Лансирање НАСА-ине мисије Артемис 1 на Месец у новембру означило је још један корак на путовању које ће једног дана довести до посете људи нашем најближем планетарном суседу, Марсу. Људска мисија ће на крају уследити за петама вишеструких роботских свемирских летелица, од којих је последња била слетање ровера Персеверанце на црвену планету у фебруару 2021. За људска путовања на Марс потребно је решити многа технолошка питања, кључна међу они су заштита од сунчевог зрачења и здравље посаде, укључујући како најбоље обезбедити хранљиву храну. Фокус и изазов за многе стручњаке који проучавају потоње је како да избегну латентне недостатке изазване сталном конзумацијом смрзавања сушене хране. Доступност свеже хране ће очигледно бити велика здравствена и психолошка предност, а за то ће бити неопходно узгајати и убирати биљке на путу. У овом чланку аутори разматрају актуелне податке и истраживања у вези са исхраном, медицинским и психолошким предностима и могућим методама узгоја усева у дубоком свемиру.
Према НАСА-и, пет главних опасности јавља се током дугих свемирских летова: свемирско зрачење, изолација и затвореност, удаљеност од Земље, ниска гравитација и непријатељско и затворено окружење свемирског брода. Живе биљке и свеже узгојена храна могу играти главну улогу у подршци три од њих: исхрани, медицинским потребама и психологији посаде.
Исхрана
Нутритивна равнотежа хране која се испоручује за свемирске мисије мора бити савршено прилагођена да би посада издржала дуго путовање у добром здрављу
Нутритивна равнотежа хране која се испоручује за свемирске мисије мора бити савршено прилагођена да би посада издржала дуго путовање у добром здрављу. Пошто ће снабдевање са Земље бити тешко, одређивање тачно праве исхране и њеног прецизног облика је кључни циљ.
Избегавање било каквог недостатка есенцијалних хранљивих материја је најочигледнији изазов, а НАСА је проучавала детаљне потребе за исхраном. Међутим, показало се да је већи део садашњег 'система хране' у свемиру недовољан. Конкретно, дуго складиштење хране у амбијенту изазива разградњу витамина А, Б1, Б6 и Ц.
Кумулативни средњи губитак тежине за астронауте је 2.4 процента на 100 дана у микрогравитацији, чак и уз строге мере отпора на вежбање. Такође се показало да астронаути пате од нутритивних недостатака калијума, калцијума, витамина Д и витамина К јер им храна не дозвољава да задовоље дневне потребе за уносом.
Биљке природно садрже витамине и минерале, а непосредна конзумација свеже хране би избегла проблем складиштења. Њихова конзумација би стога била одличан додатак лиофилизираној храни.
Астронаут Скот Кели вратио је здравље умирућим свемирским цинијама на ИСС. Он је фотографисао букет цвећа у Куполи у позадини Земље и поделио фотографију на свом Инстаграму за Дан заљубљених 2016.
Медицина
Поред витамина и минерала, биљке синтетишу много различитих секундарних метаболита. Ова једињења могу бити од велике помоћи у превенцији здравствених проблема. На пример, фолна киселина је укључена у поправку ДНК, али њени захтеви су испуњени у само 64 процента дана лета. Како се показало да се теломери, крај хромозома, значајно мењају током дугих летова, додатак фолата преко свежих биљака може помоћи у смањењу генетског старења и појаве рака.
Између осталих примера, поврће богато каротеноидима може спречити изобличење ока узроковано микрогравитацијом, док исхрана са сувим шљивама може помоћи у спречавању губитка костију изазваног зрачењем. Многе биљке садрже антиоксиданте који могу бити од велике помоћи у заштити људске ДНК од мутација изазваних зрачењем. Међутим, исхрана заснована на биљци није довољна и морају се развити друга решења за заштиту астронаута од зрачења.
Психологија
Поред витамина и минерала, биљке синтетишу много различитих секундарних метаболита
Пошто ће изолација и удаљеност значајно оптеретити ментално здравље астронаута, оброк је један од најважнијих тренутака за побољшање расположења. Једење замрзнуте сушене хране при сваком оброку ствара замор на менију и астронаути имају тенденцију да једу мање током времена. Конзумирање свеже хране може смањити овај умор, не само у пружању разноврсности у облику и текстури.
