Ang paglulunsad ng Artemis 1 mission ng NASA sa Buwan noong Nobyembre ay minarkahan ang isa pang hakbang sa paglalakbay na balang-araw ay hahantong sa mga tao na bumisita sa ating pinakamalapit na planetaryong kapitbahay, ang Mars. Ang isang misyon ng tao ay susunod sa mga takong ng maraming robotic spacecraft, ang pinakabago ay ang paglapag ng Perseverance rover sa pulang planeta noong Pebrero 2021. Para sa mga paglalakbay ng tao sa Mars mayroong maraming teknolohikal na isyu na dapat lutasin, ang susi sa sila ang proteksyon mula sa solar radiation at kalusugan ng crew, kabilang ang kung paano pinakamahusay na magbigay ng masustansyang pagkain. Ang pokus at hamon para sa maraming eksperto na nag-aaral sa huli ay kung paano maiwasan ang mga nakatagong kakulangan na dulot ng patuloy na pagkonsumo ng freeze-dried na pagkain. Ang pagkakaroon ng sariwang pagkain ay malinaw na magiging isang pangunahing kalusugan at sikolohikal na kalamangan, at para dito kinakailangan na lumago at mag-ani ng mga halaman sa ruta. Sa artikulong ito, sinusuri ng mga may-akda ang kasalukuyang data at pananaliksik tungkol sa nutrisyon, mga benepisyong medikal at sikolohikal, at mga posibleng paraan ng pagtatanim ng mga pananim sa malalim na espasyo.
Ayon sa NASA, limang pangunahing panganib ang lumilitaw sa mahabang paglipad sa kalawakan: radiation sa kalawakan, paghihiwalay at pagkakulong, distansya mula sa Earth, mababang gravity, at ang pagalit at saradong kapaligiran ng isang spacecraft. Ang mga nabubuhay na halaman at bagong lumaki na pagkain ay maaaring magkaroon ng malaking papel sa pagsuporta sa tatlo sa mga ito: nutrisyon, mga pangangailangang medikal at sikolohiya ng crew.
Pagkain
Ang balanseng nutrisyon ng pagkain na ibinibigay para sa mga misyon sa kalawakan ay dapat na ganap na maiangkop para sa isang tripulante upang mapanatili ang mahabang paglalakbay sa mabuting kalusugan
Ang balanseng nutrisyon ng pagkain na ibinibigay para sa mga misyon sa kalawakan ay dapat na ganap na maiangkop para sa isang tripulante upang mapanatili ang mahabang paglalakbay sa mabuting kalusugan. Dahil magiging mahirap ang mga resupply mula sa Earth, ang pagtukoy nang eksakto sa tamang diyeta at ang eksaktong anyo nito ay isang kritikal na layunin.
Ang pag-iwas sa anumang kakulangan ng mahahalagang nutrients ay ang pinaka-halatang hamon, at ang mga detalyadong pangangailangan sa nutrisyon ay pinag-aralan ng NASA. Karamihan sa kasalukuyang space food 'system', gayunpaman, ay napatunayang kulang. Sa partikular, ang mahabang nakapaligid na imbakan ng pagkain ay nag-uudyok sa pagkasira ng mga bitamina A, B1, B6 at C.
Ang pinagsama-samang ibig sabihin ng pagbaba ng timbang para sa mga astronaut ay 2.4 porsiyento bawat 100 araw sa microgravity, kahit na may mahigpit na resistive exercise countermeasures. Ang mga astronaut ay ipinakita rin na nagdurusa sa mga kakulangan sa nutrisyon sa potassium, calcium, bitamina D at bitamina K dahil ang pagkain na ibinibigay ay hindi nagpapahintulot sa kanila na matugunan ang mga kinakailangan sa pang-araw-araw na paggamit.
Ang mga halaman ay natural na naglalaman ng mga bitamina at mineral, at ang agarang pagkonsumo ng sariwang pagkain ay maiiwasan ang problema sa pag-iimbak. Ang pagkonsumo ng mga ito ay samakatuwid ay isang mahusay na suplemento sa freeze-dry na pagkain.
