Astroagricultor: como cultivar plantas no espaço Teach article

Investigue os fatores que afetam o crescimento das plantas e elabore um plano para cultivar plantas na Lua.

Quanto pensamos em exploração espacial, o cultivo e a agricultura não são, normalmente, as primeiras coisas que vêm à cabeça. Embora tenham sido companhia da Civilização humana durante milénios, estas atividades essenciais estão rapidamente a tornar-se uma parte integral da investigação para permitir a exploração espacial. Presentemente, a única “colónia” no espaço é a Estação Espacial Internacional (ISS), que é fornecida de ar, comida e água a partir da Terra. Cada astronauta precisa, aproximadamente, de 1 kg de oxigénio, 1 kg de comida desidratada e 3 litros de água por dia. O fornecimento destes mantimentos a todos os astronautas a bordo da ISS é dispendioso e impraticável para missões espaciais longas. Se a humanidade pretende explorar mais fundo no cosmos, terão de se cultivar plantas em vôo – como fonte de alimentação e mais.

Astronauts plan to grow food on future spacecraft and other planets to enable self-sufficient space exploration
Os astronautas tencionam cultivar alimentos em naves futuras e noutros planetas de forma a permitir a exploração espacial de forma auto-suficiente.
NASA

Cultivar plantas no espaço

No espaço, as condições necessárias para as plantas crescerem (tais como água, luz, nutrientes e uma temperatura adequada) são difíceis de realizar. Isto torna a tarefa de cultivar plantas no espaço desafiante – mas não impossível. Em 2015, membros da tripulação da Expedição ISS 44 tiveram a sua primeira prova de comida cultivada no espaço quando recolheram uma alface vermelha romena desenvolvida como parte da experiência com plantas da NASA (Veg-01). Desde então, os cientistas têm pesquisado novas formas de cultivar outras plantas no espaço.

Quando se escolhe que plantas cultivar, uma variedade de fatores é considerada – tais como o valor nutricional e a produção. Dois candidatos preferidos são batatas e trigo-anão: ambos são alimentos ricos em hidratos de carbono com elevado conteúdo calórico, pelo que podem ajudar a fornecer aos astronautas energia suficiente para os aguentar durante toda uma longa missão. São, também, plantas robustas, adaptáveis à maior parte das condições na Terra e fornecem uma elevada produção sem ocupar muito espaço enquanto crescem.

Um sistema autossuficiente

As plantas não são só úteis no espaço como alimento: os astronautas esperam usar plantas para criar um circuito autossuficiente que lhes forneça todo o oxigénio, água e comida que precisam – sem qualquer reabastecimento vindo da Terra. Durante mais de 25 anos, a Agência Espacial Europeia (ESA) tem estado a trabalhar tendo em vista este objetivo com o seu programa Micro-Ecological Life Support System Alternative (MELiSSA). O projeto ambiciona aperfeiçoar um sistema de suporte de vida que possa voar para o espaço. Resíduos humanos (tais como urina e dióxido de carbono expirado) dariam às plantas os ingredientes essenciais para o seu crescimento e, por seu lado, as plantas forneceriam oxigénio e alimentos aos humanos, bem como a filtragem de água residual. Esta área de investigação tem também o potencial de criar métodos para a produção de mais alimentos de forma sustentável na Terra.

Condições para o crescimento das plantas

Nas atividades seguintes, os alunos aprendem sobre os elementos básicos que as plantas precisam para crescer. Depois de completar as atividades 1-3, os alunos aplicam o que aprenderam sobre o crescimento das plantas na atividade 4, na qual exploram como crescer plantas no espaço – um desafio na vida real que os cientistas hoje enfrentam.

As atividades utilizam materiais simples que se encontram em casa e são adequadas para alunos com idades dos oito aos doze. Os procedimentos requerem um pequeno número de vasilhas ou recipientes: nós construímo-los a partir de velhas garrafas de plástico ao cortar fora o terço do fundo da garrafa e usando-o como um frasco.

Atividade 1: As plantas precisam de luz?

Procedure for activity 1, which explores whether plants need light
Procedimento para a atividade 1, que explora se as plantas precisam de luz
ESA

Trabalhando em grupos de dois a quatro, os alunos investigam como cresce agrião em diferentes condições de iluminação: escuridão constante e o ciclo dia-noite normal. Levam 30 minutos para completar a parte de mãos-na-massa desta atividade e aproximadamente uma semana para o agrião crescer depois de ser semeado.

