Стартирането на мисията Artemis 1 на НАСА до Луната през ноември бележи още една стъпка от пътуването, което един ден ще доведе хората до посещение на най-близкия ни планетарен съсед Марс. Човешка мисия в крайна сметка ще последва след множество роботизирани космически кораби, най-скорошната от които беше кацането на марсохода Perseverance на червената планета през февруари 2021 г. За човешките пътувания до Марс има много технологични проблеми, които трябва да бъдат решени, ключови сред те са защитата от слънчева радиация и здравето на екипажа, включително как най-добре да се осигури питателна храна. Фокусът и предизвикателството за много експерти, изучаващи последното, е как да се избегнат латентните недостатъци, причинени от постоянната консумация на лиофилизирани храни. Наличието на прясна храна очевидно ще бъде голямо здравословно и психологическо предимство и за това ще е необходимо да се отглеждат и събират растения по пътя. В тази статия авторите правят преглед на текущите данни и изследвания относно храненето, медицинските и психологическите ползи и възможните методи за отглеждане на култури в дълбокия космос.
Според НАСА пет основни опасности се появяват по време на дълги космически полети: космическа радиация, изолация и затворено пространство, разстояние от Земята, ниска гравитация и враждебна и затворена среда на космически кораб. Живите растения и прясно отгледаната храна могат да играят основна роля в поддържането на три от тях: хранене, медицински нужди и психология на екипажа.
Хранене
Хранителният баланс на храната, доставена за космически мисии, трябва да бъде перфектно адаптиран, за да може екипажът да издържи дълго пътуване в добро здраве
Хранителният баланс на храната, доставена за космическите мисии, трябва да бъде перфектно адаптиран, за да може екипажът да издържи дълго пътуване в добро здраве. Тъй като доставките от Земята ще бъдат трудни, определянето на точната диета и нейната точна форма е критична цел.
Избягването на всякакъв дефицит на основни хранителни вещества е най-очевидното предизвикателство и подробните хранителни нужди са проучени от НАСА. Голяма част от настоящата космическа хранителна „система“ обаче е доказано недостатъчна. По-конкретно, дългото съхранение на храната на околната среда предизвиква разграждането на витамините А, В1, В6 и С.
Кумулативната средна загуба на тегло за астронавтите е 2.4 процента на 100 дни в микрогравитация, дори при строги контрамерки за резистивни упражнения. Освен това е доказано, че астронавтите страдат от хранителни дефицити на калий, калций, витамин D и витамин К, тъй като храната, която се доставя, не им позволява да отговорят на изискванията за дневен прием.
Растенията естествено съдържат витамини и минерали и незабавната консумация на прясна храна ще избегне проблема със съхранението. Консумирането им следователно би било чудесна добавка към лиофилизирана храна.
Астронавтът Скот Кели откърми умиращите космически цинии да се върнат към здравето на МКС. Той снима букет от цветя в купола на фона на Земята и сподели снимката в своя Instagram за Свети Валентин през 2016 г.
Медицина
В допълнение към витамините и минералите, растенията синтезират много различни вторични метаболити. Тези съединения могат да бъдат от голяма полза за предотвратяване на здравословни проблеми. Например, фолатът участва в възстановяването на ДНК, но неговите изисквания са изпълнени само в 64 процента от полетните дни. Тъй като е доказано, че теломерите, краят на хромозомите, се променят значително по време на дълги полети, добавянето на фолат чрез пресни растения може да помогне за намаляване на генетичното стареене и появата на рак.
Сред другите примери, богатите на каротеноиди зеленчуци могат да предотвратят изкривяването на очите, причинено от микрогравитацията, докато диетата със сушени сливи може да помогне за предотвратяване на загуба на костна маса, предизвикана от радиация. Много растения съдържат антиоксиданти, които могат да бъдат от голяма полза за защита на човешката ДНК от индуцирани от радиация мутации. Растителната диета обаче не е достатъчна и трябва да се разработят други решения за защита на астронавтите от радиация.
