“Astroagricultura”: cómo cultivar plantas en el espacio Teach article

Traducido por Carlos Jiménez Prieto y Gabriel Pinto (Universidad Politécnica de Madrid). Se plantea cómo investigar los factores que afectan al crecimiento de las plantas e idear un plan de cultivo en la Luna.

Cuando pensamos en la exploración espacial, la agricultura y el cultivo de plantas no suelen ser lo primero que nos viene a la cabeza. Aunque han sido prácticas habituales de la civilización humana durante milenios, estas actividades esenciales se están convirtiendo rápidamente en una parte fundamental de la investigación para hacer posible la exploración espacial. Actualmente, la única posición humana en el espacio es la Estación Espacial Internacional (ISS), que recibe aire, alimentos y agua de la Tierra. Cada astronauta necesita aproximadamente 1 kg de oxígeno, 1 kg de alimentos deshidratados y 3 litros de agua por día. Proporcionar estos suministros a todos los astronautas a bordo de la ISS es costoso e inviable para misiones espaciales largas. Si la humanidad va a seguir explorando el cosmos, las plantas tendrán que crecer durante el vuelo – como fuente de alimento y algo más.
 

Astronauts plan to grow food on future spacecraft and other planets to enable self-sufficient space exploration
Los astronautas estudian el cultivo de alimentos en futuras naves espaciales y en otros planetas para permitir la exploración espacial autosuficiente.
NASA

Cultivar plantas en el espacio

En el espacio, las condiciones necesarias para que las plantas crezcan (como el agua, la luz, los nutrientes y una temperatura adecuada) son difíciles de satisfacer. Esto hace que su cultivo en el espacio sea una ardua, pero no imposible, tarea. En 2015, los miembros de la tripulación de la Expedición 44 de la ISS probaron por primera vez alimentos cultivados en el espacio cuando cosecharon una lechuga romana roja sembrada como parte del experimento con plantas Veg-01 de la NASA. Desde entonces, los científicos han investigado nuevas formas de cultivar otras plantas en el espacio.

Al elegir las plantas que se van a cultivar, se tienen en cuenta diversos factores, como el valor nutricional y la producción. Dos primeros candidatos son las patatas y el “trigo enano”. Ambos son alimentos ricos en carbohidratos con alto contenido calórico, por lo que pueden proporcionar a los astronautas la energía suficiente para aguantar durante una misión larga. También son plantas robustas que se adaptan a la mayoría de las condiciones de la Tierra y proporcionan un alto rendimiento sin ocupar demasiado espacio para crecer.

Un sistema autosuficiente

Las plantas no son útiles en el espacio sólo como fuente de alimento: los astronautas también esperan utilizarlas para crear un circuito autosuficiente capaz de suministrarles todo el oxígeno, el agua y los alimentos que necesitan sin ningún reabastecimiento desde la Tierra. Durante más de 25 años, la Agencia Espacial Europea (ESA) ha estado trabajando para lograr este objetivo con su programa “Sistema Alternativo de Soporte Vital Micro-ecológico” (MELiSSA). El proyecto tiene por objeto perfeccionar un sistema sustentador de vida que pueda ser transportado al espacio. Los desechos humanos (como la orina y el dióxido de carbono exhalado) suministrarían a las plantas los ingredientes esenciales para su crecimiento y, a su vez, las plantas proporcionarían oxígeno y alimentos para los seres humanos, además de filtrar las aguas residuales. Esta área de investigación también tiene potencial interés para crear métodos de producción de alimentos en la Tierra de forma más sostenible.

Condiciones para el crecimiento de las plantas

Mediante las siguientes actividades, los estudiantes aprenderán acerca de los elementos básicos que las plantas necesitan para crecer. Después de completar las actividades 1–3, los estudiantes aplicarán lo que han aprendido sobre el crecimiento de las plantas a la actividad 4, en la que explorarán cómo cultivar plantas en el espacio – un desafío de la vida real al que se enfrentan los científicos en la actualidad.

En las actividades, adecuadas para estudiantes de 8 a 12 años, se utilizan materiales cotidianos simples. Los procedimientos requieren pequeñas macetas o recipientes adecuados: nosotros los preparamos a partir de botellas de plástico usadas, cortando el tercio inferior y usándolo como maceta.

Actividad 1: ¿Necesitan luz las plantas?

Procedure for activity 1, which explores whether plants need light
Procedimiento para la
actividad 1, con la que se
investiga si las plantas
necesitan luz.

ESA
Step: Paso

Trabajando en grupos de dos a cuatro miembros, los estudiantes investigarán cómo crecen los berros en diferentes condiciones de luz: oscuridad constante y el ciclo normal de día y noche. Completar la parte práctica de esta actividad requiere 30 minutos y aproximadamente una semana para que el berro crezca después de la siembra.

