Лансирањето на мисијата Артемис 1 на НАСА на Месечината во ноември означи уште еден чекор на патувањето што еден ден ќе доведе до луѓето да го посетат нашиот најблизок планетарен сосед, Марс. На крајот ќе следи човечка мисија по неколку роботски вселенски летала, од кои најновото беше слетувањето на роверот Perseverance на црвената планета во февруари 2021 година. За човечкото патување на Марс треба да се решат многу технолошки прашања, клучни меѓу тие се заштита од сончево зрачење и здравје на екипажот, вклучително и како најдобро да се обезбеди хранлива храна. Фокусот и предизвикот за многу експерти кои го проучуваат второто е како да се избегнат латентните недостатоци предизвикани од постојаното консумирање на замрзнато сушена храна. Достапноста на свежа храна очигледно ќе биде голема здравствена и психолошка предност, а за тоа ќе биде неопходно да се одгледуваат и берат растенија на пат. Во оваа статија, авторите ги разгледуваат тековните податоци и истражувања во врска со исхраната, медицинските и психолошките придобивки и можните методи за одгледување на култури во длабока вселена.
Според НАСА, пет големи опасности се појавуваат за време на долгите вселенски летови: вселенско зрачење, изолација и затворање, оддалеченост од Земјата, мала гравитација и непријателска и затворена средина на вселенското летало. Живите растенија и свежо одгледуваната храна би можеле да играат голема улога во поддршката на три од нив: исхрана, медицински потреби и психологија на екипажот.
Исхрана
Нутритивната рамнотежа на храната обезбедена за вселенски мисии мора да биде совршено прилагодена за екипажот да одржи долго патување со добро здравје
Нутритивната рамнотежа на храната обезбедена за вселенски мисии мора да биде совршено прилагодена за екипажот да одржи долго патување со добро здравје. Бидејќи снабдувањето од Земјата ќе биде тешко, критична цел е да се одреди точно вистинската исхрана и нејзината прецизна форма.
Избегнувањето на каков било недостаток на основните хранливи материи е најочигледниот предизвик, а деталните нутритивни потреби се проучувани од НАСА. Сепак, се покажа дека голем дел од сегашниот „систем“ на храна во вселената е дефицитарен. Поточно, долгото амбиентално складирање на храната предизвикува деградација на витамините А, Б1, Б6 и Ц.
Кумулативното просечно губење на тежината за астронаутите е 2.4 проценти на 100 дена во микрогравитација, дури и со строги контрамерки за отпорни вежби. Исто така, се покажа дека астронаутите страдаат од нутритивни недостатоци во калиум, калциум, витамин Д и витамин К, бидејќи храната што се снабдува не им дозволува да ги задоволат дневните барања за внесување.
Растенијата природно содржат витамини и минерали, а непосредната консумација на свежа храна би го избегнала проблемот со складирањето. Затоа, нивното консумирање би било одличен додаток на замрзнато сушена храна.
Астронаутот Скот Кели негуваше вселенски зиннии кои умираа на ISS. Тој фотографираше букет цвеќе во Куполата на позадината на Земјата и ја сподели фотографијата на својот Инстаграм за Денот на вљубените во 2016 година.
Медицина
Во прилог на витамини и минерали, растенијата синтетизираат многу различни секундарни метаболити. Овие соединенија би можеле да бидат од голема помош за спречување на здравствени проблеми. На пример, фолатите се вклучени во поправка на ДНК, но неговите барања се исполнуваат само во 64 проценти од деновите на летот. Бидејќи теломерите, крајот на хромозомите, е докажано дека значително се менуваат за време на долгите летови, дополнувањето со фолати преку свежите растенија може да помогне во намалувањето на генетското стареење и појавата на рак.
Меѓу другите примери, зеленчукот богат со каротеноиди може да спречи изобличување на очите предизвикано од микрогравитацијата, додека исхраната со суви сливи може да помогне да се спречи губење на коскената маса предизвикана од зрачење. Многу растенија содржат антиоксиданси кои можат да бидат од голема помош во заштитата на човечката ДНК од мутации предизвикани од радијација. Сепак, исхраната базирана на растенија не е доволна и мора да се развијат други решенија за заштита на астронаутите од радијација.