Ang Astronaut na si Scott Kelly ay nag-aalaga ng namamatay na mga zinnia sa espasyo pabalik sa kalusugan sa ISS. Kinunan niya ng larawan ang isang bouquet ng mga bulaklak sa Cupola sa backdrop ng Earth at ibinahagi ang larawan sa kanyang Instagram para sa Araw ng mga Puso noong 2016.
Gamot
Bilang karagdagan sa mga bitamina at mineral, ang mga halaman ay nag-synthesize ng maraming iba't ibang mga pangalawang metabolite. Ang mga compound na ito ay maaaring maging malaking tulong sa pagpigil sa mga isyu sa kalusugan. Halimbawa, ang folate ay kasangkot sa pag-aayos ng DNA, ngunit ang mga kinakailangan nito ay natutugunan lamang sa 64 porsiyento ng mga araw ng paglipad. Dahil ang mga telomere, ang dulo ng mga chromosome, ay napatunayang malaki ang pagbabago sa mahabang paglipad, ang supplementation sa folate sa pamamagitan ng mga sariwang halaman ay maaaring makatulong na mabawasan ang genetic aging at mga paglitaw ng cancer.
Sa iba pang mga halimbawa, ang mga gulay na mayaman sa carotenoid ay maaaring maiwasan ang pagbaluktot ng mata na dulot ng microgravity, habang ang pinatuyong pagkain ng plum ay makakatulong na maiwasan ang pagkawala ng buto na dulot ng radiation. Maraming halaman ang naglalaman ng mga antioxidant na maaaring maging malaking tulong sa pagprotekta sa DNA ng tao mula sa radiation-induced mutations. Gayunpaman, ang isang plant-based na diyeta ay hindi sapat at iba pang mga solusyon ay dapat na binuo upang maprotektahan ang mga astronaut mula sa radiation.
Sikolohiya
Bilang karagdagan sa mga bitamina at mineral, ang mga halaman ay nagbubuo ng maraming iba't ibang mga pangalawang metabolite
Dahil ang paghihiwalay at distansya ay maglalagay ng malaking stress sa kalusugan ng isip ng mga astronaut, ang pagkain ay isa sa pinakamahalagang oras upang gumaan ang mood. Ang pagkain ng freeze-dried na pagkain sa bawat pagkain ay lumilikha ng pagkapagod sa menu at ang mga astronaut ay may posibilidad na kumain ng mas kaunti sa paglipas ng panahon. Ang pagkain ng sariwang pagkain ay maaaring mabawasan ang pagkapagod na ito, hindi bababa sa pagbibigay ng iba't ibang anyo at texture.
Ang isa pang aktibidad na kapaki-pakinabang sa kalusugan ng isip ng crew ay ang paghahalaman. Ang mga lumalagong halaman ay napatunayang may napakalaking kapaki-pakinabang na epekto, dahil maaari itong magbigay sa mga astronaut ng pakiramdam ng paglalakbay kasama ang isang piraso ng Earth. Sinubukan ng ilang pag-aaral na hanapin ang mga halaman na may pinakakapaki-pakinabang na sikolohikal na epekto, dahil maaari silang maging isang napakahalagang kadahilanan para sa kalusugan ng isip ng mga tripulante. Halimbawa, ang mga strawberry ay maaaring mapabuti ang mga positibong sikolohikal na tugon, tulad ng sigla at pagpapahalaga sa sarili, bawasan ang depresyon at stress habang ang coriander ay maaaring mapabuti ang kalidad ng pagtulog.
Kaya, ang plant-based space farming ay kawili-wili sa nutritional, psychological at medical level. Gayunpaman, ang kakulangan ng silid at ang partikular na lumalagong mga kondisyon ay naglilimita sa bilang at pagpili ng mga pananim.
