Vypuštění mise NASA Artemis 1 na Měsíc v listopadu znamenalo další krok na cestě, která jednoho dne povede k tomu, že lidé navštíví našeho nejbližšího planetárního souseda, Mars. Lidská mise bude nakonec následovat po patách několika robotických kosmických lodí, z nichž poslední bylo přistání roveru Perseverance na rudé planetě v únoru 2021. Pro lidské cesty na Mars je třeba vyřešit mnoho technologických problémů, mezi které patří klíčové jsou to ochrana před slunečním zářením a zdraví posádky, včetně toho, jak nejlépe zajistit výživné jídlo. Zaměřením a výzvou mnoha odborníků, kteří studují posledně uvedené, je, jak se vyhnout skrytým nedostatkům způsobeným neustálou konzumací lyofilizovaných potravin. Dostupnost čerstvých potravin bude zjevně velkou zdravotní a psychickou výhodou, a proto bude nutné během cesty rostliny pěstovat a sklízet. V tomto článku autoři shrnují aktuální data a výzkumy týkající se výživy, lékařských a psychologických přínosů a možných metod pěstování plodin v hlubokém vesmíru.
Podle NASA se během dlouhých vesmírných letů objevuje pět hlavních nebezpečí: kosmické záření, izolace a omezení, vzdálenost od Země, nízká gravitace a nepřátelské a uzavřené prostředí kosmické lodi. Živé rostliny a čerstvě vypěstované potraviny by mohly hrát hlavní roli při podpoře tří z nich: výživy, lékařských potřeb a psychologie posádky.
Výživa
Nutriční bilance potravin dodávaných pro vesmírné mise musí být dokonale přizpůsobena pro posádku, aby zvládla dlouhou cestu ve zdraví
Nutriční bilance potravin dodávaných pro vesmírné mise musí být dokonale přizpůsobena pro posádku, aby zvládla dlouhou cestu ve zdraví. Vzhledem k tomu, že dodávky ze Země budou obtížné, je rozhodujícím cílem přesné stanovení správné stravy a její přesné formy.
Nejzjevnější výzvou je vyhnout se jakémukoli nedostatku základních živin a NASA podrobně studovala nutriční potřeby. Ukázalo se však, že velká část současného vesmírného potravinového „systému“ je nedostatečná. Konkrétně dlouhé skladování potravin v okolním prostředí vyvolává degradaci vitamínů A, B1, B6 a C.
Kumulativní průměrný úbytek hmotnosti u astronautů je 2.4 procenta za 100 dní v mikrogravitaci, a to i s přísnými protiopatřeními odporového cvičení. Ukázalo se také, že astronauti trpí nutričními nedostatky draslíku, vápníku, vitaminu D a vitaminu K, protože jim dodávaná potrava neumožňuje splnit požadavky na denní příjem.
Rostliny přirozeně obsahují vitamíny a minerály a okamžitá konzumace čerstvých potravin by se vyhnula problémům se skladováním. Jejich konzumace by proto byla skvělým doplňkem lyofilizovaného jídla.
Astronaut Scott Kelly ošetřoval umírající vesmírné cínie zpět ke zdraví na ISS. Nafotil kytici květin v kopuli na pozadí Země a fotku sdílel na svůj Instagram na Valentýna v roce 2016.
Medicína
Kromě vitamínů a minerálů syntetizují rostliny mnoho různých sekundárních metabolitů. Tyto sloučeniny by mohly být velkou pomocí při prevenci zdravotních problémů. Například folát se účastní opravy DNA, ale jeho požadavky jsou splněny pouze v 64 procentech letových dnů. Protože bylo prokázáno, že telomery, konce chromozomů, jsou během dlouhých letů významně změněny, suplementace folátu prostřednictvím čerstvých rostlin by mohla pomoci snížit genetické stárnutí a výskyt rakoviny.
Kromě jiných příkladů by zelenina bohatá na karotenoidy mohla zabránit zkreslení očí způsobenému mikrogravitací, zatímco sušená švestková strava může pomoci zabránit ztrátě kostní hmoty způsobené zářením. Mnoho rostlin obsahuje antioxidanty, které mohou být velkou pomocí při ochraně lidské DNA před mutacemi způsobenými zářením. Rostlinná strava však nestačí a je třeba vyvinout jiná řešení, jak astronauty před radiací ochránit.