Психология
В допълнение към витамините и минералите, растенията синтезират много различни вторични метаболити
Тъй като изолацията и разстоянието ще натоварят значително психическото здраве на астронавтите, храненето е един от най-важните моменти за разведряване на настроението. Яденето на лиофилизирана храна на всяко хранене създава умора от менюто и астронавтите са склонни да ядат по-малко с времето. Яденето на прясна храна може да намали тази умора, не на последно място като осигури разнообразие във формата и текстурата.
Друга дейност, полезна за психичното здраве на екипажа, е градинарството. Доказано е, че отглеждането на растения има изключително полезни ефекти, тъй като може да даде на астронавтите усещането, че пътуват с парче Земя. Някои проучвания са се опитали да открият растенията с най-благоприятни психологически ефекти, тъй като те могат да бъдат много важен фактор за психичното здраве на екипажа. Например, ягодите могат да подобрят положителните психологически реакции, като жизненост и самочувствие, да намалят депресията и стреса, докато кориандърът може да подобри качеството на съня.
По този начин космическото земеделие на растителна основа е интересно на хранително, психологическо и медицинско ниво. Въпреки това, липсата на място и специфичните условия на отглеждане ограничават броя и избора на култури.
Действителният избор на използвани култури ще варира в зависимост от изследваните критерии и предпочитаната област (хранене, психология и медицина). Някои растения с дълъг срок на годност могат да бъдат удобни, като пшеница или картофи, но имат недостатъка, че трябва да се готвят преди консумация. Друг фактор, който трябва да имате предвид, е репродуктивната система и начина на опрашване на растенията, тъй като животни (като насекоми) не се допускат на борда.
Създаден е списък с потенциални култури за отглеждане в космоса, някои от които вече са били култивирани на борда. Авторите са избрали хранителни и агрономични критерии като инструменти за избора им. По този начин, за психологически ефекти, стойност от едно (мин.) до четири (макс.) се приписва на вкуса и външния вид на реколтата или ядивната растителна част.
Таблица с различни култури с техните хранителни, медицински, агрономически и психологически характеристики, подходящи за дълги мисии в космоса.
Отглеждане на растения в космически кораб
Космосът представлява два основни източника на стрес за растенията: космическата радиация и микрогравитацията.
Радиацията влияе отрицателно на растежа на растенията и увеличава рисковете от генетични мутации, така че защитата на растенията от радиация трябва да бъде приоритет. Докато радиацията може да бъде задържана с помощта на оловни и/или водни щитове, това представлява допълнителна маса за поставяне в орбита. Добро решение, което произхожда от базовия лагер на Марс на Lockheed Martin (2018 г.), е да се използва склад за гориво като радиационен щит.
Микрогравитацията, от друга страна, не уврежда значително растежа на растенията, въпреки че може да го забави. Отговорът на растението обаче се различава в зависимост от вида, тъй като микрогравитацията влияе върху експресията на генома на растението. Открито е, че при микрогравитация растенията ще експресират повече гени, свързани със стреса, като гени за топлинен шок, и ще увеличат производството си на протеини, свързани със стреса. Освен това е установено, че семената имат различни концентрации на метаболити и забавено покълване.
Микрогравитацията също влияе върху микросредата на растението, като липсата на движение на атмосферата, създавайки необичаен атмосферен състав и трудности при поливане (с или без опора). В космическото пространство няма въздушна конвекция, така че ако станцията за отглеждане не е достатъчно вентилирана, всеки газ, изпускан от растението, ще остане около нейната повърхност. Доказано е, че натрупването на газообразен етилен около листата на растенията води до ненормално развитие на листата. Други газове, като въглероден диоксид, присъстващи във високи концентрации в космически кораб, могат да бъдат смъртоносни за някои растения. Същият проблем възниква при поливането на растенията, така че ще е необходимо разработването на метод, който не удавя корените.
По-трудно е да се оцени реакцията на растението към космическата среда. Някои аспекти на тази среда, като например ограниченото пространство, могат да насочат избора ни към сортовете джуджета. Въпреки това, някои други аспекти като реакцията на растението към микрогравитацията варират в зависимост от видовете и разновидностите. Въпреки че експериментите трябва да продължат, определен брой растения вече са тествани и описани като способни да растат в космоса и можем да ги използваме като основа.
