Izstrelitev NASA-ine misije Artemis 1 na Luno novembra je pomenila še en korak na potovanju, ki bo nekega dne pripeljalo do tega, da bodo ljudje obiskali našega najbližjega planetarnega soseda Mars. Človeška misija bo sčasoma sledila več robotskim vesoljskim plovilom, zadnja med katerimi je bil pristanek roverja Perseverance na rdečem planetu februarja 2021. Za človeška potovanja na Mars je treba rešiti veliko tehnoloških težav, ključnih med to sta zaščita pred sončnim sevanjem in zdravje posadke, vključno s tem, kako najbolje zagotoviti hranljivo hrano. Osredotočenost in izziv mnogih strokovnjakov, ki preučujejo slednje, je, kako se izogniti latentnim pomanjkljivostim, ki jih povzroča nenehno uživanje liofilizirane hrane. Dostopnost sveže hrane bo očitno velika zdravstvena in psihološka prednost, za to pa bo treba med potjo gojiti in nabirati rastline. V tem članku avtorji pregledujejo trenutne podatke in raziskave v zvezi s prehrano, zdravstvenimi in psihološkimi koristmi ter možnimi metodami gojenja pridelkov v globokem vesolju.
Po podatkih NASA se med dolgimi vesoljskimi leti pojavi pet glavnih nevarnosti: vesoljsko sevanje, izolacija in zaprtost, oddaljenost od Zemlje, nizka gravitacija ter sovražno in zaprto okolje vesoljskega plovila. Žive rastline in sveže pridelana hrana bi lahko igrale pomembno vlogo pri podpori treh od teh: prehrana, zdravstvene potrebe in psihologija posadke.
Prehrana
Prehransko ravnovesje hrane, dobavljene za vesoljske misije, mora biti popolnoma prilagojeno, da lahko posadka dobro preživi dolgo pot
Prehransko ravnovesje hrane, dobavljene za vesoljske misije, mora biti popolnoma prilagojeno, da lahko posadka dobro preživi dolgo pot. Ker bo oskrba z Zemlje težka, je določitev prave prehrane in njene natančne oblike ključni cilj.
Izogibanje kakršnemu koli pomanjkanju bistvenih hranil je najbolj očiten izziv, NASA pa je preučila podrobne prehranske potrebe. Vendar pa se je izkazalo, da je velik del sedanjega vesoljskega "sistema" hrane pomanjkljiv. Natančneje, dolgotrajno shranjevanje hrane v okolju povzroči razgradnjo vitaminov A, B1, B6 in C.
Skupna povprečna izguba teže za astronavte je 2.4 odstotka na 100 dni v mikrogravitaciji, tudi ob strogih protiukrepih proti uporni vadbi. Dokazano je tudi, da astronavti trpijo zaradi prehranskih pomanjkljivosti kalija, kalcija, vitamina D in vitamina K, ker jim zagotovljena hrana ne omogoča izpolnjevanja dnevnih potreb po vnosu.
Rastline naravno vsebujejo vitamine in minerale, s takojšnjim uživanjem sveže hrane pa bi se izognili problemu shranjevanja. Njihovo uživanje bi bilo torej odlično dopolnilo liofilizirani hrani.
Astronavt Scott Kelly je na ISS ozdravil umirajoče vesoljske cinije. Fotografiral je šopek rož v Kupoli na ozadju Zemlje in fotografijo delil na svojem Instagramu za valentinovo leta 2016.
Medicina
Poleg vitaminov in mineralov rastline sintetizirajo veliko različnih sekundarnih metabolitov. Te spojine so lahko v veliko pomoč pri preprečevanju zdravstvenih težav. Na primer, folat sodeluje pri popravljanju DNK, vendar so njegove potrebe izpolnjene le v 64 odstotkih dni letenja. Ker se je izkazalo, da se telomeri, konci kromosomov, med dolgimi poleti znatno spremenijo, bi dodajanje folata s svežimi rastlinami lahko pomagalo zmanjšati genetsko staranje in pojav raka.