Psychologie
Kromě vitamínů a minerálů syntetizují rostliny mnoho různých sekundárních metabolitů
Vzhledem k tomu, že izolace a vzdálenost budou značnou zátěží pro duševní zdraví astronautů, je jídlo jedním z nejdůležitějších okamžiků pro zlepšení nálady. Konzumace lyofilizovaného jídla při každém jídle způsobuje únavu z jídelníčku a astronauti mají tendenci jíst v průběhu času méně. Konzumace čerstvých potravin může snížit tuto únavu, v neposlední řadě tím, že poskytuje rozmanitost ve formě a struktuře.
Další činností prospěšnou pro duševní zdraví posádky je zahradnictví. Bylo prokázáno, že pěstování rostlin má ohromně blahodárné účinky, protože může dát astronautům pocit cestování s kouskem Země. Některé studie se snažily najít rostliny s nejpříznivějšími psychologickými účinky, protože by mohly být velmi důležitým faktorem pro duševní zdraví posádky. Například jahody mohou zlepšit pozitivní psychologické reakce, jako je elán a sebeúcta, snížit deprese a stres, zatímco koriandr může zlepšit kvalitu spánku.
Rostlinné vesmírné zemědělství je tedy zajímavé na nutriční, psychologické a lékařské úrovni. Nedostatek prostoru a specifické podmínky pěstování však omezují počet a výběr plodin.
Skutečný výběr použitých plodin se bude lišit v závislosti na zkoumaných kritériích a preferované oblasti (výživa, psychologie a lékařství). Některé rostliny s dlouhou trvanlivostí mohou být vhodné, jako je pšenice nebo brambory, ale mají nevýhodu v tom, že je před konzumací potřebují uvařit. Dalším faktorem, který je třeba vzít v úvahu, je reprodukční systém a způsob opylení rostlin, protože zvířata (například hmyz) nemají povolen vstup na palubu.
Byl vytvořen seznam potenciálních plodin k pěstování ve vesmíru, z nichž některé již byly pěstovány na palubě. Jako nástroje pro jejich výběr autoři zvolili nutriční a agronomická kritéria. Pro psychologické účinky byla tedy chuti a vzhledu plodiny nebo jedlé části rostliny přisuzována hodnota od jedné (min) do čtyř (max).
Tabulka různých plodin s jejich nutričními, lékařskými, agronomickými a psychologickými charakteristikami vhodnými pro dlouhé mise ve vesmíru.
Pěstování rostlin v kosmické lodi
Vesmír představuje pro rostliny dva hlavní zdroje stresu: kosmické záření a mikrogravitaci.
Radiace negativně ovlivňuje růst rostlin a zvyšuje rizika genetických mutací, takže ochrana rostlin před zářením by měla být prioritou. Zatímco záření může být zadrženo pomocí olověných a/nebo vodních štítů, představuje to dodatečnou hmotu pro umístění na oběžnou dráhu. Dobrým řešením, které vzešlo z Mars Base Camp společnosti Lockheed Martin (2018), je využití skladu paliva jako radiačního štítu.
Mikrogravitace na druhé straně výrazně nenarušuje růst rostlin, i když by jej mohla zpomalit. Reakce rostliny se však liší podle druhu, protože mikrogravitace ovlivňuje expresi genomu rostliny. Bylo zjištěno, že v mikrogravitaci budou rostliny exprimovat více genů souvisejících se stresem, jako jsou geny tepelného šoku, a zvýší svou produkci proteinů souvisejících se stresem. Navíc bylo zjištěno, že semena mají různé koncentrace metabolitů a opožděné klíčení.
Mikrogravitace také ovlivňuje mikroprostředí rostliny, jako je nedostatek pohybu atmosféry, vytváření neobvyklého složení atmosféry a potíže se zaléváním (s podporou nebo bez podpory). Ve vesmíru nedochází k žádné konvekci vzduchu, takže pokud není pěstební stanice dostatečně odvětrávána, zůstane na jejím povrchu zůstávat veškerý plyn emitovaný rostlinou. Bylo prokázáno, že akumulace plynného ethylenu kolem listů rostlin má za následek abnormální vývoj listů. Jiné plyny, jako je oxid uhličitý, přítomný ve vysokých koncentracích v kosmické lodi, mohou být pro některé rostliny smrtelné. Stejný problém nastává u zalévání rostlin, takže bude potřeba vyvinout metodu, která neutopí kořeny.
Obtížněji se hodnotí reakce rostliny na vesmírné prostředí. Některé aspekty tohoto prostředí, jako je omezený prostor, mohou směrovat naši volbu k trpasličím odrůdám. Některé další aspekty, jako je reakce rostliny na mikrogravitaci, se však liší v závislosti na druhu a odrůdě. I když experimenty musí pokračovat, určitý počet rostlin již byl testován a popsán jako rostliny schopné růst ve vesmíru a můžeme je použít jako základ.
