Łajka 2.0, czyli jak pszczoły mogą zostać kosmicznym pupilem ludzkości?

Ludzie od wieków marzyli o podróży „do gwiazd”, a z powodzeniem to pragnienie udaje się realizować od ponad 60 lat. Okazuje się jednak, że podróże to nie wszystko – czołowe agencje sektora kosmicznego coraz śmielej mówią o planach osiedlania się na Księżycu czy Marsie. Wiele wskazuje na to, że kiedy dojdą one do skutku, nie będziemy jedynym gatunkiem osiedlającym się poza Ziemią – całkiem możliwe, że zabierzemy ze sobą… pszczoły. Czy mają one szanse zostać naszym kosmicznym pupilem? I co na ten temat mówi współczesna nauka?

Fot. Elements of this image furnished by NASA

W 2008 r., jeden z najbardziej rozpoznawalnych astrofizyków na świecie, Stephen Hawking, podczas swojego wykładu wygłoszonego z okazji 50-lecia istnienia Amerykańskiej Agencji Kosmicznej NASA, nawoływał do zwiększenia wydatków na sektor kosmiczny, ze szczególnym uwzględnieniem potencjalnego osiedlania się na Księżycu i Marsie. Reakcja ze strony zarówno agencji kosmicznych, jak i prywatnych firm nie była może bardzo szybka, jednak kiedy się pojawiła, nie pozostawiła wątpliwości – ludzie zostaną gatunkiem międzyplanetarnym jeszcze w tym stuleciu.

NASA wraz z innymi agencjami kosmicznymi zapowiedziała misję Artemis – plan nie tylko powrotu na Srebrny Glob już w 2024 r., ale i pozostania tam na dłużej i uczynienia z niego niejakiej bazy wypadowej do dalszych podróży. Jeszcze bardziej śmiałymi planami pochwalił się Elon Musk, dyrektor generalny firmy SpaceX – pierwszej firmy sektora prywatnego w historii zapewniającej transport obiektów i osób na pokład Międzynarodowej Stacji Kosmicznej ISS – zapowiedział on, że jeszcze w latach 20. XXI w. na Marsie staną pierwsi ludzie, a w latach 30. powstanie pierwsze marsjańskie miasto.

Jak podaje Organizacja Narodów Zjednoczonych do spraw Wyżywienia i Rolnictwa, nawet 70% ziemskich upraw jest zależna od pracy pszczół i innych owadów zapylających. Zderzając ten fakt z przedstawionym powyżej możliwym rozwiązaniem zapewniającym pozaziemskim osadom uniezależnienie się od dostaw z Ziemi, natrafiamy na zupełnie nowe zagadnienie: czy i jak pszczoły poradzą sobie w kosmosie? Z czym będą musiały się zmierzyć? I jak możemy im pomóc?

Kosmiczne debiutantki

Badania nad kondycją pszczół i innych zapylaczy w kontekście misji kosmicznych prowadzone są już od lat 80. ubiegłego wieku. Pierwszym opisanym eksperymentem, mającym na celu określenie zdolności różnych gatunków owadów do poruszania się w nieważkości, było tygodniowe doświadczenie Insect in flight motion study przeprowadzone w 1982 r. na pokładzie wahadłowca Columbia [Schilder and Raynor, 2017]. Badaniu poddano pszczoły, muchy domowe oraz ćmy, łącznie ok. 50 osobników, z czego ok. 14 pszczół. Gatunki zostały wybrane z uwagi na różne proporcje skrzydeł do wielkości ciała (ang. wing-to-body ratio).

Rys. Mariusz Uchman

Eksperyment doprowadził badaczy do wyciągnięcia kilku ciekawych wniosków. Większość osobników spośród „pokolenia zero”, czyli urodzonego na Ziemi i wyniesionego na orbitę jako dorosłe osobniki, wybierało przywieranie do ścian zamiast latania. Dopiero ćmy i muchy „urodzone” w kosmosie potrafiły poruszać się w nieważkości – odbijały się one od powierzchni i „szybowały” bez trzepotania skrzydłami.