Разработването на самоподдържаща се растителна камера, покриваща всички хранителни нужди на астронавтите, може да отнеме десетилетия, но използването на малки камери като допълнителни мерки може да помогне на екипажа с недостиг на витамини и хранителни вещества (които са променени в пакетираната храна) и да намали умората от диета.
Марк Ванде Хей, Шейн Кимброу, Томас Пескет, Акихико Хошиде и Меган МакАртър от Space X Crew-02 позират с реколтата си от червени и зелени люти чушки в МКС през 2021 г. за разследването Plant-Habitat 04.
Биорегенеративна животоподдържаща система
Яденето на лиофилизирана храна на всяко хранене създава умора от менюто и астронавтите са склонни да ядат по-малко с времето
В космическия кораб мястото е ограничено. Следователно успехът на мисията зависи от регенеративните системи, вградени в системите за поддържане на живота (LSS), които могат да рециклират използваната материя в използваема материя. Системата за контрол на околната среда и поддържане на живота (ECLSS), инсталирана в Международната космическа станция (ISS), произвежда кислород и вода чрез рециклиране на въглероден диоксид и урина; подобна система ще е необходима за дълги космически полети.
Идеята за биорегенеративен LSS (BLSS) се ражда през 1960-те години на миналия век, за да включи производството на храни и рециклирането на отпадъчни материали (например фекална материя) в ECLSS. BLSS с бактерии и водорасли може да се използва за рециклиране на азота в твърдите отпадъци обратно в използваема форма на органичен азот, който растенията могат да абсорбират. Експеримент, следващ този принцип – Микроекологичната алтернатива на системата за поддържане на живота (MELiSSA) – е разработен и проведен от Европейската космическа агенция от 1990-те години на миналия век.
Въпреки това, тъй като включваме висши растения в BLSS, ще трябва да проучим тяхната интеграция с другите съществуващи технологии за контрол на околната среда, което представлява ново предизвикателство. Определянето на разходите и устойчивостта на тези по-малки системи за производство на хранителни култури ще предостави критична информация за развитието към по-голям BLSS.
Схематична диаграма на втория дизайн на единица за растеж на растения с пореста тръба.
Разработване на камера за растеж на растения
Използването на хидропонна система за отглеждане на култури е привлекателна възможност, тъй като тя отглежда растения във вода, вместо да разчита на система, подобна на почвата. Последното добавя тежест към космическия кораб и риска от плаващи частици наоколо, два аспекта, които го правят неблагоприятен. Advanced Plant Habitat (APH), инсталиран в ISS, вече е отгледал разнообразие от пшеница джудже, използвайки хидропонна система с пореста тръбна система за поливане, вградена в коренов модул, съдържащ арцилит и тор с бавно освобождаване.
За да се улеснят градинарските дейности на екипажа и да се гарантира, че растенията растат в оптимална среда, културният цикъл трябва да бъде напълно наблюдаван от компютър. Такава система за наблюдение беше тествана през 2018 г. в Антарктика. Използването на частично автоматизирана система за отглеждане на култури ще гарантира, че екипажът ще се възползва от присъствието на растения в космическия кораб (като ги манипулира) и ще избегне проблема със селското стопанство да стане отнемащо твърде много време. В действителност стаята, необходима за отглеждане на растения, все още не е точно дефинирана и няколко експеримента в космическа среда (като HI-SEAS) показаха, че тази дейност може да стане продължителна.
Доказано е, че отглеждането на растения има изключително полезни ефекти, тъй като може да даде на астронавтите усещането, че пътуват с парче от Земята
И накрая, системата за производство на зеленчуци на НАСА или Veggie (лансирана през 2014 г.), която осигурява площ за отглеждане от 0.11 m², е чудесен пример за единица за растеж на растения, която може да се използва на борда на космически кораб, тъй като вече е тествана на МКС. По отношение на изискванията за светлина, светодиодите се използват с две различни дължини на вълната: червено (630 nm) и синьо (455 nm), тъй като растенията растат по-ефективно при тези дължини на вълната. Зеленият светодиод също може да е необходим, за да придаде на растението естествения му цвят, като по този начин улеснява идентифицирането на болести и напомня на екипажа за Земята.
Мизуна (японско зеле), червена римска маруля и токийска бекана (китайско зеле), отглеждани във Veggie единица на МКС.
