NASAは宇宙で食料を育てる最良の方法を研究している

「植物の状態があまりよくありません」と、宇宙飛行士のスコット・ケリーは2015年12月27日、国際宇宙ステーションからツイートした。彼の言う通りだった。添付の写真には、マゼンタ色の光を浴びた4本のヒャクニチソウの幼花が写っていた。4本の葉のついた茎のうち3本は変色し、丸まっていた。宇宙ステーションの庭は、カビの問題から回復するのに苦労していた。これは、地上の園芸家にはおなじみの問題だ。地球上では、この問題は地元の苗床に買いに行くことを意味するが、宇宙ではそうはいかない。

鮮やかな色をしたヒナギク科の花であるジニアは、ベジーと呼ばれる実験の一部で、その最終目的は乗組員に長期にわたる食糧源を提供することだ。以前のテストでは、宇宙飛行士はレタスの収穫に成功していた。ジニアは成長期間が60日から80日と長く、その後開花し、サイケデリックなコサージュにふさわしいネオン色の花を咲かせる。これは、葉野菜よりも手間がかかり、よりおいしいトマトの練習だった。宇宙ステーションの乗組員がこれほど複雑な野菜を栽培するなら、カビを退治する方法など、さまざまなことを解明する必要があった。

ベジーは宇宙飛行士が園芸の腕を磨くための比較的単純な方法だ。「とてもシンプルなシステムです」とプロジェクトの主任科学者の一人、ジョイア・マッサは言う。「ほとんど何も制御しません」。その代わりに人間が制御する。

宇宙飛行士が低軌道を越えたり、月への短期旅行以上のことをしたりするなら、宇宙園芸はいつの日か不可欠となるだろう。必要な食糧をすべて持ち込むことはできず、持ち込んだ食料は栄養分が失われてしまう。そのため、宇宙飛行士は補充可能な食料と追加のビタミンが必要になる。また、酸素を多く作り、廃棄物をリサイクルし、故郷を恋しく思わないようにする方法も必要になる。宇宙園芸は、理論的には、これらすべての実現に役立つ可能性がある。

宇宙ステーションに搭載された Veggie やその他のシステムは、放射線や無重力が植物にどのような影響を与えるか、適度な水の量、カビなどの厄介な問題への対処法などについて研究者が解明するのを支援している。同様に重要なのは、科学者が宇宙飛行士がどれだけの労力を費やす必要があるか、どれだけの労力を費やしたいか、植物が彼らの体だけでなく脳にもどのように栄養を与えるかを学んでいることだ。

潜在的に重要な機器であるにもかかわらず、 Veggie はかなりコンパクトです。重量は 41 ポンドで、ISS の 44 ポンドのコーヒーメーカーよりわずかに軽いだけです。上部はオフホワイトの長方形の箱で、栽培用ライトを収納しており、古い VCR に似ています。そこから透明なプラスチックのカーテンが垂れ下がり、1.7 平方フィートの栽培面を覆います。宇宙飛行士は、ライトが 1 日にどのくらい点灯しているか、光合成を最適化するために赤色光をどのくらい明るく放射するか、植物の形と機能を制御するために青色光をどのくらい明るく放射するかを事前に設定できます。また、内蔵ファンを作動させて湿度を調整することもできます。

しかし、ベジーの最も重要な部分は、栽培される繊細な収穫物です。それは、テフロン加工されたケブラーの小さな袋に包まれた種子から始まります。科学者たちはそれを植物枕と呼んでいます。「栽培袋のようなものだと考えてください」とマッサは、種子、ウォーターウィック、肥料、土が詰められたこれらの袋について言います。

人々は1世紀以上も前からこのシナリオを予想していた。1880年、SF作家パーシー・グレッグは、廃棄物をリサイクルするために植物を持って火星に旅する宇宙飛行士を描いた小説『 Across the Zodiac』を執筆した。その15年後、ロシアのロケット科学者コンスタンチン・ツィオルコフスキーは『Dreams of Earth and Sky 』を執筆し、宇宙飛行士と植物が閉鎖系の中で共存できる方法を説明した。

1950年代には、緑のものが本の表紙から研究室に飛び出してきた。NASAと米国空軍は、藻類が生命維持に役立つかどうかを調べるために藻類の栽培を開始した（結局、藻類は味が悪く、消化できない細胞壁でいっぱいで、タンパク質が多すぎることが判明した）。その後、ソビエトの科学者は、人間が主に閉鎖された居住空間内で生産された酸素、水、栄養で生きる、ほぼ自給自足の生態系の実験を行った。最も長い期間であったBIOS-3と呼ばれる施設内での180日間の試験では、地球上の乗組員は食料の80％を自家生産した小麦と野菜で賄った。そして1982年、ソビエトの宇宙飛行士がキャベツやマスタードの近縁種であるシロイヌナズナをサリュート7号宇宙ステーションで成熟させることで、ついに宇宙での植物栽培が現実のものとなった。