Materiais

Cada grupo necessita de:

  • Sementes de agrião
  • Dois frascos ou vasilhas idênticos
  • Solo para vasos
  • Pequena pá ou colher
  • taça ou copo de medição
  • Caixa de cartão ou uma bancada escura
  • Etiquetas auto-adesivas
  • Marcador

Procedimento

Instrua os grupos como segue:

  1. Utilizando uma pequena pá ou colher, encham os dois frascos com o solo, deixando cerca de 1 cm de espaço no topo de cada frasco
  2. Numerem os frascos 1 e 2 utilizando as etiquetas auto-adesivas e um marcador. Escrevam também os vossos nomes de forma a poder distingui-los de outros frascos, mais tarde.
  3. Espalhem 10-20 sementes de agrião por cima do solo de cada frasco, garantindo que adicionam, aproximadamente, o mesmo número de sementes a cada frasco.
  4. Cubram as sementes de agrião com solo extra.
  5. Encham uma taça ou copo de medição com água. Adicionem, aproximadamente, a mesma quantidade de água a cada frasco, garantido que o solo fica húmido.
  6. Coloquem o frasco número 1 numa caixa de cartão ou numa bancada escura e o frasco número 2 perto de uma janela onde fique exposto à luz solar.
  7. O que prevêem os seus alunos que irá acontecer e porquê? O que acontecerá se uma planta não receber a luz do Sol? Peça-lhes que escrevam e/ou desenhem as suas previsões num caderno de apontamentos.
  8. Deixe o agrião crescer durante, aproximadamente, uma semana. Não deve precisar de mais água durante este período de tempo. No final da semana decorrida, os alunos podem recolher os seus frascos. Que diferenças observam eles entre os dois frascos em cada grupo?

Discussão

Os alunos observarão que o agrião que cresceu às escuras tem caules brancos e folhas amarelas em contraste com o agrião que cresceu com um ciclo normal dia-noite, que tem caules verdes e folhas verde-claras. Isto porque na ausência de luz as plantas não desenvolvem nenhuma clorofila – o pigmento que dá às plantas a sua saudável cor verde. O agrião que cresceu às escuras deve ser, também, substancialmente mais alto, tendo usado a energia armazenada nas sementes para acelerar o seu crescimento na busca de luz.

Compare as previsões dos alunos com os seus resultados e discuta algumas das seguintes questões:

  • Que planta está mais saudável e porquê?
  • Quão importante é a luz para o crescimento saudável das plantas?
  • As plantas precisam de luz para germinarem?
  • As plantas precisam de luz para crescerem após a germinação?

Atividade 2: As plantas precisam de solo?

Na turma, como um todo, os alunos semeiam sementes de rabanete em diferentes materiais para determinar quais são os melhores para o crescimento de plantas. A parte “mãos-na-massa” desta atividade demora cerca de 30 minutos, com um período de espera de uma semana.

Materiais

  • 16 sementes de rabanete
  • Oito vasos ou contentores transparentes
  • Uma pequena pá ou colher
  • taça ou copo de medição
  • Alimento líquido para plantas
  • Película aderente
  • Etiquetas auto-adesivas
  • Marcador

Os seguintes materiais, cada um para encher dois recipientes:

  • Solo
  • Areia
  • Algodão absorvente
  • Guardanapos de papel
Materials for activity 2, which investigates whether plants need soil
Materiais para a atividade 2, que investiga se as plantas precisam de solo
ESA

Procedimento

Peça a cada aluno para cumprir os passos do seguinte procedimento de forma individual:

