NASA Artemis 1 misijas uzsākšana uz Mēnesi novembrī iezīmēja vēl vienu soli ceļā, kas kādu dienu novedīs pie tā, ka cilvēki apmeklēs mūsu tuvāko planētas kaimiņu Marsu. Cilvēka misija galu galā sekos vairākiem robotizētiem kosmosa kuģiem, no kuriem pēdējais bija Perseverance rovera nolaišanās uz sarkanās planētas 2021. gada februārī. Cilvēku ceļojumiem uz Marsu ir jāatrisina daudzas tehnoloģiskas problēmas, tostarp galvenās. tie ir aizsardzība pret saules starojumu un apkalpes veselību, tostarp to, kā vislabāk nodrošināt barojošu pārtiku. Daudzu ekspertu uzmanības centrā un izaicinājums, kas pēta pēdējo, ir tas, kā izvairīties no latentiem trūkumiem, ko izraisa pastāvīgs liofilizētas pārtikas patēriņš. Svaigas pārtikas pieejamība acīmredzot būs liela veselības un psiholoģiskā priekšrocība, un šim nolūkam būs nepieciešams audzēt un novākt augus ceļā. Šajā rakstā autori apskata pašreizējos datus un pētījumus par uzturu, medicīniskiem un psiholoģiskiem ieguvumiem un iespējamām kultūraugu audzēšanas metodēm dziļā kosmosā.
Saskaņā ar NASA datiem, ilgu kosmosa lidojumu laikā parādās pieci galvenie apdraudējumi: kosmosa starojums, izolācija un norobežojums, attālums no Zemes, zema gravitācija un kosmosa kuģa naidīgā un slēgtā vide. Dzīviem augiem un svaigi audzētai pārtikai varētu būt liela nozīme, atbalstot trīs no tām: uzturu, medicīniskās vajadzības un apkalpes psiholoģiju.
Barošana
Kosmosa misijām piegādātās pārtikas uztura līdzsvaram ir jābūt perfekti pielāgotam, lai apkalpe varētu ilgā ceļojumā ar labu veselību.
Kosmosa misijām piegādātās pārtikas uztura līdzsvaram ir jābūt perfekti pielāgotam, lai apkalpe varētu ilgstoši veikt labu veselību. Tā kā krājumi no Zemes būs sarežģīti, izšķirošs mērķis ir precīzi noteikt pareizo diētu un precīzu tā formu.
Acīmredzamākais izaicinājums ir izvairīties no jebkāda būtisku uzturvielu trūkuma, un NASA ir pētījusi detalizētas uztura vajadzības. Tomēr ir pierādīts, ka liela daļa pašreizējās kosmosa pārtikas “sistēmas” ir nepilnīga. Konkrēti, ilgstoša pārtikas uzglabāšana apkārtējā vidē izraisa A, B1, B6 un C vitamīnu noārdīšanos.
Kopējais vidējais svara zudums astronautiem ir 2.4 procenti uz 100 dienām mikrogravitācijā, pat ja tiek veikti stingri pretestības pretpasākumi. Ir pierādīts, ka astronauti cieš arī no uztura trūkuma kālija, kalcija, D vitamīna un K vitamīna, jo piegādātā pārtika neļauj viņiem nodrošināt ikdienas devu.
Augi dabiski satur vitamīnus un minerālvielas, un tūlītēja svaigas pārtikas lietošana ļaus izvairīties no uzglabāšanas problēmām. Tāpēc to lietošana būtu lielisks papildinājums liofilizētai pārtikai.
Astronauts Skots Kellijs uz SKS atjaunoja mirstošas kosmosa cinnijas. Viņš nofotografēja ziedu pušķi kupolā uz Zemes fona un kopīgoja fotoattēlu savā Instagram Valentīna dienā 2016. gadā.
medicīna
Papildus vitamīniem un minerālvielām augi sintezē daudz dažādu sekundāro metabolītu. Šie savienojumi var lieliski palīdzēt novērst veselības problēmas. Piemēram, folāts ir iesaistīts DNS labošanā, bet tā prasības tiek izpildītas tikai 64 procentos lidojuma dienu. Tā kā ir pierādīts, ka telomēri, hromosomu beigas, ir ievērojami izmainīti garu lidojumu laikā, folātu papildināšana ar svaigiem augiem varētu palīdzēt samazināt ģenētisko novecošanos un vēža gadījumus.
