Étude des facteurs affectant la croissance des plantes et élaboration d’un plan pour faire pousser des plantes sur la Lune.

Quand on pense à l’exploration spatiale, l’élevage et l’agriculture ne sont, en général, pas les premières choses auxquels nous pensons. Bien qu’elles soient monnaie courante dans la civilisation humaine depuis des millénaires, ces activités essentielles deviennent rapidement partie intégrale de la recherche pour permettre l’exploration spatiale. Actuellement, le seul avant-poste humain dans l’espace est la Station Spatiale Internationale (ISS), qui est alimentée en air, en nourriture et en eau à partir de la Terre. Chaque astronaute a besoin d’environ 1 kg d’oxygène, 1 kg de nourriture déshydratée et 3 litres d’eau par jour. Fournir ces ressources à tous les astronautes à bord de l’ISS est coûteux et peu pratique pour les longues missions spatiales à venir. C’est pour cela que, si l’humanité veut explorer davantage le cosmos, des plantes devront être cultivées en vol – comme source de nourriture et plus encore.

Cultiver des plantes dans l’espace

Dans l’espace, les conditions nécessaires à la croissance des plantes (comme l’eau, la lumière, les nutriments et les températures appropriées) sont difficiles à remplir. Cela fait de la croissance des plantes dans l’espace une tâche difficile, mais pas impossible. En 2015, les membres d’équipage de l’Expédition 44 de l’ISS ont eu la chance de goûter les premiers aliments cultivés dans l’espace lorsqu’ils ont récolté une laitue romaine rouge cultivée dans le cadre de l’expérience Veg-01 de la NASA. Depuis lors, les scientifiques ont recherché de nouvelles façons de cultiver d’autres plantes dans l’espace.

Lors du choix des plantes à cultiver, divers facteurs ont été pris en compte, tels que la valeur alimentaire et le rendement des aliments. Les deux principaux candidats retenus sont les pommes de terre et le blé nain. Les deux sont des aliments riches en glucides à haute teneur calorique, ils peuvent donc fournir aux astronautes suffisamment d’énergie pour subvenir à leurs besoins tout au long d’une longue mission. Ce sont également des plantes robustes qui s’adaptent à la plupart des conditions sur Terre et offrent un rendement élevé sans prendre trop de place lors de leur croissance.

Un système autonome

Les plantes sont utiles dans l’espace mais pas seulement comme source de nourriture : les astronautes espèrent également utiliser des plantes pour créer un circuit autonome pour fournir aux astronautes l’oxygène, l’eau et la nourriture dont ils ont besoin – sans aucun réapprovisionnement de la Terre. Depuis plus de 25 ans, l’Agence Spatiale Européenne (ESA) travaille dans ce sens avec son programme alternatif Micro-Ecological Life Support System (MELiSSA). Le projet vise à perfectionner un système de survie qui pourrait être transporté dans l’espace. Les déchets humains (comme l’urine et le dioxyde de carbone exhalé) fourniraient aux plantes les ingrédients essentiels à leur croissance et, en retour, les plantes fourniraient de l’oxygène et de la nourriture aux humains, mais aussi participerait à la filtration des eaux usées. Ces recherches ont également le potentiel de créer des méthodes pour une production alimentaire durable sur Terre.

Conditions de croissance optimales des plantes

Dans les activités suivantes, les élèves apprendront les éléments de base dont les plantes ont besoin pour pousser. Après avoir terminé les activités 1 à 3, les élèves appliqueront ce qu’ils ont appris sur la croissance des plantes dans l’activité 4, dans laquelle ils exploreront comment faire pousser des plantes dans l’espace – un défi réel, auquel sont confrontés les scientifiques aujourd’hui.

Ces activités utilisent des matériaux ménagers simples et conviennent aux élèves de 8 à 12 ans. Les procédures utilisées nécessitent un certain nombre de petits pots ou conteneurs : nous les avons créés à partir de vieilles bouteilles en plastique en coupant le tiers inférieur de la bouteille et en l’utilisant comme pot.

Activité 1 : Les plantes ont-elles besoin de lumière?

En travaillant en groupes de deux à quatre, les élèves étudient comment le cresson pousse dans différentes conditions d’éclairage : obscurité constante et cycle normal jour-nuit. Il faut 30 minutes pour terminer la partie pratique de cette activité et environ une semaine pour que le cresson se développe après la plantation.