Med drugim lahko zelenjava, bogata s karotenoidi, prepreči izkrivljanje oči, ki ga povzroči mikrogravitacija, medtem ko lahko prehrana s suhimi slivami pomaga preprečiti izgubo kosti zaradi sevanja. Številne rastline vsebujejo antioksidante, ki so lahko v veliko pomoč pri zaščiti človeške DNK pred mutacijami, ki jih povzroči sevanje. Vendar rastlinska prehrana ne zadošča in treba je razviti druge rešitve za zaščito astronavtov pred sevanjem.
Psihologija
Poleg vitaminov in mineralov rastline sintetizirajo veliko različnih sekundarnih metabolitov
Ker bosta izolacija in razdalja močno obremenili duševno zdravje astronavtov, je obrok eden najpomembnejših trenutkov za izboljšanje razpoloženja. Uživanje liofilizirane hrane pri vsakem obroku povzroči utrujenost jedilnika in astronavti sčasoma jedo manj. Uživanje sveže hrane lahko zmanjša to utrujenost, nenazadnje z zagotavljanjem raznolikosti v obliki in teksturi.
Druga dejavnost, ki blagodejno vpliva na duševno zdravje posadke, je vrtnarstvo. Gojenje rastlin ima dokazano izjemno blagodejne učinke, saj lahko astronavtom da občutek, da potujejo s koščkom Zemlje. Nekatere študije so skušale najti rastline z najbolj blagodejnimi psihološkimi učinki, saj bi lahko bile zelo pomemben dejavnik za duševno zdravje posadke. Na primer, jagode lahko izboljšajo pozitivne psihološke odzive, kot sta moč in samozavest, zmanjšajo depresijo in stres, medtem ko lahko koriander izboljša kakovost spanja.
Tako je rastlinsko vesoljsko kmetovanje zanimivo na prehranski, psihološki in medicinski ravni. Vendar pa pomanjkanje prostora in posebni rastni pogoji omejujejo število in izbiro pridelkov.
Dejanska izbira uporabljenih pridelkov se bo razlikovala glede na preučena merila in prednostno področje (prehrana, psihologija in medicina). Nekatere rastline z dolgim rokom uporabnosti so lahko primerne, na primer pšenica ali krompir, vendar imajo pomanjkljivost, da jih je treba pred zaužitjem skuhati. Drug dejavnik, ki ga je treba upoštevati, je reproduktivni sistem in način opraševanja rastlin, ker živali (kot so žuželke) niso dovoljene na krovu.
Sestavljen je bil seznam možnih poljščin za gojenje v vesolju, od katerih so nekatere že gojili na krovu. Avtorji so kot orodje za izbiro izbrali prehranske in agronomske kriterije. Tako so za psihološke učinke okusu in videzu pridelka ali užitnega dela rastline pripisali vrednost od ena (min) do štiri (max).
Tabela različnih poljščin z njihovimi prehranskimi, medicinskimi, agronomskimi in psihološkimi lastnostmi, primernimi za dolge misije v vesolju.
Gojenje rastlin v vesoljskem plovilu
Vesolje predstavlja dva glavna vira stresa za rastline: kozmično sevanje in mikrogravitacija.
Sevanje negativno vpliva na rast rastlin in povečuje tveganje za genetske mutacije, zato mora biti zaščita rastlin pred sevanjem prednostna naloga. Čeprav je sevanje mogoče zadržati z uporabo svinčenih in/ali vodnih ščitov, to predstavlja dodatno maso za namestitev v orbito. Dobra rešitev, ki izhaja iz baznega tabora Lockheed Martin Mars Base Camp (2018), je uporaba skladišča goriva kot ščita pred sevanjem.