Vývoj soběstačné rostlinné komory pokrývající všechny nutriční potřeby astronautů by mohl trvat desetiletí, ale použití malých komor jako doplňkových opatření by mohlo pomoci posádce s nedostatkem vitamínů a živin (které jsou v balených potravinách pozměněny) a snížit únavu ze stravy.
Mark Vande Hei, Shane Kimbrough, Thomas Pesquet, Akihiko Hoshide a Megan McArthur z Space X Crew-02 pózují se svou sklizní červených a zelených chilli papriček na ISS v roce 2021 pro vyšetřování Plant-Habitat 04.
Bioregenerační systém podpory života
Konzumace lyofilizovaného jídla při každém jídle způsobuje únavu z jídelníčku a astronauti mají tendenci jíst v průběhu času méně
V kosmické lodi je prostor omezený. Úspěch mise proto závisí na regeneračních systémech zabudovaných do systémů podpory života (LSS), které dokážou recyklovat použitou hmotu na použitelnou hmotu. Systém environmentální kontroly a podpory života (ECLSS) instalovaný na Mezinárodní vesmírné stanici (ISS) produkuje kyslík a vodu recyklací oxidu uhličitého a moči; podobný systém bude potřeba pro dlouhé lety do vesmíru.
Myšlenka bioregenerativního LSS (BLSS) se zrodila v 1960. letech 1990. století s cílem zahrnout výrobu potravin a recyklaci odpadních materiálů (například fekálií) do ECLSS. BLSS s bakteriemi a řasami by bylo možné použít k recyklaci dusíku v pevných odpadech zpět na použitelnou formu organického dusíku, který by rostliny mohly absorbovat. Experiment podle tohoto principu – Micro Ecological Life Support System Alternative (MELiSSA) – byl vyvinut a prováděn Evropskou kosmickou agenturou od XNUMX. let XNUMX. století.
Protože však do BLSS zařazujeme vyšší závody, budeme muset prostudovat jejich integraci s ostatními existujícími technologiemi kontroly životního prostředí, což představuje novou výzvu. Stanovení nákladů a udržitelnosti těchto menších systémů produkce potravinářských plodin poskytne zásadní informace pro vývoj směrem k většímu BLSS.
Schematický diagram druhého návrhu růstové jednotky porézních trubek.
Vývoj komory pro růst rostlin
Použití hydroponického systému k pěstování plodin je atraktivní možností, protože pěstuje rostliny ve vodě namísto spoléhání se na půdní systém. Posledně jmenovaný zvyšuje hmotnost kosmické lodi a riziko, že částice plovoucí kolem, dva aspekty, které ji činí nevýhodnou. Advanced Plant Habitat (APH) instalovaný na ISS již pěstoval různé trpasličí pšenice pomocí hydroponického systému s porézním trubkovým zavlažovacím systémem zabudovaným do kořenového modulu obsahujícího arcilit a hnojivo s pomalým uvolňováním.
Aby se posádce usnadnily zahradnické činnosti a zajistilo se, že rostliny rostou v optimálním prostředí, musí být kulturní cyklus plodin plně monitorován počítačem. Takový monitorovací systém byl testován v roce 2018 v Antarktidě. Použití částečně automatizovaného systému pro pěstování plodin zajistí, že posádka bude těžit z přítomnosti rostlin v kosmické lodi (manipulací s nimi) a zabrání tomu, aby otázka zemědělství byla příliš časově náročná. Místnost potřebná k pěstování rostlin ještě není přesně definována a několik experimentů v prostředí podobných vesmíru (jako HI-SEAS) ukázalo, že tato činnost může být zdlouhavá.
Bylo prokázáno, že pěstování rostlin má ohromně blahodárné účinky, protože může dát astronautům pocit cestování s kouskem Země.
Konečně, Vegetable Production System, neboli Veggie, NASA (spuštěna v roce 2014), který poskytuje rostoucí plochu 0.11 m², je skvělým příkladem jednotky pro pěstování rostlin, kterou lze použít na palubě kosmické lodi, protože již byla testována na ISS. Pokud jde o požadavky na světlo, používají se LED diody se dvěma různými vlnovými délkami: červenou (630 nm) a modrou (455 nm), protože rostliny při těchto vlnových délkách rostou efektivněji. Zelená LED dioda může být také nezbytná, aby rostlině dodala její přirozenou barvu, a tak usnadnila identifikaci nemocí a připomněla posádce Zemi.