Materiales

Cada grupo necesita:

  • Semillas de berro
  • Dos macetas o recipientes idénticos
  • Sustrato para plantas
  • Espátula pequeña o cuchara
  • Vaso de precipitado o taza medidora
  • Caja de cartón o un armario oscuro
  • Etiquetas autoadhesivas
  • Rotulador

Procedimiento

Presenta a los grupos las siguientes instrucciones:

  1. Usando una espátula pequeña o una cuchara, llenar los dos recipientes con sustrato para plantas, dejando cerca de 1 cm de espacio en la parte superior.
  2. Numerar las macetas 1 y 2 con etiquetas autoadhesivas y un rotulador. Rotular las macetas con vuestros nombres para poder distinguirlas de otras después.
  3. Esparcir de 10 a 20 semillas de berro en la tierra de cada maceta, asegurando que se agrega aproximadamente el mismo número de semillas en cada una.
  4. Cubrir las semillas de berro con un poco más de tierra.
  5. Llenar con agua el vaso de precipitado o la taza medidora. Añadir aproximadamente la misma cantidad de agua a cada maceta, asegurándose de que la tierra esté húmeda.
  6. Colocar la maceta número 1 en una caja de cartón o en un armario oscuro, y la maceta 2 cerca de una ventana donde esté expuesta a la luz solar.
  7. ¿Qué predicen los alumnos que sucederá y por qué? ¿Qué pasará si una planta no recibe la luz del sol? Pídeles que escriban y/o dibujen sus predicciones en un cuaderno.
  8. Dejar que el berro crezca durante aproximadamente una semana. No debería ser necesario añadir más agua durante esos días. Pasado este tiempo, los estudiantes pueden recuperar sus macetas. ¿Qué diferencias observan entre las dos investigadas en cada grupo?

Discusión

Los estudiantes observarán que el berro que crece en la oscuridad tiene tallos blancos y hojas amarillas, en contraste con el berro que crece con un ciclo normal de día y noche, que tiene tallos de color verde claro y hojas de color verde intenso. Esto se debe a que en ausencia de luz, las plantas no desarrollan clorofila, el pigmento que las da su color verde vivo. El berro que crece en la oscuridad también debería ser notablemente más alto, ya que utiliza la energía almacenada en las semillas para acelerar su crecimiento en busca de luz.

Compara las predicciones de los alumnos con los resultados obtenidos, y analiza con ellos algunas de las siguientes preguntas:

  • ¿Qué planta es más saludable, y por qué?
  • ¿Qué importancia tiene la luz para el crecimiento saludable de las plantas?
  • ¿Las plantas necesitan luz para germinar?
  • ¿Las plantas necesitan luz para crecer después de germinar?

Actividad 2: ¿Necesitan tierra las plantas?

Toda la clase plantará semillas de rábano en diferentes sustratos para determinar cuáles son los mejores para el crecimiento de las plantas. La parte práctica de esta actividad dura aproximadamente 30 minutos, seguido de un período de espera de una semana.

Materiales

  • 16 semillas de rábano
  • Ocho macetas o contenedores vacíos
  • Espátula pequeña o cuchara
  • Vaso de precipitado o taza medidora
  • Abono líquido
  • Película de plástico transparente
  • Etiquetas autoadhesivas
  • Rotulador

Los siguientes materiales, con cantidad suficiente para rellenar dos macetas.

  • Tierra
  • Arena
  • Algodón
  • Toallitas de papel
Materials for activity 2, which investigates whether plants need soil
Materiales para la actividad 2, con la que se investiga si las plantas necesitan tierra.
ESA
Soil: Tierra;
Cotton wool: Algodón;
Paper towel: Toallitas de papel;
Plant food: Abono para plantas;
Sand: Arena

Procedimiento

Pide a los alumnos que lleven a cabo, de forma individual, los diferentes pasos del siguiente procedimiento:

  1. Numerar las macetas del 1 al 8 usando etiquetas autoadhesivas y un rotulador.
  2. Usando una espátula pequeña o una cuchara, añadir tierra a las macetas 1 y 2.
  3. Añadir arena a las macetas 3 y 4.
  4. Colocar algodón en las macetas 5 y 6.
  5. Arrugar las toallitas de papel y ponerlas en las macetas 7 y 8.
  6. Llenar con agua el vaso de precipitado o taza medidora. Añadir aproximadamente la misma cantidad de agua a las macetas 1, 3, 5 y 7, asegurándose de que el material esté húmedo.
  7. Llenar el vaso de precipitado de nuevo con agua y añadir el abono líquido. Añadir la disolución a las macetas 2, 4, 6 y 8. Asegúrese de que se añade aproximadamente la misma cantidad de líquido que el utilizado en las macetas del paso anterior.
  8. Añadir dos semillas de rábano a cada maceta y colocar una película de plástico transparente en la parte superior.
  9. Colocar todas las macetas cerca de una ventana, es decir, en idénticas condiciones.
  10. ¿Qué suponen los alumnos que sucederá? ¿Crecerán las plantas en los cuatro sustratos? ¿En qué maceta crecerán mejor las plantas? ¿Cómo afectará el abono líquido al crecimiento de las plantas? Pídeles que escriban y/o dibujen sus predicciones en un cuaderno.
  11. Dejar que las plantas crezcan durante una semana antes de presentar las macetas a los alumnos. ¿Cómo se ha desarrollado cada planta?

Discusión

Los estudiantes puede que se sorprendan al ver que las semillas germinan en las ocho macetas. Esto se debe a que ya contienen algunos nutrientes que permiten que la planta comience a crecer. Si el sustrato posee nutrientes, la planta seguirá creciendo. Los nutrientes están presentes de forma natural en la tierra, pero en otros materiales (como arena, algodón y toallitas de papel) pueden añadirse, por ejemplo, en forma de abono líquido. En ausencia de nutrientes añadidos, la planta crece más lentamente hasta que finalmente deja de crecer cuando se agota el suministro de los que contiene la semilla. Esta es la razón por la que las semillas de rábano no crecen bien en las macetas con arena, algodón o toallitas de papel sin abono.

Las semillas de rábano suelen crecer mejor en el algodón con la mezcla de abono. Esto se debe a que el algodón es más eficaz reteniendo el agua que la tierra o los otros sustratos, y porque el abono proporciona todos los nutrientes necesarios para el desarrollo inicial de la planta. Si las plantas se cultivaran durante un período más largo, la tierra les proporcionaría una mejor base para que sus raíces se expandieran, dando apoyo y estabilidad a los brotes.

Compara las predicciones de los alumnos con sus resultados, y analiza con ellos algunas de las siguientes preguntas:

  • ¿Cuáles son las ventajas y las desventajas de cultivar plantas sin tierra?
  • ¿Qué maceta fue la mejor para cultivar plantas y por qué?
  • ¿Las plantas necesitan tierra para germinar?
  • ¿Las plantas necesitan tierra para crecer?

Actividad 3: ¿Cómo transportan el agua las plantas?

Procedure for activity 3, which looks at how water is transported in plants
Procedimiento para la
actividad 3, que indaga sobre
cómo se transporta el agua a
través de las plantas.

ESA
Step: Paso

Para investigar cómo se transporta el agua dentro de las plantas, los estudiantes observarán cómo cambia el color de los pétalos de las flores cuando se añade un colorante al agua. El procedimiento puede ser realizado por pequeños grupos de 2 a 4 estudiantes o como demostración en el aula. Lleva aproximadamente 15 minutos completar la parte práctica de la actividad y un día para que los efectos del experimento sean visibles.

Materiales

Cada grupo necesita:

  • Dos flores blancas sin raíces (cortadas por el tallo)
  • Una flor blanca con las raíces intactas
  • Tres macetas o contenedores vacíos
  • Colorante alimentario rojo o azul
  • Cuchara

Procedimiento

Indique a los grupos las siguientes instrucciones:

  1. Llenar las tres macetas con agua.
  2. Añadir colorante alimentario a dos de las macetas y remover con una cuchara.
  3. Colocar una de las dos flores sin raíces en una maceta con colorante y la otra en la maceta que no lo tiene. Colocar la flor con raíces en la otra maceta con colorante.
  4. ¿Qué suponen los alumnos que sucederá, y por qué? ¿Cambiarán de color las dos flores colocadas en agua con colorante? Pídeles que escriban y/o dibujen sus predicciones en un cuaderno.
  5. Dejar las flores durante un día antes de presentar los resultados a los alumnos. ¿Qué ha pasado con cada flor?

Discusión

Los estudiantes observarán que la flor sin raíces cambia de color por la acción del colorante, especialmente en los bordes de los pétalos. Esto se debe a que las plantas transportan el agua a través de su tallo a otras partes de la planta. La flor con raíces, sin embargo, no cambia de color por acción del colorante. Las raíces actúan como un filtro, evitando que el colorante sea transportado al resto de la planta. Como resultado, no hay cambio de color.