Matériaux

Chaque groupe a besoin de :

• Graines de cresson
• Deux pots ou récipients identiques
• Terreau
• Petite truelle ou cuillère
• Bécher ou tasse à mesurer
• Boîte en carton ou armoire sombre
• Étiquettes autocollantes
• Marqueur

Procédure

Les différents groupes feront comme suit :

1. À l’aide d’une petite truelle ou d’une cuillère, remplissez les deux pots de terreau, en laissant environ 1 cm d’espace en haut de chaque pot.
2. Numérotez les pots 1 et 2 à l’aide d’étiquettes autocollantes et d’un marqueur. Étiquetez les pots avec vos noms afin de pouvoir les distinguer des autres pots plus tard.
3. Dispersez 10 à 20 graines de cresson sur le terreau de chaque pot, en veillant à ajouter à peu près le même nombre de graines dans chaque pot.
4. Couvrez les graines de cresson avec un peu de terreau supplémentaire.
5. Remplissez un bécher ou une tasse à mesurer avec de l’eau. Ajouter à peu près la même quantité d’eau dans chaque pot, en s’assurant que le sol est humide.
6. Placez le pot numéro 1 dans une boîte en carton ou une armoire sombre, et placez le pot numéro 2 près d’une fenêtre où il sera exposé au soleil.
7. Que prévoient vos élèves et pourquoi ? Que se passerait-il si une plante ne reçevait pas la lumière du soleil ? Demandez-leur d’écrire et / ou de dessiner leurs prédictions dans un classeur.
8. Laissez le cresson pousser pendant environ une semaine. Il ne devrait pas avoir besoin de plus d’eau pendant cette période. Après ce temps, les élèves peuvent récupérer leurs pots. Quelles différences observent-ils entre les deux pots de chaque groupe ?

Discussion

Les élèves observeront que le cresson cultivé dans l’obscurité a des tiges blanches et des feuilles jaunes, contrairement au cresson cultivé avec un cycle jour-nuit normal, qui a des tiges vert clair et des feuilles vert vif. En effet, en l’absence de lumière, les plantes ne développent pas de chlorophylle – le pigment qui donne aux plantes leur couleur verte saine. Le cresson cultivé dans l’obscurité devrait également être sensiblement plus grand, ayant utilisé l’énergie stockée dans les graines pour accélérer leur croissance à la recherche de lumière.

Comparez les prévisions de vos élèves avec leurs résultats et discutez de certaines des questions suivantes :

• Quelle plante est la plus saine et pourquoi ?
• Quelle est l’importance de la lumière pour la croissance saine des plantes ?
• Les plantes ont-elles besoin de lumière pour germer ?
• Les plantes ont-elles besoin de lumière pour pousser après la germination ?

Activité 2 : Les plantes ont-elles besoin de terre?

L’ensemble des élèves plantent des graines de radis dans différents matériaux/substrats/sols pour déterminer ceux qui conviennent le mieux à la culture des plantes. La partie pratique de cette activité dure environ 30 minutes et il y a une période d’attente d’une semaine.

Matériaux

• 16 graines de radis
• Huit pots ou récipients transparents
• Petite truelle ou cuillère
• Bécher ou tasse à mesurer
• Aliments végétaux liquides
• Film étirable
• Étiquettes autocollantes
• Marqueur

Les matériaux suivants, chacun pour remplir deux pots :

• Terraux
• Sable
• Laine de coton
• Serviettes en papier

Procédure

Demandez à chaque élève d’effectuer différentes étapes en suivant la procédure suivante :

1. Numérotez les pots de 1 à 8 à l’aide d’étiquettes autocollantes et d’un marqueur.
2. À l’aide d’une petite truelle ou d’une cuillère, ajoutez de la terre aux pots 1 et 2.
3. Ajoutez du sable aux pots 3 et 4.
4. Placez le coton dans les pots 5 et 6.
5. Enroulez les serviettes en papier en boules et ajoutez-les aux pots 7 et 8.
6. Remplissez un bécher ou une tasse à mesurer avec de l’eau. Ajoutez à peu près la même quantité d’eau dans les pots 1, 3, 5 et 7, en vous assurant que le matériau est humide.
7. Remplissez à nouveau le bécher avec de l’eau et ajoutez la nourriture végétale liquide. Ajoutez la solution aux pots 2, 4, 6 et 8. Assurez-vous d’ajouter à peu près la même quantité de liquide que vous avez ajoutée aux pots de l’étape précédente.
8. Ajoutez deux graines de radis dans chaque pot et placez un film alimentaire par-dessus.
9. Placez tous les pots près d’une fenêtre, c’est-à-dire dans des conditions identiques.
10. Que prévoient vos élèves ? Les plantes pousseront-elles dans les quatre matières ? Dans quel pot les plantes pousseront-elles le mieux ? Comment la nourriture végétale liquide peut-elle affecter la croissance des plantes ? Demandez-leur d’écrire et / ou de dessiner leurs prédictions dans un classeur.
11. Laissez les plantes pousser pendant une semaine avant de présenter les pots à vos élèves. Comment s’est développée chaque plante ?

