NASAn Artemis 1 -matkan laukaisu Kuuhun marraskuussa merkitsi uutta askelta matkalla, joka jonain päivänä johtaa ihmisiin vierailemaan lähimmän planeetan naapurimme, Marsin, luona. Ihmistehtävä seuraa lopulta useiden robottiavaruusalusten kannoilla, joista viimeisin oli Perseverance-mönkijän laskeutuminen punaiselle planeetalle helmikuussa 2021. Ihmisten Mars-matkoille on ratkaistava monia teknisiä kysymyksiä, joista yksi on keskeinen. ne suojaavat auringon säteilyltä ja suojaavat miehistön terveyttä, mukaan lukien se, kuinka parhaiten tarjota ravitsevaa ruokaa. Monien jälkimmäistä tutkivien asiantuntijoiden painopiste ja haaste on kuinka välttää jatkuvan pakastekuivatun ruoan aiheuttamat piilevät puutteet. Tuoreen ruoan saatavuus on luonnollisesti suuri terveydellinen ja psyykkinen etu, ja tätä varten on välttämätöntä kasvattaa ja korjata kasveja matkalla. Tässä artikkelissa kirjoittajat tarkastelevat nykyistä tietoa ja tutkimusta ravitsemuksesta, lääketieteellisistä ja psykologisista eduista sekä mahdollisista menetelmistä viljelykasvien viljelyyn syvässä avaruudessa.
NASAn mukaan pitkien avaruuslentojen aikana ilmaantuu viisi suurta vaaratekijää: avaruussäteily, eristyneisyys ja rajoittuminen, etäisyys Maasta, alhainen painovoima sekä avaruusaluksen vihamielinen ja suljettu ympäristö. Elävillä kasveilla ja tuoreella ruoalla voisi olla tärkeä rooli kolmen näistä tukemisessa: ravitsemus, lääketieteelliset tarpeet ja miehistön psykologia.
Ravitsemus
Avaruustehtäviin toimitettavan ruoan ravitsemustasapainon on oltava täydellisesti sovitettu, jotta miehistö voi kestää pitkän matkan terveenä
Avaruustehtäviin toimitettavan ruoan ravitsemustasapainon on oltava täydellisesti sovitettu miehistön pitkää matkaa varten terveenä. Koska ravinnon saaminen maapallolta on vaikeaa, oikean ruokavalion ja sen tarkan muodon määrittäminen on kriittinen tavoite.
Kaiken välttämättömien ravintoaineiden puutteen välttäminen on ilmeisin haaste, ja NASA on tutkinut yksityiskohtaisia ravitsemustarpeita. Suuri osa nykyisestä avaruusruokajärjestelmästä on kuitenkin osoittautunut puutteelliseksi. Erityisesti elintarvikkeiden pitkä säilytys ympäristössä aiheuttaa A-, B1-, B6- ja C-vitamiinien hajoamista.
Astronautien kumulatiivinen keskimääräinen painonpudotus on 2.4 prosenttia 100 päivää kohden mikrogravitaatiossa, jopa tiukoilla resistiivisillä vastatoimilla. Astronautien on myös osoitettu kärsivän kaliumin, kalsiumin, D-vitamiinin ja K-vitamiinin ravitsemuksellisista puutteista, koska heille tarjottu ruoka ei pysty täyttämään päivittäistä saantitarpeita.
Kasvit sisältävät luonnostaan vitamiineja ja kivennäisaineita, ja tuoreen ruoan välittömällä nauttimisella vältytään varastointiongelmalta. Niiden nauttiminen olisi siksi loistava lisä pakastekuivattulle ruoalle.
Astronautti Scott Kelly hoiti kuolevia avaruussinniaa takaisin terveiksi ISS:llä. Hän kuvasi kukkakimpun kuplassa Maan taustaa vasten ja jakoi kuvan Instagramiinsa ystävänpäivänä vuonna 2016.
Lääketiede
Vitamiinien ja kivennäisaineiden lisäksi kasvit syntetisoivat monia erilaisia sekundaarisia metaboliitteja. Nämä yhdisteet voivat olla suureksi avuksi terveysongelmien ehkäisyssä. Esimerkiksi folaatti on mukana DNA:n korjauksessa, mutta sen vaatimukset täyttyvät vain 64 prosentissa lentopäivistä. Koska telomeerien, kromosomien pään, on osoitettu muuttuneen merkittävästi pitkien lentojen aikana, folaatin lisääminen tuoreiden kasvien kautta voisi auttaa vähentämään geneettistä ikääntymistä ja syövän esiintymistä.
