Wystrzelenie w listopadzie misji NASA Artemis 1 na Księżyc było kolejnym krokiem w podróży, która pewnego dnia doprowadzi ludzi do odwiedzenia naszego najbliższego planetarnego sąsiada, Marsa. Ludzka misja będzie podążać w ślad za wieloma zrobotyzowanymi statkami kosmicznymi, z których ostatnim było lądowanie łazika Perseverance na Czerwonej Planecie w lutym 2021 r. W przypadku wypraw ludzi na Marsa istnieje wiele problemów technologicznych do rozwiązania, m.in. są to ochrona przed promieniowaniem słonecznym i zdrowie załogi, w tym jak najlepiej zapewnić pożywne jedzenie. Celem i wyzwaniem dla wielu ekspertów zajmujących się badaniem tego ostatniego jest uniknięcie ukrytych niedoborów spowodowanych ciągłym spożywaniem liofilizowanej żywności. Dostępność świeżej żywności będzie oczywiście główną korzyścią zdrowotną i psychologiczną, a do tego konieczne będzie uprawianie i zbieranie roślin po drodze. W tym artykule autorzy dokonali przeglądu aktualnych danych i badań dotyczących odżywiania, korzyści medycznych i psychologicznych oraz możliwych metod uprawy roślin w przestrzeni kosmicznej.
Według NASA podczas długich lotów kosmicznych pojawia się pięć głównych zagrożeń: promieniowanie kosmiczne, izolacja i zamknięcie, odległość od Ziemi, niska grawitacja oraz wrogie i zamknięte środowisko statku kosmicznego. Żywe rośliny i świeżo wyhodowana żywność mogą odgrywać ważną rolę we wspieraniu trzech z nich: odżywiania, potrzeb medycznych i psychologii załogi.
Odżywianie
Bilans żywieniowy żywności dostarczanej na misje kosmiczne musi być idealnie dostosowany, aby załoga mogła wytrzymać długą podróż w dobrym zdrowiu
Bilans żywieniowy żywności dostarczanej na misje kosmiczne musi być idealnie dostosowany, aby załoga mogła wytrzymać długą podróż w dobrym zdrowiu. Ponieważ zaopatrzenie z Ziemi będzie trudne, ustalenie właściwej diety i jej dokładnej formy jest celem krytycznym.
Unikanie niedoboru niezbędnych składników odżywczych jest najbardziej oczywistym wyzwaniem, a szczegółowe potrzeby żywieniowe zostały zbadane przez NASA. Okazało się jednak, że znaczna część obecnego „systemu” żywności kosmicznej jest wadliwa. W szczególności długie przechowywanie żywności w temperaturze otoczenia powoduje degradację witamin A, B1, B6 i C.
Skumulowana średnia utrata masy ciała astronautów wynosi 2.4 procent na 100 dni w warunkach mikrograwitacji, nawet przy zastosowaniu rygorystycznych środków zaradczych związanych z ćwiczeniami oporowymi. Wykazano również, że astronauci cierpią na niedobory żywieniowe potasu, wapnia, witaminy D i witaminy K, ponieważ dostarczana żywność nie pozwala im zaspokoić dziennego zapotrzebowania.
Rośliny naturalnie zawierają witaminy i minerały, a natychmiastowe spożycie świeżej żywności pozwoliłoby uniknąć problemu przechowywania. Spożywanie ich byłoby więc świetnym uzupełnieniem liofilizowanej żywności.
Astronauta Scott Kelly opiekował się umierającymi kosmicznymi cyniami z powrotem do zdrowia na ISS. Sfotografował bukiet kwiatów w kopule na tle Ziemi i udostępnił zdjęcie na swoim Instagramie z okazji Walentynek w 2016 roku.
Medycyna
Oprócz witamin i minerałów rośliny syntetyzują wiele różnych metabolitów wtórnych. Związki te mogą być bardzo pomocne w zapobieganiu problemom zdrowotnym. Na przykład kwas foliowy bierze udział w naprawie DNA, ale jego wymagania są spełnione tylko w 64 procent dni lotu. Ponieważ udowodniono, że telomery, zakończenia chromosomów, ulegają znacznym zmianom podczas długich lotów, suplementacja kwasu foliowego poprzez świeże rośliny może pomóc w zmniejszeniu genetycznego starzenia się i występowania raka.
