Published: 2022-05-19 12:01

火星や月での農業が実現する？ 「月面の土」で植物が育ったことの意味

NASAのアポロ宇宙船が月面から持ち帰った土壌を用いて植物を育てることに、このほど米国の研究チームが成功した。こうした実験の成功は、将来的に火星や月といった地球外での農業の実現につながる可能性を秘めている。

【詳細画像】48個のセルがある実験用栽培容器やラボの様子

宇宙生物学者で遺伝学者のアンナ＝リサ・ポールは何年も前から、米航空宇宙局（NASA）の「アポロ計画」時代に月に行った宇宙飛行士が月面で採取した土壌サンプルを手に入れようとしてきた。そのためにNASAへの研究提案を何度も練り直し、ようやく提案を認められたのが2021年のことである。

こうしてポールは、数十億年前から生命が存在しない月で採取された土壌を用いて、小さな植物の育成に挑戦することが可能になったのだ。その努力が、いま実を結んだ。月面の土壌に植えられた種は地球外物質の異物に苦戦しながらも、なんとか芽を出したのである。

この研究結果をポールらの研究チームは英科学誌『Communications Biology』に5月10日（米国時間）に発表した。この研究論文でポールらは、月に行く宇宙飛行士が数十年以内に自分たちで植物の温室栽培をできるようになり、ある程度の食料を自分たちで調達できるようになることが実験で示されたと主張している。

「種をまいた2日後、すべての種が発芽したことに驚きました。これは非常に驚異的で、少し息をのむような光景でした」と、フロリダ大学に所属する研究者のポールは語る。「わたしたちは人類史上そして太陽系の歴史上で初めて、月面の物質で成長する植物の種を目撃したのです」（ポールと彼女の研究チームはNASAに所属していないものの、NASAはポールらの研究に資金援助をしている）。

1960年代から70年代にかけて宇宙飛行士が採取した「レゴリス」と呼ばれる月面の土壌は、非常に使いづらい。レゴリスの砂粒は乾燥しており、鋭利で研磨性があり、非常に細かい。それに地球の植物がこれまで出合ったことのないミネラルやイオンを含んでおり、有機物はまったくない。

なぜなら、月で植物が成長し、枯れて腐敗したことはないからだ。地球上の土壌に似せるには、月面の土壌に栄養分と水を加える必要がある（月にも水は存在するものの手に入りにくい）。

ポールらは、限られた本物のレゴリスを最大限に活用した。研究チームは、人類が初めて月面に降り立ったアポロ11号（静かの海）と、月面の西側と北側にそれぞれ降り立ったアポロ12号と17号により採取された月面の土壌サンプルを、それぞれ約1g、つまり小さなスプーン1杯分ずつ用意したのだ。さらに比較のために研究チームは、地球上では植物栽培に適さない火山灰でつくった土壌も月面の土壌を模して同量だけ用意し、そこにも種を植えた。

これまでポールらは「JSC-1A」（NASAのジョンソン宇宙センターから命名）と呼ばれるこの月の土壌の模擬物質を用いて、何度も実験を繰り返してきた。これらの実験により、液体肥料のような希釈した養液を精密に調整することができたのである。

今回の実験用栽培容器として採用したのは、小さな製氷トレーのような育苗用の48個のセルがあるプレートだった。そこに種を植えたのだが、研究チームは容器の48個あるセルのうち一部のみを使用している。月面の土壌と養液を入れたものが3つと、JSC-1Aと養液を入れたものが4つだ。

さらに、これと同じ条件でほかの3枚のプレートでも同様の実験を繰り返し、より優れた統計値を得ることができた。そして、個別の水やりトレーに入ったプレートを、植物育成ライトの下にある通気性のいいテラリウムボックスに移した。このボックスは空気の流れを制限するものだが、完全な無菌状態ではなく、宇宙飛行士がいる月の居住区のオープンラボのような環境をシミュレーションしたものだ。

シロイヌナズナ（学名：Arabidopsis thaliana）と呼ばれるこの小さな植物は、クレソンやブロッコリーと同じ種類に属する植物で、野菜づくりのモデルに適している。また、シロイヌナズナは研究者にとって、成長が早いというメリットもある。

最初に発芽したときは、月面の土で栽培したものも地球上の火山灰で育てたものも、まだ種そのものに蓄えられている養分を取り出している状態だった。しかし、1週間ほど経つと違いが出てきた。

「月面の土壌サンプルの苗は成長が遅くなり、なかには深刻なストレス反応を示し始めたものもありました。火山灰で育てたものよりも根の部分がさらに曲がっており、健康そうには見えませんでした。苗が育つのは難しかったのです」と、ポールは語る。一部の植物は葉が腐りかけ、色素が沈着し、ますます病的な様相を呈した、一方で、発育環境に適応した植物の苗も一部あった。

火山灰で育った植物と比較すると、月面の土壌で育った植物はどれも広い葉を広げるまで時間がかかり、大きさも小さく、なかにはひどい発育不良になったものもあった。レゴリスに植えた種のうち、アポロ12号と17号が採取した土壌サンプルで発芽した苗の発育が最もよかったという。

