Lansiranje NASA-ine misije Artemis 1 na Mjesec u novembru označilo je još jedan korak na putovanju koje će jednog dana dovesti do posjete ljudi našem najbližem planetarnom susjedu, Marsu. Ljudska misija će na kraju uslijediti za petama višestrukih robotskih svemirskih letjelica, od kojih je najnovija bila slijetanje rovera Perseverance na crvenu planetu u februaru 2021. Za ljudska putovanja na Mars potrebno je riješiti mnoga tehnološka pitanja, ključna među oni su zaštita od sunčevog zračenja i zdravlje posade, uključujući kako najbolje osigurati hranljivu hranu. Fokus i izazov za mnoge stručnjake koji proučavaju potonje je kako izbjeći latentne nedostatke uzrokovane stalnom konzumacijom smrzavanja sušene hrane. Dostupnost svježe hrane očito će biti velika zdravstvena i psihološka prednost, a za to će biti potrebno uzgajati i ubirati biljke na putu. U ovom članku autori razmatraju trenutne podatke i istraživanja o ishrani, medicinskim i psihološkim prednostima, te mogućim metodama uzgoja usjeva u dubokom svemiru.
Prema NASA-i, pet glavnih opasnosti javlja se tokom dugih svemirskih letova: svemirsko zračenje, izolacija i zatvorenost, udaljenost od Zemlje, niska gravitacija i neprijateljsko i zatvoreno okruženje svemirskog broda. Žive biljke i svježe uzgojena hrana mogu igrati glavnu ulogu u podržavanju tri od njih: ishrana, medicinske potrebe i psihologija posade.
ishrana
Nutritivna ravnoteža hrane koja se isporučuje za svemirske misije mora biti savršeno prilagođena kako bi posada izdržala dugo putovanje u dobrom zdravlju
Nutritivna ravnoteža hrane koja se isporučuje za svemirske misije mora biti savršeno prilagođena kako bi posada izdržala dugo putovanje dobrog zdravlja. Kako će snabdijevanje sa Zemlje biti teško, određivanje tačno prave ishrane i njenog preciznog oblika je ključni cilj.
Izbjegavanje bilo kakvog nedostatka esencijalnih nutrijenata je najočitiji izazov, a NASA je proučavala detaljne prehrambene potrebe. Međutim, pokazalo se da je veći dio sadašnjeg svemirskog 'sistema hrane' manjkav. Konkretno, dugo skladištenje hrane u ambijentu izaziva razgradnju vitamina A, B1, B6 i C.
Kumulativni srednji gubitak težine za astronaute je 2.4 posto na 100 dana u mikrogravitaciji, čak i uz stroge mjere otpora. Pokazalo se i da astronauti pate od nutritivnih nedostataka kalijuma, kalcijuma, vitamina D i vitamina K jer im isporučena hrana ne dozvoljava da zadovolje dnevne potrebe za unosom.
Biljke prirodno sadrže vitamine i minerale, a neposredna konzumacija svježe hrane izbjegla bi problem skladištenja. Njihova konzumacija bi stoga bila odličan dodatak liofiliziranoj hrani.
Astronaut Scott Kelly vratio je zdravlje umirućim svemirskim cinijama na ISS. Fotografisao je buket cvijeća u Kupoli na pozadini Zemlje i podijelio fotografiju na svom Instagramu za Dan zaljubljenih 2016. godine.
lijek
Osim vitamina i minerala, biljke sintetiziraju mnogo različitih sekundarnih metabolita. Ova jedinjenja mogu biti od velike pomoći u prevenciji zdravstvenih problema. Na primjer, folat je uključen u popravku DNK, ali se njegovi zahtjevi ispunjavaju u samo 64 posto dana leta. Kako se pokazalo da se telomeri, kraj hromozoma, značajno mijenjaju tokom dugih letova, dodatak folata putem svježih biljaka mogao bi pomoći u smanjenju genetskog starenja i pojave raka.
Između ostalih primjera, povrće bogato karotenoidima moglo bi spriječiti izobličenje oka uzrokovano mikrogravitacijom, dok ishrana sa suvim šljivama može pomoći u sprečavanju gubitka kostiju izazvanog zračenjem. Mnoge biljke sadrže antioksidanse koji mogu biti od velike pomoći u zaštiti ljudske DNK od mutacija izazvanih zračenjem. Međutim, ishrana na biljnoj bazi nije dovoljna i moraju se razviti druga rješenja za zaštitu astronauta od zračenja.
psihologija
Osim vitamina i minerala, biljke sintetiziraju mnogo različitih sekundarnih metabolita
Kako će izolacija i udaljenost značajno opteretiti mentalno zdravlje astronauta, obrok je jedan od najvažnijih trenutaka za poboljšanje raspoloženja. Konzumiranje zamrznute sušene hrane pri svakom obroku stvara zamor na jelovniku i astronauti imaju tendenciju da jedu manje s vremenom. Konzumiranje svježe hrane može smanjiti ovaj umor, ne samo u pružanju raznolikosti u obliku i teksturi.