Cita starpā karotinoīdiem bagāti dārzeņi var novērst mikrogravitācijas izraisītus acu traucējumus, savukārt žāvētu plūmju diēta var palīdzēt novērst radiācijas izraisītu kaulu zudumu. Daudzi augi satur antioksidantus, kas var ļoti palīdzēt aizsargāt cilvēka DNS no radiācijas izraisītām mutācijām. Tomēr ar augu izcelsmes uzturu nepietiek, un ir jāizstrādā citi risinājumi, lai pasargātu astronautus no radiācijas.
Psiholoģija
Papildus vitamīniem un minerālvielām augi sintezē daudz dažādu sekundāro metabolītu
Tā kā izolācija un attālums radīs ievērojamu spriedzi astronautu garīgajai veselībai, maltīte ir viens no vissvarīgākajiem garastāvokļa uzlabošanas laikiem. Liofilizētas pārtikas ēšana katrā ēdienreizē rada ēdienkartes nogurumu, un astronauti laika gaitā mēdz ēst mazāk. Svaigas pārtikas ēšana var mazināt šo nogurumu, jo īpaši nodrošinot formas un tekstūras dažādību.
Vēl viena darbība, kas labvēlīgi ietekmē apkalpes garīgo veselību, ir dārzkopība. Ir pierādīts, ka augu audzēšanai ir ārkārtīgi labvēlīga ietekme, jo tā astronautiem var radīt sajūtu, ka ceļo ar zemes gabalu. Dažos pētījumos ir mēģināts atrast augus ar vislabvēlīgāko psiholoģisko ietekmi, jo tie varētu būt ļoti svarīgs faktors apkalpes garīgajai veselībai. Piemēram, zemenes var uzlabot pozitīvas psiholoģiskās reakcijas, piemēram, sparu un pašcieņu, mazināt depresiju un stresu, savukārt koriandrs var uzlabot miega kvalitāti.
Tādējādi uz augiem balstīta kosmosa lauksaimniecība ir interesanta uztura, psiholoģiskā un medicīniskā līmenī. Tomēr telpas trūkums un īpašie augšanas apstākļi ierobežo kultūraugu skaitu un izvēli.
Faktiskā izmantoto kultūru izvēle būs atšķirīga atkarībā no pārbaudītajiem kritērijiem un labvēlīgā lauka (uzturs, psiholoģija un medicīna). Daži augi ar ilgu glabāšanas laiku var būt ērti, piemēram, kvieši vai kartupeļi, taču to trūkums ir tāds, ka tie ir jāapstrādā pirms lietošanas. Vēl viens faktors, kas jāņem vērā, ir augu reproduktīvā sistēma un apputeksnēšanas režīms, jo dzīvnieki (piemēram, kukaiņi) nav atļauti uz kuģa.
Tika izveidots saraksts ar potenciālajām kultūrām, ko audzēt kosmosā, un dažas no tām jau bija audzētas uz kuģa. Kā instrumentus to izvēlei autori izvēlējās uzturvērtības un agronomiskos kritērijus. Tādējādi psiholoģiskajai ietekmei ražas vai ēdamās auga daļas garšai un izskatam tika piešķirta vērtība no viena (min) līdz četrām (max).
Tabula ar dažādām kultūrām ar to uztura, medicīniskajām, agronomiskajām un psiholoģiskajām īpašībām, kas piemērotas ilgām misijām kosmosā.
Augu audzēšana kosmosa kuģī
Kosmoss ir divi galvenie augu stresa avoti: kosmiskais starojums un mikrogravitācija.
Radiācija negatīvi ietekmē augu augšanu un palielina ģenētisko mutāciju risku, tāpēc augu aizsardzībai no radiācijas jābūt prioritātei. Lai gan starojumu var ierobežot, izmantojot svina un/vai ūdens vairogus, tas ir papildu masa, kas jānovieto orbītā. Labs risinājums, kas radās no Lockheed Martin Marsa bāzes nometnes (2018), ir izmantot degvielas uzglabāšanu kā radiācijas vairogu.
