Sending Artemis 1 leiðangurs NASA til tunglsins í nóvember markaði enn eitt skrefið á þeirri ferð sem mun einn daginn leiða til þess að menn heimsæki næsta nágranna okkar á plánetunni, Mars. Mannlegt verkefni mun að lokum fylgja á hæla margra vélfærageimfara, en sú nýjasta var lending Perseverance flakkarans á rauðu plánetunni í febrúar 2021. Fyrir ferðir manna til Mars eru mörg tæknileg vandamál sem þarf að leysa, lykilatriði meðal þær eru vernd gegn sólargeislun og heilsu áhafna, þar á meðal hvernig best er að útvega næringarríkan mat. Áherslan og áskorunin fyrir marga sérfræðinga sem rannsaka hið síðarnefnda er hvernig á að forðast dulda annmarka sem stafar af stöðugri neyslu á frostþurrkuðum mat. Aðgengi að ferskum matvælum mun augljóslega vera mikill heilsu- og sálfræðilegur kostur og til þess þarf að rækta og uppskera plöntur á leiðinni. Í þessari grein fara höfundar yfir núverandi gögn og rannsóknir varðandi næringu, læknisfræðilegan og sálrænan ávinning og mögulegar aðferðir við að rækta ræktun í djúpum geimum.
Samkvæmt NASA birtast fimm stórar hættur í löngum geimferðum: geimgeislun, einangrun og innilokun, fjarlægð frá jörðu, lágt þyngdarafl og fjandsamlegt og lokað umhverfi geimfars. Lifandi plöntur og nýræktuð matvæli gætu gegnt stóru hlutverki við að styðja við þrennt: næringu, læknisfræðilegar þarfir og sálfræði áhafna.
Næring
Næringarjafnvægi matvæla til geimferða verður að vera fullkomlega aðlagað fyrir áhöfn til að halda uppi langri ferð við góða heilsu
Næringarjafnvægi matvæla til geimferða verður að vera fullkomlega aðlagað fyrir áhöfn til að halda uppi langri ferð við góða heilsu. Þar sem birgðir frá jörðinni verða erfiðar, er mikilvægt markmið að ákvarða nákvæmlega rétt mataræði og nákvæmlega form þess.
Að forðast hvers kyns skort á nauðsynlegum næringarefnum er augljósasta áskorunin og nákvæmar næringarþarfir hafa verið rannsakaðar af NASA. Mikið af núverandi „geimmatarkerfi“ hefur hins vegar reynst ábótavant. Nánar tiltekið veldur langvarandi geymsla matvæla niðurbrot á vítamínum A, B1, B6 og C.
Uppsafnað meðalþyngdartap fyrir geimfara er 2.4 prósent á 100 dögum í örþyngdarafl, jafnvel með ströngum mótspyrna viðnámsaðgerðum. Einnig hefur verið sýnt fram á að geimfarar þjáist af næringarskorti á kalíum, kalsíum, D-vítamíni og K-vítamíni vegna þess að matvæli sem fást gera þeim ekki kleift að mæta daglegri inntökuþörf.
Plöntur innihalda náttúrulega vítamín og steinefni og tafarlaus neysla á ferskum mat myndi forðast vandamál við geymslu. Neysla þeirra væri því frábær viðbót við frostþurrkað mat.
Geimfarinn Scott Kelly hjúkraði deyjandi geim-zinnias aftur til heilsu á ISS. Hann myndaði vönd af blómunum í kúpunni á bakgrunni jarðar og deildi myndinni á Instagram sínu fyrir Valentínusardaginn árið 2016.
Medicine
Auk vítamína og steinefna mynda plöntur mörg mismunandi efri umbrotsefni. Þessi efnasambönd gætu verið mikil hjálp við að koma í veg fyrir heilsufarsvandamál. Til dæmis tekur fólat þátt í DNA-viðgerðum, en kröfur þess eru uppfylltar á aðeins 64 prósent flugdaga. Þar sem sannað hefur verið að telómerar, enda litninga, breytist verulega á löngum flugi, gæti viðbót í fólati með ferskum plöntum hjálpað til við að draga úr erfðaöldrun og krabbameinstilvikum.
