Lansiranje NASA-ine misije Artemis 1 na Mjesec u studenom označilo je još jedan korak na putovanju koje će jednog dana dovesti do toga da ljudi posjete našeg najbližeg planetarnog susjeda, Mars. Ljudska misija na kraju će uslijediti nakon više robotskih svemirskih letjelica, od kojih je posljednja bila slijetanje rovera Perseverance na crveni planet u veljači 2021. Za ljudska putovanja na Mars potrebno je riješiti mnogo tehnoloških problema, među kojima su ključni to su zaštita od sunčevog zračenja i zdravlje posade, uključujući kako najbolje osigurati hranjivu hranu. Fokus i izazov za mnoge stručnjake koji proučavaju potonje je kako izbjeći latentne nedostatke uzrokovane stalnom konzumacijom liofilizirane hrane. Dostupnost svježe hrane očito će biti velika zdravstvena i psihološka prednost, a za to će biti potrebno uzgojiti i ubrati biljke na putu. U ovom članku autori pregledavaju trenutne podatke i istraživanja u vezi s prehranom, medicinskim i psihološkim dobrobitima te mogućim metodama uzgoja usjeva u dubokom svemiru.
Prema NASA-i, tijekom dugih svemirskih letova pojavljuje se pet glavnih opasnosti: svemirsko zračenje, izolacija i zatvorenost, udaljenost od Zemlje, niska gravitacija te neprijateljsko i zatvoreno okruženje svemirske letjelice. Žive biljke i svježe uzgojena hrana mogle bi igrati glavnu ulogu u podršci tri od ovih: prehrana, medicinske potrebe i psihologija posade.
Ishrana
Nutritivna ravnoteža hrane koja se isporučuje za svemirske misije mora biti savršeno prilagođena kako bi posada dobrog zdravlja izdržala dugo putovanje
Nutritivna ravnoteža hrane koja se isporučuje za svemirske misije mora biti savršeno prilagođena kako bi posada dobrog zdravlja izdržala dugo putovanje. Budući da će opskrba zalihama sa Zemlje biti teška, određivanje točne ishrane i njezinog preciznog oblika ključni je cilj.
Izbjegavanje bilo kakvog nedostatka esencijalnih nutrijenata najočitiji je izazov, a detaljne prehrambene potrebe proučavala je NASA. Međutim, pokazalo se da je velik dio sadašnjeg 'sustava' svemirske hrane manjkav. Točnije, dugotrajno skladištenje hrane u okolišu uzrokuje razgradnju vitamina A, B1, B6 i C.
Kumulativni prosječni gubitak težine za astronaute iznosi 2.4 posto na 100 dana u mikrogravitaciji, čak i uz stroge protumjere vježbe otpora. Također se pokazalo da astronauti pate od nutritivnih nedostataka kalija, kalcija, vitamina D i vitamina K jer im isporučena hrana ne dopušta da zadovolje potrebe dnevnog unosa.
Biljke prirodno sadrže vitamine i minerale, a trenutnom konzumacijom svježe hrane izbjeći bi se problem skladištenja. Njihova bi konzumacija stoga bila izvrstan dodatak liofiliziranoj hrani.
Astronaut Scott Kelly njegovao je umiruće svemirske cinije na ISS-u. Fotografirao je buket cvijeća u Kupoli na pozadini Zemlje i podijelio fotografiju na svom Instagramu za Valentinovo 2016. godine.
Lijek
Osim vitamina i minerala, biljke sintetiziraju mnogo različitih sekundarnih metabolita. Ovi spojevi mogu biti od velike pomoći u prevenciji zdravstvenih problema. Na primjer, folat je uključen u popravak DNK, ali njegovi su zahtjevi ispunjeni samo 64 posto dana leta. Kako je dokazano da se telomeri, krajevi kromosoma, značajno mijenjaju tijekom dugih letova, dodatak folata putem svježih biljaka mogao bi pomoći u smanjenju genetskog starenja i pojave raka.
Među ostalim primjerima, povrće bogato karotenoidima moglo bi spriječiti iskrivljenje očiju uzrokovano mikrogravitacijom, dok prehrana sa suhim šljivama može spriječiti gubitak koštane mase izazvan radijacijom. Mnoge biljke sadrže antioksidanse koji mogu biti od velike pomoći u zaštiti ljudske DNK od mutacija izazvanih zračenjem. Međutim, biljna prehrana nije dovoljna i moraju se razviti druga rješenja za zaštitu astronauta od zračenja.