Još jedna aktivnost koja je korisna za mentalno zdravlje posade je hortikultura. Dokazano je da uzgoj biljaka ima izuzetno korisne efekte, jer može dati astronautima osjećaj da putuju s komadom Zemlje. Neka istraživanja su pokušala pronaći biljke s najpovoljnijim psihološkim efektima, jer bi mogle biti vrlo važan faktor za mentalno zdravlje posade. Na primjer, jagode mogu poboljšati pozitivne psihološke reakcije, kao što su snaga i samopoštovanje, smanjiti depresiju i stres, dok korijander može poboljšati kvalitet sna.
Dakle, uzgoj biljaka u svemiru zanimljiv je na nutritivnom, psihološkom i medicinskom nivou. Međutim, nedostatak prostora i posebni uslovi uzgoja ograničavaju broj i izbor usjeva.
Stvarni izbor korišćenih useva će varirati, u zavisnosti od kriterijuma koji se ispituju i oblasti (hrana, psihologija i medicina) koja se favorizuje. Neke biljke s dugim vijekom trajanja mogu biti zgodne, kao što su pšenica ili krompir, ali imaju nedostatak što se moraju kuhati prije konzumiranja. Drugi faktor koji treba uzeti u obzir je reproduktivni sistem i način oprašivanja biljaka, jer životinje (kao što su insekti) nisu dozvoljene na brodu.
Uspostavljena je lista potencijalnih usjeva za uzgoj u svemiru, od kojih su neki već uzgajani na brodu. Autori su odabrali nutritivne i agronomske kriterije kao alate za njihov odabir. Dakle, za psihološke efekte, vrijednost od jedan (min) do četiri (max) pripisana je ukusu i izgledu usjeva ili jestivog dijela biljke.
Tablica različitih kultura sa njihovim nutritivnim, medicinskim, agronomskim i psihološkim karakteristikama pogodnim za duge misije u svemiru.
Uzgoj biljaka u svemirskom brodu
Svemir predstavlja dva glavna izvora stresa za biljke: kosmičko zračenje i mikrogravitaciju.
Zračenje negativno utječe na rast biljaka i povećava rizik od genetskih mutacija, pa bi zaštita biljaka od zračenja trebala biti prioritet. Iako se radijacija može ograničiti korištenjem olovnih i/ili vodenih štitova, ovo predstavlja dodatnu masu za postavljanje u orbitu. Dobro rješenje, koje je proizašlo iz Lockheed Martinovog Mars Base Campa (2018), je korištenje skladišta goriva kao štita od zračenja.
Mikrogravitacija, s druge strane, ne narušava značajno rast biljaka, iako ga može usporiti. Međutim, reakcija biljke se razlikuje u zavisnosti od vrste, jer mikrogravitacija utiče na ekspresiju genoma biljke. Otkriveno je da će, u mikrogravitaciji, biljke eksprimirati više gena povezanih sa stresom, kao što su geni toplotnog šoka, i povećati svoju proizvodnju proteina povezanih sa stresom. Štaviše, utvrđeno je da sjeme ima različite koncentracije metabolita i odgođeno klijanje.
Mikrogravitacija također utječe na mikrookruženje biljke, kao što je nedostatak kretanja atmosfere, stvarajući neobičan sastav atmosfere i poteškoće u navodnjavanju (sa ili bez potpore). U vanjskom prostoru nema konvekcije zraka, tako da ako stanica za uzgoj nije dovoljno ventilirana, svaki plin koji emituje biljka će ostati oko njene površine. Pokazalo se da nakupljanje plinovitog etilena oko listova biljaka dovodi do abnormalnog razvoja listova. Drugi plinovi, poput ugljičnog dioksida, prisutnih u visokim koncentracijama u svemirskom brodu, mogu biti smrtonosni za neke biljke. Isti problem nastaje i za zalijevanje biljaka, pa će biti potrebno razviti metodu koja ne utapa korijenje.
Teže je procijeniti reakciju biljke na svemirsko okruženje. Neki aspekti tog okruženja, kao što je ograničen prostor, mogu usmjeriti naš izbor prema patuljastim sortama. Međutim, neki drugi aspekti kao što je reakcija biljke na mikrogravitaciju variraju u zavisnosti od vrste i sorte. Iako eksperimenti treba da se nastave, određeni broj biljaka je već testiran i opisan kao sposobni za rast u svemiru i možemo ih koristiti kao osnovu.