Још једна активност која је корисна за ментално здравље посаде је хортикултура. Доказано је да узгајање биљака има изузетно корисне ефекте, јер може дати астронаутима осећај да путују са комадом Земље. Неке студије су покушале да пронађу биљке са најкориснијим психолошким ефектима, јер би могле бити веома важан фактор за ментално здравље посаде. На пример, јагоде могу побољшати позитивне психолошке реакције, као што су снага и самопоштовање, смањити депресију и стрес, док коријандер може побољшати квалитет сна.
Стога је свемирска пољопривреда на биљној бази занимљива на нутритивном, психолошком и медицинском нивоу. Међутим, недостатак простора и посебни услови узгоја ограничавају број и избор усева.
Стварни избор коришћених усева ће варирати у зависности од критеријума који се испитују и области (исхрана, психологија и медицина) која се фаворизује. Неке биљке са дугим роком трајања могу бити згодне, као што су пшеница или кромпир, али имају недостатак што се морају кувати пре конзумирања. Други фактор који треба узети у обзир је репродуктивни систем и начин опрашивања биљака, јер животиње (као што су инсекти) нису дозвољене на броду.
Утврђена је листа потенцијалних усева за узгој у свемиру, од којих су неки већ били узгајани на броду. Аутори су одабрали нутриционистичке и агрономске критеријуме као алате за њихов избор. Тако је за психолошке ефекте вредност од један (мин) до четири (мак) приписана укусу и изгледу усева или јестивог дела биљке.
Табела различитих усева са њиховим нутритивним, медицинским, агрономским и психолошким карактеристикама погодним за дуге мисије у свемиру.
Узгајање биљака у свемирском броду
Свемир представља два главна извора стреса за биљке: космичко зрачење и микрогравитацију.
Зрачење негативно утиче на раст биљака и повећава ризик од генетских мутација, тако да заштита биљака од зрачења треба да буде приоритет. Док се радијација може ограничити коришћењем оловних и/или водених штитова, ово представља додатну масу за постављање у орбиту. Добро решење, које је потекло из Лоцкхеед Мартиновог Марс Басе Цамп (2018), је коришћење складиштења горива као штита од зрачења.
Микрогравитација, с друге стране, не нарушава значајно раст биљака, иако би га могла успорити. Међутим, одговор биљке се разликује у зависности од врсте, пошто микрогравитација утиче на експресију генома биљке. Откривено је да ће, у микрогравитацији, биљке експримирати више гена повезаних са стресом, као што су гени топлотног шока, и повећати своју производњу протеина повезаних са стресом. Штавише, утврђено је да семе има различите концентрације метаболита и одложено клијање.
Микрогравитација такође утиче на микроокружење биљке, као што је недостатак кретања атмосфере, стварајући необичан састав атмосфере и тешкоће у заливању (са или без подршке). У свемиру нема конвекције ваздуха, тако да ако станица за узгој није довољно проветрена, сваки гас који биљка емитује ће остати око њене површине. Показало се да акумулација гасовитог етилена око листова биљака доводи до абнормалног развоја листова. Други гасови, попут угљен-диоксида, присутни у високим концентрацијама у свемирском броду, могу бити смртоносни за неке биљке. Исти проблем се јавља и за заливање биљака, тако да ће бити потребно развити методу која не утапа корење.
Одговор биљке на свемирско окружење је теже проценити. Неки аспекти тог окружења, као што је ограничен простор, могу усмерити наш избор ка патуљастим сортама. Међутим, неки други аспекти као што је реакција биљке на микрогравитацију варирају у зависности од врсте и сорте. Иако експерименти треба да се наставе, одређени број биљака је већ тестиран и описан као способни да расту у свемиру и можемо их користити као основу.
Развој самоодрживе биљне коморе која би покривала све хранљиве потребе астронаута могао би да потраје деценијама, али коришћење малих комора као комплементарних мера може помоћи посади са недостатком витамина и хранљивих материја (који се мењају у упакованој храни) и смањити замор од исхране.
