Запуск місії NASA Artemis 1 на Місяць у листопаді став ще одним кроком у подорожі, яка одного дня приведе до того, що люди відвідають наш найближчий планетарний сусід Марс. Людська місія врешті-решт піде слідом за кількома роботизованими космічними кораблями, останньою з яких була посадка марсохода Perseverance на червону планету в лютому 2021 року. Для подорожі людини на Марс потрібно вирішити багато технологічних проблем, ключові серед яких це захист від сонячної радіації та здоров'я екіпажу, включаючи те, як найкраще забезпечити поживну їжу. У центрі уваги та завдання для багатьох експертів, які вивчають останній, полягає в тому, як уникнути прихованих недоліків, спричинених постійним споживанням ліофілізованої їжі. Наявність свіжої їжі, очевидно, буде головною перевагою для здоров’я та психології, і для цього необхідно буде вирощувати та збирати рослини в дорозі. У цій статті автори розглядають поточні дані та дослідження щодо харчування, медичних і психологічних переваг і можливих методів вирощування сільськогосподарських культур у далекому космосі.
За даними NASA, під час тривалих космічних польотів виникають п’ять основних небезпек: космічна радіація, ізоляція та обмеження, відстань від Землі, низька гравітація та вороже та закрите середовище космічного корабля. Живі рослини та щойно вирощена їжа можуть відігравати важливу роль у підтримці трьох із них: харчування, медичних потреб і психології екіпажу.
харчування
Поживний баланс їжі, що постачається для космічних місій, має бути ідеально адаптованим, щоб екіпаж витримав довгу подорож у доброму здоров’ї
Поживний баланс їжі, що постачається для космічних місій, має бути ідеально адаптованим, щоб екіпаж витримав тривалу подорож у доброму здоров’ї. Оскільки поповнення запасів із Землі буде складним, визначення правильної дієти та її точної форми є критичною метою.
Уникнення будь-якого дефіциту основних поживних речовин є найбільш очевидною проблемою, і детальні потреби в харчуванні були вивчені НАСА. Однак значна частина поточної «системи» космічного харчування виявилася несправною. Зокрема, тривале зберігання їжі в навколишньому середовищі призводить до деградації вітамінів A, B1, B6 і C.
Сукупна середня втрата ваги для астронавтів становить 2.4 відсотка на 100 днів в умовах мікрогравітації, навіть із суворими контрзаходами проти фізичних вправ. Доведено також, що астронавти страждають від нестачі калію, кальцію, вітаміну D і вітаміну K, оскільки їжа, що постачається, не дозволяє їм задовольнити добову норму споживання.
Рослини природним чином містять вітаміни та мінерали, і негайне споживання свіжої їжі дозволить уникнути проблеми зберігання. Таким чином, їх споживання стане чудовим доповненням до ліофілізованої їжі.
Астронавт Скотт Келлі вигодував вмираючих космічних циній на МКС. Він сфотографував букет квітів на Куполі на тлі Землі та поділився знімком у своєму Instagram до Дня Святого Валентина у 2016 році.
Medicine
Крім вітамінів і мінералів, рослини синтезують багато різних вторинних метаболітів. Ці сполуки можуть бути дуже корисними для запобігання проблемам зі здоров’ям. Наприклад, фолат бере участь у відновленні ДНК, але його потреби задовольняються лише на 64 відсотки днів польоту. Оскільки було доведено, що теломери, кінці хромосом, суттєво змінюються під час тривалих польотів, додавання фолієвої кислоти через свіжі рослини може допомогти зменшити генетичне старіння та появу раку.
Серед інших прикладів, багаті каротиноїдами овочі можуть запобігти викривленню очей, спричиненому мікрогравітацією, тоді як дієта з сушених слив може допомогти запобігти втраті кісткової маси, спричиненій радіацією. Багато рослин містять антиоксиданти, які можуть дуже допомогти захистити ДНК людини від мутацій, спричинених радіацією. Однак рослинної дієти недостатньо, і необхідно розробити інші рішення для захисту астронавтів від радіації.
Психологія
Крім вітамінів і мінералів, рослини синтезують багато різних вторинних метаболітів
Оскільки ізоляція та відстань значно навантажують психічне здоров’я астронавтів, їжа є одним із найважливіших моментів для покращення настрою. Вживання ліофілізованої їжі під час кожного прийому їжі викликає втому меню, і з часом астронавти, як правило, їдять менше. Вживання свіжої їжі може зменшити цю втому, не в останню чергу завдяки різноманітності форми та текстури.