Z uwagi na specyfikę i tempo rozwoju pszczół wszystkie osobniki poddane badaniu pochodziły z „pokolenia zero”, a w eksperymencie nie przebadano żadnych urodzonych w nieważkości. Najprawdopodobniej z tego też względu pszczoły nie nauczyły się latać, a jedynie siedziały „przywarte” do ścian pojemnika, w którym odbywał się eksperyment. Kiedy przypadkiem któraś z pszczół „odpadła” od ściany, nie potrafiła wrócić i ponownie usiąść na ściance, unosiła się więc bezradnie w powietrzu. Co więcej, wszystkie pszczoły biorące udział w eksperymencie umarły, a jako powód wskazywano najprawdopodobniej niedożywienie.

Do najciekawszych obserwacji z tego eksperymentu należy jednak zaliczyć dwie ostatnie. Pierwszą z nich był fakt złożenia przez „kosmiczną” królową ok. 35 jaj w nieważkości – po relokowaniu ich do „ziemskiego” ula żadne z nich jednak nie przetrwało. Przyczyna nie została poznana. Druga z obserwacji tyczyła się śmiertelności w obu próbach: po zakończeniu eksperymentu w próbie badanej zidentyfikowano ok. 120 martwych osobników, a w próbie kontrolnej blisko trzykrotnie więcej – ok. 350. Tutaj również nie udało się ustalić przyczyny zaistnienia tak dużej różnicy w śmiertelności robotnic. Do możliwych przyczyn należy zaliczyć różnice w strukturze wiekowej obu grup, hipoteza ta nie została jednak ostatecznie potwierdzona i wymagałaby dalszych badań celem jej poparcia.

Szkoły pełne pracowitych pszczółek

Po latach 80. nastąpił długi przestój w badaniach nad pszczołami w kontekście kosmicznym. Dopiero w 2003 r., na pokładzie wahadłowca Columbia, przeprowadzono kolejny eksperyment. Został on zaprojektowany w ramach programu STARS (Science Technology and Research Students), pierwszej prywatnej inicjatywy mającej na celu popularyzację zainteresowania badaniami kosmicznymi wśród młodzieży szkolnej w Stanach Zjednoczonych, Europie, Japonii i innych miejscach na świecie.

Celem doświadczenia, zaprojektowanego przez uczniów z Lichtensteinu, było zbadanie wzorców zachowania związanych z karmieniem pszczół gatunku zadrzechnia (Xylocopa). Niestety, wyniki eksperymentu nigdy nie zostały poznane – prom kosmiczny Columbia podczas powrotu z przestrzeni kosmicznej uległ zniszczeniu w wyniku uszkodzenia osłony termicznej w trakcie startu. W wyniku tej katastrofy, jednej z największych w historii podboju kosmosu przez człowieka, życie straciło wszystkich siedmioro astronautów znajdujących się na pokładzie – Rick Husband, William McCool, David Brown, Kalpana Chawla, Michael P. Anderson, Laurel Clark oraz Ilan Ramon.

Kosmiczne badania nie tylko w kosmosie

Wiele aspektów krytycznych dla powodzenia misji kosmicznej może również zostać zbadana na Ziemi w odpowiednio stworzonych na potrzeby eksperymentu warunkach. Do takich czynników należą m.in. obniżone ciśnienie, przeciążenia generowane przez startującą rakietę czy też symulacja warunków panujących w pozaziemskim habitacie.

W 2012 r. zespół kanadyjskich badaczy zbadał zależność pomiędzy sprawnością pracy trzmieli a wartością ciśnienia atmosferycznego. Parametr ten jest istotny z uwagi na plany konstrukcyjne pozaziemskich szklarni – jako że na Marsie czy Księżycu ciśnienie stanowi zaledwie 1% ziemskiego, nieefektywne wydaje się być zapewnianie ciśnienia wewnątrz szklarni równego ziemskiemu ciśnieniu atmosferycznemu.