Muiden esimerkkien joukossa karotenoidipitoiset vihannekset voivat estää mikropainovoiman aiheuttamia silmien vääristymiä, kun taas kuivattu luumuruoka voi auttaa estämään säteilyn aiheuttamaa luukadon. Monet kasvit sisältävät antioksidantteja, jotka voivat olla suureksi avuksi ihmisen DNA:n suojaamisessa säteilyn aiheuttamilta mutaatioilta. Kasvipohjainen ruokavalio ei kuitenkaan riitä, vaan on kehitettävä muita ratkaisuja astronautien suojelemiseksi säteilyltä.
Psykologia
Vitamiinien ja kivennäisaineiden lisäksi kasvit syntetisoivat monia erilaisia sekundaarisia aineenvaihduntatuotteita
Koska eristyneisyys ja etäisyys rasittavat merkittävästi astronautien mielenterveyttä, ateria on yksi tärkeimmistä hetkistä mielialan keventämiseksi. Pakastekuivatun ruoan syöminen joka aterialla väsyttää ruokalistaa ja astronautit syövät yleensä vähemmän ajan myötä. Tuoreen ruoan syöminen voi vähentää tätä väsymystä, ei vähiten tarjoamalla muodon ja koostumuksen vaihtelua.
Toinen miehistön mielenterveydelle hyödyllinen toiminta on puutarhanhoito. Kasvien kasvavilla on osoitettu olevan valtavan hyödyllisiä vaikutuksia, koska se voi antaa astronauteille tunteen matkustamisesta maapallon kanssa. Joissakin tutkimuksissa on yritetty löytää kasveja, joilla on eniten hyödyllisiä psykologisia vaikutuksia, sillä ne voivat olla erittäin tärkeä tekijä miehistön mielenterveydelle. Esimerkiksi mansikka voi parantaa positiivisia psykologisia vasteita, kuten elinvoimaa ja itsetuntoa, vähentää masennusta ja stressiä, kun taas korianteri voi parantaa unen laatua.
Kasviperäinen avaruusviljely on siis kiinnostavaa ravitsemuksellisesti, psykologisesti ja lääketieteellisesti. Tilan puute ja erityiset kasvuolosuhteet rajoittavat kuitenkin viljelykasvien määrää ja valintaa.
Varsinainen käytettävien viljelykasvien valinta vaihtelee tutkittujen kriteerien ja suosiman alan (ravitsemus, psykologia ja lääketiede) mukaan. Jotkut kasvit, joilla on pitkä säilyvyys, voivat olla käteviä, kuten vehnä tai peruna, mutta niiden haittana on, että ne on kypsennettävä ennen käyttöä. Toinen huomioon otettava tekijä on kasvien lisääntymisjärjestelmä ja pölytystapa, koska eläimet (kuten hyönteiset) eivät ole sallittuja aluksella.
Laadittiin luettelo mahdollisista avaruudessa kasvatettavista viljelykasveista, joista osa oli jo viljelty aluksella. Kirjoittajat valitsivat ravitsemukselliset ja agronomiset kriteerit niiden valinnassa. Siten psykologisten vaikutusten osalta sadon tai syötävän kasvin osan makuun ja ulkonäköön annettiin arvo yhdestä (min) neljään (max).
Taulukko eri viljelykasveista niiden ravitsemuksellisten, lääketieteellisten, agronomisten ja psykologisten ominaisuuksiensa kanssa, jotka sopivat pitkiin avaruustehtäviin.
Kasvien kasvatus avaruusaluksessa
Avaruus on kaksi tärkeintä stressin lähdettä kasveille: kosminen säteily ja mikrogravitaatio.
Säteily vaikuttaa negatiivisesti kasvien kasvuun ja lisää geneettisten mutaatioiden riskiä, joten kasvien suojaaminen säteilyltä tulisi olla etusijalla. Vaikka säteily voidaan hillitä käyttämällä lyijy- ja/tai vesisuojuksia, tämä edustaa ylimääräistä massaa, joka on asetettava kiertoradalle. Hyvä ratkaisu, joka syntyi Lockheed Martinin Mars Base Campista (2018), on käyttää polttoainevarastoa säteilysuojana.