そしてポールの研究チームは、今回の実験で発芽したすべての植物について遺伝子検査を実施し、植物がどの代謝の仕組みを使って環境に適応しているのかを突き止めた。その結果、一見すると健康そうな苗でも活性化された遺伝子やそうでないものがあり、苗がストレス反応を示したことがわかった。

今回確認された遺伝子の活動は、金属や塩類が多すぎる土壌に囲まれた植物に相当するのだと、ポールは説明する。「これらの植物は、言ってみれば自身を健康に保つために努力していたのです」

それでも研究チームは、月面での植物栽培の可能性について楽観的な見通しを立てている。特に実際のレゴリスでの植物の栽培は、次世代のための土壌改善につながるからだ。

「わたしは今後の見通しに前向きです。苗にストレス反応が見られたり、生育に失敗したものがあったりしても、まったく心配していません。わたしたち地球人は、塩分や乾燥が進む環境下で植物を育てる方法について多くの経験を積んでいます。月面の土壌で植物を栽培する方法が見つかると信じています」と、ポールの同僚で今回の研究論文の共著者でもあるロバート・ファールは語る。

1960年代から70年代にかけて宇宙飛行士が月面の物質を地球に持ち帰った月面着陸ミッションのあと、NASAは数回の実験をしたという。だが、今回ポールとファールが試みたような実験はなかった。

「少量のレゴリスを植物に接触させたところ、植物に大きな悪影響がないことがデータからわかりました」と、NASAのアストロバイオニクスのチーフサイエンティストであるシャミラ・バッタチャリヤは語る。しかし、ポールとファールによる新たな研究は、もっと野心的なものだ。「レゴリスで実際に植物を育てるということは、当然ながら発育を補助する養液を使うわけですが、ユニークな実験です。今回が初めての試みなので、非常に興奮しています」と、バタチャリヤは言う。

NASAには現在は研究者が利用できるレゴリスがあまり残っていないものの、優先度の高い研究のために少しずつ分配している。NASAは最近、1972年にアポロ17号の着陸地点で採取されたレゴリスを研究するため、採取された最後のサンプルのひとつを公開した。

現在はアポロ計画の後継となる新たな「アルテミス計画」が進行中で、数年後には宇宙飛行士が月へと向かうことになる。このためNASAは、さらに多くのサンプルが得られると予測している。

食料を宇宙に運ぶとなると、食料1gごとに宇宙船内のスペースが必要になり、そのぶんコストと燃料の必要量が増えてしまう。このため、地球外で食料を栽培する方法を学ぶことが鍵を握る。

さらに、宇宙ステーションや月面基地などの遠隔地や孤立した環境では、たとえ大量の食料を提供しなくても、ちょっとした緑の植物が宇宙飛行士の精神衛生に大きく貢献する可能性もある。「植物の感触に触れることは、心理的な効果も期待できます」と、バッタチャリヤは語る。

このため宇宙飛行士や研究者は、国際宇宙ステーション（ISS）で食料を栽培するためのさまざまな方法を、すでに模索し始めている。ポールとファールの研究は、宇宙農業への重要な一歩になる可能性を秘めているのだ。

「この研究はふたつの理由から素晴らしい研究です。アポロ宇宙船が月から採取した実際のサンプルを使用しながら、実験には最新の生物学のツールを適用しているのです」と、コロラド鉱山大学の地質学者で宇宙資源研究者でもあり、今回の研究論文にも携わったケビン・キャノンは語る。一方で、土を使わずに植物や野菜を育てる方法として、水耕栽培や空中栽培、バイオリアクターでの細胞培養など、ほかの選択肢のほうがISSや月面でのミッションにとって効率的である可能性もあると、キャノンは指摘する。

これに対して火星探査には、より長時間の移動と長期滞在が必要とされる。また、火星は地球からの距離が非常に遠いことから、食糧の輸送がさらに困難になるはずだ。このため大規模な作物栽培を試みるには適した場所になるかもしれないと、キャノンは言う。

研究者たちはすでに、火星の模擬土壌でシロイヌナズナなどの植物の栽培を始めている。なぜなら、NASAの火星探査車「パーサヴィアランス」から土壌サンプルを地球に持ち帰れば、本物の火星の土壌を使った実験ができるかもしれないのだ。

これが成功すれば、映画『オデッセイ』の主人公のマーク・ワトニーのような植物学者の宇宙飛行士が、火星でジャガイモを栽培する日が来るかもしれない。とはいえ、それは地球上の植物が宇宙のレゴリスでただ「生き残る」のでなく、きちんと「発育する」ための方法を誰かが発見することができれば、の話だ。

それでもポールの研究チームにとって、宇宙農業、少なくとも宇宙栽培は、人類の未来の姿なのである。「わたしたちは月面の要素を生物学に取り入れており、これがうまくいっています。わたしにとって、このことはとても象徴的な意味をもつのです。人が地球を離れるとき、植物も一緒にもっていくことになるのですから」とポールは語る。