Razvoj samoodržive biljne komore koja bi pokrivala sve nutritivne potrebe astronauta mogao bi potrajati decenijama, ali korištenje malih komora kao komplementarnih mjera moglo bi pomoći posadi s nedostatkom vitamina i hranjivih tvari (koji se mijenjaju u upakovanoj hrani) i smanjiti umor od ishrane.
Mark Vande Hei, Shane Kimbrough, Thomas Pesquet, Akihiko Hoshide i Megan McArthur iz Space X Crew-02 poziraju sa svojom žetvom crvenih i zelenih čili papričica na ISS-u 2021. za istragu Plant-Habitat 04.
Bioregenerativni sistem za održavanje života
Konzumiranje zamrznute sušene hrane pri svakom obroku stvara zamor na jelovniku i astronauti imaju tendenciju da jedu manje s vremenom
U svemirskom brodu, prostor je ograničen. Stoga uspjeh misije ovisi o regenerativnim sistemima ugrađenim u sisteme za održavanje života (LSS) koji mogu reciklirati korištenu materiju u upotrebljivu materiju. Sistem za kontrolu životne sredine i održavanje života (ECLSS) instaliran na Međunarodnoj svemirskoj stanici (ISS) proizvodi kiseonik i vodu recikliranjem ugljen-dioksida i urina; sličan sistem će biti potreban za duge svemirske letove.
Ideja o bioregenerativnom LSS (BLSS) rođena je 1960-ih kako bi uključila proizvodnju hrane i recikliranje otpadnih materijala (na primjer, fekalne materije) u ECLSS. BLSS sa bakterijama i algama mogao bi se koristiti za recikliranje dušika iz čvrstog otpada natrag u upotrebljiv oblik organskog dušika koji biljke mogu apsorbirati. Eksperiment po tom principu – Alternativa mikro ekološkog sistema za održavanje života (MELiSSA) – razvila je i sprovodi Evropska svemirska agencija od 1990-ih.
Međutim, kako više postrojenja uključujemo u BLSS, morat ćemo proučiti njihovu integraciju s ostalim postojećim tehnologijama kontrole okoliša, što predstavlja novi izazov. Određivanje troškova i održivosti ovih manjih sistema za proizvodnju prehrambenih usjeva pružit će ključne informacije za razvoj prema većem BLSS-u.
Šematski dijagram drugog dizajna jedinice za rast biljaka porozne cijevi.
Razvijanje komore za rast biljaka
Upotreba hidroponskog sistema za uzgoj usjeva je atraktivna mogućnost, jer se biljke uzgajaju u vodi umjesto da se oslanjaju na sistem nalik zemljištu. Ovo posljednje dodaje težinu svemirskoj letjelici i rizik od čestica koje lebde okolo, dva aspekta koja ga čine nepovoljnim. Napredno stanište biljaka (APH) instalirano na ISS-u već je uzgajalo različite vrste patuljaste pšenice koristeći hidroponski sistem sa poroznim sistemom za zalivanje cijevi ugrađenim u korijenski modul koji sadrži arcilite i đubrivo sa sporim oslobađanjem.
Kako bi se olakšale hortikulturne aktivnosti posade i kako bi se osiguralo da biljke rastu u optimalnom okruženju, ciklus kulture usjeva treba u potpunosti pratiti kompjuter. Takav sistem praćenja testiran je 2018. godine na Antarktiku. Korištenje djelomično automatiziranog sistema za uzgoj usjeva osigurat će da posada ima koristi od prisustva biljaka u svemirskoj letjelici (manipulirajući njima) i izbjeći će pitanje da poljoprivreda postane previše dugotrajna. Zaista, prostorija potrebna za uzgoj biljaka još uvijek nije precizno definirana i nekoliko eksperimenata u okruženjima nalik svemiru (kao što je HI-SEAS) pokazalo je da ova aktivnost može postati dugotrajna.
Dokazano je da uzgoj biljaka ima izuzetno korisne efekte, jer može dati astronautima osjećaj da putuju s komadom Zemlje
Konačno, NASA-in Vegetable Production System, ili Veggie, (pokrenut 2014.), koji pruža površinu od 0.11 m², odličan je primjer jedinice za rast biljaka koja bi se mogla koristiti na svemirskom brodu, jer je već testirana na ISS. Što se tiče zahtjeva za svjetlošću, LED diode se koriste sa dvije različite talasne dužine: crvenom (630 nm) i plavom (455 nm) jer biljke rastu efikasnije pod ovim talasnim dužinama. Zelena LED dioda bi također mogla biti neophodna da biljci da svoju prirodnu boju, čime se olakšava prepoznavanje bolesti i podsjeća posadu na Zemlju.
Mizuna (japanski kupus), crvena romaine salata i Tokyo bekana (kineski kupus) uzgajaju u Veggie jedinici na ISS-u.