Mikrogravitaatio sen sijaan ei heikennä kasvien kasvua merkittävästi, vaikka se saattaa hidastaa sitä. Kasvin vaste vaihtelee kuitenkin lajin mukaan, koska mikrogravitaatio vaikuttaa kasvin genomin ilmentymiseen. On havaittu, että mikrogravitaatiossa kasvit ilmentävät enemmän stressiin liittyviä geenejä, kuten lämpöshokkigeenejä, ja lisäävät stressiin liittyvien proteiinien tuotantoaan. Lisäksi siemenillä on havaittu olevan erilaiset metaboliittien pitoisuudet ja viivästynyt itävyys.
Mikrogravitaatio vaikuttaa myös kasvin mikroympäristöön, kuten ilmakehän liikkumattomuuteen, mikä luo epätavallisen ilmakehän koostumuksen ja kasteluvaikeuden (tuen kanssa tai ilman). Ulkoavaruudessa ei ole konvektiota, joten jos kasvatusasemaa ei tuuleteta riittävästi, kasvin pinnan ympärille jää kasvin päästöjä. On osoitettu, että kaasumaisen eteenin kerääntyminen kasvien lehtien ympärille johtaa epänormaaliin lehtien kehitykseen. Muut kaasut, kuten hiilidioksidi, joita on suurina pitoisuuksina avaruusaluksessa, voivat olla tappavia joillekin kasveille. Sama ongelma ilmenee kasvien kastelussa, joten on kehitettävä menetelmä, joka ei hukuta juuria.
Laitoksen reagointia tilaympäristöön on vaikeampi arvioida. Jotkut ympäristön näkökohdat, kuten rajoitettu tila, voivat ohjata valintamme kohti kääpiölajikkeita. Jotkut muut näkökohdat, kuten kasvin reaktio mikrogravitaatioon, vaihtelevat kuitenkin lajin ja lajikkeen mukaan. Vaikka kokeita on jatkettava, tietty määrä kasveja on jo testattu ja kuvattu avaruudessa kasvaviksi ja voimme käyttää niitä pohjana.
Astronautien kaikki ravitsemustarpeet kattavan omavaraisen kasvikammion kehittäminen voi viedä vuosikymmeniä, mutta pienten kammioiden käyttäminen täydentävinä toimenpiteinä voisi auttaa miehistöä vitamiinien ja ravintoaineiden puutteessa (jotka muuttuvat pakatuissa elintarvikkeissa) ja vähentämään ruokavalion väsymystä.
Space X Crew-02:n Mark Vande Hei, Shane Kimbrough, Thomas Pesquet, Akihiko Hoshide ja Megan McArthur poseeraavat punaisten ja vihreiden chilipippurien sadon kanssa ISS:llä vuonna 2021 Plant-Habitat 04 -tutkimuksessa.
Bioregeneratiivinen elämän tukijärjestelmä
Pakastekuivatun ruoan syöminen joka aterialla väsyttää ruokalistaa ja astronautit syövät vähemmän ajan myötä
Avaruusaluksessa tilaa on rajoitetusti. Siksi tehtävän menestys riippuu Life Support Systems (LSS) -järjestelmään upotetuista regeneratiivisista järjestelmistä, jotka voivat kierrättää käytetyn materiaalin käyttökelpoiseksi aineeksi. Kansainväliselle avaruusasemalle (ISS) asennettu Environmental Control and Life Support System (ECLSS) tuottaa happea ja vettä kierrättämällä hiilidioksidia ja virtsaa; samanlainen järjestelmä tarvitaan pitkillä avaruuslennoilla.
Ajatus bioregeneratiivisesta LSS:stä (BLSS) syntyi 1960-luvulla sisällyttämään ECLSS:ään elintarviketuotannon ja jätemateriaalien (esimerkiksi ulostemateriaalin) kierrätyksen. Bakteereja ja leviä sisältävää BLSS:ää voitaisiin käyttää kiinteiden jätteiden typen kierrättämiseen takaisin käyttökelpoiseksi orgaaniseksi typeksi, jonka kasvit voisivat imeä. Euroopan avaruusjärjestö on kehittänyt ja toteuttanut tätä periaatetta noudattavaa koetta – Micro Ecological Life Support System Alternative (MELiSSA) -vaihtoehtoa 1990-luvulta lähtien.