Po drugi strani pa mikrogravitacija ne vpliva bistveno na rast rastlin, lahko pa jo upočasni. Vendar se odziv rastline razlikuje glede na vrsto, saj mikrogravitacija vpliva na izražanje genoma rastline. Ugotovljeno je bilo, da bodo v mikrogravitaciji rastline izražale več genov, povezanih s stresom, kot so geni za toplotni šok, in povečale proizvodnjo proteinov, povezanih s stresom. Poleg tega je bilo ugotovljeno, da imajo semena različne koncentracije metabolitov in zakasnjeno kalitev.
Mikrogravitacija vpliva tudi na mikrookolje rastline, kot je pomanjkanje gibanja atmosfere, ustvarja nenavadno atmosfersko sestavo in težave pri zalivanju (z ali brez podpore). V vesolju ni zračne konvekcije, tako da če rastna postaja ni dovolj prezračena, bo vsak plin, ki ga oddaja rastlina, ostal okoli njene površine. Dokazano je, da kopičenje plinastega etilena okoli listov rastlin povzroči nenormalen razvoj listov. Drugi plini, kot je ogljikov dioksid, ki so v vesoljskem plovilu prisotni v visokih koncentracijah, so lahko smrtonosni za nekatere rastline. Enaka težava se pojavi pri zalivanju rastlin, zato bo treba razviti metodo, ki ne bo utopila korenin.
Odziv rastline na vesoljsko okolje je težje ovrednotiti. Nekateri vidiki tega okolja, kot je omejen prostor, lahko našo izbiro usmerijo k pritlikavim sortam. Vendar se nekateri drugi vidiki, kot je odziv rastline na mikrogravitacijo, razlikujejo glede na vrsto in sorto. Čeprav je treba poskuse nadaljevati, je bilo določeno število rastlin že preizkušenih in opisanih, da lahko rastejo v vesolju in jih lahko uporabimo kot osnovo.
Razvoj samozadostne rastlinske komore, ki pokriva vse prehranske potrebe astronavtov, bi lahko trajal desetletja, vendar bi uporaba majhnih komor kot dopolnilnih ukrepov lahko pomagala posadki s pomanjkanjem vitaminov in hranil (ki so spremenjeni v pakirani hrani) in zmanjšala utrujenost zaradi prehrane.
Mark Vande Hei, Shane Kimbrough, Thomas Pesquet, Akihiko Hoshide in Megan McArthur iz Space X Crew-02 pozirajo s svojo žetvijo rdeče in zelene paprike na ISS leta 2021 za raziskavo Plant-Habitat 04.
Bioregenerativni sistem za vzdrževanje življenja
Uživanje liofilizirane hrane ob vsakem obroku povzroči utrujenost jedilnika in astronavti sčasoma jedo manj
V vesoljskem plovilu je prostor omejen. Zato je uspeh misije odvisen od regenerativnih sistemov, vgrajenih v Life Support Systems (LSS), ki lahko reciklirajo rabljene snovi v uporabne snovi. Sistem za nadzor okolja in vzdrževanje življenja (ECLSS), nameščen na Mednarodni vesoljski postaji (ISS), proizvaja kisik in vodo z recikliranjem ogljikovega dioksida in urina; podoben sistem bo potreben za dolge vesoljske polete.
Zamisel o bioregenerativnem LSS (BLSS) se je rodila v šestdesetih letih prejšnjega stoletja, da bi vključila proizvodnjo hrane in recikliranje odpadnih materialov (na primer fekalnih snovi) v ECLSS. BLSS z bakterijami in algami bi lahko uporabili za recikliranje dušika v trdnih odpadkih nazaj v uporabno obliko organskega dušika, ki bi ga lahko absorbirale rastline. Eksperiment po tem principu – alternativni mikro ekološki sistem za vzdrževanje življenja (MELiSSA) – razvija in izvaja Evropska vesoljska agencija od devetdesetih let prejšnjega stoletja.
