Rob Ferl, à gauche, et Anna-Lisa Paul regardant les « pots » remplis en partie de régolite lunaire et en partie de sols témoins, maintenus sous des lampes de culture à LED. À l'époque, les scientifiques ne savaient pas si les graines germeraient même dans le sol lunaire. © UF IFAS, Tyler Jones
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La Nasa a fait pousser des plantes dans le sol lunaire

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[EN VIDÉO] La mission Apollo 16 en 4K !  Les images de la mission lunaire d'Apollo 16 comme si vous y étiez ! 

Une équipe de chercheurs états-uniens vient de réaliser une grande première, démontrer que des plantes pouvaient pousser à partir de graines dans du régolite lunaire et montrer au niveau moléculaire comment les plantes s'adaptaient à ce sol extraterrestre. Les résultats obtenus aident à paver la voie pour des colonies lunaires ou dans l'espace, comme celles proposées par Gerard O'Neill.

On ne sait pas très bien de quand datent les premières études sérieuses sur la faisabilité et la nature d'une base lunaire, même si on sait que dès 1954 Arthur C. Clark publiait déjà des réflexions sur des modules gonflables recouverts de régolite lunaire pour des colons qui seraient alimentés en électricité par un réacteur nucléaire et en nourriture par des cultures hydroponiques, pouvant également produire de l'oxygène. Plus tard, dans son célèbre roman 2001 : l'Odyssée de l'espace, il situera une base lunaire non loin du pôle Sud, dans le cratère Clavius.

Pourquoi retourner sur la Lune avec la mission Artemis ? Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Nasa

Ce n'est pas un hasard, on pense que les régions polaires lunaires contiennent des réserves de glace protégées du Soleil depuis des centaines de millions voire des milliards d'années, glace qui pourrait servir à alimenter en eau des colons, et que l'on pourrait aussi électrolyser pour produire de l'oxygène et de l'hydrogène liquide pour obtenir du carburant. C'est d'ailleurs une des raisons qui font que le projet Artemis de retour sur la Lune au cours des années 2020 (pour y initier une présence permanente des descendants des hominines ayant laissé avant Neil Armstrong sur la Lune des traces de pas dans des dépôts de cendres volcaniques humides il y a 3,5 millions d'années à Laetoli) devrait se faire précisément proche de Clavius, ou  pour le moins au pôle Sud lunaire.

Ce qui est certain c'est que des bases lunaires sont envisagées aux États-Unis dès 1959 avec le projet Horizon et par la Russie soviétique dès 1962 avec  Zvezda (du russe : звезда, « étoile »). On ne sera donc pas surpris que dès le retour des échantillons de roche et de régolite lunaire des missions Apollo sur Terre, des chercheurs de la Nasa ont cherché à savoir si on pouvait faire pousser des plantes dans le régolite lunaire. Toutefois, les expériences réalisées au début des années 1970 se contentaient de voir comment des plantes déjà constituées se comportaient au contact d'un peu de régolite. Un groupe de chercheurs de l'université de Floride est allé beaucoup plus loin, comme le montre tout récemment une publication dans un des périodiques du journal Nature : Communications Biology.

Des images des chercheurs de l'UF/IAS et de leurs travaux sur la croissance des plantes dans le sol lunaire. © Université de Floride

Dans le communiqué de l'université de Floride, Anna-Lisa Paul, l'une des auteurs de l'étude et professeure en sciences horticoles à l'UF/IFAS, rappelle qu'au début des années 1970 « des plantes ont aidé à établir que les échantillons de sol ramenés de la Lune n'abritaient pas d'agents pathogènes ou d'autres composants inconnus susceptibles de nuire à la vie terrestre, mais ces plantes n'ont été saupoudrées que de régolite lunaire et n'y ont jamais été réellement cultivées ». Il fallait donc aller avancer en prévision d'Artemis et de ce qui suivra en réalisant un premier pas vers la culture de plantes pour la production de nourriture et d'oxygène sur la Lune, ce qu'elle et son collègue Rob Ferl, également professeur de sciences horticoles à l'UF Institute of Food and Agricultural Sciences, ont réalisé.

Paul et Ferl sont des experts internationalement reconnus dans l'étude des plantes dans l'espace et ils n'en sont pas à leur coup d'essai puisqu'ils ont envoyé des expériences sur des navettes spatiales, vers la Station spatiale internationale et sur des vols suborbitaux.