Między innymi warzywa bogate w karotenoidy mogą zapobiegać zniekształceniom oczu spowodowanym mikrograwitacją, podczas gdy dieta z suszonych śliwek może zapobiegać utracie masy kostnej wywołanej promieniowaniem. Wiele roślin zawiera przeciwutleniacze, które mogą być bardzo pomocne w ochronie ludzkiego DNA przed mutacjami wywołanymi promieniowaniem. Jednak dieta roślinna nie wystarczy i należy opracować inne rozwiązania chroniące astronautów przed promieniowaniem.
Psychologia
Oprócz witamin i minerałów rośliny syntetyzują wiele różnych metabolitów wtórnych
Ponieważ izolacja i odległość znacznie obciążają zdrowie psychiczne astronautów, posiłek jest jednym z najważniejszych momentów na poprawę nastroju. Spożywanie liofilizowanej żywności przy każdym posiłku powoduje zmęczenie menu, a astronauci z czasem jedzą mniej. Spożywanie świeżej żywności może zmniejszyć to zmęczenie, nie tylko poprzez zapewnienie różnorodności w formie i konsystencji.
Kolejnym zajęciem korzystnym dla zdrowia psychicznego załogi jest ogrodnictwo. Udowodniono, że uprawa roślin ma niezwykle korzystne działanie, ponieważ może dać astronautom poczucie podróżowania z kawałkiem Ziemi. W niektórych badaniach próbowano znaleźć rośliny o najkorzystniejszych efektach psychologicznych, ponieważ mogą one być bardzo ważnym czynnikiem dla zdrowia psychicznego załogi. Na przykład truskawki mogą poprawić pozytywne reakcje psychologiczne, takie jak wigor i poczucie własnej wartości, zmniejszyć depresję i stres, podczas gdy kolendra może poprawić jakość snu.
Zatem rolnictwo kosmiczne oparte na roślinach jest interesujące na poziomie żywieniowym, psychologicznym i medycznym. Jednak brak miejsca i szczególne warunki uprawy ograniczają liczbę i wybór upraw.
Rzeczywisty wybór wykorzystywanych upraw będzie różny w zależności od zbadanych kryteriów i preferowanej dziedziny (żywienie, psychologia i medycyna). Niektóre rośliny o długim okresie przydatności do spożycia, takie jak pszenica lub ziemniak, mogą być wygodne, ale mają tę wadę, że muszą być gotowane przed spożyciem. Innym czynnikiem, który należy wziąć pod uwagę, jest system reprodukcji i sposób zapylania roślin, ponieważ zwierzęta (takie jak owady) nie mają wstępu na pokład.
Sporządzono listę potencjalnych upraw do uprawy w kosmosie, z których część była już uprawiana na pokładzie. Jako narzędzia ich wyboru autorzy wybrali kryteria żywieniowe i agronomiczne. Tak więc dla efektów psychologicznych smakowi i wyglądowi plonu lub części rośliny jadalnej przypisywano wartość od jednego (min) do czterech (maks.).
Tabela różnych upraw z ich właściwościami żywieniowymi, medycznymi, agronomicznymi i psychologicznymi, odpowiednimi do długich misji w kosmosie.
Uprawa roślin w statku kosmicznym
Kosmos przedstawia dwa główne źródła stresu dla roślin: promieniowanie kosmiczne i mikrograwitację.
Promieniowanie negatywnie wpływa na wzrost roślin i zwiększa ryzyko mutacji genetycznych, dlatego ochrona roślin przed promieniowaniem powinna być priorytetem. Chociaż promieniowanie można powstrzymać za pomocą osłon ołowianych i/lub wodnych, stanowi to dodatkową masę do umieszczenia na orbicie. Dobrym rozwiązaniem, zaczerpniętym z bazy Mars Base Camp firmy Lockheed Martin (2018), jest wykorzystanie magazynu paliwa jako osłony przed promieniowaniem.