Ang aktwal na pagpili ng mga pananim na ginamit ay mag-iiba, depende sa pamantayang sinuri at ang larangan (nutrisyon, sikolohiya at medisina) ay pinapaboran. Ang ilang mga halaman na may mahabang buhay ng istante ay maaaring maging maginhawa, tulad ng trigo o patatas, ngunit may kawalan ng pangangailangang lutuin bago kainin. Ang isa pang salik na dapat isaalang-alang ay ang reproductive system at ang polinasyon na paraan ng mga halaman, dahil ang mga hayop (tulad ng mga insekto) ay hindi pinapayagang sumakay.
Ang isang listahan ng mga potensyal na pananim na lumago sa kalawakan ay itinatag, ang ilan sa mga ito ay nalinang na sa board. Pinili ng mga may-akda ang nutritional at agronomic na pamantayan bilang mga tool sa pagpili ng mga ito. Kaya, para sa mga sikolohikal na epekto, ang isang halaga mula sa isa (min) hanggang apat (max) ay naiugnay sa lasa at hitsura ng crop o nakakain na bahagi ng halaman.
Talaan ng iba't ibang mga pananim na may mga katangiang nutritional, medikal, agronomic at sikolohikal na angkop para sa mahabang misyon sa kalawakan.
Nagpapalaki ng mga halaman sa isang spacecraft
Ang espasyo ay nagpapakita ng dalawang pangunahing pinagmumulan ng stress para sa mga halaman: cosmic radiation at microgravity.
Ang radyasyon ay negatibong nakakaapekto sa paglaki ng halaman at pinapataas ang mga panganib ng genetic mutation, kaya dapat maging priyoridad ang pagprotekta sa mga halaman mula sa radiation. Bagama't maaaring maglaman ng radiation gamit ang lead at/o water shield, ito ay kumakatawan sa karagdagang masa na ilalagay sa orbit. Ang isang magandang solusyon, na nagmula sa Lockheed Martin's Mars Base Camp (2018), ay ang paggamit ng fuel storage bilang isang radiation shield.
Ang microgravity, sa kabilang banda, ay hindi nakapipinsala nang malaki sa paglago ng halaman, bagaman maaari itong pabagalin. Gayunpaman, ang tugon ng halaman ay naiiba ayon sa mga species, dahil ang microgravity ay nakakaapekto sa genome expression ng halaman. Natuklasan na, sa microgravity, ang mga halaman ay magpapahayag ng higit pang mga gene na nauugnay sa stress, tulad ng mga gene na heat-shock, at magpapataas ng kanilang produksyon ng mga protina na nauugnay sa stress. Bukod dito, ang mga buto ay natagpuan na may iba't ibang konsentrasyon ng mga metabolite at naantala ang pagtubo.
Naaapektuhan din ng microgravity ang microenvironment ng halaman, tulad ng kawalan ng paggalaw ng atmospera, na lumilikha ng hindi pangkaraniwang komposisyon sa atmospera at kahirapan sa pagtutubig (may suporta o walang suporta). Walang air convection sa kalawakan, kaya kung ang lumalagong istasyon ay hindi sapat na maaliwalas ang anumang gas na ibinubuga ng halaman ay mananatili sa paligid nito. Ipinakita na ang akumulasyon ng gaseous ethylene sa paligid ng mga dahon ng halaman ay nagreresulta sa abnormal na pag-unlad ng dahon. Ang iba pang mga gas, tulad ng carbon dioxide, na nasa mataas na konsentrasyon sa isang spacecraft, ay maaaring nakamamatay sa ilang mga halaman. Ang parehong problema ay lumitaw para sa pagtutubig ng halaman, kaya ang pagbuo ng isang paraan na hindi nalulunod ang mga ugat ay kinakailangan.
Ang tugon ng halaman sa kapaligiran sa espasyo ay mas mahirap suriin. Ang ilang aspeto ng kapaligirang iyon, tulad ng pinaghihigpitang espasyo, ay maaaring magdirekta sa ating pagpili sa mga dwarf varieties. Gayunpaman, ang ilang iba pang mga aspeto tulad ng tugon ng halaman sa microgravity ay nag-iiba depende sa mga species at varieties. Bagama't kailangang magpatuloy ang mga eksperimento, ang ilang bilang ng mga halaman ay nasubok na at inilarawan na maaaring lumaki sa kalawakan at maaari nating gamitin ang mga ito bilang batayan.