80 年代半ばのこの頃、ベジーのマッサは中学生で、7 年生の時の先生がケネディ宇宙センターでの宇宙農業ワークショップから、このテーマに関する大量の情報を持ち帰ってきました。刺激を受けた 10 代のマッサは、高校に進学しても農業の授業を受け続け、後に中学時代の指導者とチームを組んで水耕栽培プロジェクトに取り組みました。

マッサが研究と自主的な実験を続ける一方で、NASA は軌道上の植物栽培装置、特にバイオマス生産システムの構築を開始した。宇宙ステーションでの実験用に設計されたこの装置は、各辺が腕の長さほどの長方形で、内部には 4 つの立方体型の栽培室が金庫のように設置されていた。ウィスコンシン州に拠点を置く企業、オービテックの科学者が設計したバイオマス生産システムは、2001 年に宇宙ステーションに導入された。そこでは、カラシナがすぐに高く成長し、普通の白色蛍光灯に照らされた。

しかし、研究者が収穫したマスタードを地上の対照植物と比較すると、宇宙マスタードには細菌や菌類が多かった。「その違いの重要性は不明です」とNASAの公式結論は述べている。NASAが意味しているのは、微生物が増殖した理由がわからないということであり、その存在が重要ではないということではない。実際、ベジーのカビが示すように、それは極めて重要だった。

NASA は 2002 年にバイオマス生産システムを廃止しましたが、ロシアの宇宙飛行士が米国が中断したところを引き継ぎました。10 年間で、彼らは矮性小麦、葉の多い水菜、矮性エンドウ豆の栽培に成功しました。ボーナス: 軌道を周回する矮性エンドウ豆の 4 世代連続で、野菜に遺伝的混乱の兆候は見られませんでした。

一方、オービテックはNASAと協議しながら、別の植物栽培装置を育てていた。そのため、NASAが2012年に新しい宇宙菜園の助成金を交付したとき、同社には成果を示すものがあった。それは、その前身と異なり、食用規模で食物を生産することを目指したVeggieだった。当時ポスドクだったマッサは、植物枕用にさまざまな種類の培地と作物をテストした。それは、彼女が12歳のときから準備していた類の作業だった。米国初の本格的な宇宙菜園は、マッサがポスドクから宇宙機関のVeggieプロジェクト科学者に昇進して間もなく、2014年に打ち上げられた。

ベジー号は花が開くまで順調だった。最初の食用植物のほとんど（アウトレッジャスと呼ばれるレタスの品種）は2014年に予定通りに発芽し、宇宙飛行士はそれを地球に打ち上げて検査した。マッサ氏によると、まだ分析作業は続いているという。「でも全体的には、植物は地上のサンプルとかなり似ています」。分析が終われば、ストレスから植物を守る抗酸化物質、アントシアニン（色素）、フェノールなどの化学物質の含有量がわかる。短期的には、食事の時間の方が優先された。収穫物を食べることができただろうか？乗組員、マッサ氏、NASAは皆、それを知りたがった。そして、農産物は微生物的に安全に食べられることが判明した。

それでも、2015年の夏に宇宙飛行士たちが2回目の種まきをしたとき、マッサ氏は新たな課題に直面した。収穫が近づいていたにもかかわらず、NASAには、乗組員たちが自分たちの労働の成果である葉っぱを食べることを承認する手順がなかったのだ。「私たちは『あと28日しか残されていないので、それを食べなければなりません』と言いました」とマッサ氏は回想する。時間が迫る中、経営陣は宇宙飛行士たちの食事に正式にレタスを加える方法を見つけた。

8月9日、ケリーさんは葉が開く前に写真を撮った。眉間にしわを寄せ、真剣な顔をしていた。「明日は@space_stationで待ちに待った野菜の収穫を食べるぞ！」とツイートした。「でもその前に、レタスで#自撮りを」。その後すぐに、NASA TVで生放送で収穫した野菜をパクパク食べた。大したことないように思えるかもしれないが、何カ月も水で戻した食べ物を食べてきた人にとっては、葉1枚でも大きな違いになる。後の収穫では、宇宙飛行士のペギー・ウィットソンさんが、戻したロブスターサラダを包むのに葉を使った。「何百もの品目がある本当に良い食事でも、食事疲れはあります」とマッサさんは言う。「人は飽きてしまいます。サクサクしてジューシーなものなど、新しい風味や食感を加えることで、いつもの食事にスパイスを加えることができます。」