Mizuna (japonské zelí), červený římský salát a tokijská bekana (čínské zelí) pěstované v jednotce Veggie na ISS.
Vesmírné podmínky vytvářejí stres pro lidi i rostliny, takže návrh rostlin schopných růst v kosmických lodích a pomoci zmírnit některé stresy, které astronauti zažívají, se v současné době studuje.
Geny zapojené do stresových reakcí rostlin byly identifikovány, ale ke snížení nebo zmírnění těchto účinků vědci potřebují upravit expresi stávajících genů nebo přidat geny pro adaptaci prostoru do genomů. Toho lze dosáhnout pomocí genové úpravy a některé kandidátní geny již byly specificky identifikovány a studovány. Například ARG1 (Altered Response to Gravity 1), gen, o kterém je známo, že ovlivňuje gravitační reakce u rostlin na Zemi, se podílí na expresi 127 genů souvisejících s adaptací na kosmické lety. Bylo zjištěno, že většina genů změněných v expresi při kosmickém letu je závislá na Arg1, což naznačuje hlavní roli tohoto genu ve fyziologické adaptaci nediferencovaných buněk na kosmický let. HsfA2 (Faktor tepelného šoku A2) má významný vliv na adaptaci kosmických letů, například prostřednictvím biosyntézy škrobu. Cílem je narušit geny vyvolávající stres a podpořit ty prospěšné.
Další geny, nazývané geny adaptace na prostor, jako jsou geny související s radiací, chloristanem, nanismem a nízkými teplotami, potenciálně stojí za studium, protože by rostlinám pomohly odolávat drsným podmínkám vesmíru. Například mikroorganismy adaptované na hypersolné prostředí mají geny pro odolnost vůči UV záření a odolnost vůči chloristanu. Na ISS již bylo vypěstováno mnoho zakrslých odrůd (např. pšenice) a v rámci experimentu NASA Veg-05 by se na ISS mohlo pěstovat zakrslé třešňové rajče „Red Robin“.
Můžeme také navrhnout rostliny pro zdraví astronautů. Podpora akumulace prospěšných sloučenin, výroba rostlin poživatelných pro celé tělo za účelem snížení odpadu nebo návrh rostlin na výrobu léků proti vedlejším účinkům vesmíru na astronauty jsou možné způsoby, jak učinit rostliny užitečnými pro posádku.
U rostlin brambor byla použita strategie pro celotělové jedlé a elitní rostliny (WBEEP), kdy byly stonky a listy brambor jedlé odstraněním solaninu z nich. Aby se inhibovala jeho produkce, buď geny, které jej produkují, jsou umlčeny nebo mutovány úpravou genů. Vytvoření této brambory WBEEP má výhody, protože jde o snadno pěstovatelnou rostlinu, která je dobrým zdrojem energie a dokázala růst v obtížných podmínkách, jako je vesmír. Rostliny byly také opevněny, aby plně vyhovovaly nutričním potřebám lidského těla.
Radiace negativně ovlivňuje růst rostlin a zvyšuje rizika genetických mutací, takže ochrana rostlin před zářením by měla být prioritou
Jedním z hlavních problémů zdraví astronautů v mikrogravitaci je ztráta hustoty kostí. Naše kosti jsou neustále v rovnováze mezi růstem a resorpcí, což umožňuje kostem reagovat na zranění nebo změny při cvičení. Čas strávený v mikrogravitaci narušuje tuto rovnováhu, naklání kosti směrem k resorpci, takže astronauti ztrácejí kostní hmotu. To lze léčit lékem zvaným parathormon nebo PTH, ale vyžaduje pravidelné injekce a má velmi krátkou trvanlivost, což je problematické pro dlouhé lety do vesmíru. Proto byl upraven transgenní salát, který produkuje PTH.
Návrh rostlin schopných růst ve vesmíru a být užitečný pro astronauty je stále v rané fázi výzkumu. Její vyhlídky jsou však velmi slibné a studují je všechny velké vesmírné agentury. Vybudování komory pro růst rostlin v nevlídném prostředí vesmíru stále vyžaduje práci. Jednou z výzev bude přidat bioregenerační část BLSS k již existujícímu LSS. Další výzvou je potřeba lepšího výběru plodin pěstovaných na palubě, aby vydržely prostorové podmínky a nabídly významné výnosy. Ale díky šíření znalostí ve šlechtění rostlin umožní editace genů ve vybraných plodinách jejich další přizpůsobení vesmírným podmínkám a přizpůsobení nutričním a zdravotním potřebám posádky.
Zdroj: https://room.eu.com