  1. Numere os vasos 1-8 usando etiquetas auto-adesivas e um marcador.
  2. Usando uma pequena pá ou uma colher, coloque solo nos vasos 1 e 2.
  3. Coloque areia nos vasos 3 e 4.
  4. Coloque algodão absorvente nos vasos 5 e 6.
  5. Amarfanhe os guardanapos de papel em bolas e coloque-os nos vasos 7 e 8.
  6. Encha uma taça ou copo de medição com água. Adicione, aproximadamente, a mesma quantidade de água aos vasos 1, 3, 5 e 7, garantindo que o material fica húmido.
  7. Encha a taça outra vez com água e adicione alimentação de plantas. Junte a solução aos vasos 2, 4, 6 e 8. Garanta que adiciona, aproximadamente, a mesma quantidade de líquido que adicionou no passo anterior.
  8. Adicione duas sementes de rabanete a cada vaso e coloque película aderente por cima.
  9. Coloque todos os vasos perto de uma janela, i.e., em condições idênticas.
  10. O que prevêem os seus alunos que irá acontecer? Crescerão as plantas em todos os quatro materiais? Em que vaso vão as plantas crescer melhor? Como pode a alimentação líquida de plantas afetar o seu crescimento? Peça-lhes que escrevam e/ou desenhem as suas previsões num caderno.
  11. Deixe as plantas crescer durante uma semana antes de apresentar os vasos aos alunos. Como se desenvolveu cada planta?

Discussão

Os alunos podem ficar surpreendidos ao descobrir que as sementes germinam em todos os oito vasos. Isto porque as sementes já contêm alguns nutrientes que permitem às plantas começar a crescer. Se o substrato contém nutrientes a planta continua a crescer. Os nutrientes estão naturalmente presentes no solo mas para outros materiais (tais como areia, algodão absorvente e guardanapos de papel) podem ser adicionados, por exemplo, na forma de alimento líquido para plantas. Na ausência de nutrientes adicionais, a planta cresce mais devagar quando a reserva de nutrientes armazenada na semente se esgota. É por isso que as sementes de rabanete não crescem bem em vasos com areia, algodão absorvente ou guardanapos de papel sem alimentação para plantas.

As sementes de rabanete normalmente crescem melhor em algodão absorvente com a mistura alimentar para plantas. Isto porque o algodão absorvente é mais eficiente a segurar água do que o solo ou outros substratos e porque a alimentação para plantas fornece todos os nutrientes necessários para o desenvolvimento inicial. Se as plantas crescessem durante um período mais longo o solo forneceria a melhor base para as suas raízes se expandirem, dando apoio e estabilidade aos rebentos.

Compare as previsões dos seus alunos com os resultados e discuta algumas das seguintes questões:

  • Quais são as vantagens e desvantagens do crescimento de plantas sem solo?
  • Qual o melhor vaso para o crescimento de plantas? Porquê?
  • As plantas precisam de solo para germinar?
  • As plantas precisam de solo para crescerem?

Ação 3: Como é que as plantas transportam água?

Procedure for activity 3, which looks at how water is transported in plants
O procedimento da atividade 3 que observa como é transportada a água em plantas
ESA

Para investigar como é a água transportada dentro das plantas, os alunos observam como as pétalas de uma flor mudam de cor quando se adiciona corante à água para plantas. O procedimento pode ser realizado por pequenos grupos de 2-4 alunos ou como demonstração em sala de aula. A parte “mãos na massa” da atividade demora cerca de 15 minutos e leva um dia para os efeitos da experiência se tornarem visíveis.

Materiais

Cada grupo necessita de:

  • Duas flores brancas sem raízes (cortá-las pelo caule)
  • Uma flor branca com as raízes intactas
  • Três vasos ou recipientes transparentes
  • Corante alimentar vermelho ou azul
  • Colher

Procedimento

Instruir o grupo como segue:

  1. Encha os três vasos com água.
  2. Adicione corante alimentar a dois dos vasos e mexa, usando uma colher
  3. Coloque uma das duas flores sem raízes num vaso com corante alimentar e a outra no vaso sem corante alimentar. Coloque a flor com raízes no outro vaso que contém corante alimentar.
  4. O que prevêem os seus alunos que irá acontecer e porquê? Será que ambas as flores colocadas em água colorida vão mudar de cor? Peça-lhes para escreverem e/ou desenharem as suas previsões num caderno.
  5. Deixe as flores durante um dia antes de apresentar os resultados aos seus alunos. O que aconteceu a cada flor?

Discussão

Os alunos vão observar que a flor sem raiz muda de cor devido ao corante alimentar, especialmente ao longo dos bordos das pétalas. Isto acontece porque as plantas transportam a água através do seu caule para outras partes da planta. A flor com raízes, contudo, não muda de cor devido ao corante alimentar. As raízes funcionam como um filtro, evitando que o corante alimentar seja transportado para o resto da planta. Como resultado, não há alteração de cor.