Une biologie moléculaire influencée par les sols lunaires

Après avoir minutieusement conçu un plan pour des expériences avec le régolite lunaire, la Nasa leur a finalement attribué 12 grammes de sol lunaire provenant d'échantillons collectés par les missions Apollo 11, 12 et 17. Mais il leur a fallu attendre 11 ans pour convaincre. L'une des questions auxquelles voulaient répondre les chercheurs, en plus de savoir s'il était bien possible de faire pousser des graines dans le sol lunaire en ajoutant de l'eau, des nutriments et de la lumière, était de voir comment la machinerie moléculaire et génétique des plantes allait réagir en poussant dans un sol inconnu sur Terre et donc auquel l'évolution n'avait a priori pas été confrontée.

Un zoom sur Arabidopsis thaliana avant des études génétiques sur son comportement dans un sol lunaire. © UF IFAS, Tyler Jones

Pour le savoir, les biologistes se sont tournés vers des graines d'Arabidopsis thaliana, une plante originaire d'Eurasie et d'Afrique, qui est un parent des feuilles de moutarde et d'autres légumes crucifères comme le brocoli et les choux de Bruxelles.

Arabidopsis thaliana est largement utilisée dans les sciences végétales en raison de sa petite taille et de sa facilité de croissance, et aussi parce que son code génétique a été entièrement cartographié, de sorte qu'il s'agit de l'une des plantes les plus étudiées au monde, employée comme organisme modèle pour la recherche dans tous les domaines de la biologie végétale.

Les graines ont toutes poussé !

Elles ont été cultivées dans des petits puits de la taille d'un dé à coudre dans des plaques en plastique normalement utilisées pour cultiver des cellules et contenant environ un gramme de sol lunaire pour certains et pour d'autres dans du sol lunaire reconstitué à partir de matériaux terrestres ou encore simulant le régolite martien. Des sols terrestres correspondant à des conditions extrêmes ont aussi été employés. Les échantillons lunaires provenaient de sol ayant diversement été exposés aux bombardements des rayons cosmiques et des micrométéorites.

Il s'agissait de pouvoir faire des comparaisons afin de mettre en évidence des différences et l'importance de tel ou tel paramètre dans le développement des plantes.

Au bout de jour 16, il y avait des différences physiques claires entre les plantes cultivées dans le simulant lunaire de cendres volcaniques, à gauche, par rapport à celles cultivées dans le sol lunaire, à droite. © UF IFAS, Tyler Jones

L'analyse génétique a montré que la machinerie moléculaire et l'activation de certains gènes d'Arabidopsis correspondaient à des conditions que l'on connaissait avec des sols stressants pour cette plante, tels que le sel et les métaux ou le stress oxydatif.

Les chercheurs ont découvert que les plantes présentant le plus de signes de stress étaient celles cultivées dans ce que les géologues lunaires appellent un sol lunaire mature. Ces sols matures sont ceux qui sont les plus exposés aux rayons cosmiques, ce qui altère leur composition. En revanche, les plantes cultivées dans des sols comparativement moins matures ont mieux résisté.

Plus généralement, on a observé des différences entre les plantes cultivées dans les régolites lunaires et les autres sols jouant le rôle de groupe témoin. Ainsi, certaines des plantes cultivées dans les sols lunaires étaient plus petites, poussaient plus lentement ou avaient des tailles plus variées que leurs homologues dans les autres sols.

Séquence d'ouverture de The High Frontier: The Untold Story of Gerard K. O'Neill. © Erik Wernquist

On sait qu'il y a une quarantaine d'années, Gerard O'Neill, un des pionniers de la physique des accélérateurs de particules, professeur à l'université de Princeton au moment où le programme Apollo se réalisait, a marqué le grand public avec un livre publié en 1976 sur les colonies spatiales et dont le titre en anglais est The High Frontier. On peut prendre connaissance de la vision du futur qu'avait O'Neill au début des années 1980 avec un autre ouvrage en accès libre sur la toile : 2081 : a hopeful view of the human future.

Pour construire ces colonies, dont on voit une présentation dans la vidéo ci-dessus, des calculs montraient qu'il est nettement plus facile de mettre en orbite des matériaux issus de la Lune ou d'astéroïdes, que ce soit des métaux, de l'eau que l'on peut électrolyser pour avoir de l'oxygène et de l'hydrogène, ou encore du régolite lunaire pour faire du béton, qu'à partir de la Terre. Le champ de gravité de notre Planète exige de grandes quantités de carburants. Pour la même raison, transporter des matériaux et des personnes d'une région à une autre de l'espace interplanétaire est également moins énergivore que sur la surface de la Terre.

Le régolite lunaire peut donc servir aussi pour concrétiser les cultures imaginées par O'Neill dans ces stations spatiales, stations qui inspirent le fondateur d'Amazon, Jeff Bezos.