Ще одним заняттям, корисним для психічного здоров’я екіпажу, є садівництво. Було доведено, що вирощування рослин має надзвичайно корисний ефект, оскільки це може дати астронавтам відчуття подорожі з шматочком Землі. Деякі дослідження намагалися знайти рослини з найбільш сприятливим психологічним ефектом, оскільки вони можуть бути дуже важливим фактором для психічного здоров’я екіпажу. Наприклад, полуниця може покращити позитивні психологічні реакції, такі як бадьорість і самооцінку, зменшити депресію та стрес, тоді як коріандр може покращити якість сну.
Таким чином, космічне землеробство на рослинній основі цікаве з точки зору харчування, психології та медицини. Однак відсутність місця та особливі умови вирощування обмежують кількість та вибір культур.
Фактичний вибір використовуваних культур буде змінюватися залежно від досліджуваних критеріїв і сфери (харчування, психологія та медицина), якій віддають перевагу. Деякі рослини з тривалим терміном зберігання можуть бути зручними, наприклад пшениця чи картопля, але мають недолік, пов’язаний з тим, що їх потрібно готувати перед споживанням. Іншим фактором, який слід враховувати, є репродуктивна система та спосіб запилення рослин, оскільки тваринам (наприклад, комахам) на борт заборонено.
Було створено список потенційних культур для вирощування в космосі, деякі з яких уже вирощувалися на борту. Інструментами для їх вибору автори обрали харчові та агрономічні критерії. Таким чином, для психологічних ефектів значення від одиниці (min) до чотирьох (max) приписували смаку та зовнішньому вигляду врожаю або їстівної частини рослини.
Таблиця різних культур з їх харчовими, медичними, агрономічними та психологічними характеристиками, придатними для тривалих місій у космосі.
Вирощування рослин у космічному кораблі
Космос є двома основними джерелами стресу для рослин: космічне випромінювання та мікрогравітація.
Радіація негативно впливає на ріст рослин і підвищує ризики генетичних мутацій, тому захист рослин від радіації має бути пріоритетом. Хоча радіацію можна стримувати за допомогою свинцевих та/або водяних щитів, це являє собою додаткову масу для розміщення на орбіті. Хорошим рішенням, яке виникло в марсіанському базовому таборі Lockheed Martin (2018), є використання сховища палива як радіаційного захисту.
Мікрогравітація, з іншого боку, не суттєво погіршує ріст рослин, хоча може сповільнити його. Однак реакція рослини відрізняється залежно від виду, оскільки мікрогравітація впливає на експресію геному рослини. Було виявлено, що в умовах мікрогравітації рослини будуть експресувати більше пов’язаних зі стресом генів, таких як гени теплового шоку, і збільшувати виробництво білків, пов’язаних зі стресом. Крім того, було виявлено, що насіння має різну концентрацію метаболітів і сповільнене проростання.
Мікрогравітація також впливає на мікросередовище рослини, наприклад, відсутність руху атмосфери, створюючи незвичайний атмосферний склад і труднощі з поливом (з опорою або без неї). У космічному просторі немає конвекції повітря, тому, якщо станція вирощування недостатньо вентильована, будь-який газ, що виділяється рослиною, буде залишатися навколо її поверхні. Було показано, що накопичення газоподібного етилену навколо листя рослин призводить до неправильного розвитку листя. Інші гази, такі як вуглекислий газ, присутні у космічному кораблі у високих концентраціях, можуть бути смертельними для деяких рослин. Така ж проблема виникає і при поливі рослин, тому знадобиться розробка методу, який не заглушить коріння.
Реакцію рослини на космічне середовище оцінити складніше. Деякі аспекти цього середовища, такі як обмежений простір, можуть спрямувати наш вибір у бік карликових сортів. Однак деякі інші аспекти, такі як реакція рослини на мікрогравітацію, відрізняються залежно від виду та сорту. Хоча експерименти потрібно продовжувати, певну кількість рослин уже перевірено та описано як здатні рости в космосі, і ми можемо взяти їх за основу.