Z drugiej strony mikrograwitacja nie wpływa znacząco na wzrost roślin, chociaż może go spowolnić. Jednak reakcja rośliny różni się w zależności od gatunku, ponieważ mikrograwitacja wpływa na ekspresję genomu rośliny. Odkryto, że w warunkach mikrograwitacji rośliny będą wyrażać więcej genów związanych ze stresem, takich jak geny szoku cieplnego, i zwiększą produkcję białek związanych ze stresem. Ponadto stwierdzono, że nasiona mają różne stężenia metabolitów i opóźnione kiełkowanie.
Mikrograwitacja wpływa również na mikrośrodowisko rośliny, takie jak brak ruchu atmosfery, tworzenie niezwykłego składu atmosferycznego i trudności w podlewaniu (ze wsparciem lub bez). W przestrzeni kosmicznej nie ma konwekcji powietrza, więc jeśli stacja uprawowa nie jest wystarczająco wentylowana, jakikolwiek gaz emitowany przez roślinę pozostanie wokół jej powierzchni. Wykazano, że gromadzenie się gazowego etylenu wokół liści roślin powoduje nieprawidłowy rozwój liści. Inne gazy, takie jak dwutlenek węgla, obecne w wysokich stężeniach w statku kosmicznym, mogą być śmiertelne dla niektórych roślin. Ten sam problem pojawia się w przypadku podlewania roślin, dlatego konieczne będzie opracowanie metody, która nie zatopi korzeni.
Reakcja rośliny na środowisko kosmiczne jest trudniejsza do oceny. Niektóre aspekty tego środowiska, takie jak ograniczona przestrzeń, mogą skierować nasz wybór w kierunku odmian karłowatych. Jednak niektóre inne aspekty, takie jak reakcja rośliny na mikrograwitację, różnią się w zależności od gatunku i odmiany. Chociaż eksperymenty muszą być kontynuowane, pewna liczba roślin została już przetestowana i opisana jako zdolna do wzrostu w kosmosie i możemy wykorzystać je jako podstawę.
Opracowanie samowystarczalnej komory roślinnej pokrywającej wszystkie odżywcze potrzeby astronautów może zająć dziesięciolecia, ale wykorzystanie małych komór jako środków uzupełniających mogłoby pomóc załodze z niedoborami witamin i składników odżywczych (które są zmienione w pakowanej żywności) i zmniejszyć zmęczenie dietą.
Mark Vande Hei, Shane Kimbrough, Thomas Pesquet, Akihiko Hoshide i Megan McArthur z załogi Space X Crew-02 pozują ze swoimi zbiorami czerwonej i zielonej papryczki chili na ISS w 2021 r. do badania Plant-Habitat 04.
Bioregeneracyjny system podtrzymywania życia
Spożywanie liofilizowanej żywności przy każdym posiłku powoduje zmęczenie menu, a astronauci z czasem jedzą mniej
W statku kosmicznym ilość miejsca jest ograniczona. Dlatego powodzenie misji zależy od systemów regeneracyjnych wbudowanych w systemy podtrzymywania życia (LSS), które mogą przetwarzać zużytą materię w materię użyteczną. System kontroli środowiska i podtrzymywania życia (ECLSS) zainstalowany na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS) wytwarza tlen i wodę poprzez recykling dwutlenku węgla i moczu; podobny system będzie potrzebny do długich lotów kosmicznych.
Idea bioregeneracyjnego LSS (BLSS) narodziła się w latach 1960. XX wieku i obejmowała produkcję żywności oraz recykling materiałów odpadowych (na przykład odchodów) do ECLSS. BLSS z bakteriami i algami mógłby zostać wykorzystany do recyklingu azotu w odpadach stałych z powrotem w użyteczną formę azotu organicznego, który mogłyby wchłonąć rośliny. Eksperyment zgodny z tą zasadą – Micro Ecological Life Support System Alternative (MELiSSA) – jest opracowywany i prowadzony przez Europejską Agencję Kosmiczną od lat 1990. XX wieku.