Pour en savoir plus

La Nasa veut faire pousser des plantes sur la Lune

Article de Laurent Sacco publié 05/12/2013

La Nasa compte sur des compagnies privées désireuses de poser un module sur la Lune, par exemple dans le cadre du Google Lunar X Prize, pour réaliser une expérience intéressante. Il s'agira de faire germer des graines dans une chambre hermétique, mais laissant passer les rayons du Soleil. Le but est de savoir s'il sera un jour possible de cultiver des plantes pour les colons d'une base lunaire permanente.

L'établissement d'une colonie martienne fait rêver, mais il serait sans doute plus prudent d'entreprendre d'abord une telle démarche sur la Lune avant de se lancer dans la conquête de Mars. Dans l'idéal, il faudrait pouvoir reproduire une véritable biosphère miniature. Cela aurait plusieurs avantages, comme assurer la production de nourriture et aussi d'oxygène pour les colons. En outre, on ne peut pas négliger le facteur psychologique. L'expérience des bases en Antarctique, comme celle d'Arctowski avec sa serre où poussent des légumes frais, montre toute l'aide que des plantes peuvent apporter pour le moral des futurs colons du Système solaire.

Une biosphère en réduction, voilà ce qui a réalisé voilà une vingtaine d'années en Arizona. L'expérience a même été baptisée Biosphere 2. Les résultats n'ont pas été très concluants et le projet fut abandonné quelques années après son lancement. La structure mise en place à l'époque existe toujours, et elle est actuellement la propriété de l'université de l'Arizona, qui s'en sert pour faire des recherches sur l'impact du changement climatique sur les écosystèmes.

L'expérience Biosphere 2. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle avec deux barres horizontales en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître, si ce n'est pas déjà le cas. En passant simplement la souris sur le rectangle, vous devriez voir l'expression « Traduire les sous-titres ». Cliquez pour faire apparaître le menu du choix de la langue, choisissez « Français », puis cliquez sur « OK ». © The Good Stuff

Biosphères pour la Lune et Mars

Indépendamment de la création d'une biosphère sur la Lune, y faire pousser des plantes pose plusieurs questions auxquelles les scientifiques ont tenté de répondre dès les missions Apollo. Comme le montre une vidéo, la Nasa a essayé de cultiver des types très variés de plantes au contact d'échantillons de sol lunaire sans rencontrer de problèmes particuliers. Mais ce genre d'expériences est biaisé, car on ne reproduit alors ni la faible gravité lunaire ni le bombardement des rayons cosmiques sur la surface de la Lune. Toutefois, les scientifiques tentent depuis longtemps de pallier ces inconvénients, au moins partiellement, en menant des expériences avec des plantes dans l'espace. Certaines de ces expériences ont eu lieu à bord de l'ISS.

Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Nasa

Depuis quelque temps, des chercheurs de la Nasa surfent sur la vague de la colonisation de l'espace lancée par des sociétés privées comme SpaceX pour en apprendre plus sur le comportement des plantes sur la Lune. Ils comptent en particulier sur les compagnies lancées dans la course pour décrocher le Google Lunar X Prize. Il s'agit d'envoyer un robot sur la Lune chargé de parcourir 500 m et de transmettre nombre de vidéos, images et autres données vers la Terre avant le 31 décembre 2015. La compétition pour ce prix tire son origine d'un projet de Peter Diamandis, qui veut aussi se lancer dans la conquête des astéroïdes, et elle est sponsorisée, comme son nom l'indique, par Google.

Parmi les plantes que l'on fait pousser au contact d’échantillons de sol lunaire ramenés par les missions Apollo, il y avait notamment ces fougères (Onoclea sensibilis). © Nasa

Des graines qui germent sur la Lune en 2015 ?

Si un module lunaire se pose bel et bien sur la Lune, disons en 2015, il pourrait emporter avec lui une masse d'environ 1 kg contenant un dispositif permettant de faire pousser 100 graines d'Arabidopsis, 10 graines de basilic et autant de navet. Cependant, il ne s'agira pas de cultiver ces plantes directement dans le sol lunaire. Une chambre de croissance étanche contenant de l'air sera employée. Une fois l'atterrissage effectué, de l'eau sera automatiquement mise en contact avec les graines exposées à la lumière du Soleil. Pendant une période de cinq à dix jours, un appareil prendra alors des photos à intervalles réguliers pour étudier le processus de germination.

Si l'expérience est un succès, elle sera suivie d'autres avec pour but d'étudier la durée de survie des plantes exposées au sixième de la pesanteur terrestre et aux rayons cosmiques. On espère pouvoir multiplier ces végétaux et tester à terme l'impact des rayons cosmiques sur leur génome.

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