Lanseringen av NASAs Artemis 1-oppdrag til Månen i november markerte nok et steg på reisen som en dag vil føre til at mennesker besøker vår nærmeste planetariske nabo, Mars. Et menneskelig oppdrag vil til slutt følge i hælene på flere robot-romfartøyer, den siste av disse var landingen av Perseverance-roveren på den røde planeten i februar 2021. For menneskers reiser til Mars er det mange teknologiske problemer som skal løses, nøkkelen blant de er beskyttelse mot solstråling og mannskapshelse, inkludert hvordan man best kan gi næringsrik mat. Fokuset og utfordringen for mange eksperter som studerer sistnevnte er hvordan man unngår de latente manglene forårsaket av konstant inntak av frysetørket mat. Tilgjengeligheten av fersk mat vil åpenbart være en stor helsemessig og psykologisk fordel, og for dette vil det være nødvendig å dyrke og høste planter underveis. I denne artikkelen gjennomgår forfatterne nåværende data og forskning angående ernæring, medisinske og psykologiske fordeler, og mulige metoder for å dyrke avlinger i dypt rom.
I følge NASA dukker det opp fem store farer under lange romflyvninger: romstråling, isolasjon og innesperring, avstand fra jorden, lav tyngdekraft og det fiendtlige og lukkede miljøet til et romfartøy. Levende planter og nydyrket mat kan spille en viktig rolle i å støtte tre av disse: ernæring, medisinske behov og mannskapspsykologi.
Ernæring
Den ernæringsmessige balansen av mat levert til romfart må være perfekt tilpasset for et mannskap for å opprettholde en lang reise med god helse
Den ernæringsmessige balansen i maten som leveres til romfart må være perfekt tilpasset for at et mannskap skal kunne opprettholde en lang reise med god helse. Siden forsyninger fra jorden vil være vanskelig, er det et kritisk mål å bestemme nøyaktig riktig kosthold og dens nøyaktige form.
Å unngå mangel på essensielle næringsstoffer er den mest åpenbare utfordringen, og detaljerte ernæringsbehov har blitt studert av NASA. Mye av det nåværende rommatsystemet har imidlertid vist seg å være mangelfullt. Nærmere bestemt induserer den lange lagringen av mat nedbrytningen av vitamin A, B1, B6 og C.
Akkumulert gjennomsnittlig vekttap for astronauter er 2.4 prosent per 100 dager i mikrogravitasjon, selv med strenge motstandsmottiltak. Astronauter har også vist seg å lide av ernæringsmessige mangler i kalium, kalsium, vitamin D og vitamin K fordi maten ikke tillater dem å møte det daglige inntaket.
Planter inneholder naturlig vitaminer og mineraler, og umiddelbar inntak av fersk mat ville unngå problemet med lagring. Å konsumere dem vil derfor være et flott supplement til frysetørket mat.
Astronaut Scott Kelly pleiet døende romzinnias tilbake til helse på ISS. Han fotograferte en bukett av blomstene i kuppelen mot jordens bakgrunn og delte bildet på sin Instagram for Valentinsdagen i 2016.
Medisin
I tillegg til vitaminer og mineraler syntetiserer planter mange forskjellige sekundære metabolitter. Disse forbindelsene kan være til stor hjelp for å forebygge helseproblemer. For eksempel er folat involvert i DNA-reparasjon, men kravene oppfylles kun på 64 prosent av flydagene. Ettersom telomerer, slutten av kromosomer, har vist seg å bli betydelig endret under lange flyreiser, kan tilskudd av folat via friske planter bidra til å redusere genetisk aldring og kreftforekomster.
Blant andre eksempler kan karotenoidrike grønnsaker forhindre øyeforvrengning forårsaket av mikrogravitasjon, mens en tørket plommediett kan bidra til å forhindre strålingsindusert bentap. Mange planter inneholder antioksidanter som kan være til stor hjelp for å beskytte menneskelig DNA fra strålingsinduserte mutasjoner. Et plantebasert kosthold er imidlertid ikke tilstrekkelig og det må utvikles andre løsninger for å beskytte astronauter mot stråling.