脳を活性化させるのはそれだけではない。もちろん、宇宙飛行士は90分ごとに地球を見下ろして、その最も美しい場所（文字通りすべて）を見ることができる。しかし、それらの場所は常に手の届かないところにあり、海面がいかに遠いかを思い出させる。光合成をするものが近くにあると、乗組員は元気づけられるかもしれない。「故郷から遠く離れているときに、何か緑が生えているというのは心理的な側面がある」とマッサは言う。

次の栽培サイクルでは、宇宙飛行士たちは不運なジニアを育てた。約2週間後、ケル・リングレンは最初の危険信号に気づいた。種を留めている芯から水が漏れたのだ。次に、若い葉から水分が染み出し、葉が丸まり始めた。作業を担当していた地上のベジーのスタッフは、送風ファンを弱から強に切り替える時期だと判断した。しかし、壊れたロボットアームを修理するための突発的な船外活動により、変更が遅れた。宇宙では、宇宙船から出るときにスイッチを切り替えるほど簡単なことはないからだ。ベジーの設定の再プログラムには15分ほどしかかからないが、NASAは、宇宙飛行士が優先度の高いタスクを実行しているときは、優先度の低いものをどかすことを推奨している。

そして葉が枯れ始めました。

それだけでも十分ひどいことですが、さらに悪いことに、枯れかけた植物は、宇宙飛行士や積荷とともに宇宙にやってきたカビの温床になることがあります。すぐに、恐ろしい白い綿毛が植物を窒息させ始めました。

この時までに、リンデグレン氏は地球に帰還し、ケリー氏が庭園の管理を引き継いだ。12月22日、地上管制官の指示に従い、ケリー氏はチーズの汚れた部分のようにカビの生えた部分を切り取り、残ったジニアと機材をクリーニングシートで拭いた。機材の乾燥を助けるため、ファンを強風にしたままにした。

それは良い試みだったが、代償がなかったわけではない。植物が水を欲しがるようになったのだ。ケリーはそれを地上管制に伝え、水やりを求めた。訓練を忠実に守ろうとする軍曹たちはケリーに、まだその時ではないと告げた。12月27日までは。NASAのこの出来事に関する報告書によると、ケリーは彼らに「もし私たちが火星に行って植物を育てるなら、その植物にいつ水が必要になるかを決めるのは私たちの責任だと思います」と語ったという。

最終的に、彼らは実際に植物の隣にいた人に自主性を与え、「軌道上の庭師のためのジニアのお手入れガイド」という 1 ページの説明書も渡しました。

軌道上の庭師の指導の下、ジニアの半分が復活し、花を咲かせて緑に成長した。NASA はこれを良いこととして受け止めた。作物は洪水、干ばつ、病気にも耐えられることがわかり、問題のある植物を切除して残りを洗浄すれば菌の蔓延を防げるというわけだ。

ケリーは花が咲き誇るのをとても気に入り、世界中でハードロックのTシャツを着た自分の写真を撮っている人たちのように、宇宙ステーションのあちこちに花の容器を持って写真撮影をした。「彼はバレンタインデーに花を収穫してもいいかと尋ねました」とマッサは言う。彼は宇宙で300日以上も過ごし、臭い仲間の乗組員以外誰からも離れていた。NASAは彼に花束を作らせた。

それはマッサのお気に入りの瞬間の一つだった。「私たちは彼に喜びを与える何かの一部でした」と彼女は言う。

今後のベジ実験で、科学者たちは園芸のその部分、つまり精神的な部分についてさらに学ぶことになる。「私たちは逸話的に多くのことを聞いてきましたが、データを収集することは一度もできませんでした」とマッサは言う。彼らはまた、農作業員が実際にどれだけやりたいのか、楽しいことと面倒なことはどれくらいなのか、軌道上で味覚がどのように変化するのか、そしてどの植物が人為的ミスに耐えられるのか（宇宙飛行士の皆さん、気を悪くしないでください）についても調査する予定だ。

Veggie の実験は、新しいタイプ A コンパニオンである Advanced Plant Habitat の実験と並行して続けられる。Advanced Plant Habitat は、180 を超えるセンサーと自動給水を備えた 18 インチ四方の自給自足型研究室である。科学者は変数を確立し、植物を育てる特定の条件、そしてそれらの植物が人間を育てる方法を突き止めることができる。温度制御システムにより、空気はサーモスタットの設定値の 0.5°C 以内に保たれる。センサーは、気温、光、湿度、酸素レベルに関するデータを基地に中継する。Advanced Plant Habitat がガーデニングを成功させる条件を定量化する一方で、Veggie は人間が自らの食糧供給を促進する方法、そしてその理由を特定するのに役立つ。言い換えれば、この居住区の厳密な制御を通じて、研究者はどの植物を最もよく育てるかを学ぶことができる。次に、それらのパラメーターを使用して、宇宙飛行士が操作できる Veggie のようなシステムを構築できる。

