Lansarea misiunii Artemis 1 a NASA pe Lună în noiembrie a marcat un alt pas în călătoria care va duce într-o zi la vizitarea oamenilor pe cel mai apropiat vecin planetar al nostru, Marte. O misiune umană va urma în cele din urmă în urma mai multor nave spațiale robotizate, dintre care cea mai recentă a fost aterizarea roverului Perseverance pe planeta roșie în februarie 2021. Pentru călătoriile umane pe Marte sunt multe probleme tehnologice de rezolvat, cheie printre acestea fiind protecția împotriva radiațiilor solare și a sănătății echipajului, inclusiv cel mai bun mod de a furniza alimente hrănitoare. Accentul și provocarea pentru mulți experți care studiază pe acesta din urmă este modul de a evita deficiențele latente cauzate de consumul constant de alimente liofilizate. Disponibilitatea alimentelor proaspete va fi evident un avantaj major de sănătate și psihologic, iar pentru aceasta va fi necesară creșterea și recoltarea plantelor pe parcurs. În acest articol, autorii revizuiesc datele și cercetările actuale cu privire la nutriție, beneficiile medicale și psihologice și posibilele metode de cultivare a culturilor în spațiul profund.
Potrivit NASA, cinci pericole majore apar în timpul zborurilor spațiale lungi: radiația spațială, izolarea și izolarea, distanța față de Pământ, gravitația scăzută și mediul ostil și închis al unei nave spațiale. Plantele vii și alimentele proaspăt cultivate ar putea juca un rol major în susținerea a trei dintre acestea: nutriția, nevoile medicale și psihologia echipajului.
Nutriţie
Echilibrul nutrițional al alimentelor furnizate pentru misiunile spațiale trebuie să fie perfect adaptat pentru ca un echipaj să suporte o călătorie lungă în stare bună de sănătate
Echilibrul nutrițional al alimentelor furnizate pentru misiunile spațiale trebuie să fie perfect adaptat pentru ca un echipaj să suporte o călătorie lungă în stare bună de sănătate. Deoarece rezervele de pe Pământ vor fi dificile, determinarea exactă a dietei corecte și a formei sale precise este un obiectiv critic.
Evitarea oricărei deficiențe de nutrienți esențiali este cea mai evidentă provocare, iar nevoile nutriționale detaliate au fost studiate de NASA. Cu toate acestea, mare parte din „sistemul” alimentar spațial actual s-a dovedit a fi deficitar. Mai exact, depozitarea îndelungată a alimentelor în mediu induce degradarea vitaminelor A, B1, B6 și C.
Pierderea medie cumulativă în greutate pentru astronauți este de 2.4% la 100 de zile în microgravitație, chiar și cu contramăsuri stricte de exerciții rezistive. De asemenea, s-a demonstrat că astronauții suferă de deficiențe nutriționale în potasiu, calciu, vitamina D și vitamina K, deoarece alimentele furnizate nu le permit să îndeplinească cerințele zilnice de aport.
Plantele contin in mod natural vitamine si minerale, iar consumul imediat de alimente proaspete ar evita problema depozitarii. Prin urmare, consumul lor ar fi un supliment excelent pentru alimentele liofilizate.
Astronautul Scott Kelly a îngrijit zinnia spațială pe moarte pentru a reveni la sănătate pe ISS. El a fotografiat un buchet de flori din cupolă pe fundalul Pământului și a distribuit fotografia pe Instagram-ul său pentru Ziua Îndrăgostiților în 2016.
Medic
Pe lângă vitamine și minerale, plantele sintetizează mulți metaboliți secundari diferiți. Acești compuși ar putea fi de mare ajutor în prevenirea problemelor de sănătate. De exemplu, acidul folic este implicat în repararea ADN-ului, dar cerințele sale sunt îndeplinite doar în 64% din zilele de zbor. Deoarece telomerii, sfârșitul cromozomilor, s-au dovedit a fi modificați semnificativ în timpul zborurilor lungi, suplimentarea cu folat prin plante proaspete ar putea ajuta la reducerea îmbătrânirii genetice și a apariției cancerului.
Printre alte exemple, legumele bogate în carotenoizi ar putea preveni distorsiunile oculare cauzate de microgravitație, în timp ce o dietă cu prune uscate poate ajuta la prevenirea pierderii osoase induse de radiații. Multe plante conțin antioxidanți care pot fi de mare ajutor în protejarea ADN-ului uman de mutațiile induse de radiații. Cu toate acestea, o dietă pe bază de plante nu este suficientă și trebuie dezvoltate alte soluții pentru a proteja astronauții de radiații.