Psykologi
I tillegg til vitaminer og mineraler, syntetiserer planter mange forskjellige sekundære metabolitter
Ettersom isolasjon og avstand vil legge en betydelig belastning på astronautenes mentale helse, er måltidet en av de viktigste tidspunktene for å lette humøret. Å spise frysetørket mat til hvert måltid skaper menytretthet og astronauter har en tendens til å spise mindre over tid. Å spise fersk mat kan redusere denne trettheten, ikke minst ved å gi variasjon i form og tekstur.
En annen aktivitet som er gunstig for mannskapets mentale helse er hagebruk. Å dyrke planter har vist seg å ha enormt gunstige effekter, siden det kan gi astronautene en følelse av å reise med et stykke jord. Noen studier har forsøkt å finne plantene med de mest fordelaktige psykologiske effektene, da de kan være en svært viktig faktor for mannskapets mentale helse. For eksempel kan jordbær forbedre positive psykologiske reaksjoner, som kraft og selvtillit, redusere depresjon og stress mens koriander kan forbedre søvnkvaliteten.
Således er plantebasert romoppdrett interessant på et ernæringsmessig, psykologisk og medisinsk nivå. Mangelen på plass og de spesielle vekstforholdene begrenser imidlertid antallet og valget av avlinger.
Det faktiske valget av avlinger som brukes vil variere, avhengig av kriteriene som er undersøkt og feltet (ernæring, psykologi og medisin) foretrukket. Noen planter med lang holdbarhet kan være praktiske, som hvete eller potet, men har den ulempen at de må tilberedes før konsum. En annen faktor å vurdere er reproduksjonssystemet og plantenes pollineringsmodus, fordi dyr (som insekter) ikke er tillatt om bord.
En liste over potensielle avlinger for å vokse i verdensrommet ble etablert, noen av dem var allerede dyrket om bord. Forfatterne valgte ernæringsmessige og agronomiske kriterier som verktøy for å velge dem. For psykologiske effekter ble således en verdi fra én (min) til fire (maks) tilskrevet smaken og utseendet til avlingen eller den spiselige plantedelen.
Tabell over forskjellige avlinger med deres ernæringsmessige, medisinske, agronomiske og psykologiske egenskaper egnet for lange oppdrag i verdensrommet.
Dyrking av planter i et romfartøy
Rommet presenterer to hovedkilder til stress for planter: kosmisk stråling og mikrogravitasjon.
Stråling påvirker planteveksten negativt og øker risikoen for genetiske mutasjoner, så beskyttelse av planter mot stråling bør prioriteres. Mens stråling kan holdes inne ved hjelp av bly og/eller vannskjold, representerer dette en ekstra masse å plassere i bane. En god løsning, som stammer fra Lockheed Martins Mars Base Camp (2018), er å bruke drivstofflager som et strålingsskjold.
Mikrogravitasjon på den annen side svekker ikke planteveksten nevneverdig, selv om den kan bremse den. Imidlertid varierer plantens respons avhengig av arten, da mikrogravitasjon påvirker plantens genomuttrykk. Det har blitt oppdaget at planter i mikrogravitasjon vil uttrykke flere stressrelaterte gener, for eksempel varmesjokkgener, og øke produksjonen av stressrelaterte proteiner. Dessuten har frø blitt funnet å ha forskjellige konsentrasjoner av metabolitter og forsinket spiring.
Mikrogravitasjon påvirker også plantens mikromiljø, slik som mangel på bevegelse av atmosfæren, skaper en uvanlig atmosfærisk sammensetning og vanskeligheter med å vanne (med eller uten støtte). Det er ingen luftkonveksjon i det ytre rom, så hvis vekststasjonen ikke er tilstrekkelig ventilert, vil gass som slippes ut av planten forbli rundt overflaten. Det har vist seg at akkumulering av gassformig etylen rundt plantenes blader resulterer i unormal bladutvikling. Andre gasser, som karbondioksid, som finnes i høye konsentrasjoner i et romfartøy, kan være dødelige for enkelte planter. Det samme problemet oppstår for plantevanning, så det vil være nødvendig å utvikle en metode som ikke drukner røttene.
Anleggets respons på rommiljøet er vanskeligere å evaluere. Noen aspekter ved det miljøet, for eksempel begrenset plass, kan rette vårt valg mot dvergvarianter. Noen andre aspekter som plantens respons på mikrogravitasjon varierer imidlertid avhengig av art og varianter. Selv om eksperimenter må fortsette, er et visst antall planter allerede testet og beskrevet som i stand til å vokse i verdensrommet, og vi kan bruke dem som grunnlag.