Марк Ванде Хеи, Схане Кимброугх, Тхомас Пескует, Акихико Хосхиде и Меган МцАртхур из Спаце Кс Црев-02 позирају са својом жетвом црвених и зелених чили папричица на ИСС-у 2021. за истрагу Плант-Хабитат 04.
Биорегенеративни систем за одржавање живота
Једење замрзнуте сушене хране при сваком оброку ствара замор на менију и астронаути имају тенденцију да једу мање током времена
У свемирском броду, простор је ограничен. Стога, успех мисије зависи од регенеративних система уграђених у системе за одржавање живота (ЛСС) који могу да рециклирају искоришћену материју у употребљиву материју. Систем за контролу животне средине и одржавање живота (ЕЦЛСС) инсталиран на Међународној свемирској станици (ИСС) производи кисеоник и воду рециклирањем угљен-диоксида и урина; сличан систем ће бити потребан за дуге летове у свемир.
Идеја о биорегенеративном ЛСС (БЛСС) рођена је 1960-их да укључи производњу хране и рециклажу отпадних материјала (на пример, фекалне материје) у ЕЦЛСС. БЛСС са бактеријама и алгама могао би се користити за рециклажу азота из чврстог отпада назад у употребљив облик органског азота који биљке могу да апсорбују. Експеримент који следи тај принцип – Алтернатива микро еколошког система за одржавање живота (МЕЛиССА) – развила је и спроводи Европска свемирска агенција од 1990-их.
Међутим, како више постројења укључујемо у БЛСС, мораћемо да проучимо њихову интеграцију са осталим постојећим технологијама контроле животне средине, што представља нови изазов. Одређивање трошкова и одрживости ових мањих система за производњу прехрамбених усева пружиће кључне информације за развој ка већем БЛСС-у.
Шематски дијаграм другог дизајна јединице за раст биљака порозне цеви.
Развијање коморе за раст биљака
Коришћење хидропонског система за узгој усева је атрактивна могућност, јер биљке узгајају у води уместо да се ослањају на систем сличан земљишту. Ово последње додаје тежину свемирском броду и ризик од честица које лебде около, два аспекта који га чине штетним. Напредно станиште биљака (АПХ) инсталирано на ИСС-у је већ узгајало разне патуљасте пшенице користећи хидропонски систем са системом за заливање порозне цеви уграђеним у модул корена који садржи арцилите и ђубриво са спорим ослобађањем.
Да би се олакшале хортикултурне активности посаде и да би се осигурало да биљке расту у оптималном окружењу, циклус културе усева треба у потпуности да се надгледа компјутером. Такав систем праћења тестиран је 2018. године на Антарктику. Коришћењем делимично аутоматизованог система за узгој усева осигураће се да посада има користи од присуства биљака у свемирској летелици (манипулисањем њима) и избећи ће питање да пољопривреда постане сувише дуготрајна. Заиста, просторија потребна за узгој биљака још није прецизно дефинисана и неколико експеримената у окружењима налик свемиру (као што је ХИ-СЕАС) показало је да ова активност може постати дуготрајна.
Доказано је да узгој биљака има изузетно корисне ефекте, јер може дати астронаутима осећај да путују са комадом Земље
Коначно, НАСА-ин систем за производњу поврћа, или Веггие, (покренут 2014.), који обезбеђује површину од 0.11 м², одличан је пример јединице за раст биљака која би се могла користити на свемирском броду, јер је већ тестирана на ИСС. Што се тиче светлосних захтева, ЛЕД диоде се користе са две различите таласне дужине: црвеном (630 нм) и плавом (455 нм) јер биљке расте ефикасније под овим таласним дужинама. Зелена ЛЕД диода такође може бити неопходна да би биљци дала своју природну боју, чиме би се олакшала идентификација болести и подсетила посада на Земљу.
Мизуна (јапански купус), црвена румена салата и токијска бекана (кинески купус) узгајају се у Веггие јединици на ИСС.