No otras puses, mikrogravitācija būtiski neietekmē augu augšanu, lai gan tā var to palēnināt. Tomēr auga reakcija atšķiras atkarībā no sugas, jo mikrogravitācija ietekmē auga genoma ekspresiju. Ir atklāts, ka mikrogravitācijā augi izteiks vairāk ar stresu saistītu gēnu, piemēram, karstuma šoka gēnu, un palielinās ar stresu saistīto proteīnu ražošanu. Turklāt ir konstatēts, ka sēklām ir atšķirīga metabolītu koncentrācija un aizkavēta dīgtspēja.
Mikrogravitācija ietekmē arī auga mikrovidi, piemēram, atmosfēras nepārvietošanos, radot neparastu atmosfēras sastāvu un apgrūtinātu laistīšanu (ar vai bez atbalsta). Kosmosā nav gaisa konvekcijas, tāpēc, ja audzēšanas stacija nav pietiekami vēdināta, ap tā virsmu paliks auga izdalītā gāze. Ir pierādīts, ka gāzveida etilēna uzkrāšanās ap augu lapām izraisa patoloģisku lapu attīstību. Citas gāzes, piemēram, oglekļa dioksīds, kas lielā koncentrācijā atrodas kosmosa kuģī, dažiem augiem var būt letālas. Tāda pati problēma rodas ar augu laistīšanu, tāpēc būs jāizstrādā metode, kas nenoslīcina saknes.
Rūpnīcas reakciju uz kosmosa vidi ir grūtāk novērtēt. Daži šīs vides aspekti, piemēram, ierobežota telpa, var virzīt mūsu izvēli uz punduru šķirnēm. Tomēr daži citi aspekti, piemēram, auga reakcija uz mikrogravitāciju, atšķiras atkarībā no sugas un šķirnes. Lai gan eksperimenti ir jāturpina, zināms skaits augu jau ir pārbaudīti un aprakstīti kā spējīgi augt kosmosā, un mēs tos varam izmantot par pamatu.
Pašpietiekamas augu kameras izveide, kas aptver visas astronautu uztura vajadzības, varētu ilgt gadu desmitus, bet nelielu kameru izmantošana kā papildu pasākumi varētu palīdzēt apkalpei ar vitamīnu un uzturvielu deficītu (kas tiek mainīti iepakotajā pārtikā) un samazināt nogurumu no uztura.
Marks Vande Hei, Šeins Kimbro, Tomass Peskē, Akihiko Hošide un Megana Makartūra no Space X Crew-02 pozē ar savu sarkano un zaļo čili piparu ražu SKS 2021. gadā Plant-Habitat 04 izmeklēšanai.
Bioreģeneratīvā dzīvības atbalsta sistēma
Liofilizētas pārtikas ēšana katrā ēdienreizē rada nogurumu ēdienkartē, un astronauti laika gaitā mēdz ēst mazāk
Kosmosa kuģī telpa ir ierobežota. Tāpēc misijas panākumi ir atkarīgi no reģeneratīvām sistēmām, kas ir iestrādātas dzīvības atbalsta sistēmās (LSS), kas var pārstrādāt izlietotās vielas izmantojamās vielās. Vides kontroles un dzīvības atbalsta sistēma (ECLSS), kas uzstādīta Starptautiskajā kosmosa stacijā (SKS), ražo skābekli un ūdeni, pārstrādājot oglekļa dioksīdu un urīnu; līdzīga sistēma būs nepieciešama ilgiem lidojumiem kosmosā.
Ideja par bioreģeneratīvo LSS (BLSS) radās 1960. gados, lai ECLSS iekļautu pārtikas ražošanu un atkritumu materiālu (piemēram, fekāliju) pārstrādi. BLSS ar baktērijām un aļģēm varētu izmantot, lai cietajos atkritumos esošo slāpekli pārstrādātu atpakaļ izmantojamā organiskā slāpekļa formā, ko augi varētu absorbēt. Kopš deviņdesmitajiem gadiem Eiropas Kosmosa aģentūra ir izstrādājusi un veikusi eksperimentu pēc šī principa – Mikroekoloģiskās dzīvības atbalsta sistēmas alternatīvu (MELiSSA).