Utviklingen av et selvopprettholdende plantekammer som dekker alle næringsbehovene til astronauter kan ta flere tiår, men å bruke små kammer som komplementære tiltak kan hjelpe mannskapet med mangler i vitaminer og næringsstoffer (som endres i pakket mat) og redusere dietttretthet.
Mark Vande Hei, Shane Kimbrough, Thomas Pesquet, Akihiko Hoshide og Megan McArthur fra Space X Crew-02 poserer med sin høsting av røde og grønne chilipepper i ISS i 2021 for Plant-Habitat 04-undersøkelsen.
Bioregenerativt livsstøttesystem
Å spise frysetørket mat til hvert måltid skaper menytretthet og astronauter har en tendens til å spise mindre over tid
I et romfartøy er det begrenset med plass. Derfor avhenger suksessen til oppdraget av regenerative systemer innebygd i Life Support Systems (LSS) som kan resirkulere brukt materiale til brukbart materiale. Environmental Control and Life Support System (ECLSS) installert i den internasjonale romstasjonen (ISS) produserer oksygen og vann ved å resirkulere karbondioksid og urin; et lignende system vil være nødvendig for lange romflyvninger.
Ideen om en bioregenerativ LSS (BLSS) ble født på 1960-tallet for å inkludere matproduksjon og resirkulering av avfallsmaterialer (for eksempel fekalier) til ECLSS. En BLSS med bakterier og alger kan brukes til å resirkulere nitrogenet i fast avfall tilbake til en brukbar form for organisk nitrogen som planter kan absorbere. Et eksperiment etter dette prinsippet – Micro Ecological Life Support System Alternative (MELiSSA) – har blitt utviklet og utført av European Space Agency siden 1990-tallet.
Men ettersom vi inkluderer høyere anlegg i BLSS, må vi studere deres integrasjon med de andre eksisterende miljøkontrollteknologiene, noe som representerer en ny utfordring. Å bestemme kostnadene og bærekraften til disse mindre produksjonssystemene for matavlinger vil gi viktig informasjon for å utvikle seg mot en større BLSS.
Skjematisk diagram av den andre utformingen av den porøse rørplantevekstenheten.
Utvikle et plantevekstkammer
Å bruke et hydroponisk system for å dyrke avlinger er en attraktiv mulighet, siden den dyrker planter i vann i stedet for å stole på et jordlignende system. Sistnevnte legger vekt på romfartøyet og risikoen for at partikler flyter rundt, to aspekter som gjør det ufordelaktig. Advanced Plant Habitat (APH) installert i ISS har allerede dyrket en rekke dverghvete ved hjelp av et hydroponisk system med et porøst rørvanningssystem innebygd i en rotmodul som inneholder arcillite og en saktefrigjørende gjødsel.
For å lette mannskapets hagebruksaktiviteter og for å sikre at plantene vokser i et optimalt miljø, må avlingskultursyklusen overvåkes fullstendig av en datamaskin. Et slikt overvåkingssystem ble testet i 2018 i Antarktis. Å bruke et delvis automatisert system for dyrking av avlinger vil sikre at mannskapet drar nytte av tilstedeværelsen av planter i romfartøyet (ved å manipulere dem) og unngår at problemet med landbruk blir for tidkrevende. Faktisk er rommet som trengs for å dyrke planter ennå ikke nøyaktig definert, og flere eksperimenter i romlignende miljøer (som HI-SEAS) har vist at denne aktiviteten kan bli langvarig.
Å dyrke planter har vist seg å ha enormt gunstige effekter, siden det kan gi astronautene en følelse av å reise med et stykke jord
Til slutt, NASAs grønnsaksproduksjonssystem, eller Veggie, (lansert i 2014), som gir et vekstareal på 0.11 m², er et flott eksempel på en plantevekstenhet som kan brukes ombord i et romfartøy, siden den allerede er testet på ISS. Når det gjelder lyskrav, brukes LED med to forskjellige bølgelengder: rød (630 nm) og blå (455 nm) ettersom planter vokser mer effektivt under disse bølgelengdene. En grønn LED kan også være nødvendig for å gi planten sin naturlige farge, og dermed lette identifiseringen av sykdommer og minne mannskapet om Jorden.