Jednakże, ponieważ włączymy wyższe rośliny do BLSS, będziemy musieli zbadać ich integrację z innymi istniejącymi technologiami kontroli środowiska, co stanowi nowe wyzwanie. Określenie kosztów i trwałości tych mniejszych systemów produkcji roślin spożywczych dostarczy krytycznych informacji dla ewolucji w kierunku większego BLSS.
Schemat ideowy drugiego projektu jednostki do wzrostu roślin z porowatej rury.
Opracowanie komory wzrostu roślin
Wykorzystanie systemu hydroponicznego do uprawy roślin jest atrakcyjną możliwością, ponieważ uprawia rośliny w wodzie zamiast polegać na systemie glebopodobnym. To ostatnie zwiększa wagę statku kosmicznego i ryzyko unoszenia się cząstek, dwa aspekty, które czynią go niekorzystnym. Zaawansowane siedlisko roślin (APH) zainstalowane na ISS umożliwiło już hodowanie odmian pszenicy karłowatej przy użyciu systemu hydroponicznego z porowatym systemem nawadniającym osadzonym w module korzeniowym zawierającym arcylit i nawóz o powolnym uwalnianiu.
Aby ułatwić załodze prace ogrodnicze i zapewnić wzrost roślin w optymalnym środowisku, cykl upraw musi być w pełni monitorowany przez komputer. Taki system monitoringu przetestowano w 2018 roku na Antarktydzie. Wykorzystanie częściowo zautomatyzowanego systemu do uprawy roślin zapewni załodze korzyści z obecności roślin w statku kosmicznym (poprzez manipulowanie nimi) i uniknie zbytniego czasochłonnego rolnictwa. Rzeczywiście, pomieszczenie potrzebne do uprawy roślin nie jest jeszcze dokładnie określone, a kilka eksperymentów w środowiskach podobnych do kosmicznych (takich jak HI-SEAS) wykazało, że ta czynność może być długa.
Udowodniono, że uprawa roślin ma niezwykle korzystne działanie, ponieważ może dać astronautom poczucie podróżowania z kawałkiem Ziemi
Wreszcie system produkcji warzyw (Veggie) NASA (uruchomiony w 2014 r.), który zapewnia obszar uprawy 0.11 m², jest doskonałym przykładem jednostki wzrostu roślin, którą można zastosować na pokładzie statku kosmicznego, ponieważ został już przetestowany na ISS. Jeśli chodzi o wymagania dotyczące światła, stosuje się diody LED o dwóch różnych długościach fal: czerwonej (630 nm) i niebieskiej (455 nm), ponieważ rośliny rosną wydajniej przy tych długościach fal. Niezbędna może być również zielona dioda LED, która nada roślinie jej naturalny kolor, ułatwiając w ten sposób identyfikację chorób i przypominając załodze Ziemi.
Mizuna (kapusta japońska), czerwona sałata rzymska i Tokyo bekana (kapusta pekińska) uprawiane w jednostce Veggie w ISS.
Warunki kosmiczne powodują stres zarówno dla ludzi, jak i roślin, dlatego obecnie badane jest projektowanie roślin zdolnych do wzrostu w statkach kosmicznych i pomagających złagodzić niektóre stresy, jakich doświadczają astronauci.
Zidentyfikowano geny zaangażowane w reakcje roślin na stres, ale aby zredukować lub złagodzić te skutki, naukowcy muszą zmodyfikować ekspresję istniejących genów lub dodać do genomów geny adaptacji przestrzennej. Można to osiągnąć za pomocą edycji genów, a niektóre geny kandydujące zostały już szczegółowo zidentyfikowane i zbadane. Na przykład ARG1 (Altered Response to Gravity 1), gen, o którym wiadomo, że wpływa na reakcje grawitacyjne roślin na Ziemi, bierze udział w ekspresji 127 genów związanych z adaptacją do lotów kosmicznych. Stwierdzono, że większość genów zmienionych w ekspresji podczas lotów kosmicznych jest zależna od Arg1, co sugeruje główną rolę tego genu w fizjologicznej adaptacji niezróżnicowanych komórek do lotów kosmicznych. HsfA2 (Heat Shock Factor A2) ma znaczący wpływ na adaptację do lotów kosmicznych, na przykład poprzez biosyntezę skrobi. Celem jest osłabienie genów wywołujących stres i promowanie korzystnych.
