De voorbereidingen voor missies die over een jaar of tien mensen op Mars moeten laten landen, zijn al in volle gang. Maar wat moeten de mensen eten als deze missies uiteindelijk leiden tot de permanente kolonisatie van de rode planeet?
Als (als) de mens eenmaal op Mars is, is het een grote uitdaging voor elke kolonie om een stabiele voedselvoorziening te genereren. De enorme kosten van lancering en bevoorrading vanaf de aarde zullen dat onpraktisch maken.
Mensen op Mars zullen niet langer volledig afhankelijk moeten zijn van verscheepte vracht en een hoog niveau van zelfvoorzienende en duurzame landbouw moeten bereiken.
De recente ontdekking van vloeibaar water op Mars – die nieuwe informatie toevoegt aan de vraag of we leven op de planeet zullen vinden – verhoogt de mogelijkheid van het gebruik van dergelijke voorraden om te helpen voedsel te verbouwen.
Maar water is slechts een van de vele dingen die we nodig zullen hebben als we genoeg voedsel op Mars willen verbouwen.
Wat voor soort voedsel?
Vorige werkzaamheden hebben het gebruik van microben als een bron van voedsel op Mars gesuggereerd. Het gebruik van hydrocultuurkassen en gecontroleerde omgevingssystemen, vergelijkbaar met een systeem dat wordt getest aan boord van het internationale ruimtestation om gewassen te telen, is een andere optie.
Deze maand bieden we in het tijdschrift Genes een nieuw perspectief op basis van het gebruik van geavanceerde synthetische biologie om de potentiële prestaties van plantaardig leven op Mars te verbeteren.
Synthetische biologie is een snel groeiend veld. Het combineert principes van engineering, DNA-wetenschap en computerwetenschap (naast vele andere disciplines) om levende organismen nieuwe en verbeterde functies te geven.
Niet alleen kunnen we DNA lezen, maar we kunnen ook biologische systemen ontwerpen, ze testen en zelfs hele organismen bouwen. Gist is slechts één voorbeeld van een industrieel werkpaard, een microbe, waarvan het volledige genoom momenteel door een internationaal consortium opnieuw wordt ontworpen.
De technologie is zo ver gevorderd dat precisie-genetica en automatisering nu kunnen worden samengevoegd in geautomatiseerde robotfaciliteiten, biofoundries genaamd.
Deze biofoundries kunnen miljoenen DNA-ontwerpen parallel testen om de organismen te vinden met de kwaliteiten waarnaar wij op zoek zijn.
Mars: Aardachtig maar niet Aarde
Hoewel Mars het meest op de Aarde lijkt van onze buurplaneten, verschillen Mars en de Aarde in veel opzichten.
De zwaartekracht op Mars is ongeveer een derde van die op de Aarde. Mars ontvangt ongeveer de helft van het zonlicht dat wij op aarde krijgen, maar veel hogere niveaus van schadelijke ultraviolette (UV) en kosmische stralen. De oppervlaktetemperatuur van Mars is ongeveer -60 ℃ en het heeft een dunne atmosfeer voornamelijk gemaakt van kooldioxide.
In tegenstelling tot de bodem van de aarde, die vochtig is en rijk aan voedingsstoffen en micro-organismen die plantengroei ondersteunen, is Mars bedekt met regolith. Dit is een dor materiaal dat perchloraatchemicaliën bevat die giftig zijn voor de mens.
Ook – ondanks de laatste vondst van meren onder de grond – bestaat water op Mars meestal in de vorm van ijs, en de lage atmosferische druk van de planeet zorgt ervoor dat vloeibaar water kookt bij ongeveer 5℃.
Planten op aarde zijn honderden miljoenen jaren geëvolueerd en aangepast aan aardse omstandigheden, maar ze zullen niet goed groeien op Mars.
Dit betekent dat aanzienlijke hulpbronnen die schaars en onbetaalbaar zouden zijn voor mensen op Mars, zoals vloeibaar water en energie, zouden moeten worden toegewezen om efficiënte landbouw te bereiken door kunstmatig optimale groeicondities voor planten te creëren.
Planten aanpassen aan Mars
Een rationeler alternatief is om synthetische biologie te gebruiken om gewassen specifiek voor Mars te ontwikkelen. Deze formidabele uitdaging kan worden aangepakt en versneld door het bouwen van een plant-gerichte Mars biofoundry.
Een dergelijke geautomatiseerde faciliteit zou in staat zijn om de engineering van biologische ontwerpen en het testen van hun prestaties onder gesimuleerde Mars-omstandigheden te versnellen.
Met voldoende financiering en actieve internationale samenwerking zou een dergelijke geavanceerde faciliteit veel van de eigenschappen die nodig zijn om gewassen op Mars te laten gedijen binnen een decennium kunnen verbeteren.
Dit omvat het verbeteren van de fotosynthese en de fotoprotectie (om planten te helpen beschermen tegen zonlicht en UV-stralen), alsmede de droogte- en koudetolerantie van planten, en het ontwikkelen van functionele gewassen met een hoge opbrengst. We moeten ook microben modificeren om de bodemkwaliteit op Mars te ontgiften en te verbeteren.
Dit zijn allemaal uitdagingen die binnen de mogelijkheden van de moderne synthetische biologie liggen.
Voordelen voor de aarde
De ontwikkeling van de volgende generatie gewassen die nodig is om de mens op Mars in leven te houden, zou ook grote voordelen hebben voor de mensen op aarde.
De groeiende wereldbevolking doet de vraag naar voedsel toenemen. Om aan deze vraag te voldoen moeten we de landbouwproduktiviteit verhogen, maar we moeten dit doen zonder ons milieu negatief te beïnvloeden.
De beste manier om deze doelstellingen te bereiken zou zijn de gewassen te verbeteren die reeds op grote schaal worden gebruikt. Het opzetten van faciliteiten zoals de voorgestelde Mars Biofoundry zou de doorlooptijd van het plantenonderzoek enorm verkorten, met alle gevolgen van dien voor de voedselzekerheid en de bescherming van het milieu.
Dus uiteindelijk zou de belangrijkste begunstigde van de inspanningen om gewassen voor Mars te ontwikkelen de aarde zijn.