Discussion

Les élèves pourraient être surpris de constater que les graines germent dans les huit pots. En effet, les graines contiennent déjà certains nutriments qui permettent à la plante de commencer à pousser. Si le substrat contient des nutriments, la plante continuera de croître. Les nutriments sont naturellement présents dans le sol, mais pour d’autres matières (comme le sable, le coton et les essuie-tout), ils peuvent être ajoutés, par exemple sous forme de nourriture végétale liquide. En l’absence de nutriments ajoutés, la plante pousse plus lentement et finit par cesser de croître lorsque l’apport en nutriments stocké dans la graine est épuisé. C’est pourquoi les graines de radis ne poussent pas bien dans les pots avec du sable, du coton ou une serviette en papier sans nourriture végétale.

Les graines de radis poussent généralement mieux sur le coton avec le mélange alimentaire végétal. En effet, le coton est plus efficace pour retenir l’eau que le sol ou les autres substrats, et parce que la nourriture végétale fournit tous les nutriments nécessaires au développement initial de la plante. Si les plantes étaient cultivées pendant une plus longue période, le sol fournirait la meilleure base pour que leurs racines se dilatent, donnant soutien et stabilité aux pousses des plantes.

Comparez les prévisions de vos élèves avec les résultats et discutez de certaines des questions suivantes :

• Quels sont les avantages et les inconvénients de faire pousser des plantes sans terre ?
• Quel pot était le mieux pour faire pousser des plantes et pourquoi ?
• Les plantes ont-elles besoin de terre pour germer ?
• Les plantes ont-elles besoin de terre pour pousser ?

Activité 3 : Comment les plantes transportent-elles l’eau ?

Pour étudier comment l’eau est transportée dans les plantes, les élèves observent comment les pétales de fleurs changent de couleur lorsque du colorant est ajouté à l’eau des plantes. La procédure peut être complétée par de petits groupes de 2 à 4 élèves ou en démonstration en classe. Il faut environ 15 minutes pour terminer la partie pratique de l’activité et un jour pour que les effets de l’expérience deviennent visibles.

Matériaux

Chaque groupe a besoin de :

• Deux fleurs blanches sans racines (coupées à la tige)
• Une fleur blanche avec des racines intactes
• Trois pots ou conteneurs transparents
• Colorant alimentaire rouge ou bleu
• Cuillère

Procédure

Faire comme suit :

1. Remplissez les trois pots d’eau.
2. Ajoutez du colorant alimentaire dans deux des pots et remuez à l’aide d’une cuillère.
3. Placez l’une des deux fleurs sans racine dans un pot avec du colorant alimentaire et l’autre dans le pot sans colorant alimentaire. Placez la fleur avec des racines dans l’autre pot contenant du colorant alimentaire.
4. Selon vos élèves, que se passera-t-il et pourquoi ? Les deux fleurs placées dans de l’eau colorée changeront-elles de couleur ? Demandez-leur d’écrire et / ou de dessiner leurs prédictions dans un classeur.
5. Laissez les fleurs pendant une journée avant de présenter les résultats à vos élèves. Qu’est-il arrivé à chaque fleur ?

Discussion

Les élèves remarqueront que la fleur sans racines change de couleur par rapport au colorant alimentaire, en particulier le long des bords des pétales. En effet, les plantes transportent l’eau à travers leur tige vers d’autres parties de la plante. La fleur avec des racines, cependant, ne change pas de couleur dûe au colorant alimentaire. Les racines agissent comme un filtre, empêchant le colorant alimentaire d’être transporté vers le reste de la plante. Par conséquent, il n’y a aucun changement de couleur.

Comparez les prévisions de vos élèves avec les résultats et discutez de certaines des questions suivantes :

• Pourquoi la fleur aux racines intactes n’a-t-elle pas changé de couleur ?
• Quel était le but d’ajouter une fleur à une tasse contenant uniquement de l’eau ?
• L’eau est-elle essentielle pour les plantes ?

Acttivité 4 : De quoi ont besoin les plantes pour grandir dans l’espace ?