Koska sisällytämme korkeammat laitokset BLSS:ään, meidän on kuitenkin tutkittava niiden integrointia muihin olemassa oleviin ympäristönhallintatekniikoihin, mikä on uusi haaste. Näiden pienempien elintarvikekasvien tuotantojärjestelmien kustannusten ja kestävyyden määrittäminen antaa kriittistä tietoa kehittyessä kohti suurempaa BLSS:ää.
Kaaviokaavio huokoisen putkikasvien kasvuyksikön toisesta mallista.
Kasvien kasvukammion kehittäminen
Hydroponisen järjestelmän käyttäminen kasvien kasvattamiseen on houkutteleva mahdollisuus, koska se kasvattaa kasveja vedessä sen sijaan, että luottaisi maaperän kaltaiseen järjestelmään. Jälkimmäinen lisää painoa avaruusalukselle ja hiukkasten kellumisen riskiä, kaksi seikkaa, jotka tekevät siitä epäedullisen. ISS:ään asennettu Advanced Plant Habitat (APH) on jo kasvattanut erilaista kääpiövehnää käyttämällä hydroponista järjestelmää, jossa on huokoinen putkikastelujärjestelmä upotettuna juurimoduuliin, joka sisältää arilliitin ja hitaasti vapautuvan lannoitteen.
Miehistön puutarhatyön helpottamiseksi ja kasvien kasvun varmistamiseksi optimaalisessa ympäristössä sadon viljelykiertoa on valvottava täysin tietokoneella. Tällaista seurantajärjestelmää testattiin vuonna 2018 Etelämantereella. Osittain automatisoidun viljelykasvien viljelyjärjestelmän käyttäminen varmistaa, että miehistö hyötyy kasvien läsnäolosta avaruusaluksessa (manipuloimalla niitä) ja vältetään se, että maataloudesta tulee liian aikaavievä. Itse asiassa kasvien kasvattamiseen tarvittavaa tilaa ei ole vielä tarkasti määritelty, ja useat avaruuden kaltaisissa ympäristöissä (kuten HI-SEAS) tehdyt kokeet ovat osoittaneet, että tämä toiminta voi kestää pitkään.
Kasvien kasvavilla on osoitettu olevan valtavan hyödyllisiä vaikutuksia, koska se voi antaa astronauteille tunteen matkustamisesta maapallon kanssa.
Lopuksi NASAn Vegetable Production System eli Veggie (julkaistiin vuonna 2014), jonka kasvuala on 0.11 m², on loistava esimerkki kasvien kasvuyksiköstä, jota voitaisiin käyttää avaruusaluksessa, sillä sitä on jo testattu avaruusaluksella. ISS. Valontarpeen kannalta LEDejä käytetään kahdella eri aallonpituudella: punaisella (630 nm) ja sinisellä (455 nm), koska kasvit kasvavat tehokkaammin näiden aallonpituuksien alla. Vihreä LED saattaa olla tarpeen myös antaa kasville sen luonnollisen värin, mikä helpottaa sairauksien tunnistamista ja muistuttaa miehistöä maapallosta.
Mizuna (japanilainen kaali), punainen romainesalaatti ja Tokio bekana (kiinalainen kaali) kasvatetaan Veggie-yksikössä ISS:llä.
Avaruusolosuhteet aiheuttavat stressiä sekä ihmisille että kasveille, joten parhaillaan tutkitaan sellaisten kasvien suunnittelua, jotka voivat kasvaa avaruusaluksissa ja auttaa lievittämään joitain astronautien kokemaa stressiä.
Kasvien stressireaktioihin osallistuvia geenejä on tunnistettu, mutta näiden vaikutusten vähentämiseksi tai lieventämiseksi tutkijoiden on muutettava olemassa olevien geenien ilmentymistä tai lisättävä genomiin avaruussopeutumisgeenejä. Tämä voidaan saavuttaa geenimuokkauksella, ja joitain ehdokasgeenejä on jo spesifisesti tunnistettu ja tutkittu. Esimerkiksi ARG1 (Altered Response to Gravity 1), geeni, jonka tiedetään vaikuttavan maan kasvien painovoimavasteisiin, osallistuu 127 avaruuslentojen sopeutumiseen liittyvän geenin ilmentymiseen. Useimpien geenien, joiden ilmentyminen muuttui avaruuslennolla, havaittiin olevan Arg1-riippuvaisia, mikä viittaa tämän geenin suureen rooliin erilaistumattomien solujen fysiologisessa mukautumisessa avaruuslentoihin. HsfA2 (Heat Shock Factor A2) vaikuttaa merkittävästi avaruuslentoihin sopeutumiseen esimerkiksi tärkkelysbiosynteesin kautta. Tavoitteena on heikentää stressiä aiheuttavia geenejä ja edistää hyödyllisiä.