Ang pagbuo ng isang self-sustaining plant chamber na sumasaklaw sa lahat ng masustansyang pangangailangan ng mga astronaut ay maaaring tumagal ng mga dekada ngunit ang paggamit ng maliliit na silid bilang pantulong na mga hakbang ay maaaring makatulong sa mga tripulante na may mga kakulangan sa mga bitamina at nutrients (na binago sa nakabalot na pagkain) at mabawasan ang pagkapagod sa diyeta.
Mark Vande Hei, Shane Kimbrough, Thomas Pesquet, Akihiko Hoshide at Megan McArthur ng Space X Crew-02 na nag-pose kasama ang kanilang ani ng pula at berdeng sili sa ISS noong 2021 para sa pagsisiyasat ng Plant-Habitat 04.
Bioregenerative na sistema ng suporta sa buhay
Ang pagkain ng freeze-dried na pagkain sa bawat pagkain ay lumilikha ng pagkapagod sa menu at ang mga astronaut ay may posibilidad na kumain ng mas kaunti sa paglipas ng panahon
Sa isang spacecraft, limitado ang kwarto. Samakatuwid, ang tagumpay ng misyon ay nakasalalay sa mga regenerative system na naka-embed sa Life Support Systems (LSS) na maaaring mag-recycle ng mga ginamit na bagay sa magagamit na bagay. Ang Environmental Control and Life Support System (ECLSS) na naka-install sa International Space Station (ISS) ay gumagawa ng oxygen at tubig sa pamamagitan ng pag-recycle ng carbon dioxide at ihi; isang katulad na sistema ang kakailanganin para sa mahabang paglipad sa kalawakan.
Ang ideya ng isang bioregenerative LSS (BLSS) ay isinilang noong 1960s upang isama ang produksyon ng pagkain at ang pag-recycle ng mga basurang materyales (halimbawa, faecal matter) sa ECLSS. Ang isang BLSS na may bakterya at algae ay maaaring gamitin upang i-recycle ang nitrogen sa mga solidong basura pabalik sa isang magagamit na anyo ng organikong nitrogen na maaaring makuha ng mga halaman. Isang eksperimento na sumusunod sa prinsipyong iyon - ang Micro Ecological Life Support System Alternative (MELiSSA) - ay binuo at isinagawa ng European Space Agency mula noong 1990s.
Gayunpaman, habang isinasama namin ang mas matataas na halaman sa BLSS, kakailanganin naming pag-aralan ang kanilang pagsasama sa iba pang umiiral na teknolohiya sa pagkontrol sa kapaligiran, na kumakatawan sa isang bagong hamon. Ang pagtukoy sa gastos at pagpapatuloy ng mga mas maliliit na sistema ng produksyon ng pananim na ito ay magbibigay ng kritikal na impormasyon para sa pag-unlad patungo sa mas malaking BLSS.
Schematic diagram ng pangalawang disenyo ng porous tube plant growth unit.
Pagbuo ng isang silid ng paglago ng halaman
Ang paggamit ng isang hydroponic system upang magtanim ng mga pananim ay isang kaakit-akit na posibilidad, dahil ito ay nagpapatubo ng mga halaman sa tubig sa halip na umasa sa isang sistemang tulad ng lupa. Ang huli ay nagdaragdag ng bigat sa spacecraft at ang panganib ng mga particle na lumulutang sa paligid, dalawang aspeto na ginagawa itong disadvantageous. Ang Advanced Plant Habitat (APH) na naka-install sa ISS ay nakapagtanim na ng iba't ibang dwarf wheat gamit ang hydroponic system na may porous tube watering system na naka-embed sa root module na naglalaman ng arcillite at slow-release fertiliser.