Meðal annarra dæma gæti karótenóíðríkt grænmeti komið í veg fyrir skekkju í augum af völdum örþyngdarafls, á meðan þurrkuð plómufæði getur hjálpað til við að koma í veg fyrir beinatapi af völdum geislunar. Margar plöntur innihalda andoxunarefni sem geta verið mikil hjálp við að vernda DNA mannsins gegn stökkbreytingum af völdum geislunar. Hins vegar er jurtafæði ekki nóg og þarf að þróa aðrar lausnir til að vernda geimfara gegn geislun.
Sálfræði
Auk vítamína og steinefna mynda plöntur mörg mismunandi efri umbrotsefni
Þar sem einangrun og fjarlægð mun valda verulegu álagi á andlega heilsu geimfara er máltíðin einn mikilvægasti tíminn til að létta skapið. Að borða frostþurrkað mat í hverri máltíð veldur þreytu á matseðlinum og geimfarar hafa tilhneigingu til að borða minna með tímanum. Að borða ferskan mat getur dregið úr þessari þreytu, ekki síst í því að veita fjölbreytni í formi og áferð.
Önnur starfsemi sem gagnast geðheilsu áhafnarinnar er garðyrkja. Sýnt hefur verið fram á að ræktun plantna hefur gríðarlega góð áhrif, þar sem það getur gefið geimfarunum þá tilfinningu að ferðast með stykki af jörðinni. Sumar rannsóknir hafa reynt að finna plönturnar með hagstæðustu sálrænu áhrifunum, þar sem þær gætu verið mjög mikilvægur þáttur fyrir andlega heilsu áhafnarinnar. Til dæmis geta jarðarber bætt jákvæð sálfræðileg viðbrögð, eins og kraft og sjálfsálit, dregið úr þunglyndi og streitu á meðan kóríander gæti bætt svefngæði.
Þannig er rýmisbúskapur sem byggir á plöntum áhugaverður á næringar-, sálfræðilegu og læknisfræðilegu stigi. Hins vegar takmarkar skortur á plássi og sérstök ræktunarskilyrði fjölda og val á ræktun.
Raunverulegt val á ræktun sem notuð er mun vera mismunandi, allt eftir viðmiðunum sem skoðuð eru og því sviði (næring, sálfræði og læknisfræði) sem er í stakk búið. Sumar plöntur með langan geymsluþol geta verið þægilegar, eins og hveiti eða kartöflur, en hafa þann ókost að þurfa að elda þær fyrir neyslu. Annar þáttur sem þarf að hafa í huga er æxlunarkerfið og frævunarháttur plantnanna, því dýr (eins og skordýr) eru ekki leyfð um borð.
Settur var upp listi yfir mögulega ræktun til að rækta í geimnum, sumar þeirra höfðu þegar verið ræktaðar um borð. Höfundarnir völdu næringar- og búfræðiviðmið sem tæki til að velja þau. Þannig, fyrir sálfræðileg áhrif, var gildi frá einum (mín.) til fjögur (hámark) gefið til bragðs og útlits ræktunar eða æts plöntuhluta.
Tafla yfir mismunandi ræktun með næringarfræðilegum, læknisfræðilegum, landbúnaðarfræðilegum og sálfræðilegum eiginleikum sem henta fyrir langa leiðangra í geimnum.
Rækta plöntur í geimfari
Geimurinn sýnir tvær helstu uppsprettur streitu fyrir plöntur: geimgeislun og örþyngdarafl.
Geislun hefur neikvæð áhrif á vöxt plantna og eykur hættuna á erfðabreytingum, þannig að verndun plantna gegn geislun ætti að vera forgangsverkefni. Þó að hægt sé að stöðva geislun með blý- og/eða vatnshlífum, táknar þetta viðbótarmassa til að setja í sporbraut. Góð lausn, sem er upprunnin frá Lockheed Martin's Mars Base Camp (2018), er að nota eldsneytisgeymslu sem geislavörn.
