Serres spatiales: Se nourrir dans l’espace (Partie 1)

Pour les jours, voire les mois à venir, ces astronautes vont vivre, travailler et dormir à bord de ce vaisseau où l’environnement interne est très différent de ce que connaissent habituellement les hommes sur Terre. Par exemple, tout doit être fixé ou amarré pour éviter de flotter et de dériver en raison de la microgravité propre à l’espace.

Tous les aliments et l’eau dont ont besoin les astronautes doivent être expédiés sur l'ISS. Les marchandises sont chargées sur Terre et permettent de ravitailler les membres de l’équipage qui vivent dans cet espace relativement clos.

Ils doivent avoir une alimentation soigneusement planifiée afin de satisfaire tous leurs besoins nutritionnels et faire de l’exercice pour rester en forme à bord de la Station.

Des véhicules cargo comme l’ATV, HTV et Progress ravitaillent l’ISS en nourriture et en eau.

Les astronautes travaillent et entretiennent l’ISS. Ils réalisent des expériences scientifiques très utiles pour les domaines de la médecine et de la technologie. En condition d’impesanteur, les expériences peuvent être menées en l’absence de gravité et comparées avec les phénomènes observés sur Terre.

Avant de nous pencher sur une expérience très particulière qui consiste à faire pousser des plantes à bord de l’ISS, demandons-nous un instant pourquoi les plantes sont si importantes pour nous.

Partie A : l’importance des plantes

Les plantes sont des organismes vivants multi-cellulaires. Elles poussent, sécrètent, respirent, se reproduisent et répondent aux stimuli externes.

Elles sont notre principale source d’alimentation, et sans les plantes il n’y aurait ni hommes, ni animaux. Peux-tu expliquer pourquoi ?

Pense aux chaînes et aux réseaux alimentaires que tu as étudiés.

Par quoi commencent toutes les chaînes alimentaires ? Dessine des chaînes et des réseaux alimentaires aussi complexes que tu le souhaites. À partir de là, tu devrais être capable de voir le rôle essentiel des plantes. Toutes les chaînes alimentaires ont comme point de départ des organismes capables de produire leur propre nutrition (végétale et chimiotrophe).

Sur Terre, nous disposons de tous les ingrédients nécessaires à la vie : l’air, l’eau, la lumière, les nutriments et la chaleur. Nous (ainsi que tous les animaux) sommes capables de puiser l'énergie nécessaire pour vivre et grandir dans les aliments que nous consommons et dans l’oxygène présent dans l’air.

Nous décomposons des molécules complexes provenant des aliments que nous consommons (glucides, protéines et graisses) et les transformons en molécules simplifiées que notre corps peut utiliser (glucose, acide aminé, acide gras et glycérol). Elles nous servent à produire les molécules qui nous permettent de vivre, de bouger et de grandir.

Les plantes fonctionnent différemment. Elles utilisent les molécules simples, comme l'air et le dioxyde de carbone de l'air, pour produire des molécules plus complexes, comme le glucose. Et avec les autres substances nutritives qu'elles puisent dans les sols fertiles (comme l'azote ou le soufre), les plantes peuvent utiliser le glucose pour produire des molécules encore plus complexes comme les glucides, les protéines et les graisses qu'elles emmagasinent dans des structures spéciales ou dans leurs feuilles.

Le processus à travers lequel les plantes produisent du glucose à partir du dioxyde de carbone et de l'eau s'appelle la photosynthèse et ce processus a besoin de l'énergie de la lumière du Soleil. L'oxygène est un produit dérivé de la photosynthèse.

Les plantes utilisent donc l'eau et la lumière du soleil pour pousser et elles produisent de l'oxygène. Les animaux, quant à eux, mangent les plantes (et d'autres animaux), respirent de l'oxygène et recrachent du dioxyde de carbone. Dans la plupart des chaînes alimentaires, les plantes sont décrites comme les « cuisines » de la planète Terre.

Comment d'une graine obtient-on une plante ?

Les graines sèches gonflent à mesure qu'elles absorbent l'eau (imbibition). C'est précisément ce qui s'est produit avec les graines d'Arabidopsis que l'on a planté dans la serre.

 

L'enveloppe de la graine se fend et dégage les cotylédons qui renferment les réserves nutritives stockées dans la graine. Les cotylédons fournissent à la graine assez d'énergie pour continuer à pousser et à devenir une plante. Ils protègent également la jeune pousse et sa jeune racine. Qu'est-ce qui pousse en premier ?

La racine ancre la plante dans le sol et permet au jeune semis de se procurer de l'eau et des nutriments par le biais des filaments sur les racines. Le processus à travers lequel une graine devient une plante s'appelle la germination.

Lorsque la jeune pousse sort du sol, les premières feuilles du feuillage se forment. Cela permet à la plante de commencer à produire sa propre nourriture au fur et à mesure que les réserves nutritives s'amenuisent. La plante continue de pousser et finit par donner des fleurs et des graines.

Partie B : Se nourrir dans l'espace

Les astronautes vivent à bord de la Station spatiale. Clique sur ce lien pour en savoir plus sur la vie à bord de la Station.

Toute la nourriture est acheminée depuis la Terre.

De par la durée des missions sur l'ISS et la rotation des membres de l'équipage qui sont l'occasion de renouveler les ravitaillements, il y a toujours assez de nourriture, d'eau et d'oxygène pour les astronautes.