Muut geenit, joita kutsutaan avaruussopeutumisgeeneiksi, kuten säteilyyn, perkloraattiin, kääpiöihin ja kylmään lämpötilaan liittyvät geenit, ovat mahdollisesti tutkimisen arvoisia, koska ne auttaisivat kasveja kestämään avaruuden ankaria olosuhteita. Esimerkiksi hypersuolaisiin ympäristöihin sopeutuneilla mikro-organismeilla on geenejä UV-resistenssi- ja perkloraattiresistenssille. Monia kääpiölajikkeita (esim. vehnää) on jo viljelty ISS:llä, ja kääpiökirsikkatomaattia "Red Robin" saatetaan kasvattaa ISS:ssä osana NASAn Veg-05-koetta.
Voimme myös suunnitella kasveja astronautien terveyteen. Hyödyllisten yhdisteiden kertymisen edistäminen, koko kehon syötäviksi kelpaavien kasvien tekeminen jätteen vähentämiseksi tai kasvien suunnitteleminen lääkkeitä tuottamaan avaruuden sivuvaikutuksia vastaan astronauteille ovat mahdollisia tapoja tehdä kasveista hyödyllisiä miehistölle.
Perunakasveissa käytettiin WBEEP-strategiaa, joka teki perunan varret ja lehdet syötäväksi poistamalla niistä solaniini. Sen tuotannon estämiseksi joko sitä tuottavat geenit hiljennetään tai mutatoidaan geenimuokkauksella. Tämän WBEEP-perunan luomisessa on etuja, koska se on helposti viljeltävä kasvi, joka on hyvä energianlähde ja on osoittautunut kykeneväksi kasvamaan vaikeissa olosuhteissa, kuten avaruudessa. Kasveja täydennettiin myös täyttämään täysin ihmiskehon ravintotarpeet.
Säteily vaikuttaa kasvien kasvuun negatiivisesti ja lisää geneettisten mutaatioiden riskiä, joten kasvien suojaaminen säteilyltä tulee olla etusijalla
Yksi tärkeimmistä astronautien terveyteen liittyvistä ongelmista mikrogravitaatiossa on luun tiheyden väheneminen. Luumme ovat jatkuvasti tasapainossa kasvun ja resorption välillä, jolloin luut voivat reagoida vammoihin tai harjoituksen muutoksiin. Ajan viettäminen mikrogravitaatiossa häiritsee tätä tasapainoa ja kallistaa luita kohti resorptiota, jolloin astronautit menettävät luumassaa. Tätä voidaan hoitaa lisäkilpirauhashormonilla eli PTH:lla, mutta se vaatii säännöllisiä injektioita ja sillä on hyvin lyhyt säilyvyys, mikä on ongelmallista pitkillä avaruuslennoilla. Siksi kehitettiin siirtogeeninen salaatti, joka tuottaa PTH:ta.
Avaruudessa kasvavien ja astronautien käyttöön soveltuvien kasvien suunnittelu on vielä alkuvaiheessa. Sen näkymät ovat kuitenkin erittäin lupaavat, ja kaikki suuret avaruusjärjestöt tutkivat niitä. Kasvien kasvukammion rakentaminen avaruuden epämiellyttävässä ympäristössä vaatii vielä työtä. Yksi haasteista on lisätä BLSS:n bioregeneratiivinen osa jo olemassa olevaan LSS:ään. Toinen haaste on tarve parantaa aluksella kasvatettavia viljelykasveja, jotka kestävät tilaolosuhteita ja tarjoavat merkittäviä satoja. Mutta kasvinjalostuksen tietämyksen leviämisen ansiosta valittujen viljelykasvien geenien muokkaus mahdollistaa niiden mukauttamisen avaruusolosuhteisiin ja vastaamaan miehistön ravitsemus- ja terveystarpeita.
Lähde: https://room.eu.com