Mizuna (japansk kål), rød romansalat og Tokyo bekana (kinesisk kål) dyrket i Veggie-enheten i ISS.
Romforhold skaper stress for både mennesker og planter, så utformingen av planter som kan vokse i romfartøy og bidra til å lindre noen av stressene som astronauter opplever, studeres for tiden.
Gener involvert i planters stressresponser har blitt identifisert, men for å redusere eller dempe disse effektene må forskere modifisere ekspresjonen av eksisterende gener eller legge til romtilpasningsgener i genomene. Dette kan oppnås ved hjelp av genredigering, og noen kandidatgener er allerede spesifikt identifisert og studert. For eksempel er ARG1 (Altered Response to Gravity 1), et gen som er kjent for å påvirke tyngdekraftsresponser i planter på jorden, involvert i uttrykket av 127 gener relatert til romfartstilpasning. De fleste av genene som ble endret i uttrykk i romfart ble funnet å være Arg1-avhengige, noe som tyder på en viktig rolle for det genet i den fysiologiske tilpasningen av udifferensierte celler til romfart. HsfA2 (Heat Shock Factor A2) har en betydelig effekt på romfartstilpasning, for eksempel gjennom stivelsesbiosyntese. Målet er å svekke stress-induserende gener og fremme fordelaktige gener.
Andre gener, kalt romtilpasningsgener, som gener relatert til stråling, perklorat, dvergvekst og kald temperatur, er potensielt verdt å studere ettersom de vil hjelpe planter å motstå de tøffe forholdene i verdensrommet. For eksempel har mikroorganismer tilpasset hypersaltholdige miljøer gener for UV-resistens og perkloratresistens. Mange dvergvarianter (f.eks. hvete) har allerede blitt dyrket på ISS, og dvergkirsebærtomaten 'Red Robin' kan bli dyrket i ISS som en del av NASAs Veg-05-eksperiment.
Vi kan også designe anlegg for astronauters helse. Å fremme akkumulering av gunstige forbindelser, lage spiselige planter for hele kroppen for å redusere avfall, eller designe planter for å produsere medisiner mot verdensrommets bivirkninger på astronauter er mulige måter å gjøre planter nyttige for mannskapet.
En Whole-Body Edible and Elite Plant (WBEEP) strategi ble brukt på potetplanter, og gjorde potetstilker og blader spiselige ved å fjerne solanin fra dem. For å hemme produksjonen blir enten genene som produserer den, dempet eller mutert ved genredigering. Å lage denne WBEEP-poteten har fordeler ettersom den er en lettdyrket plante som er en god energikilde og har vist seg i stand til å vokse under vanskelige forhold som plass. Plantene ble også forsterket for fullt ut å dekke menneskekroppens næringsbehov.
Stråling påvirker planteveksten negativt og øker risikoen for genetiske mutasjoner, så beskyttelse av planter mot stråling bør prioriteres
Et av hovedproblemene for astronauters helse i mikrogravitasjon er tap av bentetthet. Knoklene våre er konstant balansert mellom vekst og resorpsjon, slik at bein kan reagere på skader eller endringer i trening. Å bruke tid i mikrogravitasjon forstyrrer denne balansen, og vipper bein mot resorpsjon, slik at astronauter mister beinmasse. Dette kan behandles med et legemiddel som kalles parathyroidhormon, eller PTH, men det krever regelmessige injeksjoner og har svært kort holdbarhet, noe som er problematisk for lange romflyvninger. Derfor ble en transgen salat som produserer PTH konstruert.
Å designe planter som kan vokse i verdensrommet og være til nytte for astronauter er fortsatt i sin tidlige forskningsfase. Imidlertid er utsiktene svært lovende og blir undersøkt av alle store romfartsorganisasjoner. Å bygge et plantevekstkammer i det uvelkomne miljøet krever fortsatt arbeid. En av utfordringene vil være å legge den bioregenerative delen av BLSS til den allerede eksisterende LSS. En annen utfordring er behovet for et bedre utvalg av avlinger som skal dyrkes om bord for både å tåle plassforhold og gi betydelige avlinger. Men takket være spredningen av kunnskap innen planteforedling, vil genredigering i de valgte avlingene tillate dem å bli ytterligere tilpasset plassforhold og matche ernærings- og helsebehovene til et mannskap.
En kilde: https://room.eu.com