van Allen sobre los aminoácidos (los componentes fundamentales de las proteínas) en semillas de Arabidopsis thaliana.
Al ser el componente principal de la piel, los músculos, los órganos, los huesos y las uñas, las proteínas constituyen una parte importante del cuerpo humano y están presentes en todas las células. Estas proteínas están compuestas por aminoácidos, que son esenciales en las dietas de los seres humanos.
Cuando las plantas y los astronautas viajan al espacio, están sujetos a varios factores estresantes. Se ha descubierto que las plantas pierden nutrientes, incluyendo aminoácidos, en microgravedad. Para viajar largas distancias, como a Marte, las plantas necesitan producir más nutrientes en un espacio confinado con recursos limitados.
“Nuestra tecnología equipa a las plantas con un mayor contenido de aminoácidos que son esenciales para la dieta humana”, dijo Federica Brandizzi, investigadora principal de este proyecto en la Facultad de Ciencias Naturales de la Universidad Estatal de Michigan, en East Lansing, Michigan. “Estamos tratando de ver cómo podemos mejorar la productividad vegetal utilizando plantas que hemos modificado para tener más recursos que les permitan soportar los viajes espaciales”.
Brandizzi y su equipo enviarán semillas de una planta modelo llamada Arabidopsis thaliana, que han sido modificadas genéticamente para producir altos niveles de aminoácidos esenciales específicos. Los científicos estudiarán cómo el espacio profundo afecta los niveles de aminoácidos dentro de estas semillas modificadas genéticamente y verán si confieren una ventaja competitiva para la germinación y producen plantas más fuertes.
Aprende más sobre Artemis I:
https://www.nasa.gov/artemis-1
Acerca de las misiones de Ciencias Biológicas y Físicas de la NASA
La División de Ciencias Biológicas y Físicas de la NASA es pionera en descubrimientos científicos y permite la exploración mediante el uso de entornos espaciales para realizar investigaciones tanto en la Tierra como en el Espacio. El estudio de los fenómenos biológicos y físicos en condiciones extremas permite a los investigadores avanzar en los conocimientos científicos fundamentales necesarios para ir más lejos y permanecer más tiempo en el espacio, al tiempo que beneficia a la vida en la Tierra.