Tomēr, tā kā mēs BLSS iekļaujam augstākas iekārtas, mums būs jāizpēta to integrācija ar citām esošajām vides kontroles tehnoloģijām, kas ir jauns izaicinājums. Šo mazāko pārtikas augu ražošanas sistēmu izmaksu un ilgtspējības noteikšana sniegs svarīgu informāciju, lai attīstītos uz lielāku BLSS.
Porainu cauruļu augu augšanas vienības otrās konstrukcijas shematiskā diagramma.
Augu augšanas kameras izveide
Hidroponiskas sistēmas izmantošana kultūraugu audzēšanai ir pievilcīga iespēja, jo tā audzē augus ūdenī, nevis paļaujas uz augsnei līdzīgu sistēmu. Pēdējais palielina kosmosa kuģa svaru un daļiņu peldēšanas risku, divi aspekti, kas padara to neizdevīgu. SKS uzstādītajā Advanced Plant Habitat (APH) jau ir izaudzēti dažādi pundurkvieši, izmantojot hidroponisko sistēmu ar porainu caurulīšu laistīšanas sistēmu, kas iestrādāta sakņu modulī, kas satur arcilītu un lēnas iedarbības mēslojumu.
Lai atvieglotu apkalpes dārzkopības darbības un nodrošinātu, ka augi aug optimālā vidē, kultūraugu audzēšanas cikls ir pilnībā jāuzrauga ar datoru. Šāda monitoringa sistēma tika pārbaudīta 2018. gadā Antarktīdā. Daļēji automatizētas sistēmas izmantošana labības audzēšanai nodrošinās, ka apkalpe gūst labumu no augu klātbūtnes kosmosa kuģī (manipulējot ar tiem) un novērsīs, ka lauksaimniecība kļūst pārāk laikietilpīga. Patiešām, augu audzēšanai nepieciešamā telpa vēl nav precīzi noteikta, un vairāki eksperimenti kosmosam līdzīgās vidēs (piemēram, HI-SEAS) ir parādījuši, ka šī darbība var kļūt ilgstoša.
Ir pierādīts, ka augu audzēšanai ir ārkārtīgi labvēlīga ietekme, jo tā var radīt astronautiem sajūtu, ka ceļo ar zemes gabalu.
Visbeidzot, NASA dārzeņu ražošanas sistēma jeb Veggie (palaists 2014. gadā), kas nodrošina augšanas laukumu 0.11 m², ir lielisks piemērs augu audzēšanas vienībai, ko varētu izmantot kosmosa kuģī, jo tā jau ir pārbaudīta uz kosmosa kuģa. ISS. Gaismas prasību ziņā LED tiek izmantotas ar diviem dažādiem viļņu garumiem: sarkanu (630 nm) un zilu (455 nm), jo augi aug efektīvāk zem šiem viļņu garumiem. Zaļa gaismas diode var būt nepieciešama arī, lai piešķirtu augam dabisko krāsu, tādējādi atvieglojot slimību identificēšanu un atgādinot apkalpei par Zemi.
Mizuna (japāņu kāposti), sarkanie romiešu salāti un Tokijas bekana (ķīniešu kāposti), kas audzēti SKS Veggie vienībā.
Kosmosa apstākļi rada stresu gan cilvēkiem, gan augiem, tāpēc pašlaik tiek pētīta tādu augu konstrukcija, kas spēj augt kosmosa kuģos un palīdzēt mazināt astronautu radīto stresu.
Ir identificēti gēni, kas iesaistīti augu stresa reakcijās, taču, lai samazinātu vai mazinātu šīs sekas, zinātniekiem ir jāmaina esošo gēnu ekspresija vai jāpievieno genomos kosmosa adaptācijas gēni. To var panākt, izmantojot gēnu rediģēšanu, un daži kandidātu gēni jau ir īpaši identificēti un pētīti. Piemēram, ARG1 (Altered Response to Gravity 1), gēns, kas, kā zināms, ietekmē gravitācijas reakcijas augos uz Zemes, ir iesaistīts 127 gēnu ekspresijā, kas saistīti ar kosmosa lidojumu adaptāciju. Tika konstatēts, ka lielākā daļa gēnu, kuru ekspresija ir mainīta kosmosa lidojumā, ir atkarīgi no Arg1, kas liecina par šī gēna nozīmīgu lomu nediferencētu šūnu fizioloģiskajā adaptācijā kosmosa lidojumam. HsfA2 (siltuma šoka faktors A2) būtiski ietekmē pielāgošanos kosmosa lidojumiem, piemēram, izmantojot cietes biosintēzi. Mērķis ir traucēt stresu izraisošos gēnus un veicināt labvēlīgos.