Psihologie
Pe lângă vitamine și minerale, plantele sintetizează mulți metaboliți secundari diferiți
Deoarece izolarea și distanța vor pune o presiune semnificativă asupra sănătății mintale a astronauților, masa este una dintre cele mai importante momente pentru a ușura starea de spirit. Consumul de alimente liofilizate la fiecare masă creează oboseală din meniu, iar astronauții tind să mănânce mai puțin în timp. Consumul de alimente proaspete poate reduce această oboseală, nu în ultimul rând, oferind varietate în formă și textura.
O altă activitate benefică pentru sănătatea mintală a echipajului este horticultura. S-a dovedit că cultivarea plantelor are efecte extraordinar de benefice, deoarece le poate oferi astronauților senzația de a călători cu o bucată de Pământ. Unele studii au încercat să găsească plantele cu cele mai benefice efecte psihologice, deoarece acestea ar putea fi un factor foarte important pentru sănătatea mintală a echipajului. De exemplu, căpșunile pot îmbunătăți răspunsurile psihologice pozitive, cum ar fi vigoarea și stima de sine, pot reduce depresia și stresul, în timp ce coriandru ar putea îmbunătăți calitatea somnului.
Astfel, agricultura spațială pe bază de plante este interesantă la nivel nutrițional, psihologic și medical. Cu toate acestea, lipsa spațiului și condițiile speciale de creștere limitează numărul și alegerea culturilor.
Alegerea efectivă a culturilor utilizate va varia, în funcție de criteriile examinate și de domeniul (nutriție, psihologie și medicină) preferat. Unele plante cu termen lung de valabilitate pot fi convenabile, cum ar fi grâul sau cartofii, dar au dezavantajul că trebuie gătite înainte de consum. Un alt factor de luat în considerare este sistemul de reproducere și modul de polenizare al plantelor, deoarece animalele (cum ar fi insectele) nu sunt permise la bord.
A fost stabilită o listă cu potențialele culturi de cultivat în spațiu, dintre care unele fuseseră deja cultivate la bord. Autorii au selectat criteriile nutriționale și agronomice ca instrumente pentru alegerea lor. Astfel, pentru efectele psihologice, o valoare de la unu (min) la patru (max) a fost atribuită gustului și aspectului culturii sau părții plantei comestibile.
Tabel cu diferite culturi cu caracteristicile lor nutriționale, medicale, agronomice și psihologice potrivite pentru misiuni lungi în spațiu.
Cultivarea plantelor într-o navă spațială
Spațiul prezintă două surse majore de stres pentru plante: radiația cosmică și microgravitația.
Radiațiile afectează negativ creșterea plantelor și măresc riscurile de mutații genetice, așa că protejarea plantelor de radiații ar trebui să fie o prioritate. În timp ce radiațiile pot fi conținute cu plumb și/sau scuturi de apă, aceasta reprezintă o masă suplimentară de plasat pe orbită. O soluție bună, care provine din tabăra de bază de pe Marte a lui Lockheed Martin (2018), este utilizarea stocării combustibilului ca scut de radiații.
Microgravitația, pe de altă parte, nu afectează semnificativ creșterea plantelor, deși ar putea să o încetinească. Cu toate acestea, răspunsul plantei diferă în funcție de specie, deoarece microgravitația afectează expresia genomului plantei. S-a descoperit că, în microgravitație, plantele vor exprima mai multe gene legate de stres, cum ar fi genele de șoc termic și își vor crește producția de proteine legate de stres. Mai mult, s-a descoperit că semințele au concentrații diferite de metaboliți și germinarea întârziată.
Microgravitația afectează și micromediul plantei, cum ar fi lipsa de mișcare a atmosferei, creând o compoziție atmosferică neobișnuită și dificultate la udare (cu sau fără suport). Nu există convecție a aerului în spațiul cosmic, așa că dacă stația de creștere nu este suficient de ventilată, orice gaz emis de plantă va rămâne în jurul suprafeței sale. S-a demonstrat că acumularea de etilenă gazoasă în jurul frunzelor plantelor are ca rezultat dezvoltarea anormală a frunzelor. Alte gaze, cum ar fi dioxidul de carbon, prezente în concentrații mari într-o navă spațială, pot fi letale pentru unele plante. Aceeași problemă apare și pentru udarea plantelor, așa că va fi necesară dezvoltarea unei metode care să nu înece rădăcinile.
Răspunsul plantei la mediul spațial este mai dificil de evaluat. Unele aspecte ale acestui mediu, cum ar fi spațiul restrâns, pot îndrepta alegerea noastră către soiurile pitice. Cu toate acestea, alte aspecte, cum ar fi răspunsul plantei la microgravitație, variază în funcție de specie și soiuri. Deși experimentele trebuie să continue, un anumit număr de plante au fost deja testate și descrise ca capabile să crească în spațiu și le putem folosi ca bază.