Compare as previsões dos seus alunos com os resultados e discuta algumas das seguintes questões:

Porque não mudou a flor com raízes intactas a sua cor?

Qual foi a razão para colocar uma flor num vaso que continha apenas água?

É a água essencial para as plantas?

Atividade 4: O que precisam as plantas para crescerem no espaço?

Em grupos de três ou quatro, os alunos aplicam o seu conhecimento das atividades anteriores para propôr uma estratégia para o crescimento de plantas na Lua. Dá-se um cartão com factos sobre a Lua aos alunos para os ajudar a considerar o ambiente particular que é o espaço.

Materiais

Cada grupo vai precisar de:

Cartão “Factos Lunares” w1

Procedimento

Instrua o grupo como segue:

Leia o cartão de factos para aprenderem sobre as condições na Lua, tais como o seu ciclo dia-noite e a temperatura.

Considerem os fatores que as plantas precisam para crescerem. Como acederão as plantas à luz, água e nutrientes na Lua?

Elaborem um plano para o crescimento de plantas na Lua, tais como a construção de uma estufa. Pode esse sistema ser autossustentável? Que tipo de plantas cresceriam melhor e porquê?

Escolham uma pessoa do grupo para explicar a estratégia ao resto da turma.

Discussão

Um dos primeiros desafios para o crescimento de plantas na Lua é a falta de água líquida e nutrientes. A água não está facilmente disponível em rios e oceanos como na Terra e o solo lunar não contém os nutrientes necessários para o crescimento de plantas. Os alunos poderiam sugerir a utilização de um sistema hidropónico para ultrapassar este desafio: as plantas crescem numa solução aquosa rica em nutrientes sem necessidade de solo. A água pode, potencialmente, ser captada de gelo superficial perto dos polos norte e sul da Lua que, sob certas condições, pode ser convertido em água líquida.

Um outro desafio é o ciclo lunar dia-noite. Um dia na Lua demora, aproximadamente, o mesmo tempo que quatro semanas na Terra, pelo que as plantas precisariam de se adaptar a duas semanas de dia e duas de escuridão, ou serem colocadas num ambiente de luz controlada. Este ambiente teria de ser também controlado em temperatura, para compensar as extremas variações de temperatura. Além disso, virtualmente não há atmosfera na Lua pelo que as plantas teriam de ser mantidas num recipiente pressurizado cheio de gases. Sem uma atmosfera de proteção, o recipiente também ajudaria a proteger as plantas da radiação espacial.

De forma a ser sustentável, o recipiente deve ter um sistema para a reciclagem de gases e água.

Agradecimentos

Os autores agradecem a Monica Talevi, Christina Toldbo e toda a sua equipa no gabinete de educação da ESA pela sua contribuição para o desenvolvimento destas atividades. Também agradecem ao cientista da ESA Christel Paille por rever as atividades educativas e fornecer comentários construtivos e valiosos.


Web References

  • w1 – o cartão de factos lunares está disponível para download da secção de materiais adicionais.

Resources

  • Mais recursos para aprender sobre plantas no espaço estão disponíveis no site da ESA:
    • Astrofarmer explora os fatores que afetam o crescimento das plantas.
    • Astrofood investiga os diferentes componentes das plantas e potencial futura alimentação espacial.
    • Astrocrops estuda um ciclo de crescimento completo para diferentes espécies de plantas de forma a compreender melhor o processo de germinação e crescimento das plantas.

Institutions

ESA

Author(s)

Este esclarecedor artigo combina duas áreas da ciência para criar um projeto interessante para jovens alunos. No conjunto de atividades, estes compreendem os fatores que afetam o crescimento de plantas e relacionam-nos com o crescimento de plantas no espaço. Todas as atividades são de fácil implementação e podem ser uma boa base para a compreensão de variáveis de controlo no desenho experimental. Este artigo é muito útil e pode ser usado tanto no 3º ciclo como no Secundário (10º-11º).


Review

This enlightening article combines two areas of science to create an interesting project for young students. In the set of activities, students understand the factors that affect plant growth and relate these to growing plants in space. All activities are easy to conduct and could be a good basis for understanding control variables in experimental design. The article is very useful and can be used for both upper elementary and lower secondary levels.

Dr Christiana Nicolaou, professora de 1º ciclo, Makedonitissa 3rd primary school, Chipre

License

CC-BY