Örþyngdarafl, aftur á móti, hefur ekki áhrif á vöxt plantna verulega, þó það gæti hægt á honum. Hins vegar er viðbragð plöntunnar mismunandi eftir tegundum þar sem örþyngdarafl hefur áhrif á tjáningu erfðamengis plöntunnar. Það hefur verið uppgötvað að í örþyngdarafl munu plöntur tjá fleiri streitutengd gen, eins og hitalostgen, og auka framleiðslu sína á streitutengdum próteinum. Ennfremur hefur komið í ljós að fræ hafa mismunandi styrk umbrotsefna og seinkun á spírun.
Örþyngdarafl hefur einnig áhrif á örumhverfi plöntunnar, svo sem skortur á hreyfingu andrúmsloftsins, skapar óvenjulega samsetningu andrúmsloftsins og erfiðleikar við að vökva (með eða án stuðnings). Það er engin loftræsting í geimnum, þannig að ef ræktunarstöðin er ekki nægilega loftræst verður lofttegund frá plöntunni áfram um yfirborð hennar. Sýnt hefur verið fram á að uppsöfnun loftkennds etýlens í kringum lauf plantna hefur í för með sér óeðlilegan blaðþroska. Aðrar lofttegundir, eins og koltvísýringur, sem eru í miklum styrk í geimfari, geta verið banvænar sumum plöntum. Sama vandamál kemur upp fyrir vökva plantna, þannig að það þarf að þróa aðferð sem drekkar ekki rótunum.
Erfiðara er að meta viðbrögð álversins við geimumhverfinu. Sumir þættir þess umhverfis, eins og takmarkað rými, geta beint vali okkar í átt að dvergafbrigðum. Hins vegar eru sumir aðrir þættir eins og viðbrögð plöntunnar við örþyngdarafl breytileg eftir tegundum og afbrigðum. Þó tilraunir þurfi að halda áfram hefur ákveðinn fjöldi plantna þegar verið prófaður og lýst því að þær geti vaxið í geimnum og við getum notað þær sem grunn.
Þróun sjálfbærs plöntuhólfs sem nær yfir allar næringarþarfir geimfara gæti tekið áratugi en að nota lítil hólf sem viðbótarráðstafanir gæti hjálpað áhöfninni með skort á vítamínum og næringarefnum (sem er breytt í pakkaðri mat) og dregið úr þreytu í mataræði.
Mark Vande Hei, Shane Kimbrough, Thomas Pesquet, Akihiko Hoshide og Megan McArthur frá Space X Crew-02 stilla sér upp með uppskeru sinni af rauðum og grænum chilipipar í ISS árið 2021 fyrir Plant-Habitat 04 rannsóknina.
Lífendurnýjandi lífsstuðningskerfi
Að borða frostþurrkað mat í hverri máltíð veldur þreytu á matseðlinum og geimfarar hafa tilhneigingu til að borða minna með tímanum
Í geimfari er pláss takmarkað. Þess vegna veltur árangur verkefnisins á endurnýjunarkerfum sem eru felld inn í lífstuðningskerfi (LSS) sem geta endurunnið notað efni í nothæft efni. Umhverfiseftirlits- og lífsbjörgunarkerfið (ECLSS) sem er sett upp í alþjóðlegu geimstöðinni (ISS) framleiðir súrefni og vatn með því að endurvinna koltvísýring og þvag; sambærilegt kerfi mun þurfa fyrir langar geimferðir.
Hugmyndin um lífendurnýjandi LSS (BLSS) var fædd á sjöunda áratugnum til að fela í sér matvælaframleiðslu og endurvinnslu úrgangsefna (til dæmis saurefna) til ECLSS. Hægt væri að nota BLSS með bakteríum og þörungum til að endurvinna köfnunarefni í föstum úrgangi aftur í nothæft form lífræns köfnunarefnis sem plöntur gætu tekið upp. Tilraun eftir þeirri meginreglu – Micro Ecological Life Support System Alternative (MELiSSA) – hefur verið þróuð og framkvæmd af Evrópsku geimferðastofnuninni síðan á tíunda áratugnum.