Ker pa v BLSS vključujemo višje rastline, bomo morali proučiti njihovo integracijo z drugimi obstoječimi tehnologijami nadzora okolja, kar predstavlja nov izziv. Določitev stroškov in trajnosti teh manjših sistemov pridelave živilskih pridelkov bo zagotovila ključne informacije za razvoj v smeri večjega BLSS.
Shematski diagram druge zasnove enote za rast rastlin iz poroznih cevi.
Razvijanje komore za rast rastlin
Uporaba hidroponičnega sistema za gojenje poljščin je privlačna možnost, saj rastline gojijo v vodi, namesto da bi se zanašali na sistem, podoben zemlji. Slednje povečuje težo vesoljskega plovila in tveganje, da delci lebdijo naokoli, kar sta dva vidika, zaradi katerih je neugodno. Napredni rastlinski habitat (APH), nameščen v ISS, je že gojil vrsto pritlikave pšenice z uporabo hidroponičnega sistema s sistemom za zalivanje s poroznimi cevmi, vgrajenim v koreninski modul, ki vsebuje arcilit in gnojilo s počasnim sproščanjem.
Da bi posadki olajšali hortikulturne dejavnosti in zagotovili, da rastline rastejo v optimalnem okolju, mora kulturni cikel pridelka v celoti spremljati računalnik. Takšen sistem spremljanja so testirali leta 2018 na Antarktiki. Uporaba delno avtomatiziranega sistema za gojenje pridelkov bo zagotovila, da bo posadka imela koristi od prisotnosti rastlin v vesoljskem plovilu (z manipulacijo z njimi) in preprečila, da bi kmetijstvo postalo preveč zamudno. Prostor, potreben za gojenje rastlin, dejansko še ni natančno definiran in več poskusov v okoljih, podobnih vesolju (kot je HI-SEAS), je pokazalo, da lahko ta dejavnost postane dolgotrajna.
Gojenje rastlin ima dokazano izjemno blagodejne učinke, saj lahko astronavtom da občutek, da potujejo s koščkom Zemlje.
Nazadnje, Nasin Vegetable Production System ali Veggie (izstreljen leta 2014), ki zagotavlja rastočo površino 0.11 m², je odličen primer enote za rast rastlin, ki bi jo lahko uporabili na krovu vesoljskega plovila, saj je bil že preizkušen na ISS. Kar zadeva svetlobne zahteve, se LED diode uporabljajo z dvema različnima valovnoma dolžinama: rdečo (630 nm) in modro (455 nm), saj rastline pri teh valovnih dolžinah rastejo učinkoviteje. Zelena LED bo morda potrebna tudi za naravno barvo rastline, kar bo olajšalo prepoznavanje bolezni in opomnilo posadko na Zemljo.
Mizuna (japonsko zelje), rdeča rimska solata in tokijska bekana (kitajsko zelje), pridelana v enoti Veggie na ISS.
Vesoljske razmere povzročajo stres tako za ljudi kot za rastline, zato se trenutno preučuje zasnova rastlin, ki lahko rastejo v vesoljskih plovilih in pomagajo ublažiti nekatere strese, ki jih doživljajo astronavti.
Ugotovljeni so bili geni, ki sodelujejo pri odzivih rastlin na stres, vendar morajo znanstveniki za zmanjšanje ali ublažitev teh učinkov spremeniti izražanje obstoječih genov ali v genome dodati gene za prilagajanje prostoru. To je mogoče doseči z urejanjem genov in nekateri kandidatni geni so že bili posebej identificirani in raziskani. Na primer, ARG1 (spremenjeni odziv na gravitacijo 1), gen, za katerega je znano, da vpliva na gravitacijske odzive rastlin na Zemlji, je vključen v izražanje 127 genov, povezanih s prilagajanjem vesoljskim poletom. Ugotovljeno je bilo, da je večina genov, spremenjenih v izražanju med vesoljskim poletom, odvisnih od Arg1, kar kaže na pomembno vlogo tega gena pri fiziološki prilagoditvi nediferenciranih celic na vesoljske polete. HsfA2 (faktor toplotnega šoka A2) pomembno vpliva na prilagajanje vesoljskim poletom, na primer z biosintezo škroba. Cilj je oslabiti gene, ki povzročajo stres, in spodbujati koristne.