Психологија
Во прилог на витамини и минерали, растенијата синтетизираат многу различни секундарни метаболити
Бидејќи изолацијата и растојанието значително ќе го оптоварат менталното здравје на астронаутите, оброкот е еден од најважните времиња за да се олесни расположението. Јадењето замрзнато-сушена храна на секој оброк создава замор на менито и астронаутите имаат тенденција да јадат помалку со текот на времето. Јадењето свежа храна може да го намали овој замор, не само во обезбедувањето разновидност во форма и текстура.
Друга активност корисна за менталното здравје на екипажот е хортикултурата. Докажано е дека растењето на растенијата има неверојатни корисни ефекти, бидејќи може да им даде на астронаутите чувство дека патуваат со парче Земја. Некои студии се обиделе да ги пронајдат растенијата со најкорисни психолошки ефекти, бидејќи тие би можеле да бидат многу важен фактор за менталното здравје на екипажот. На пример, јагодите може да ги подобрат позитивните психолошки одговори, како што се енергијата и самодовербата, да ја намалат депресијата и стресот, додека коријандерот може да го подобри квалитетот на сонот.
Така, вселенското земјоделство базирано на растенија е интересно на нутритивно, психолошко и медицинско ниво. Сепак, недостатокот на простор и посебните услови за одгледување го ограничуваат бројот и изборот на култури.
Вистинскиот избор на користени култури ќе се разликува, во зависност од испитаните критериуми и полето (исхрана, психологија и медицина) што се фаворизира. Некои растенија со долг рок на траење може да бидат погодни, како што се пченицата или компирот, но имаат недостаток на потреба да се готват пред потрошувачката. Друг фактор што треба да се земе предвид е репродуктивниот систем и начинот на опрашување на растенијата, бидејќи животните (како што се инсектите) не се дозволени на бродот.
Беше воспоставен список на потенцијални култури за одгледување во вселената, од кои некои веќе беа одгледувани на бродот. Авторите избраа нутриционистички и агрономски критериуми како алатки за нивно избирање. Така, за психолошки ефекти, вредност од еден (мин) до четири (макс) се припишува на вкусот и изгледот на културата или делот од растителниот дел што може да се јаде.
Табела на различни култури со нивните хранливи, медицински, агрономски и психолошки карактеристики погодни за долги мисии во вселената.
Одгледување растенија во вселенско летало
Вселената претставува два главни извори на стрес за растенијата: космичко зрачење и микрогравитација.
Зрачењето негативно влијае на растот на растенијата и ги зголемува ризиците од генетски мутации, затоа заштитата на растенијата од радијација треба да биде приоритет. Додека зрачењето може да се ограничи со помош на штитови од олово и/или вода, ова претставува дополнителна маса што треба да се постави во орбитата. Добро решение, кое потекнува од базниот камп на Марс на Локхид Мартин (2018), е да се користи складирање гориво како штит од радијација.
Микрогравитацијата, од друга страна, не го нарушува значително растот на растенијата, иако може да го забави. Сепак, одговорот на растението се разликува во зависност од видот, бидејќи микрогравитацијата влијае на експресијата на геномот на растението. Откриено е дека, во микрогравитацијата, растенијата ќе изразат повеќе гени поврзани со стресот, како што се гените за топлински шок, и ќе го зголемат нивното производство на протеини поврзани со стресот. Покрај тоа, откриено е дека семките имаат различни концентрации на метаболити и одложено ртење.
Микрогравитацијата влијае и на микросредината на растението, како што е недостатокот на движење на атмосферата, создавајќи необичен атмосферски состав и тешкотии при наводнување (со или без поддршка). Нема воздушна конвекција во вселената, па ако растечката станица не е доволно вентилирана, гасот што го испушта растението ќе остане околу неговата површина. Се покажа дека акумулацијата на гасовитиот етилен околу листовите на растенијата резултира со абнормален развој на листовите. Други гасови, како јаглерод диоксидот, присутен во високи концентрации во вселенското летало, може да бидат смртоносни за некои растенија. Истиот проблем се јавува и за наводнување на растенијата, така што ќе биде потребен развој на метод што не ги дави корените.
Потешко е да се оцени одговорот на фабриката на вселенската средина. Некои аспекти на таа средина, како што е ограничениот простор, може да го насочат нашиот избор кон џуџести сорти. Сепак, некои други аспекти како одговорот на растението на микрогравитацијата варираат во зависност од видот и сортите. Иако експериментите треба да продолжат, одреден број растенија веќе се тестирани и опишани како способни да растат во вселената и можеме да ги користиме како основа.