Psihologija
Osim vitamina i minerala, biljke sintetiziraju mnogo različitih sekundarnih metabolita
Budući da će izolacija i udaljenost značajno opteretiti mentalno zdravlje astronauta, obrok je jedan od najvažnijih trenutaka za poboljšanje raspoloženja. Jedenje liofilizirane hrane u svakom obroku stvara zamor od jelovnika i astronauti s vremenom jedu manje. Konzumiranje svježe hrane može smanjiti ovaj umor, ne samo u pružanju raznolikosti u obliku i teksturi.
Još jedna aktivnost korisna za mentalno zdravlje posade je hortikultura. Dokazano je da uzgoj biljaka ima iznimno blagotvoran učinak jer astronautima može dati osjećaj da putuju s komadićem Zemlje. Neka su istraživanja pokušala pronaći biljke s najpovoljnijim psihološkim učinkom, jer bi one mogle biti vrlo važan čimbenik za mentalno zdravlje posade. Na primjer, jagode mogu poboljšati pozitivne psihološke reakcije, poput energije i samopoštovanja, smanjiti depresiju i stres, dok korijander može poboljšati kvalitetu sna.
Stoga je svemirski uzgoj biljaka zanimljiv na prehrambenoj, psihološkoj i medicinskoj razini. Međutim, nedostatak prostora i posebni uvjeti uzgoja ograničavaju broj i izbor usjeva.
Stvarni izbor korištenih usjeva će varirati, ovisno o ispitanim kriterijima i polju (prehrana, psihologija i medicina) koje se preferira. Neke biljke s dugim rokom trajanja mogu biti prikladne, poput pšenice ili krumpira, ali imaju nedostatak jer ih je potrebno kuhati prije konzumiranja. Drugi čimbenik koji treba uzeti u obzir je reproduktivni sustav i način oprašivanja biljaka, jer životinje (poput insekata) nisu dopuštene na brodu.
Uspostavljen je popis potencijalnih usjeva za uzgoj u svemiru, od kojih su neki već bili uzgojeni na brodu. Autori su odabrali prehrambene i agronomske kriterije kao alate za njihov odabir. Tako je za psihološke učinke okusu i izgledu usjeva ili jestivog dijela biljke pripisana vrijednost od jedan (min) do četiri (max).
Tablica različitih usjeva s njihovim prehrambenim, medicinskim, agronomskim i psihološkim karakteristikama pogodnim za duge misije u svemiru.
Uzgoj biljaka u svemirskoj letjelici
Svemir predstavlja dva glavna izvora stresa za biljke: kozmičko zračenje i mikrogravitacija.
Zračenje negativno utječe na rast biljaka i povećava rizik od genetskih mutacija, stoga bi zaštita biljaka od zračenja trebala biti prioritet. Iako se radijacija može zadržati korištenjem olovnih i/ili vodenih štitova, to predstavlja dodatnu masu za postavljanje u orbitu. Dobro rješenje, koje je proizašlo iz Lockheed Martinovog baznog kampa na Marsu (2018.), je korištenje skladišta goriva kao radijacijskog štita.
Mikrogravitacija, s druge strane, ne narušava značajno rast biljaka, iako bi ga mogla usporiti. Međutim, odgovor biljke razlikuje se ovisno o vrsti, budući da mikrogravitacija utječe na ekspresiju genoma biljke. Otkriveno je da će u mikrogravitaciji biljke izražavati više gena povezanih sa stresom, kao što su geni za toplinski šok, i povećati proizvodnju proteina povezanih sa stresom. Štoviše, utvrđeno je da sjemenke imaju različite koncentracije metabolita i odgođeno klijanje.
Mikrogravitacija također utječe na mikrookruženje biljke, kao što je nedostatak kretanja atmosfere, stvarajući neobičan atmosferski sastav i poteškoće u zalijevanju (sa ili bez potpore). Nema zračne konvekcije u vanjskom svemiru, pa ako stanica za uzgoj nije dovoljno ventilirana, sav plin koji biljka emitira ostat će oko njezine površine. Dokazano je da nakupljanje plinovitog etilena oko lišća biljaka rezultira abnormalnim razvojem lišća. Drugi plinovi, poput ugljičnog dioksida, prisutni u visokim koncentracijama u svemirskoj letjelici, mogu biti smrtonosni za neke biljke. Isti problem javlja se kod zalijevanja biljaka, pa će biti potrebno razviti metodu koja ne utapa korijenje.
Teže je procijeniti reakciju biljke na svemirsko okruženje. Neki aspekti tog okoliša, poput ograničenog prostora, mogu usmjeriti naš izbor prema patuljastim sortama. Međutim, neki drugi aspekti poput reakcije biljke na mikrogravitaciju razlikuju se ovisno o vrsti i sorti. Iako se eksperimenti trebaju nastaviti, određeni broj biljaka je već ispitan i opisan kao sposoban za rast u svemiru te možemo koristiti kao osnovu.