Розробка самопідтримуваної рослинної камери, яка б задовольнила всі поживні потреби астронавтів, може тривати десятиліття, але використання невеликих камер як додаткових заходів може допомогти екіпажу з дефіцитом вітамінів і поживних речовин (які змінюються в упакованій їжі) і зменшити втому від дієти.
Марк Ванде Хей, Шейн Кімброу, Томас Пескет, Акіхіко Хошіде та Меган МакАртур із Space X Crew-02 позують зі своїм урожаєм червоного та зеленого перцю чилі на МКС у 2021 році для дослідження Plant-Habitat 04.
Біорегенеративна система життєзабезпечення
Вживання ліофілізованої їжі під час кожного прийому їжі викликає втому меню, і астронавти з часом їдять менше
У космічному кораблі кількість місць обмежена. Таким чином, успіх місії залежить від регенеративних систем, вбудованих у системи життєзабезпечення (LSS), які можуть переробляти використані речовини в придатні для використання. Система контролю навколишнього середовища та життєзабезпечення (ECLSS), встановлена на Міжнародній космічній станції (МКС), виробляє кисень і воду шляхом переробки вуглекислого газу та сечі; подібна система знадобиться для тривалих космічних польотів.
Ідея біорегенеративного LSS (BLSS) народилася в 1960-х роках, щоб включити виробництво продуктів харчування та переробку відходів (наприклад, фекалій) до ECLSS. BLSS з бактеріями та водоростями може бути використаний для переробки азоту з твердих відходів назад у придатну для використання форму органічного азоту, який можуть поглинати рослини. Експеримент, який дотримується цього принципу – альтернативна мікроекологічна система життєзабезпечення (MELiSSA) – розробляється та проводиться Європейським космічним агентством з 1990-х років.
Однак, оскільки ми включаємо вищі рослини в BLSS, нам потрібно буде вивчити їх інтеграцію з іншими існуючими технологіями контролю навколишнього середовища, що представляє новий виклик. Визначення вартості та стійкості цих менших систем виробництва продовольчих культур надасть важливу інформацію для розвитку до більшого BLSS.
Принципова схема другої конструкції пористої трубки для росту рослин.
Розробка камери росту рослин
Використання гідропонної системи для вирощування сільськогосподарських культур є привабливою можливістю, оскільки вона вирощує рослини у воді замість того, щоб покладатися на ґрунтову систему. Останнє збільшує вагу космічного корабля та підвищує ризик ширяння частинок, два аспекти, які роблять його невигідним. Advanced Plant Habitat (APH), встановлений на МКС, уже вирощував різновид карликової пшениці за допомогою гідропонної системи з системою поливу з пористої трубки, вбудованою в кореневий модуль, що містить арциліт і добриво з повільним вивільненням.
Щоб полегшити роботу бригади в садівництві та переконатися, що рослини ростуть в оптимальному середовищі, культурний цикл культури повинен повністю контролюватись комп’ютером. Таку систему моніторингу випробували в 2018 році в Антарктиді. Використання частково автоматизованої системи для вирощування сільськогосподарських культур гарантує, що екіпаж отримає вигоду від присутності рослин у космічному кораблі (шляхом маніпулювання ними) і уникне проблеми, пов’язаної з сільським господарством, яка забирає надто багато часу. Дійсно, кімната, необхідна для вирощування рослин, ще точно не визначена, і кілька експериментів у космічних середовищах (наприклад, HI-SEAS) показали, що ця діяльність може бути тривалою.
Було доведено, що вирощування рослин має надзвичайно корисний ефект, оскільки це може дати астронавтам відчуття подорожі з шматочком Землі
Нарешті, система виробництва овочів NASA, або Veggie (запущена в 2014 році), яка забезпечує площу вирощування 0.11 м², є чудовим прикладом установки для вирощування рослин, яку можна використовувати на борту космічного корабля, оскільки її вже випробували на МКС. З точки зору вимог до світла, світлодіоди використовуються з двома різними довжинами хвиль: червоним (630 нм) і синім (455 нм), оскільки рослини ростуть ефективніше за цих довжин хвиль. Зелений світлодіод також може знадобитися, щоб надати рослині її природний колір, таким чином полегшуючи ідентифікацію хвороб і нагадуючи екіпажу про Землю.
Мізуна (японська капуста), червоний салат ромен і токійська бекана (китайська капуста), вирощені в овочевому відділенні на МКС.