Inne geny, zwane genami adaptacji do przestrzeni, takie jak geny związane z promieniowaniem, nadchloranami, karłowatością i niską temperaturą, są potencjalnie warte zbadania, ponieważ pomogłyby roślinom oprzeć się surowym warunkom kosmicznym. Na przykład mikroorganizmy przystosowane do środowisk hipersolnych posiadają geny odporności na promieniowanie UV i nadchlorany. Wiele karłowatych odmian (np. pszenicy) było już uprawianych na ISS, a karłowaty pomidor koktajlowy 'Red Robin' może być uprawiany na ISS w ramach eksperymentu NASA Veg-05.
Możemy również projektować rośliny dla zdrowia astronautów. Promowanie gromadzenia korzystnych związków, wytwarzanie jadalnych roślin w całym ciele w celu zmniejszenia ilości odpadów lub projektowanie roślin do produkcji leków przeciw efektom ubocznym kosmosu u astronautów to możliwe sposoby uczynienia roślin przydatnymi dla załogi.
Na roślinach ziemniaka zastosowano strategię Whole-Body Edible and Elite Plant (WBEEP), dzięki czemu łodygi i liście ziemniaka stały się jadalne poprzez usunięcie z nich solaniny. Aby zahamować jego produkcję, wytwarzające go geny są wyciszane lub mutowane przez edycję genów. Stworzenie tego ziemniaka WBEEP ma zalety, ponieważ jest to łatwa w uprawie roślina, która jest dobrym źródłem energii i okazała się zdolna do wzrostu w trudnych warunkach, takich jak przestrzeń. Rośliny zostały również wzmocnione, aby w pełni zaspokoić zapotrzebowanie organizmu na składniki odżywcze.
Promieniowanie negatywnie wpływa na wzrost roślin i zwiększa ryzyko mutacji genetycznych, dlatego ochrona roślin przed promieniowaniem powinna być priorytetem
Jednym z głównych problemów zdrowotnych astronautów w warunkach mikrograwitacji jest utrata gęstości kości. Nasze kości są stale zrównoważone między wzrostem a resorpcją, umożliwiając kościom reagowanie na uraz lub zmiany w ćwiczeniach. Spędzanie czasu w mikrograwitacji zaburza tę równowagę, przechylając kości w kierunku resorpcji, przez co astronauci tracą masę kostną. Można to leczyć lekiem zwanym parathormonem lub PTH, ale wymaga to regularnych zastrzyków i ma bardzo krótki okres przydatności do spożycia, co jest problematyczne w przypadku długich lotów kosmicznych. Dlatego skonstruowano transgeniczną sałatę, która wytwarza PTH.
Projektowanie roślin zdolnych rosnąć w kosmosie i być użytecznych dla astronautów jest wciąż na wczesnym etapie badań. Jednak jego perspektywy są bardzo obiecujące i są badane przez wszystkie główne agencje kosmiczne. Budowa komory wzrostu roślin w nieprzyjaznym środowisku kosmosu wciąż wymaga pracy. Jednym z wyzwań będzie dodanie bioregeneracyjnej części BLSS do już istniejącego LSS. Kolejnym wyzwaniem jest konieczność lepszego wyboru roślin uprawnych na pokładzie, aby zarówno wytrzymać warunki kosmiczne, jak i zapewnić znaczne plony. Jednak dzięki upowszechnieniu wiedzy z zakresu hodowli roślin, edycja genów w wybranych uprawach pozwoli na ich dalsze przystosowanie do warunków kosmicznych i dopasowanie do potrzeb żywieniowych i zdrowotnych załogi.
Źródło: https://room.eu.com