Услови у свемиру стварају стрес и за људе и за биљке, тако да се тренутно проучава дизајн биљака које могу да расту у свемирским летелицама и помажу у ублажавању неких стресова које астронаути доживљавају.
Идентификовани су гени укључени у стресне реакције биљака, али да би смањили или ублажили те ефекте, научници морају да модификују експресију постојећих гена или да додају гене за прилагођавање простора у геноме. Ово се може постићи коришћењем уређивања гена, а неки гени кандидати су већ посебно идентификовани и проучавани. На пример, АРГ1 (измењени одговор на гравитацију 1), ген за који се зна да утиче на реакције гравитације у биљкама на Земљи, укључен је у експресију 127 гена повезаних са прилагођавањем свемирских летова. Утврђено је да је већина гена измењених у експресији у свемирским летовима зависна од Арг1, што указује на главну улогу тог гена у физиолошкој адаптацији недиференцираних ћелија на лет у свемир. ХсфА2 (фактор топлотног удара А2) има значајан утицај на адаптацију свемирских летова, на пример кроз биосинтезу скроба. Циљ је да се поремете гени који изазивају стрес и промовишу они корисни.
Други гени, који се називају гени за прилагођавање простора, као што су гени који се односе на зрачење, перхлорат, патуљастост и ниску температуру, потенцијално су вредни проучавања јер би помогли биљкама да се одупру тешким условима свемира. На пример, микроорганизми прилагођени хиперсланом окружењу поседују гене за УВ отпорност и отпорност на перхлорат. Многе патуљасте сорте (нпр. пшеница) су већ узгајане на ИСС-у, а патуљасти чери парадајз 'Ред Робин' би могао да се узгаја на ИСС-у као део НАСА-иног експеримента Вег-05.
Такође можемо да дизајнирамо биљке за здравље астронаута. Промовисање акумулације корисних једињења, прављење јестивих биљака целог тела како би се смањио отпад, или дизајнирање биљака за производњу лекова против нежељених ефеката свемира на астронауте су могући начини да биљке буду корисне за посаду.
Стратегија јестивих и елитних биљака целог тела (ВБЕЕП) је коришћена на биљкама кромпира, чинећи стабљике и листове кромпира јестивим уклањањем соланина из њих. Да би се инхибирала његова производња, гени који га производе се ућуткују или мутирају уређивањем гена. Стварање овог ВБЕЕП кромпира има предности јер се ради о биљци која се лако култивише, која је добар извор енергије и показала се способном да расте у тешким условима као што је простор. Биљке су такође ојачане како би у потпуности задовољиле потребе људског тела за хранљивим материјама.
Радијација негативно утиче на раст биљака и повећава ризик од генетских мутација, тако да заштита биљака од зрачења треба да буде приоритет
Једно од главних проблема за здравље астронаута у микрогравитацији је губитак густине костију. Наше кости су стално избалансиране између раста и ресорпције, омогућавајући костима да реагују на повреде или промене у вежбању. Провођење времена у микрогравитацији нарушава ову равнотежу, нагињући кости ка ресорпцији, тако да астронаути губе коштану масу. Ово се може лечити леком који се зове паратироидни хормон или ПТХ, али захтева редовне ињекције и има веома кратак рок трајања, што је проблематично за дуге свемирске летове. Због тога је конструисана трансгена зелена салата која производи ПТХ.
Дизајнирање биљака које могу да расту у свемиру и да буду од користи за астронауте је још увек у раној фази истраживања. Међутим, његове перспективе су веома обећавајуће и проучавају их све велике свемирске агенције. Изградња коморе за раст биљака у неугодном окружењу простора и даље захтева рад. Један од изазова биће додавање биорегенеративног дела БЛСС већ постојећем ЛСС. Још један изазов је потреба за бољим избором усева који ће се узгајати на броду како би издржали услове у простору и пружили значајне приносе. Али захваљујући ширењу знања у оплемењивању биљака, уређивање гена у одабраним културама омогућиће им да се даље прилагођавају условима у простору и одговарају нутритивним и здравственим потребама посаде.
Извор: https://room.eu.com