Dezvoltarea unei camere de plante autosusținute care să acopere toate nevoile nutritive ale astronauților ar putea dura zeci de ani, dar utilizarea unor camere mici ca măsuri complementare ar putea ajuta echipajul cu deficiențe de vitamine și nutrienți (care sunt modificați în alimentele ambalate) și ar putea reduce oboseala alimentară.
Mark Vande Hei, Shane Kimbrough, Thomas Pesquet, Akihiko Hoshide și Megan McArthur de la Space X Crew-02 pozând cu recolta lor de ardei iute roșii și verzi în ISS în 2021 pentru investigația Plant-Habitat 04.
Sistem bioregenerativ de susținere a vieții
Consumul de alimente liofilizate la fiecare masă creează oboseală din meniu, iar astronauții tind să mănânce mai puțin în timp
Într-o navă spațială, spațiul este limitat. Prin urmare, succesul misiunii depinde de sistemele regenerative încorporate în Life Support Systems (LSS) care pot recicla materia uzată în materie utilizabilă. Sistemul de control al mediului și susținere a vieții (ECLSS) instalat în Stația Spațială Internațională (ISS) produce oxigen și apă prin reciclarea dioxidului de carbon și a urinei; un sistem similar va fi necesar pentru zborurile spațiale lungi.
Ideea unui LSS bioregenerativ (BLSS) a luat naștere în anii 1960 pentru a include producția de alimente și reciclarea deșeurilor (de exemplu, materii fecale) către ECLSS. Un BLSS cu bacterii și alge ar putea fi folosit pentru a recicla azotul din deșeurile solide într-o formă utilizabilă de azot organic pe care plantele ar putea-o absorbi. Un experiment care urmărește acest principiu – Micro-Ecological Life Support System Alternative (MELiSSA) – a fost dezvoltat și condus de Agenția Spațială Europeană încă din anii 1990.
Cu toate acestea, deoarece includem fabrici superioare în BLSS, va trebui să studiem integrarea acestora cu celelalte tehnologii existente de control al mediului, ceea ce reprezintă o nouă provocare. Determinarea costului și a durabilității acestor sisteme de producție a culturilor alimentare mai mici va oferi informații critice pentru evoluția către un BLSS mai mare.
Schema schematică a celui de-al doilea proiect al unității de creștere a plantelor tubulare poroase.
Dezvoltarea unei camere de creștere a plantelor
Utilizarea unui sistem hidroponic pentru a cultiva culturi este o posibilitate atractivă, deoarece crește plantele în apă în loc să se bazeze pe un sistem asemănător solului. Acesta din urmă adaugă greutate navei spațiale și riscul ca particulele să plutească, două aspecte care o fac dezavantajoasă. Advanced Plant Habitat (APH) instalat în ISS a cultivat deja o varietate de grâu pitic folosind un sistem hidroponic cu un sistem de udare cu tub poros încorporat într-un modul de rădăcină care conține arcilit și un îngrășământ cu eliberare lentă.
Pentru a ușura activitățile horticole ale echipajului și pentru a se asigura că plantele cresc într-un mediu optim, ciclul de cultură a culturii trebuie monitorizat pe deplin de un computer. Un astfel de sistem de monitorizare a fost testat în 2018 în Antarctica. Utilizarea unui sistem parțial automatizat pentru cultivarea culturilor va asigura că echipajul beneficiază de prezența plantelor în navă spațială (prin manipularea acestora) și evită ca problema agriculturii să devină prea consumatoare de timp. Într-adevăr, încăperea necesară creșterii plantelor nu este încă definită cu precizie și mai multe experimente în medii asemănătoare spațiului (cum ar fi HI-SEAS) au arătat că această activitate poate deveni îndelungată.
Cultivarea plantelor s-a dovedit a avea efecte extraordinar de benefice, deoarece le poate oferi astronauților senzația de a călători cu o bucată de Pământ.
În cele din urmă, sistemul de producție de legume al NASA, sau Veggie, (lansat în 2014), care oferă o suprafață de creștere de 0.11 m², este un exemplu excelent de unitate de creștere a plantelor care ar putea fi utilizată la bordul unei nave spațiale, deoarece a fost deja testată pe ISS. În ceea ce privește cerințele de lumină, LED-urile sunt utilizate cu două lungimi de undă diferite: roșu (630 nm) și albastru (455 nm), deoarece plantele cresc mai eficient sub aceste lungimi de undă. Un LED verde ar putea fi, de asemenea, necesar pentru a da plantei culoarea sa naturală, ușurând astfel identificarea bolilor și amintind echipajului de Pământ.
Mizuna (varză japoneză), salată roșie romană și Tokyo bekana (varză chinezească) cultivate în unitatea Veggie din ISS.