Развојот на самоодржлива растителна комора која ги покрива сите хранливи потреби на астронаутите може да потрае со децении, но користењето на мали комори како комплементарни мерки може да му помогне на екипажот со недостаток на витамини и хранливи материи (кои се менуваат во пакуваната храна) и да го намали заморот во исхраната.
Марк Ванде Хеи, Шејн Кимброу, Томас Песке, Акихико Хошиде и Меган МекАртур од Space X Crew-02 позираа со нивната жетва на црвени и зелени чили пиперки во ISS во 2021 година за истрагата Plant-Habitat 04.
Биогенеративен систем за поддршка на животот
Јадењето замрзнато сушена храна на секој оброк создава замор на менито и астронаутите имаат тенденција да јадат помалку со текот на времето
Во вселенското летало, просторијата е ограничена. Затоа, успехот на мисијата зависи од регенеративните системи вградени во системите за поддршка на животот (LSS) кои можат да ја рециклираат искористената материја во употреблива материја. Системот за контрола на животната средина и поддршка на животот (ECLSS) инсталиран во Меѓународната вселенска станица (ISS) произведува кислород и вода со рециклирање на јаглерод диоксид и урина; сличен систем ќе биде потребен за долги вселенски летови.
Идејата за биорегенеративен LSS (BLSS) се роди во 1960-тите за да го вклучи производството на храна и рециклирањето на отпадните материјали (на пример, фекална материја) во ECLSS. BLSS со бактерии и алги може да се користи за рециклирање на азотот во цврстиот отпад назад во употреблива форма на органски азот што растенијата би можеле да го апсорбираат. Експеримент кој го следи тој принцип - Алтернатива на системот за поддршка на микро еколошки живот (MELiSSA) - е развиен и спроведен од Европската вселенска агенција од 1990-тите.
Меѓутоа, бидејќи ги вклучуваме повисоките постројки во BLSS, ќе треба да ја проучуваме нивната интеграција со другите постоечки технологии за контрола на животната средина, што претставува нов предизвик. Утврдувањето на трошоците и одржливоста на овие помали системи за производство на прехранбени култури ќе обезбеди критични информации за еволуирање кон поголем BLSS.
Шематски дијаграм на вториот дизајн на единицата за раст на растенијата со порозна цевка.
Развивање комора за раст на растенијата
Користењето на хидропонски систем за одгледување на култури е атрактивна можност, бидејќи расте растенија во вода наместо да се потпира на систем сличен на почва. Вториот додава тежина на вселенското летало и ризикот од честички да лебдат наоколу, два аспекта што го прават неповолно. Напредното живеалиште на растенијата (APH) инсталирано во ISS веќе одгледува разновидна џуџеста пченица користејќи хидропонски систем со порозна цевка за наводнување систем вграден во коренски модул кој содржи арцилит и ѓубриво со бавно ослободување.
За да се олеснат хортикултурните активности на екипажот и да се осигура дека растенијата растат во оптимална средина, културниот циклус на културите треба целосно да се следи од компјутер. Ваков систем за следење беше тестиран во 2018 година на Антарктикот. Користењето на делумно автоматизиран систем за одгледување на земјоделски култури ќе осигури дека екипажот ќе има корист од присуството на растенија во вселенското летало (преку манипулирање со нив) и ќе избегне прашањето за земјоделството да одземе премногу време. Навистина, просторијата потребна за одгледување растенија сè уште не е прецизно дефинирана и неколку експерименти во средини слични на вселената (како HI-SEAS) покажаа дека оваа активност може да стане долга.
Докажано е дека растењето на растенијата има неверојатно корисни ефекти, бидејќи може да им даде на астронаутите чувство дека патуваат со парче земја.
Конечно, системот за производство на зеленчук на НАСА, или Veggie, (лансиран во 2014 година), кој обезбедува површина за одгледување од 0.11 m², е одличен пример за единица за раст на растенијата што може да се користи на вселенско летало, бидејќи веќе е тестирана на ISS. Во однос на барањата за светлина, LED диоди се користат со две различни бранови должини: црвена (630 nm) и сина (455 nm) бидејќи растенијата растат поефикасно под овие бранови должини. Може да биде неопходна и зелена ЛЕД за да му ја даде природната боја на растението, со што ќе ја олесни идентификацијата на болестите и ќе ја потсети екипажот на Земјата.
Мизуна (јапонска зелка), црвена ромска зелена салата и Токио бекана (кинеска зелка) одгледувана во единицата Веги во ISS.