Hins vegar, þar sem við tökum hærri plöntur inn í BLSS, verðum við að rannsaka samþættingu þeirra við aðra núverandi umhverfisstjórnunartækni, sem táknar nýja áskorun. Ákvörðun kostnaðar og sjálfbærni þessara smærri framleiðslukerfa fyrir matvæli mun veita mikilvægar upplýsingar til að þróast í átt að stærri BLSS.
Skýringarmynd af annarri hönnun plöntuvaxtaeiningarinnar með gljúpu rörinu.
Að þróa plöntuvaxtarhólf
Að nota vatnsræktunarkerfi til að rækta uppskeru er aðlaðandi möguleiki, þar sem það vex plöntur í vatni í stað þess að treysta á jarðvegslíkt kerfi. Hið síðarnefnda eykur þyngd við geimfarið og hættu á að agnir fljóti um, tveir þættir sem gera það óhagstætt. Advanced Plant Habitat (APH) uppsett í ISS hefur þegar ræktað margs konar dverghveiti með því að nota vatnsræktunarkerfi með gljúpu rörvökvakerfi sem er innbyggt í rótareiningu sem inniheldur arcillite og hæglosandi áburð.
Til að auðvelda garðyrkjustarfssemi áhafnarinnar og tryggja að plöntur vaxi í ákjósanlegu umhverfi þarf að fylgjast að fullu með ræktunarferlinu með tölvu. Slíkt vöktunarkerfi var prófað árið 2018 á Suðurskautslandinu. Með því að nota að hluta sjálfvirkt kerfi til að rækta uppskeru mun áhöfnin njóta góðs af nærveru plantna í geimfarinu (með því að vinna með þær) og forðast að landbúnaðurinn verði of tímafrekur. Reyndar er plássið sem þarf til að rækta plöntur ekki enn nákvæmlega skilgreint og nokkrar tilraunir í geimlíku umhverfi (eins og HI-SEAS) hafa sýnt að þessi starfsemi getur orðið langdregin.
Sýnt hefur verið fram á að ræktun plantna hefur gríðarlega góð áhrif þar sem það getur gefið geimfarunum þá tilfinningu að ferðast með stykki af jörðinni
Að lokum er grænmetisframleiðslukerfi NASA, eða Veggie, (komið á markað árið 2014), sem veitir 0.11 m² vaxtarsvæði, frábært dæmi um plöntuvaxtareiningar sem hægt væri að nota um borð í geimfari, þar sem það hefur þegar verið prófað á ISS. Hvað varðar ljósþörf, eru LED notaðar með tveimur mismunandi bylgjulengdum: rauðum (630 nm) og bláum (455 nm) þar sem plöntur vaxa skilvirkari undir þessum bylgjulengdum. Grænt ljósdíóða gæti líka verið nauðsynlegt til að gefa plöntunni sinn náttúrulega lit og auðvelda þannig að bera kennsl á sjúkdóma og minna áhöfnina á jörðina.
Mizuna (japanskt hvítkál), rautt rómantísk salat og Tokyo bekana (kínverskt hvítkál) ræktað í grænmetisdeild í ISS.
Aðstæður í geimnum skapa streitu fyrir bæði menn og plöntur, þannig að nú er verið að rannsaka hönnun plantna sem geta vaxið í geimförum og hjálpað til við að draga úr álagi sem geimfarar upplifa.
Gen sem taka þátt í streituviðbrögðum plantna hafa verið auðkennd en til að draga úr eða draga úr þeim áhrifum þurfa vísindamenn að breyta tjáningu gena sem fyrir eru eða bæta genum aðlögunar gena inn í erfðamengið. Þetta er hægt að ná með því að nota genabreytingar og sum umsækjandi gen hafa þegar verið sérstaklega auðkennd og rannsökuð. Til dæmis tekur ARG1 (Altered Response to Gravity 1), gen sem vitað er að hefur áhrif á þyngdarviðbrögð í plöntum á jörðinni, þátt í tjáningu 127 gena sem tengjast aðlögun geimflugs. Flest genin sem breyttust í tjáningu í geimflugi reyndust vera Arg1 háð, sem bendir til þess að genið sé stórt hlutverk í lífeðlisfræðilegri aðlögun óaðgreindra frumna að geimflugi. HsfA2 (Heat Shock Factor A2) hefur veruleg áhrif á aðlögun geimflugs, til dæmis með sterkjulífmyndun. Markmiðið er að skerða streituvaldandi gen og stuðla að gagnlegum.