Drugi geni, imenovani geni za prilagajanje prostoru, kot so geni, povezani s sevanjem, perkloratom, pritlikavostjo in nizkimi temperaturami, so potencialno vredni preučevanja, saj bi pomagali rastlinam, da se uprejo težkim razmeram v vesolju. Na primer, mikroorganizmi, prilagojeni na hiperslana okolja, imajo gene za UV odpornost in odpornost na perklorat. Številne pritlikave sorte (npr. pšenice) so že gojili na ISS in pritlikavi češnjev paradižnik 'Red Robin' bi lahko gojili na ISS kot del Nasinega eksperimenta Veg-05.
Oblikujemo lahko tudi rastline za zdravje astronavtov. Spodbujanje kopičenja koristnih spojin, izdelava užitnih rastlin za celotno telo za zmanjšanje odpadkov ali načrtovanje rastlin za proizvodnjo zdravil proti stranskim učinkom vesolja na astronavte so možni načini, kako narediti rastline uporabne za posadko.
Na rastlinah krompirja je bila uporabljena strategija užitne in elitne rastline celega telesa (WBEEP), pri čemer so stebla in listi krompirja postali užitni z odstranitvijo solanina iz njih. Za zaviranje njegove proizvodnje se geni, ki ga proizvajajo, utišajo ali mutirajo z urejanjem genov. Ustvarjanje tega krompirja WBEEP ima prednosti, saj je rastlina, ki jo je enostavno gojiti in je dober vir energije ter se je izkazala za sposobnost rasti v težkih razmerah, kot je prostor. Rastline so bile tudi obogatene, da so v celoti zadovoljile potrebe človeškega telesa po hranilih.
Sevanje negativno vpliva na rast rastlin in povečuje tveganje za genetske mutacije, zato mora biti zaščita rastlin pred sevanjem prednostna naloga
Ena od glavnih težav za zdravje astronavtov v mikrogravitaciji je izguba kostne gostote. Naše kosti so nenehno v ravnovesju med rastjo in resorpcijo, kar omogoča kostem, da se odzovejo na poškodbe ali spremembe v vadbi. Preživljanje časa v mikrogravitaciji poruši to ravnovesje in nagne kosti proti resorpciji, zato astronavti izgubijo kostno maso. To je mogoče zdraviti z zdravilom, imenovanim paratiroidni hormon ali PTH, vendar zahteva redne injekcije in ima zelo kratek rok uporabnosti, kar je problematično pri dolgih vesoljskih poletih. Zato je bila izdelana transgena solata, ki proizvaja PTH.
Oblikovanje rastlin, ki bi lahko rasle v vesolju in bile uporabne za astronavte, je še v zgodnji fazi raziskav. Vendar so njegovi obeti zelo obetavni in jih preučujejo vse večje vesoljske agencije. Gradnja komore za rast rastlin v neprijaznem okolju vesolja še vedno zahteva delo. Eden od izzivov bo že obstoječemu LSS dodati bioregenerativni del BLSS. Drug izziv je potreba po boljši izbiri poljščin, ki jih je treba gojiti na krovu, da bi zdržale vesoljske pogoje in ponudile znatne donose. Toda zahvaljujoč širjenju znanja o žlahtnjenju rastlin bo urejanje genov v izbranih pridelkih omogočilo njihovo nadaljnjo prilagoditev na vesoljske razmere in ustrezalo prehranskim in zdravstvenim potrebam posadke.
Vir: https://room.eu.com