Dużo bardziej uzasadniona ekonomicznie jest w tym wypadku uprawa roślin w warunkach obniżonego ciśnienia, np. na poziomie 70% ziemskiego. Przeprowadzone wcześniej badania wskazują, że wybrane gatunki roślin w takich warunkach radzą sobie porównywalnie dobrze, jak w warunkach standardowego ciśnienia ziemskiego [Chamberlain i in. 2003, He i in. 2007]. Jednak niektóre z proponowanych gatunków, jak np. pomidory, poza odpowiednimi warunkami barycznymi wymagają zapylania przez owady.

Polskie akcenty

W 2019 r. w Polsce w analogowym habitacie Lunares zlokalizowanym nieopodal Piły miał miejsce niecodzienny eksperyment z udziałem pszczół. Podczas trwającej tam dwutygodniowej, analogowej misji kosmicznej², podczas której zespół tzw. analogowych astronautów³ przebywał w całkowitej izolacji od świata zewnętrznego, tym samym symulując bytowanie na obcej planecie, zespół badaczy postanowił sprawdzić, czy pszczoły będą potrafiły poprawnie funkcjonować w całkowicie zamkniętej przestrzeni. W tym celu, w specjalnie wyznaczonym miejscu w habitacie umieszczone zostały 2 ule z sumarycznie ok. 90 tys. pszczół.

Po 2 tygodniach naukowcy gotowi byli na wyciąganie pierwszych wniosków. Jedną z najbardziej niepokojących obserwacji była bardzo wysoka śmiertelność osobników – średnio co 4 dni umierało od 1000 do 1200 osobników. Ponadto matki w obu rodzinach przestały czerwić, a całokształt postpowania rodzin wskazywał na to, że postanowiły się… zazimować. Dokładne przyczyny takiej reakcji nie zostały jeszcze poznane, naukowcy wskazują jednak na możliwy związek tego zachowania z dietą badanych pszczół – jako substytut pyłku użyto bogatej w białko sproszkowanej spiruliny.

Fot. 2. Wirówka. Fot. Dagmara Stasiowska

Po zakończeniu eksperymentu, matki z obu prób zostały skierowane do pasieki celem poddania ich do ulików eksperymentalnych. Zdecydowano się na ule typu mini plus, z uwagi na niewielki rozmiar ułatwiający wykonywanie częstych przeglądów rodzin zgodnie z wymaganiami badań.

Dane zebrane z ulików są w trakcie analizy. Zachowanie matek „wirowanych” nie wydaje się jednak odbiegać znacząco od próby kontrolnej. Bardziej szczegółowe wyniki będą znane dopiero po zakończeniu fazy analizy danych, najprawdopodobniej zimą tego roku.

A może jednak drony?

Ostatnią, choć nie najmniej istotną, możliwością zapylania kosmicznych upraw jest wykorzystanie w tym celu dronów. Jedną z takich propozycji jest Plan bee⁴ – projekt zaproponowany przez Annę Haldewang, amerykańską projektantkę przemysłową. Ten niewielki robot, według autorki pomysłu, ma służyć na Ziemi jako „pomoc” dla naturalnych zapylaczy, ale może zostać również z powodzeniem wykorzystany w szklarniach wielkoobszarowych, zarówno na Ziemi jak i poza nią.

Pszczoły posiadają jednak jedną, bardzo istotną cechę, dzięki której górują nad rozwiązaniem robotycznym – nie potrzebują zasilania. Może okazać się to jednym z kluczowych argumentów w momencie ostatecznego decydowania się na rozwiązanie stosowane np. na Marsie. A wytwarzany przez pszczoły, niejako przy okazji, miód? Cóż, z pewnością będzie stanowił on miły dodatek i ciepłe wspomnienie rodzinnej planety.

mgr inż. Dagmara Stasiowska
Ten adres pocztowy jest chroniony przed spamowaniem. Aby go zobaczyć, konieczne jest włączenie w przeglądarce obsługi JavaScript.
Katedra Biocybernetyki i Inżynierii Biomedycznej
Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie

1 - Średnia wartość ciśnienia ziemskiego to ok. 1 000 hPa = 100 000 Pa. Średnie ciśnienie na Księżycu wynosi 3 × 10-12 hPa. Ciśnienie na Księżycu podzielone przez ciśnienie na Ziemi równa się trzem biliardowym.