Condițiile spațiale creează stres atât pentru oameni, cât și pentru plante, astfel încât proiectarea plantelor capabile să crească în nave spațiale și să ajute la atenuarea unora dintre stresurile pe care le experimentează astronauții este în prezent studiată.
Au fost identificate gene implicate în răspunsurile la stres ale plantelor, dar pentru a reduce sau a atenua aceste efecte, oamenii de știință trebuie să modifice expresia genelor existente sau să adauge gene de adaptare la spațiu în genom. Acest lucru poate fi realizat folosind editarea genelor, iar unele gene candidate au fost deja identificate și studiate în mod specific. De exemplu, ARG1 (Altered Response to Gravity 1), o genă cunoscută că afectează răspunsurile gravitaționale la plantele de pe Pământ, este implicată în exprimarea a 127 de gene legate de adaptarea zborului spațial. Majoritatea genelor modificate în expresie în zborul spațial s-au dovedit a fi dependente de Arg1, ceea ce sugerează un rol major pentru acea genă în adaptarea fiziologică a celulelor nediferențiate la zborul spațial. HsfA2 (Heat Shock Factor A2) are un efect semnificativ asupra adaptării zborurilor spațiale, de exemplu prin biosinteza amidonului. Obiectivul este de a afecta genele care induc stresul și de a le promova pe cele benefice.
Alte gene, numite gene de adaptare la spațiu, cum ar fi genele legate de radiații, perclorat, nanism și temperatură rece, merită studiate, deoarece ar ajuta plantele să reziste condițiilor dure ale spațiului. De exemplu, microorganismele adaptate mediilor hipersaline posedă gene pentru rezistența la UV și rezistența la perclorat. Multe soiuri de pitici (de exemplu de grâu) au fost deja cultivate pe ISS, iar roșia cireșă pitică „Red Robin” ar putea fi cultivată în ISS ca parte a experimentului Veg-05 al NASA.
De asemenea, putem proiecta plante pentru sănătatea astronauților. Promovarea acumulării de compuși benefici, realizarea de plante comestibile pentru întreg corpul pentru a reduce deșeurile sau proiectarea de plante pentru a produce medicamente împotriva efectelor secundare ale spațiului asupra astronauților sunt modalități posibile de a face plante utile pentru echipaj.
Pe plantele de cartofi a fost utilizată o strategie de plante comestibile și de elită pentru întregul corp (WBEEP), făcând tulpinile și frunzele de cartofi comestibile prin îndepărtarea solaninei din acestea. Pentru a inhiba producerea acesteia, fie genele care o produc sunt reduse la tăcere, fie mutate prin editarea genelor. Crearea acestui cartof WBEEP are avantaje, deoarece este o plantă ușor de cultivat, care este o sursă bună de energie și s-a dovedit capabilă să crească în condiții dificile, cum ar fi spațiul. Plantele au fost, de asemenea, fortificate pentru a satisface pe deplin nevoile nutritive ale corpului uman.
Radiațiile afectează negativ creșterea plantelor și măresc riscurile de mutații genetice, așa că protejarea plantelor de radiații ar trebui să fie o prioritate
Una dintre principalele probleme pentru sănătatea astronauților în microgravitație este pierderea densității osoase. Oasele noastre sunt echilibrate în mod constant între creștere și resorbție, permițând oaselor să răspundă la răni sau schimbări în exercițiu. Petrecerea timpului în microgravitație perturbă acest echilibru, înclinând oasele spre resorbție, astfel încât astronauții pierd masa osoasă. Acesta poate fi tratat cu un medicament numit hormon paratiroidian sau PTH, dar necesită injecții regulate și are o perioadă de valabilitate foarte scurtă, ceea ce este problematic pentru zborurile spațiale lungi. Prin urmare, a fost concepută o salată verde transgenică care produce PTH.
Proiectarea de plante capabile să crească în spațiu și să fie utile pentru astronauți este încă în stadiul incipient al cercetării. Cu toate acestea, perspectivele sale sunt foarte promițătoare și sunt studiate de toate agențiile spațiale majore. Construirea unei camere de creștere a plantelor în mediul neprimitor al spațiului necesită încă muncă. Una dintre provocări va fi adăugarea părții bioregenerative a BLSS la LSS deja existent. O altă provocare este necesitatea unei alegeri mai bune de culturi care să fie cultivate la bord, atât pentru a rezista la condițiile de spațiu, cât și pentru a oferi recolte semnificative. Dar datorită răspândirii cunoștințelor în ameliorarea plantelor, editarea genelor în culturile alese le va permite să fie adaptate în continuare la condițiile de spațiu și să se potrivească cu nevoile nutriționale și de sănătate ale unui echipaj.
O sursă: https://room.eu.com