Космическите условия създават стрес както за хората, така и за растенията, така че дизайнът на растения, които могат да растат в космически кораби и да помогнат за облекчаване на някои от стресовете, които изпитват астронавтите, в момента се проучват.
Идентифицирани са гени, участващи в реакциите на растенията към стрес, но за да се намалят или смекчат тези ефекти, учените трябва да модифицират експресията на съществуващите гени или да добавят гени за пространствена адаптация в геномите. Това може да се постигне чрез редактиране на гени и някои кандидат-гени вече са специално идентифицирани и изследвани. Например, ARG1 (Променен отговор на гравитацията 1), ген, за който е известно, че влияе на реакциите на гравитацията в растенията на Земята, участва в експресията на 127 гена, свързани с адаптирането към космически полети. Установено е, че повечето от гените, променени в експресията при космически полет, са Arg1-зависими, което предполага основна роля на този ген във физиологичната адаптация на недиференцирани клетки към космически полет. HsfA2 (фактор на топлинен шок A2) има значителен ефект върху адаптацията при космически полети, например чрез биосинтеза на нишесте. Целта е да се увредят гените, предизвикващи стрес, и да се насърчават полезните.
Други гени, наречени гени за адаптация към пространството, като гени, свързани с радиация, перхлорат, нанизъм и ниска температура, потенциално си струва да бъдат проучени, тъй като биха помогнали на растенията да устоят на суровите условия на космоса. Например, микроорганизми, адаптирани към свръхсолеви среди, притежават гени за UV устойчивост и устойчивост на перхлорати. Много сортове джуджета (напр. пшеница) вече са култивирани на МКС и черешовият домат джудже „Red Robin“ може да се отглежда в МКС като част от експеримента Veg-05 на НАСА.
Можем също да проектираме растения за здравето на астронавтите. Насърчаването на натрупването на полезни съединения, създаването на ядливи растения за цялото тяло за намаляване на отпадъците или проектирането на растения за производство на лекарства срещу страничните ефекти на космоса върху астронавтите са възможни начини да направите растенията полезни за екипажа.
Стратегията за ядливо и елитно растение за цялото тяло (WBEEP) беше използвана върху картофени растения, правейки стъблата и листата на картофите годни за консумация чрез премахване на соланина от тях. За да се потисне производството му, или гените, които го произвеждат, се заглушават или мутират чрез редактиране на гени. Създаването на този картоф WBEEP има предимства, тъй като е лесно култивирано растение, което е добър източник на енергия и е доказано, че може да расте в трудни условия, като пространството. Растенията също са подсилени, за да задоволят напълно нуждите на човешкото тяло от хранителни вещества.
Радиацията влияе отрицателно върху растежа на растенията и увеличава рисковете от генетични мутации, така че защитата на растенията от радиация трябва да бъде приоритет
Един от основните проблеми за здравето на астронавтите в микрогравитацията е загубата на костна плътност. Нашите кости са постоянно балансирани между растеж и резорбция, което позволява на костите да реагират на нараняване или промени в упражненията. Прекарването на време в микрогравитация нарушава този баланс, накланяйки костите към резорбция, така че астронавтите губят костна маса. Това може да се лекува с лекарство, наречено паратироиден хормон или ПТХ, но изисква редовни инжекции и има много кратък срок на годност, което е проблематично при дълги космически полети. Поради това е създадена трансгенна маруля, която произвежда ПТХ.
Проектирането на растения, способни да растат в космоса и да бъдат полезни за астронавтите, все още е в ранен етап на изследване. Перспективите му обаче са много обещаващи и се проучват от всички големи космически агенции. Изграждането на камера за растеж на растения в неприветливата среда на космоса все още изисква работа. Едно от предизвикателствата ще бъде добавянето на биорегенеративната част от BLSS към вече съществуващия LSS. Друго предизвикателство е необходимостта от по-добър избор на култури, които да се отглеждат на борда, за да издържат едновременно на космически условия и да предлагат значителни добиви. Но благодарение на разпространението на знанията в отглеждането на растения, редактирането на гените в избраните култури ще позволи те да бъдат допълнително адаптирани към космическите условия и да отговарят на хранителните и здравни нужди на екипажа.
Източник: https://room.eu.com