Razvoj samoodržive biljne komore koja pokriva sve nutritivne potrebe astronauta mogao bi trajati desetljećima, ali korištenje malih komora kao komplementarne mjere moglo bi pomoći posadi s nedostatkom vitamina i hranjivih tvari (koji su promijenjeni u pakiranoj hrani) i smanjiti umor od prehrane.
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 istraživanje Plant-Habitat 04.
Bioregenerativni sustav za održavanje života
Jedenje zamrznute sušene hrane u svakom obroku stvara zamor od jelovnika i astronauti s vremenom jedu manje
U svemirskoj letjelici prostor je ograničen. Stoga uspjeh misije ovisi o regenerativnim sustavima ugrađenim u sustave za održavanje života (LSS) koji mogu reciklirati iskorištenu tvar u upotrebljivu tvar. Sustav kontrole okoliša i održavanja života (ECLSS) instaliran na Međunarodnoj svemirskoj postaji (ISS) proizvodi kisik i vodu recikliranjem ugljičnog dioksida i urina; sličan sustav bit će potreban za duge svemirske letove.
Ideja o bioregenerativnom LSS-u (BLSS) nastala je 1960-ih kako bi uključila proizvodnju hrane i recikliranje otpadnih materijala (na primjer, fekalnih tvari) u ECLSS. BLSS s bakterijama i algama mogao bi se koristiti za recikliranje dušika u krutom otpadu natrag u upotrebljiv oblik organskog dušika koji biljke mogu apsorbirati. Eksperiment koji slijedi taj princip – Micro Ecological Life Support System Alternative (MELiSSA) – razvija i provodi Europska svemirska agencija od 1990-ih.
Međutim, kako više biljke uključujemo u BLSS, morat ćemo proučiti njihovu integraciju s drugim postojećim tehnologijama kontrole okoliša, što predstavlja novi izazov. Određivanje troškova i održivosti ovih manjih sustava proizvodnje hrane i usjeva pružit će ključne informacije za razvoj prema većem BLSS-u.
Shematski dijagram drugog dizajna jedinice za rast biljaka iz porozne cijevi.
Razvijanje komore za rast biljaka
Korištenje hidroponskog sustava za uzgoj usjeva je atraktivna mogućnost, budući da biljke rastu u vodi umjesto da se oslanjaju na sustav sličan tlu. Potonje povećava težinu letjelice i rizik od lebdenja čestica, dva aspekta koja je čine nepovoljnom. Advanced Plant Habitat (APH) instaliran na ISS-u već je uzgojio različite vrste patuljaste pšenice koristeći hidroponski sustav s poroznim sustavom za navodnjavanje cijevi ugrađenim u korijenski modul koji sadrži arcilit i gnojivo sa sporim otpuštanjem.
Kako bi se posadi olakšale hortikulturne aktivnosti i kako bi se osiguralo da biljke rastu u optimalnom okruženju, kulturni ciklus usjeva mora u potpunosti nadzirati računalo. Takav sustav praćenja testiran je 2018. na Antarktici. Korištenje djelomično automatiziranog sustava za uzgoj usjeva osigurat će da posada ima koristi od prisutnosti biljaka u svemirskoj letjelici (manipulirajući njima) i izbjeći da pitanje poljoprivrede postane previše dugotrajno. Doista, prostorija potrebna za uzgoj biljaka još nije točno definirana i nekoliko eksperimenata u okruženjima nalik svemiru (kao što je HI-SEAS) pokazalo je da ova aktivnost može potrajati.
Dokazano je da uzgoj biljaka ima izuzetno korisne učinke, jer može astronautima dati osjećaj da putuju s komadićem Zemlje
Naposljetku, NASA-in Vegetable Production System ili Veggie (lansiran 2014.), koji pruža površinu za uzgoj od 0.11 m², izvrstan je primjer jedinice za rast biljaka koja bi se mogla koristiti u svemirskoj letjelici, budući da je već testirana na ISS. Što se tiče svjetlosnih zahtjeva, LED diode se koriste s dvije različite valne duljine: crvenom (630 nm) i plavom (455 nm) jer biljke rastu učinkovitije pod tim valnim duljinama. Zelena LED dioda bi također mogla biti potrebna kako bi biljci dala prirodnu boju, čime bi se olakšala identifikacija bolesti i podsjetila posada na Zemlju.