Upang mapagaan ang mga aktibidad sa hortikultural ng mga tripulante at upang matiyak na ang mga halaman ay lumalaki sa isang pinakamainam na kapaligiran, ang crop cultural cycle ay kailangang ganap na subaybayan ng isang computer. Ang nasabing sistema ng pagsubaybay ay sinubukan noong 2018 sa Antarctica. Ang paggamit ng isang bahagyang automated na sistema para sa pagtatanim ng mga pananim ay titiyakin na ang mga tripulante ay makikinabang sa pagkakaroon ng mga halaman sa spacecraft (sa pamamagitan ng pagmamanipula sa mga ito) at maiiwasan ang isyu ng agrikultura na maging masyadong matagal. Sa katunayan, ang silid na kailangan para magtanim ng mga halaman ay hindi pa tiyak na tinukoy at ilang mga eksperimento sa mala-space na kapaligiran (tulad ng HI-SEAS) ay nagpakita na ang aktibidad na ito ay maaaring maging mahaba.
Ang mga lumalagong halaman ay napatunayang may napakalaking kapaki-pakinabang na epekto, dahil maaari itong magbigay sa mga astronaut ng pakiramdam ng paglalakbay gamit ang isang piraso ng Earth
Sa wakas, ang Vegetable Production System ng NASA, o Veggie, (inilunsad noong 2014), na nagbibigay ng lumalagong lugar na 0.11 m², ay isang magandang halimbawa ng isang plant growth unit na maaaring magamit sa isang spacecraft, dahil nasubukan na ito sa ISS. Sa mga tuntunin ng liwanag na kinakailangan, ang mga LED ay ginagamit na may dalawang magkaibang wavelength: pula (630 nm) at asul (455 nm) habang ang mga halaman ay lumalaki nang mas mahusay sa ilalim ng mga wavelength na ito. Maaaring kailanganin din ang isang berdeng LED upang bigyan ang halaman ng natural na kulay nito, sa gayon ay nagpapagaan sa pagkakakilanlan ng mga sakit at nagpapaalala sa mga tripulante ng Earth.
Mizuna (Japanese cabbage), red romaine lettuce at Tokyo bekana (Chinese cabbage) na itinanim sa Veggie unit sa ISS.
Ang mga kondisyon sa kalawakan ay lumilikha ng stress para sa parehong mga tao at mga halaman, kaya ang disenyo ng mga halaman ay maaaring lumago sa spacecraft at makatulong na maibsan ang ilan sa mga stress na nararanasan ng mga astronaut ay kasalukuyang pinag-aaralan.
Ang mga gene na kasangkot sa mga tugon sa stress ng mga halaman ay natukoy ngunit upang bawasan o pagaanin ang mga epektong iyon, kailangan ng mga siyentipiko na baguhin ang pagpapahayag ng mga umiiral na gene o magdagdag ng mga space-adaptation gene sa mga genome. Ito ay maaaring makamit gamit ang pag-edit ng gene at ang ilang mga gen ng kandidato ay partikular na natukoy at pinag-aralan. Halimbawa, ang ARG1 (Altered Response to Gravity 1), isang gene na kilala na nakakaapekto sa mga tugon ng gravity sa mga halaman sa Earth, ay kasangkot sa pagpapahayag ng 127 genes na nauugnay sa spaceflight adaptation. Karamihan sa mga gene na binago sa pagpapahayag sa spaceflight ay natagpuan na umaasa sa Arg1, na nagmumungkahi ng isang pangunahing papel para sa gene na iyon sa physiological adaptation ng mga hindi nakikilalang mga cell sa spaceflight. Ang HsfA2 (Heat Shock Factor A2) ay may malaking epekto sa adaptation ng spaceflight, halimbawa sa pamamagitan ng starch biosynthesis. Ang layunin ay upang pahinain ang stress-inducing genes at i-promote ang mga kapaki-pakinabang.
Ang iba pang mga gene, na tinatawag na space-adaptation genes, tulad ng mga gene na nauugnay sa radiation, perchlorate, dwarfism at malamig na temperatura, ay potensyal na sulit na pag-aralan dahil makakatulong ang mga ito sa mga halaman na labanan ang malupit na kondisyon ng espasyo. Halimbawa, ang mga microorganism na inangkop sa hypersaline na kapaligiran ay nagtataglay ng mga gene para sa UV resistance at perchlorate resistance. Maraming dwarf varieties (eg wheat) ang nalinang na sa ISS at ang dwarf cherry tomato na 'Red Robin' ay maaaring itanim sa ISS bilang bahagi ng Veg-05 experiment ng NASA.