Citi gēni, ko sauc par kosmosa adaptācijas gēniem, piemēram, gēni, kas saistīti ar starojumu, perhlorātu, pundurismu un auksto temperatūru, ir potenciāli vērts pētīt, jo tie palīdzētu augiem pretoties skarbajiem kosmosa apstākļiem. Piemēram, mikroorganismiem, kas pielāgoti hipersāļu videi, ir gēni, kas nodrošina izturību pret UV starojumu un izturību pret perhlorātu. SKS jau ir kultivētas daudzas punduru šķirnes (piemēram, kvieši), un NASA eksperimenta Veg-05 ietvaros SKS varētu audzēt punduru ķiršu tomātu Red Robin.
Mēs varam arī izstrādāt augus astronautu veselībai. Labvēlīgo savienojumu uzkrāšanās veicināšana, visa ķermeņa ēdamo augu padarīšana, lai samazinātu atkritumu daudzumu, vai tādu augu projektēšana, kas ražo zāles pret kosmosa blakusparādībām astronautiem, ir iespējami veidi, kā padarīt augus noderīgus apkalpei.
Kartupeļu augiem tika izmantota visa ķermeņa ēdamā un elitārā auga (WBEEP) stratēģija, padarot kartupeļu stublājus un lapas ēdamus, noņemot no tiem solanīnu. Lai kavētu tā ražošanu, gēni, kas to ražo, tiek apklusināti vai mutēti ar gēnu rediģēšanu. Šī WBEEP kartupeļu izveidei ir priekšrocības, jo tas ir viegli kultivēts augs, kas ir labs enerģijas avots un ir pierādījis, ka spēj augt sarežģītos apstākļos, piemēram, telpā. Augi tika arī stiprināti, lai pilnībā apmierinātu cilvēka ķermeņa barības vielu vajadzības.
Radiācija negatīvi ietekmē augu augšanu un palielina ģenētisko mutāciju risku, tāpēc augu aizsardzībai no radiācijas jābūt prioritātei
Viens no galvenajiem astronautu veselības jautājumiem mikrogravitācijas apstākļos ir kaulu blīvuma zudums. Mūsu kauli ir pastāvīgi līdzsvaroti starp augšanu un rezorbciju, ļaujot kauliem reaģēt uz traumām vai fiziskās slodzes izmaiņām. Pavadot laiku mikrogravitācijā, šis līdzsvars tiek izjaukts, sasverot kaulus uz rezorbciju, tāpēc astronauti zaudē kaulu masu. To var ārstēt ar zālēm, ko sauc par parathormonu vai PTH, taču tam ir nepieciešamas regulāras injekcijas, un tam ir ļoti īss glabāšanas laiks, kas ir problemātiski ilgstošiem kosmosa lidojumiem. Tāpēc tika izstrādāti transgēni salāti, kas ražo PTH.
Tādu augu projektēšana, kas spēj augt kosmosā un būtu noderīgi astronautiem, joprojām ir agrīnā pētījumu stadijā. Tomēr tā izredzes ir ļoti daudzsološas, un to pēta visas lielākās kosmosa aģentūras. Lai izveidotu augu augšanas kameru nevēlamajā kosmosa vidē, joprojām ir jāstrādā. Viens no izaicinājumiem būs BLSS bioreģeneratīvās daļas pievienošana jau esošajai LSS. Vēl viens izaicinājums ir nepieciešamība pēc labākas kultūraugu izvēles, ko audzē uz kuģa, lai gan izturētu telpas apstākļus, gan nodrošinātu ievērojamu ražu. Taču, pateicoties zināšanu izplatībai augu selekcijā, gēnu rediģēšana izvēlētajās kultūrās ļaus tos vēl vairāk pielāgot kosmosa apstākļiem un atbilst apkalpes uztura un veselības vajadzībām.
Avots: https://room.eu.com