2 - Analogowe misje kosmiczne to rodzaj ziemskich testów dla przyszłych misji kosmicznych. Prowadzone są one zazwyczaj w specjalnie przygotowanych do tego celu habitatach, w których symuluje się możliwie wszystkie czynniki przyszłej misji pozaziemskiej z udziałem ludzi, takie jak opóźnienia w przesyle obrazu i dźwięku „z Ziemi”, izolacja załogi od świata zewnętrznego na małej powierzchni przez długi czas, konieczność samodzielnego prowadzenia napraw, ograniczenie racji żywnościowych itp.

3 - Analogowi astronauci to osoby biorące udział w analogowych misjach kosmicznych jako członkowie załogi.

4 - Nieprzetłumaczalna gra słów – „bee” oznacza po angielsku pszczołę, natomiast w wymowie cała nazwa brzmi jak „Plan B”.

Bibliografia

ARTEMIS PLAN - NASA’s Lunar Exploration Program Overview (2020). Available at: https://www.nasa.gov/sites/default/files/atoms/files/artemis_plan-20200921.pdf (Accessed: 29 October 2021).

Chamberlain, C., Stasiak, M.A., and Dixon, M.A. 2003. Response of plant water status to reduced atmospheric pressure. SAE Technical Paper Series. 2003-01-2677.

E. Nardone, P.G. Kevan, M. Stasiak and M. Dixon. 2012. Atmospheric pressure requirements of bumblebees (Bombus impatiens) as pollinators of Lunar or Martian greenhouse grown food. Gravitational and Space Biology 26(2): 13-21. Eckart, P. (1996) Spaceflight Life Support and Biospherics, Spaceflight Life Support and Biospherics. Springer Netherlands. doi: 10.1007/978-94-017-3038-9.

He, C., Davies, F.R., and Lacey, R.E. 2007. Separating the effects of hypobaria and hypoxia on lettuce growth and gas exchange. Physiologia Plantarum. 131: 226-240.

https://money.cnn.com/2017/02/15/technology/bee-drone-pollination/

https://www.beeculture.com/bees-in-space/

https://www.issnationallab.org/iss360/student-spotlight-high-school-girls-sent-live-bees-to-the-space-station/

https://www.wired.com/story/bees-please-stop-dying-in-your-martian-simulator/

https://mars.nasa.gov/mars2020/timeline/cruise/

NASA Report To Educators, vol. 10, no. 1, 1982

Schilder, R. J. and Raynor, M. (2017) ‘Molecular plasticity and functional enhancements of leg muscles in response to hypergravity in the fruit fly Drosophila melanogaster’, Journal of Experimental Biology, 220(19), pp. 3508–3518. doi: 10.1242/jeb.160523.

Stephen Hawking calls for Moon and Mars colonies - space - 21 April 2008 - New Scientist Space (2008). Available at: https://web.archive.org/web/20080427002520/http://space.newscientist.com/article/dn13748-stephen-hawking-calls-for-moon-and-mars-colonies.html?feedId=online-news_rss20 (Accessed: 29 October 2021).

Thompson, LA; Mathers, NM and Honan, P. Bees in Space: An Opportunity to Inspire the Next Generation. In: Australian Space Science Conference (5th : 2005 : Melbourne, Vic.). 5th NSSA Australian Space Science Conference: 14 to 16 September 2005 Hosted by RMIT University, Melbourne, Australia. Melbourne, Vic.: RMIT University, 2005: [502-509].

Timeline: When and How Elon Musk, SpaceX Plan to Populate Mars (2018). Available at: https://www.businessinsider.com/elon-musk-spacex-mars-plan-timeline-2018-10?IR=T#2028-finish-building-mars-base-alpha-10 (Accessed: 29 October 2021).

Vandenberg, J. D. et al. (1985) ‘Survival, Behavior and Comb Construction By Honey Bees, Apis Mellifera, in Zero Gravity Booard NASA Shuttle Mission STS-13’, Apidologie, 16(4), pp. 369–384.

Zamów prenumeratę czasopisma "Pasieka"