Maaari din tayong magdisenyo ng mga halaman para sa kalusugan ng mga astronaut. Ang pagtataguyod ng akumulasyon ng mga kapaki-pakinabang na compound, paggawa ng buong katawan na mga halaman na nakakain upang mabawasan ang basura, o pagdidisenyo ng mga halaman upang makagawa ng mga gamot laban sa mga side effect ng kalawakan sa mga astronaut ay mga posibleng paraan upang gawing kapaki-pakinabang ang mga halaman para sa mga tripulante.
Ginamit ang diskarte sa Whole-Body Edible and Elite Plant (WBEEP) sa mga halaman ng patatas, na ginagawang nakakain ang mga tangkay at dahon ng patatas sa pamamagitan ng pag-alis ng solanine sa kanila. Upang pigilan ang paggawa nito, alinman sa mga gene na gumagawa nito ay pinatahimik o na-mutate sa pamamagitan ng pag-edit ng gene. Ang paggawa nitong WBEEP na patatas ay may mga pakinabang dahil ito ay isang madaling itanim na halaman na magandang pinagkukunan ng enerhiya at napatunayang kayang tumubo sa mahirap na mga kondisyon tulad ng espasyo. Ang mga halaman ay pinatibay din upang ganap na matugunan ang mga pangangailangan ng sustansya ng katawan ng tao.
Ang radiation ay negatibong nakakaapekto sa paglaki ng halaman at pinapataas ang mga panganib ng genetic mutations, kaya ang pagprotekta sa mga halaman mula sa radiation ay dapat na isang priyoridad
Ang isa sa mga pangunahing isyu para sa kalusugan ng mga astronaut sa microgravity ay ang pagkawala ng density ng buto. Ang aming mga buto ay patuloy na balanse sa pagitan ng paglaki at resorption, na nagpapahintulot sa mga buto na tumugon sa pinsala o mga pagbabago sa ehersisyo. Ang paggugol ng oras sa microgravity ay nakakagambala sa balanseng ito, na nagtutulak sa mga buto patungo sa resorption, kaya ang mga astronaut ay nawawalan ng bone mass. Maaari itong gamutin sa isang gamot na tinatawag na parathyroid hormone, o PTH, ngunit nangangailangan ito ng mga regular na iniksyon at may napakaikling buhay sa istante, na problema para sa mahabang paglipad sa kalawakan. Samakatuwid, ang isang transgenic lettuce na gumagawa ng PTH ay ginawa.
Ang pagdidisenyo ng mga halaman na maaaring lumaki sa kalawakan at magagamit para sa mga astronaut ay nasa maagang yugto pa ng pananaliksik. Gayunpaman, ang mga prospect nito ay napaka-promising at pinag-aaralan ng lahat ng mga pangunahing ahensya ng kalawakan. Ang pagbuo ng isang silid ng paglago ng halaman sa hindi kanais-nais na kapaligiran ng espasyo ay nangangailangan pa rin ng trabaho. Isa sa mga hamon ay ang idagdag ang bioregenerative na bahagi ng BLSS sa umiiral nang LSS. Ang isa pang hamon ay ang pangangailangan para sa isang mas mahusay na pagpipilian ng mga pananim na palaguin sa board upang parehong makayanan ang mga kondisyon ng espasyo at nag-aalok ng makabuluhang ani. Ngunit salamat sa pagkalat ng kaalaman sa pag-aanak ng halaman, ang pag-edit ng gene sa mga napiling pananim ay magbibigay-daan sa kanila na higit pang maiangkop sa mga kondisyon ng espasyo at tumugma sa mga pangangailangan sa nutrisyon at kalusugan ng isang tripulante.
Isang mapagkukunan: https://room.eu.com