Вселенските услови создаваат стрес и за луѓето и за растенијата, така што дизајнот на растенија способни да растат во вселенски летала и да помогнат во ублажување на некои од стресовите што ги доживуваат астронаутите во моментов се проучува.
Гените вклучени во стресните реакции на растенијата се идентификувани, но за да се намалат или ублажат тие ефекти, научниците треба да ја модифицираат експресијата на постоечките гени или да додадат гени за адаптација на просторот во геномите. Ова може да се постигне со помош на генско уредување и некои кандидатски гени веќе се конкретно идентификувани и проучени. На пример, ARG1 (Променет одговор на гравитацијата 1), ген за кој е познато дека влијае на одговорите на гравитацијата кај растенијата на Земјата, е вклучен во изразувањето на 127 гени поврзани со адаптацијата на вселенските летови. Повеќето од гените изменети во експресијата при вселенски летови беа зависни од Arg1, што укажува на голема улога на тој ген во физиолошката адаптација на недиференцираните клетки на вселенските летови. HsfA2 (Factor Heat Shock A2) има значително влијание врз адаптацијата на вселенските летови, на пример преку биосинтезата на скроб. Целта е да се нарушат гените кои предизвикуваат стрес и да се промовираат корисни.
Други гени, наречени гени за адаптација на просторот, како што се гените поврзани со зрачење, перхлорат, џуџест раст и ладна температура, се потенцијално вредни за проучување бидејќи ќе им помогнат на растенијата да се спротивстават на суровите услови на вселената. На пример, микроорганизмите прилагодени на хиперсолини средини поседуваат гени за отпорност на УВ и отпорност на перхлорат. Многу џуџести сорти (на пр. пченица) се веќе одгледувани на ISS и џуџестиот цреша домат „Red Robin“ може да се одгледува во ISS како дел од експериментот Veg-05 на НАСА.
Можеме да дизајнираме и постројки за здравјето на астронаутите. Промовирање на акумулација на корисни соединенија, правење растенија за јадење за цело тело за да се намали отпадот или дизајнирање на растенија за производство на лекови против вселенските несакани ефекти врз астронаутите се можни начини растенијата да се направат корисни за екипажот.
Стратегијата за цело тело за јадење и елитни растенија (WBEEP) беше користена на растенијата од компир, правејќи ги стеблата и листовите од компирот да се јадат со отстранување на соланин од нив. За да се спречи неговото производство, или гените што го произведуваат се замолчуваат или мутираат со генско уредување. Создавањето на овој WBEEP компир има предности бидејќи е лесно култивирано растение кое е добар извор на енергија и се покажало способно да расте во тешки услови како што е просторот. Растенијата исто така беа збогатени за целосно да ги задоволат потребите на човечкото тело за хранливи материи.
Зрачењето негативно влијае на растот на растенијата и ги зголемува ризиците од генетски мутации, така што заштитата на растенијата од радијација треба да биде приоритет
Едно од главните прашања за здравјето на астронаутите во микрогравитацијата е губењето на коскената густина. Нашите коски постојано се балансираат помеѓу растот и ресорпцијата, дозволувајќи им на коските да реагираат на повреди или промени во вежбањето. Поминувањето време во микрогравитација ја нарушува оваа рамнотежа, доведувајќи ги коските кон ресорпција, па астронаутите ја губат коскената маса. Ова може да се третира со лек наречен паратироиден хормон или PTH, но бара редовни инјекции и има многу краток рок на траење, што е проблематично за долги вселенски летови. Затоа, беше конструирана трансгенска зелена салата која произведува PTH.
Дизајнирањето на растенија способни да растат во вселената и да бидат корисни за астронаутите сè уште е во рана фаза на истражување. Сепак, неговите перспективи се многу ветувачки и се проучуваат од сите големи вселенски агенции. Изградбата на комора за раст на растенијата во непожелна средина на просторот сè уште бара работа. Еден од предизвиците ќе биде да се додаде биорегенеративниот дел од BLSS на веќе постоечкиот LSS. Друг предизвик е потребата за подобар избор на култури што ќе се одгледуваат на бродот за да ги издржат вселенските услови и да понудат значителни приноси. Но, благодарение на ширењето на знаењето во одгледувањето растенија, уредувањето на гените кај избраните култури ќе им овозможи дополнително да се приспособат на вселенските услови и да одговараат на нутритивните и здравствените потреби на екипажот.
Извор: https://room.eu.com