2017年10月、2回に分けて宇宙に打ち上げられたこの居住空間を、宇宙飛行士らが6時間かけて組み立てた。自動で動くこの装置は、宇宙に打ち上げられても壊れない電子レンジのようだ。コントロールパネルには、あちこちに配線が張り巡らされている。トグルスイッチの横では、赤い表示灯が点滅している。植物室の内部では、天井からLEDが照射され、コンサートのステージのような色の組み合わせで下にある植物を照らしている。Veggieのような赤、緑、青のライトに加え、白、近赤外線、遠赤外線のライトも備えている。

2014年にオービテックを買収したシエラネバダ社の環境システム担当ディレクター、ロバート・リクター氏は、地球上の宇宙ステーション処理施設からオービテックの進捗状況を監視していた。同氏は、新しい研究室やベジタブル・バイオマスの設計と構築に携わった。約20年前にこの分野に参入した当時、同氏は少々世間知らずだった。「植物を育てるのはそんなに難しいことなのだろうか、と考えていた」

もちろん、彼は半分冗談を言っている。そして、湿度レベルを所定の数値の 3 パーセント以内に維持しようとしたり、光と湿度を作り出して測定したり、温度を数分の 1 度に維持したりする場合、カップでバジルを育てることと宇宙でレタスを栽培することの間には大きな隔たりがあることを、彼は今や理解している。

研究チームは2017年11月にユニットの電源を入れた。そして今年2月までに、シロイヌナズナと矮性小麦の試験作物が発芽した。間もなく、植物のDNAや生理学的変化の調査などの実験を開始する。これまでの植物研究の多くは、植物がそもそも成長するかどうかに焦点が当てられてきたと、シエラネバダ社の主任科学者ロバート・モロー氏は言う。植物は世代を超えて繁殖するのだろうか？そして宇宙でも地上と同じように生産的だろうか？

そうです、と彼は言う。科学者たちは今や、そうした基礎の域を超えている。彼らは、より汚れた詳細やより複雑な生態系を掘り下げる必要がある。たとえば、宇宙飛行士は、植物が吸い込める二酸化炭素を吐き出す。植物は、人間が吸い込める酸素を吐き出す。人間の排泄物は、植物の肥料や水分補給になる。無駄になるものは何もなく、得られるものはすべてある。

究極的には、深宇宙ミッションの庭園は先進宇宙居住施設よりもベジタブルに近いものになるだろうとモローは考えている。「APH にあるすべてのものをそのようなシステムに組み込むのは現実的ではありません」と彼は言う。センサーやチューブが多すぎると、機械的な故障が多く発生する可能性があり、ベジタブルの方が APH よりも修理しやすい。今のところ、科学者たちは APH を使って植物の成長に最適なガイドラインを絞り込み、惑星を離れることでそれがどう変化するかを理解して、将来の宇宙飛行士にベジタブルのようなシステムをより適切に管理する方法を教えることが必要だ。

将来を見据えて、マッサは宇宙飛行士と機器のやり取りを観察することに興味を持っている。「熟したトマトをいつも収穫したいけれど、1日おきに水をやりたくないと思うことはありませんか？」と彼女は考える。来年初めにベジー社がレッドロビンという品種の矮性トマトを初めて栽培するので、彼女にはその答えを見つけるチャンスがあるだろう。

他の国々も実験を続けている。例えば中国は今年、宇宙船「嫦娥4号」にカイコとジャガイモの種を載せて月に送る予定だ。カイコが孵化すると二酸化炭素が発生し、ジャガイモがそれを吸収して酸素に変え、カイコがその酸素を吸収する。

こうした研究は、大気圏外にいる人々を助けるだけではない。自己完結型の栽培システムを作ることで、地球上の農家が一年中作物を栽培したり、タンパク質を多く含み収穫量の多い植物を育てたりするのに役立つかもしれない。いつの日か、この研究は宇宙旅行者を支えるのに十分なほど充実し、安定した園芸システムにつながるだろう。そうなれば、宇宙旅行者はレタスで何でも好きなものを包み、宇宙をカリカリと食べながら旅することができるようになるだろう。

寄稿編集者のサラ・スコルズ氏は、『Making Contact: Jill Tartar and the Search for Extraterrestrial Intelligence』の著者です。

この記事はもともと、Popular Science 誌の 2018 年夏号 Life/Death に掲載されました。