En équipes de trois ou quatre, les élèves appliquent leurs connaissances des activités précédentes pour élaborer une stratégie de croissance des plantes sur la Lune. Les élèves reçoivent une fiche d’information sur la Lune pour les aider à considérer l’environnement spatial particulier.

Matériaux

Chaque groupe aura besoin de :

• Carte d’information sur la Lune^w1

Procédure

Faire comme suit :

1. Lisez la fiche d’information pour en savoir plus sur les conditions sur la Lune, comme son cycle jour-nuit et sa température.
2. Tenez compte des facteurs dont les plantes ont besoin pour se développer. Comment les plantes auront-elles accès à la lumière, à l’eau et aux nutriments sur la Lune ?
3. Élaborez un plan pour faire pousser des plantes sur la Lune, comme construire une serre. Le système peut-il être autonome ? Quel type de plantes pousserait le mieux et pourquoi ?
4. Sélectionnez une personne du groupe pour expliquer la stratégie au reste de la classe.

Discussion

L’un des premiers défis à la croissance des plantes sur la Lune est le manque d’eau liquide et de nutriments. L’eau n’est pas facilement disponible dans les rivières et les océans comme elle l’est sur Terre, et le sol lunaire ne contient pas les nutriments nécessaires à la croissance des plantes. Les élèves pourraient suggérer d’utiliser un système hydroponique pour surmonter ce défi : les plantes sont cultivées dans une solution à base d’eau riche en nutriments sans avoir besoin de sol. L’eau pourrait potentiellement provenir de la glace de surface près des pôles nord et sud de la Lune, qui dans certaines conditions pourrait être convertie en eau liquide.

Un autre défi est le cycle jour-nuit de la Lune. Un jour sur la Lune dure environ le même temps que quatre semaines sur Terre, les plantes devraient donc s’adapter à deux semaines de lumière du jour et deux semaines d’obscurité, ou être placées dans un environnement à lumière contrôlée. Cet environnement devrait être contrôlé en température pour contrer les variations extrêmes de température. De plus, il n’y a pratiquement pas d’atmosphère sur la Lune, les plantes devraient donc être conservées dans un récipient sous pression rempli de gaz. Sans atmosphère de protection, le conteneur aiderait également à protéger les plantes des rayonnements spatiaux.

Pour être durable, le conteneur doit disposer d’un système de recyclage des gaz et de l’eau.

Remerciements

Les auteurs tiennent à remercier Monica Talevi, Christina Toldbo et tous les membres de leur équipe du bureau de l’éducation de l’ESA qui ont contribué au développement de ces activités. Leurs remerciements vont également au scientifique de l’ESA, Christel Paille, pour avoir passé en revue les activités éducatives et fourni des commentaires constructifs et précieux.

Web References

• w1 – La fiche de faits sur la Lune est disponible pour téléchargement dans la section Matériel supplémentaires.

Resources

• D’autres ressources pour en savoir plus sur les plantes dans l’espace sont disponibles sur le site Web de l’ESA :
  • Astroculteur explore les facteurs qui affectent la croissance des plantes.
  • Astrofood étudie les différents composants des plantes et les futurs aliments spatiaux potentiels.
  • L’ Astroculture étudie un cycle de croissance complet pour différentes espèces végétales afin de comprendre la germination et la croissance des plantes.

Institutions

Author(s)

Keith Hardie est professeur de physique et de mathématiques du secondaire à Édimbourg, en Ecosse, et travaillait précédemment au bureau de l’éducation de l’ESA. Cátia Cardoso est une experte en didactique STEM et travaille au bureau de l’éducation de l’ESA au développent de matériel éducatif lié à l’espace. Son bureau est basé au Centre Européen de de Technologie Spatiales (en anglaise : European Space Research and Technology Centre ou ESTEC) à Noordwijk, aux Pays-Bas.

Review

Cet article trés instructif combine deux domaines scientifiques pour créer un projet intéressant pour les jeunes étudiants. Dans l’ensemble des activités, les élèves comprennent les facteurs qui affectent la croissance des plantes et les relient à la croissance des plantes dans l’espace. Toutes les activités sont faciles à mener et pourraient constituer une bonne base pour comprendre les variables de contrôle dans la conception expérimentale. L’article est très utile et peut être utilisé à la fois pour les niveaux élémentaire supérieur et secondaire inférieur.

Dr Christiana Nicolaou, professeure en école primaire, Makedonitissa 3ième école primaire de Makedonitissa, Chypre

License

CC-BY