Compara las predicciones de los alumnos con sus resultados, y analiza con ellos algunas de las siguientes preguntas:

  • ¿Por qué la flor con las raíces intactas no cambió de color?
  • ¿Cuál fue el propósito de añadir una flor a un recipiente que sólo contenía agua?
  • ¿Es el agua esencial para las plantas?

Actividad 4: ¿Qué necesitan las plantas para crecer en el espacio?

En equipos de tres o cuatro miembros, los estudiantes aplicarán sus conocimientos de las actividades anteriores para idear una estrategia para el cultivo de plantas en la Luna. Recibirán para ello una ficha de datos sobre la Luna para ayudarles a evaluar su particular entorno espacial.

Materiales

Cada grupo necesitará:

  • Ficha de datos sobre la Lunaw1

Procedimiento

Indica a los grupos las siguientes instrucciones:

  1. Leer la ficha para conocer las condiciones de la Luna, como su ciclo de día y noche y su temperatura.
  2. Considerar los factores que necesitan las plantas para crecer. ¿Cómo accederán las plantas a la luz, al agua y a los nutrientes en la Luna?
  3. Diseñar un plan para cultivar plantas en la Luna, como la construcción de un invernadero. ¿Puede ser autosuficiente el sistema? ¿Qué tipo de plantas crecerían mejor, y por qué?
  4. Seleccionar una persona de cada grupo para explicar la estrategia al resto de la clase.

Discusión

Una de las primeras dificultades para el crecimiento de plantas en la Luna es la falta tanto de agua líquida como de nutrientes. El agua no está fácilmente disponible en ríos y océanos como en la Tierra, y el suelo lunar no contiene los nutrientes necesarios. Los estudiantes podrían sugerir el uso de un sistema hidropónico para superar este reto: las plantas se cultivarían en una disolución basada en agua y rica en nutrientes sin necesidad de tierra. El agua podría obtenerse potencialmente del hielo superficial cerca de los polos norte y sur de la Luna, que bajo ciertas condiciones podría transformarse en agua líquida.

Otra dificultad es el ciclo de día y noche de la Luna. Un día en la Luna dura aproximadamente el mismo tiempo que cuatro semanas en la Tierra, por lo que las plantas tendrían que adaptarse a dos semanas de luz diurna y dos semanas de oscuridad, o ser colocadas en un entorno donde se controle la luz. Este entorno necesitaría tener la temperatura controlada para contrarrestar las variaciones térmicas extremas. Es más, no hay prácticamente atmósfera en la Luna, por lo que las plantas tendrían que mantenerse en un contenedor presurizado lleno de gases. Sin atmósfera protectora, el contenedor también ayudaría a proteger las plantas de la radiación espacial.

Para ser sostenible, el contenedor debería disponer de un sistema de reciclado de gases y agua.

Agradecimientos

Los autores desean agradecer a Monica Talevi, Christina Toldbo y a todos los miembros del equipo de la sección ESA Education que contribuyeron al desarrollo de estas actividades. También agradecen a la científica de la ESA Christel Paille por revisar las actividades educativas y proporcionar comentarios constructivos y valiosos.

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Web References

  • w1 – La ficha de datos sobre la Luna está disponible para descarga en la sección de material adicional.

Resources

  • Las fuentes relacionadas con el aprendizaje sobre plantas en el espacio están disponibles en la página web de la ESA:
    • Astrofarmer explora los factores que afectan al crecimiento de las plantas.
    • Astrofood investiga los diferentes componentes de las plantas y el futuro potencial de los alimentos espaciales.
    • Astrocrops estudia el ciclo completo de crecimiento de diferentes especies de plantas para comprender su germinación y crecimiento.

Institution

ESA

Author(s)

Keith Hardie es profesor de física y matemáticas de educación secundaria en Edimburgo, Escocia, y trabajó anteriormente en la sección ESA Education. Cátia Cardoso es una experta en didáctica STEM que trabaja en ESA Education, desarrollando materiales educativos relacionados con el espacio. Su oficina se encuentra en el Centro Europeo de Investigación y Tecnología Espacial (ESTEC) en Noordwijk, Países Bajos.


Review

Este enriquecedor artículo combina dos áreas de la ciencia para crear un proyecto interesante para jóvenes estudiantes. Con el conjunto de actividades, los estudiantes entienden los factores que afectan al crecimiento de las plantas y los relacionan con el caso de que se diera en el espacio. Todas las actividades son fáciles de realizar y podrían ser una buena base para comprender las variables de control en diseño de experimentos. El artículo es muy útil y puede utilizarse en los distintos cursos de educación secundaria.


Dra. Christiana Nicolaou, maestra de educación primaria, Makedonitissa 3rd primary school, Chipre




License

CC-BY