Svemirski uvjeti stvaraju stres i za ljude i za biljke, tako da se trenutno proučava dizajn biljaka koje mogu rasti u svemirskim letjelicama i pomoći u ublažavanju nekih stresova koje astronauti doživljavaju.
Identifikovani su geni uključeni u stresne reakcije biljaka, ali da bi smanjili ili ublažili te efekte, naučnici moraju modifikovati ekspresiju postojećih gena ili dodati gene za prilagođavanje prostoru u genome. Ovo se može postići uređivanjem gena, a neki geni kandidati su već specifično identificirani i proučavani. Na primjer, ARG1 (izmijenjeni odgovor na gravitaciju 1), gen za koji je poznato da utječe na reakcije gravitacije u biljkama na Zemlji, uključen je u ekspresiju 127 gena povezanih s prilagođavanjem svemirskih letova. Utvrđeno je da je većina gena promijenjenih u ekspresiji u svemirskim letovima ovisna o Arg1, što sugerira veliku ulogu tog gena u fiziološkoj adaptaciji nediferenciranih stanica na let u svemir. HsfA2 (faktor toplotnog šoka A2) ima značajan uticaj na adaptaciju svemirskih letova, na primer kroz biosintezu skroba. Cilj je narušiti gene koji izazivaju stres i promovirati one koji su korisni.
Drugi geni, nazvani geni za prilagođavanje prostora, kao što su geni koji se odnose na zračenje, perklorat, patuljastost i nisku temperaturu, potencijalno su vrijedni proučavanja jer bi pomogli biljkama da se odupru teškim uvjetima svemira. Na primjer, mikroorganizmi prilagođeni hiperslanom okruženju posjeduju gene za UV otpornost i otpornost na perhlorat. Mnoge patuljaste sorte (npr. pšenica) su već uzgajane na ISS-u, a patuljasti cherry paradajz 'Red Robin' mogao bi se uzgajati na ISS-u kao dio NASA-inog eksperimenta Veg-05.
Također možemo dizajnirati biljke za zdravlje astronauta. Promoviranje akumulacije korisnih spojeva, pravljenje jestivih biljaka cijelog tijela kako bi se smanjio otpad ili dizajniranje biljaka za proizvodnju lijekova protiv nuspojava svemira na astronaute mogući su načini da biljke budu korisne za posadu.
Strategija jestivih i elitnih biljaka za cijelo tijelo (WBEEP) korištena je na biljkama krompira, čineći stabljike i listove krompira jestivim uklanjanjem solanina iz njih. Da bi se inhibirala njegova proizvodnja, geni koji ga proizvode bivaju utišani ili mutirani uređivanjem gena. Stvaranje ovog WBEEP krompira ima prednosti jer se radi o biljci koja se lako kultiviše, koja je dobar izvor energije i pokazala se sposobnom da raste u teškim uslovima kao što je prostor. Biljke su također ojačane kako bi u potpunosti zadovoljile potrebe ljudskog tijela za hranjivim tvarima.
Zračenje negativno utječe na rast biljaka i povećava rizik od genetskih mutacija, pa bi zaštita biljaka od zračenja trebala biti prioritet
Jedan od glavnih problema za zdravlje astronauta u mikrogravitaciji je gubitak gustine kostiju. Naše kosti su stalno u ravnoteži između rasta i resorpcije, omogućavajući kostima da reaguju na ozljede ili promjene u vježbanju. Provođenje vremena u mikrogravitaciji narušava ovu ravnotežu, naginjući kosti prema resorpciji, pa astronauti gube koštanu masu. Ovo se može liječiti lijekom koji se zove paratiroidni hormon ili PTH, ali zahtijeva redovne injekcije i ima vrlo kratak rok trajanja, što je problematično za duge svemirske letove. Stoga je konstruirana transgena zelena salata koja proizvodi PTH.
Dizajniranje biljaka koje mogu rasti u svemiru i biti korisne za astronaute još uvijek je u ranoj fazi istraživanja. Međutim, njegove perspektive su vrlo obećavajuće i proučavaju ih sve velike svemirske agencije. Izgradnja komore za rast biljaka u neugodnom okruženju prostora i dalje zahtijeva rad. Jedan od izazova će biti dodavanje bioregenerativnog dijela BLSS-a već postojećem LSS-u. Još jedan izazov je potreba za boljim izborom usjeva koji će se uzgajati na brodu kako bi izdržali prostorne uslove i ponudili značajne prinose. No, zahvaljujući širenju znanja u oplemenjivanju biljaka, uređivanje gena u odabranim usjevima omogućit će im daljnju prilagodbu uvjetima u prostoru i odgovarati prehrambenim i zdravstvenim potrebama posade.
Izvor: https://room.eu.com