Mais pour les missions de longue durée, comme par exemple la mission sur Mars pour laquelle il faut compter un an et demi rien que pour y aller et revenir, une autre stratégie s'impose.

Pour les missions de longue durée, de nombreux préparatifs doivent être effectués avant de pouvoir envoyer des hommes aussi loin. Des études, baptisées Mars500, sont actuellement menées par une équipe de l'Agence spatiale européenne et par l'Institut russe de problèmes biomédicaux (IBMP) de Moscou.

L'une des solutions serait de permettre aux astronautes de cultiver des produits frais et de devenir partiellement autosuffisants. Il convient pour cela de mettre au point des serres spéciales à bord des vaisseaux, des stations en orbite ou sur la surface des nouvelles planètes.

Une serre pourrait devenir un atout essentiel lors des voyages dans l'espace. Si l'environnement dans l'espace diffère grandement de l'environnement sur Terre, il existe toutefois certains éléments pouvant permettre ce processus. Les ingrédients essentiels pour les plantes sont l'eau, les nutriments, l'air (oxygène et dioxyde de carbone) et la lumière.

Voyons un peu comment fonctionnerait une serre dans l'espace. Quelle serait la différence avec une serre sur Terre ?

Au cours de la mission MagISStra mission, l'astronaute de l'ESA, Paolo Nespoli, a entamé une expérience avec une mini serre. C'est l'une des nombreuses expériences qu'il a prévu de mener durant sa mission de six mois sur la Station spatiale internationale. Suis-le une partie de la journée où il a démarré son expérience (17 février 2011 à 14h25, heure d'Europe centrale). Tu peux voir la note en jaune jointe à son journal de bord qu'il tient tous les jours.

Clique ici pour voir comment il a démarré cette expérience dans l'espace.

Les plantes nous fournissent nos aliments. Sur Terre, il est relativement facile de cultiver et de faire pousser des plantes. Cependant, dans notre quête d'exploration d'environnements extérieurs à la Terre, nous devons trouver des moyens de cultiver des aliments en dehors de notre planète, car il coûterait très cher de transporter toute la nourriture nécessaire à un équipage parti pour Mars. Depuis longtemps, les scientifiques essaient de trouver des moyens de rendre les astronautes autosuffisants lors de missions de longue durée, en faisant pousser leurs propres aliments.

Que se passe-t-il dans l'espace et comment les plantes se comportent-elles en microgravité ? Quelles conditions faut-il réunir et pourquoi ? Remplis le tableau ci-dessous afin de comparer et de mettre en contraste les différentes façons pour les plantes de se procurer de l'eau (comment arrose-t-on les plantes sur terre et comment fait Paolo ?). D'où proviennent les molécules d'oxygène et de dioxyde de carbone et d'où vient la lumière qui permet la photosynthèse ?

La plante utilisée pour l'expérience s'appelle Arabidopsis thaliana. C'est une angiosperme (plante à fleurs) et une dicotylédone (deux cotylédons dans la graine). Elle appartient à la famille des Brassicacées (moutarde). On l'appelle souvent l'Arabette des dames et elle est assimilée à une mauvaise herbe.

Lorsqu'elle est adulte, elle ressemble à cela (a la gauche):

C'est une petite plante qui possède une rosette de feuilles à sa base d'où sort une tige fleurie qui pousse jusqu'à 15 ou 30 cm de hauteur. C'est une espèce autogame (auto-pollinisation) qui pousse dans des espaces relativement petits. L'Arabidopsis a un cycle de vie court d'environ 6 semaines, de la germination à la maturation de la graine.

Elle produit des graines en formant des corps appelés Siliques (capsules de graine de 2 carpelles ayant fusionné). Cette plante a fait l'objet de nombreuses études en phytotechnie et génétique.

Les graines sont très petites et doivent être manipulées très délicatement lors de la plantation. Dans la serre de l'espace, toutes les graines avaient déjà été placées à l'intérieur du phytotron et maintenues en place par un papier soluble très spécial.

Lorsque Paolo a débuté son expérience en ajoutant de l'eau à l'aide d'une seringue, le papier s'est dissout et les graines ont pu germer.

Voici une photo de l'Arabidopsis prise lorsqu'une graine sortait du substrat après avoir été arrosée pendant 5 jours à bord de l'ISS.

Au bout d'environ 3 semaines, sont apparus à l'intérieur de la serre des signes de moisissures.

Il est impératif de maintenir propre l'environnement interne de l'ISS pour la santé de l'équipage. Il a donc fallu retirer la serre de la Station. Regarde ici comment Paolo a retiré sa serre.

Cependant, au moment où commençait l'expérience à bord de l'ISS, l'équipage du projet Mars500 démarrait également la même expérience. L'équipage de Mars500 simule une éventuelle mission sur Mars – pour en savoir plus à ce sujet, consulte le site de Mars500.

Tu peux suivre la pousse de ta plante et comparer avec celle de Mars 500 et envoyer tes résultats à isseducationteam@esa.int à la fin du projet (fin juin 2011).

Une conclusion finale sur tous les résultats envoyés par différents pays et par l'équipage de Mars500 sera analysée et publiée dans cette leçon en ligne une fois toutes les données récueillies.