Космічні умови створюють стрес як для людей, так і для рослин, тому наразі вивчається конструкція рослин, здатних рости в космічних кораблях і допомагати полегшити деякі стреси, які відчувають астронавти.
Було ідентифіковано гени, які беруть участь у стресових реакціях рослин, але щоб зменшити або пом’якшити ці наслідки, вченим потрібно змінити експресію існуючих генів або додати гени адаптації до простору в геноми. Цього можна досягти за допомогою редагування генів, і деякі гени-кандидати вже були спеціально ідентифіковані та вивчені. Наприклад, ARG1 (змінена реакція на гравітацію 1), ген, який, як відомо, впливає на реакцію гравітації у рослин на Землі, бере участь у експресії 127 генів, пов’язаних з адаптацією до космічного польоту. Було виявлено, що більшість генів, експресія яких змінена під час космічного польоту, залежать від Arg1, що свідчить про важливу роль цього гена у фізіологічній адаптації недиференційованих клітин до космічного польоту. HsfA2 (фактор теплового шоку A2) має значний вплив на адаптацію до космічного польоту, наприклад, через біосинтез крохмалю. Мета полягає в тому, щоб порушити гени, що викликають стрес, і сприяти розвитку корисних.
Інші гени, які називаються генами адаптації до простору, такі як гени, пов’язані з радіацією, перхлоратом, карликовістю та низькими температурами, потенційно варті вивчення, оскільки вони допоможуть рослинам протистояти суворим умовам космосу. Наприклад, мікроорганізми, пристосовані до підвищеної солі, мають гени стійкості до ультрафіолету та перхлорату. Багато карликових сортів (наприклад, пшениці) вже культивували на МКС, а карликовий помідор черрі «Червоний робін» можна вирощувати на МКС у рамках експерименту NASA Veg-05.
Ми також можемо створити рослини для здоров’я космонавтів. Сприяння накопиченню корисних сполук, створення їстівних рослин для всього тіла для зменшення відходів або проектування рослин для виробництва ліків проти побічних ефектів космосу на астронавтів є можливими способами зробити рослини корисними для екіпажу.
Стратегію їстівних та елітних рослин (WBEEP) було використано на рослинах картоплі, завдяки чому стебла та листя картоплі стали їстівними шляхом видалення з них соланіну. Щоб пригнічувати його виробництво, гени, які його виробляють, припиняються або мутуються шляхом редагування генів. Створення цієї картоплі WBEEP має переваги, оскільки це легко культивована рослина, яка є хорошим джерелом енергії та доведена здатністю рости в складних умовах, наприклад у космосі. Рослини також були збагачені, щоб повністю задовольнити потреби людського організму в поживних речовинах.
Радіація негативно впливає на ріст рослин і підвищує ризики генетичних мутацій, тому захист рослин від радіації має бути пріоритетом
Однією з головних проблем здоров’я астронавтів в умовах мікрогравітації є втрата щільності кісткової тканини. Наші кістки постійно балансують між ростом і резорбцією, що дозволяє кісткам реагувати на травми або зміни в фізичних навантаженнях. Проведення часу в умовах мікрогравітації порушує цей баланс, схиляючи кістки до резорбції, тому астронавти втрачають кісткову масу. Це можна лікувати препаратом під назвою паратиреоїдний гормон, або ПТГ, але він вимагає регулярних ін’єкцій і має дуже короткий термін придатності, що є проблематичним для тривалих космічних польотів. Тому був створений трансгенний салат, який виробляє ПТГ.
Розробка рослин, здатних рости в космосі та бути корисними для астронавтів, все ще знаходиться на ранній стадії досліджень. Однак його перспективи дуже багатообіцяючі і вивчаються всіма великими космічними агентствами. Будівництво камери для росту рослин у непривітному середовищі космосу все ще вимагає роботи. Одним із завдань буде додавання біорегенеративної частини BLSS до вже існуючої LSS. Інша проблема полягає в необхідності кращого вибору культур, які вирощуватимуться на борту, щоб витримувати космічні умови та пропонувати значні врожаї. Але завдяки поширенню знань у селекції рослин редагування генів у вибраних культурах дозволить додатково адаптувати їх до космічних умов і відповідати потребам екіпажу в харчуванні та здоров’ї.
Джерело: https://room.eu.com