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NASA(미항공우주국)는 국제우주정거장에서 식물을 키우는 연구를 진행하고 있다. 우주에서 오랜 기간 머무르며 장기 임무를 수행하려면 식물의 재배가 필수적이기 때문이다.
NASA에 따르면 우주선에서 식물을 직접 재배하면 음식으로 사용할 수 있는 것은 물론 우주인들의 호흡으로 발생하는 이산화탄소를 식물의 광합성 작용에 의해 다시 산소로 변화시켜 재사용할 수 있게 해준다. 우주에서 수개월 이상 지속적으로 거주하려면 이는 필수적이다.
겨울에 극한의 기후로 외부와 철저히 차단되는 남극 연구기지의 환경은 좁은 공간에 고립돼 있는 우주선과 유사한 면이 있으며 이런 환경에서는 온실이 최선의 선택이다. 우주에서도 마찬가지로 적용된다.
NASA와 ESA(European Space Agency, 유럽우주기구)는 우주에서 인간이 생존하기 위해 완전하고, 지속가능하며, 경제적이고, 믿을 수 있는 수단으로서 식물 재배가 가능할 수 있는지 알아보기 위해 중력이 극히 미미한 상태에서 식물이 어떻게 적응하는지를 연구했다.
연구원들은 분자수준에서 식물이 어떻게 성장, 발육하는지에 대해 많은 새로운 지식을 얻고 있으며, 이는 지상의 농사에도 큰 도움을 줄 수 있다.
우주정거장에서 EMCS(European Modular Cultivation System, 유럽 조립식 재배 시스템)를 이용해 진행 중인 식물 생태연구는 우주에서 식물의 성장과 세포 내에서의 변화 과정을 알 수 있게 해주고, 식물이 어떻게 반응하는지도 파악할 수 있게 해준다. 과학자들은 현재 이 장비를 이용해 극미 중력 상태에서 모종의 성장을 알아보기 위한 3가지 새로운 연구를 계획하고 있다.
NASA의 존 키스와 ESA의 제비어 메디나 두 책임연구원의 제안을 결합한 모종생장실험은 2015년까지 우주정거장에서 지속적으로 수행될 예정이다. 이 실험을 통해 우주 환경에서 식물이 어떻게 감각하고 반응하는지 알게 될 것이다.
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우주정거장에서 우주비행사들은 통제된 기온과 공기, 제한된 수분공급, 조명, 원심분리기를 이용한 가속상태에서 모종의 생장 상태와 반응을 관찰하며 연구를 진행하게 된다. 연구의 성공 여부는 우주비행사들에 의해 크게 좌우되기 때문에 사전에 철저한 교육은 물론 실시간으로 기내에 설치된 컴퓨터의 지시를 받는다.
지금까지 NASA의 아메스연구센터(Ames Research Center)는 EMCS를 이용한 3가지 실험을 완료했다. 트로피(Tropi) 또는 뿌리 굴광성(Root Phototropism)으로 불리는 2006년 연구에서는 겨자 과의 애기장대(Arabidopsis thaliana)라는 식물 씨앗을 이용해 식물 뿌리가 다양한 수준의 빛과 중력에 어떻게 반응하는지 알아봤다. 연구진은 회전하는 원심분리기를 이용해 이 식물을 여러 수준의 다른 중력 상태에 노출시켰다.
이를 토대로 2010년에는 트로피 2로 명명된 실험이 진행됐다. 두 연구를 통해 어떻게 붉은 빛과 푸른 빛이 각기 다른 중력 아래서 식물의 생장에 영향을 미치는지 알게 됐다. 이 실험으로 얻은 지식은 우주에서 식물에 노출되는 빛의 양을 적절히 조절해 식물 생장에 최적의 조건을 만들 수 있다.
최근에는 노스캐롤라이나 주립대학의 이마라 페레라 교수가 이끄는 식물 신호(Plant Signaling) 우주 연구가 진행되고 있다. 이 연구는 야생 상태와 유전자를 조작한 각각의 애기장대 뿌리와 싹을 이용해 극미 중력과 지구 중력 상태에서 실험을 했다. 실험에 사용된 묘목들의 영상은 우주비행사들이 수확해 나온 씨앗을 보전하기 전에 비행이 끝난 후의 분석을 위해 이미 지구로 전송됐다. 동결된 식물은 2013년 스페이스 엑스 드래곤 우주캡슐(SpaceX Dragon capsule)에 실려 지구로 운반될 예정이다.[BestNocut_R]
이 데이터를 분석하면 식물이 환경의 변화를 감지하고 대응하는데 사용하는 분자 메커니즘을 이해할 수 있을 것이다. 이를 통해 얻은 지식은 오랜 기간 여행과 극미 중력 상태에서 보다 잘 견딜 수 있는 식물을 찾아 내는데 이용될 수 있다.
특별한 환경은 특화된 장비를 필요로 한다. ESA가 제공한 EMCS는 4개의 저장고와 두 개의 원심분리기를 가진 인큐베이터로 이뤄졌다. 두 개의 원심분리기에는 각각 두 개에서 네 개의 실험 용기(Experiment Containers, EC)를 장착할 수 있는데 원심분리기의 회전을 통해 다양한 수준의 중력에서부터 지구 두 배 수준의 중력을 만들어 낼 수 있다.
EMCS는 온도와 습도, 산소와 이산화탄소를 조절할 수 있으며 백색과 적외선 빛이 장착돼 있다. 또 물을 이용해 생물학적 표본들에 대한 실험을 할 수 있다. 비디오 관찰과 촬영, 데이터 처리와 명령 시스템이 설치돼 EC(실험 용기) 안의 상태를 실시간으로 파악할 수 있다. EC는 세포 생물학과 작은 수생동물, 선충, 초파리, 식물을 연구할 수 있는 특화된 시스템이 장착돼 있다.
NASA의 아메스 연구센터는 식물 묘목들, 특히 애기장대를 키울 수 있도록 디자인된 특수 실험 장치를 개발하기 위해 ESA와 긴밀히 협력했다. 기계 설비들은 지금까지 트로피 1, 2 실험과 식물 신호 실험 등을 성공적으로 수행해 왔으며 곧 실시된 묘목 생장 연구에도 이용될 것이다.