Mizuna (japanski kupus), crvena romaine salata i tokijska bekana (kineski kupus) uzgojeni u jedinici Veggie 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.
Identificirani su geni uključeni u reakcije biljaka na stres, ali kako bi smanjili ili ublažili te učinke, znanstvenici moraju modificirati ekspresiju postojećih gena ili dodati gene za prilagodbu prostoru u genome. To se može postići uređivanjem gena, a neki geni kandidati već su posebno identificirani i proučavani. Na primjer, ARG1 (Altered Response to Gravity 1), gen za koji se zna da utječe na reakcije gravitacije u biljaka na Zemlji, uključen je u ekspresiju 127 gena povezanih s prilagodbom svemirskim letovima. Utvrđeno je da je većina gena promijenjenih u ekspresiji tijekom svemirskih letova ovisna o Arg1, što ukazuje na glavnu ulogu tog gena u fiziološkoj prilagodbi nediferenciranih stanica na svemirske letove. HsfA2 (faktor toplinskog udara A2) ima značajan učinak na prilagodbu svemirskim letovima, primjerice putem biosinteze škroba. Cilj je oslabiti gene koji izazivaju stres i promovirati one korisne.
Drugi geni, koji se nazivaju geni za prilagodbu prostoru, kao što su geni povezani sa zračenjem, perkloratom, patuljastim rastom i niskom temperaturom, potencijalno su vrijedni proučavanja jer bi pomogli biljkama da se odupru teškim uvjetima svemira. Na primjer, mikroorganizmi prilagođeni hiperslanim sredinama posjeduju gene za UV otpornost i otpornost na perklorat. Mnoge patuljaste sorte (npr. pšenice) već su uzgajane na ISS-u, a patuljasta cherry rajčica 'Red Robin' mogla bi se uzgajati na ISS-u kao dio NASA-inog eksperimenta Veg-05.
Također možemo dizajnirati biljke za zdravlje astronauta. Promicanje nakupljanja korisnih spojeva, izrada biljaka jestivih za cijelo tijelo kako bi se smanjio otpad ili projektiranje biljaka za proizvodnju lijekova protiv nuspojava svemira na astronaute mogući su načini da se biljke učine korisnima za posadu.
Strategija jestive i elitne biljke cijelog tijela (WBEEP) korištena je na biljkama krumpira, čime su stabljike i listovi krumpira postali jestivi uklanjanjem solanina iz njih. Da bi se spriječila njegova proizvodnja, geni koji je proizvode se utišavaju ili mutiraju uređivanjem gena. Stvaranje ovog WBEEP krumpira ima prednosti jer se radi o lako kultiviranoj biljci koja je dobar izvor energije i dokazano je sposobna rasti u teškim uvjetima kao što je prostor. Biljke su također obogaćene kako bi u potpunosti zadovoljile potrebe ljudskog tijela za hranjivim tvarima.
Zračenje negativno utječe na rast biljaka i povećava rizik od genetskih mutacija, stoga bi zaštita biljaka od zračenja trebala biti prioritet
Jedan od glavnih problema za zdravlje astronauta u mikrogravitaciji je gubitak gustoće kostiju. Naše su kosti stalno u ravnoteži između rasta i resorpcije, omogućujući kostima da reagiraju na ozljede ili promjene u tjelovježbi. Provođenje vremena u mikrogravitaciji remeti ovu ravnotežu, tjerajući kosti prema resorpciji, pa astronauti gube koštanu masu. To se može liječiti lijekom koji se zove paratiroidni hormon ili PTH, ali zahtijeva redovite injekcije i ima vrlo kratak rok trajanja, što je problematično za duge svemirske letove. Stoga je napravljena transgena salata koja proizvodi PTH.
Dizajniranje biljaka koje mogu rasti u svemiru i biti od koristi astronautima još je u ranoj fazi istraživanja. Međutim, njegovi izgledi su vrlo obećavajući i proučavaju ih sve veće svemirske agencije. Izgradnja komore za rast biljaka u nepoželjnom okruženju svemira još uvijek zahtijeva rad. Jedan od izazova bit će dodati bioregenerativni dio BLSS-a već postojećem LSS-u. Još jedan izazov je potreba za boljim izborom usjeva koji će se uzgajati na brodu kako bi izdržali svemirske uvjete i ponudili značajne prinose. Ali zahvaljujući širenju znanja u uzgoju biljaka, uređivanje gena u odabranim usjevima omogućit će njihovu daljnju prilagodbu svemirskim uvjetima i odgovarati prehrambenim i zdravstvenim potrebama posade.
Izvor: https://room.eu.com