Önnur gen, sem kallast geimaðlögunargen, eins og gen sem tengjast geislun, perklórati, dvergvexti og kulda, eru hugsanlega þess virði að rannsaka þar sem þau myndu hjálpa plöntum að standast erfiðar aðstæður í geimnum. Til dæmis búa örverur sem eru aðlagaðar að ofsaltlausu umhverfi með gen fyrir UV-viðnám og perklóratþol. Mörg dvergaafbrigði (td hveiti) hafa þegar verið ræktuð á ISS og dvergkirsuberjatómatinn 'Red Robin' gæti verið ræktaður í ISS sem hluti af Veg-05 tilraun NASA.
Við getum líka hannað plöntur fyrir heilsu geimfara. Að stuðla að uppsöfnun gagnlegra efnasambanda, búa til ætar plöntur fyrir allan líkamann til að draga úr úrgangi eða hanna plöntur til að framleiða lyf gegn aukaverkunum geimsins á geimfara eru mögulegar leiðir til að gera plöntur gagnlegar fyrir áhöfnina.
Notuð var aðferð til að borða heilan líkama og úrvalsplöntu (WBEEP) á kartöfluplöntum, sem gerði kartöflustilka og lauf æta með því að fjarlægja sólanínið úr þeim. Til að hindra framleiðslu þess eru annaðhvort genin sem framleiða það þaggað niður eða stökkbreytt með genabreytingum. Það hefur kosti að búa til þessa WBEEP kartöflu þar sem hún er auðræktuð planta sem er góð orkugjafi og hefur reynst fær um að vaxa við erfiðar aðstæður eins og pláss. Plönturnar voru einnig styrktar til að fullnægja næringarefnaþörf mannslíkamans.
Geislun hefur neikvæð áhrif á vöxt plantna og eykur hættuna á erfðastökkbreytingum, þannig að verndun plantna gegn geislun ætti að vera forgangsverkefni
Eitt helsta vandamálið fyrir heilsu geimfara í örþyngdarafl er beinþéttnistap. Bein okkar eru stöðugt í jafnvægi milli vaxtar og uppsogs, sem gerir beinum kleift að bregðast við meiðslum eða breytingum á hreyfingu. Að eyða tíma í örþyngdarafl raskar þessu jafnvægi, veltir beinum í átt að uppsog, þannig að geimfarar missa beinmassa. Þetta er hægt að meðhöndla með lyfi sem kallast kalkkirtilshormón, eða PTH, en það krefst reglulegra inndælinga og hefur mjög stuttan geymsluþol, sem er erfitt fyrir langar geimferðir. Þess vegna var erfðabreytt salat sem framleiðir PTH hannað.
Það er enn á frumstigi rannsókna að hanna plöntur sem geta vaxið í geimnum og verið gagnlegar fyrir geimfara. Hins vegar eru horfur þess mjög vænlegar og eru allar helstu geimferðastofnanir rannsakaðar. Það krefst vinnu að byggja upp plöntuvaxtarhólf í óvelkomnu umhverfi rýmisins. Ein af áskorunum verður að bæta lífendurnýjunarhluta BLSS við núverandi LSS. Önnur áskorun er þörfin fyrir betra val á ræktun til að rækta um borð til að bæði þola plássskilyrði og gefa umtalsverða uppskeru. En þökk sé útbreiðslu þekkingar í plönturæktun mun genabreyting í völdum ræktun gera þeim kleift að laga þær frekar að rýmisskilyrðum og passa við næringar- og heilsuþarfir áhafnar.
Heimild: https://room.eu.com