Lanceringen af NASAs Artemis 1-mission til Månen i november markerede endnu et skridt på rejsen, der en dag vil føre til, at mennesker besøger vores nærmeste planetariske nabo, Mars. En menneskelig mission vil i sidste ende følge i hælene på flere robot-rumfartøjer, hvoraf den seneste var landingen af Perseverance-roveren på den røde planet i februar 2021. For menneskers rejser til Mars er der mange teknologiske problemer, der skal løses, nøglen blandt de er beskyttelsen mod solstråling og besætningens sundhed, herunder hvordan man bedst giver næringsrig mad. Fokus og udfordring for mange eksperter, der studerer sidstnævnte, er, hvordan man undgår de latente mangler forårsaget af det konstante forbrug af frysetørret mad. Tilgængeligheden af friske fødevarer vil naturligvis være en stor sundhedsmæssig og psykologisk fordel, og for dette vil det være nødvendigt at dyrke og høste planter undervejs. I denne artikel gennemgår forfatterne aktuelle data og forskning vedrørende ernæring, medicinske og psykologiske fordele og mulige metoder til dyrkning af afgrøder i det dybe rum.
Ifølge NASA opstår fem store farer under lange rumflyvninger: rumstråling, isolation og indespærring, afstand fra Jorden, lav tyngdekraft og det fjendtlige og lukkede miljø i et rumfartøj. Levende planter og frisk dyrket mad kunne spille en stor rolle i at understøtte tre af disse: ernæring, medicinske behov og besætningspsykologi.
Ernæring
Den ernæringsmæssige balance af mad leveret til rummissioner skal være perfekt tilpasset for en besætning til at opretholde en lang rejse med godt helbred
Den ernæringsmæssige balance af mad, der leveres til rummissioner, skal være perfekt tilpasset, så en besætning kan holde en lang rejse med godt helbred. Da forsyninger fra Jorden vil være vanskelige, er det et kritisk mål at bestemme præcis den rigtige kost og dens præcise form.
At undgå enhver mangel på essentielle næringsstoffer er den mest åbenlyse udfordring, og detaljerede ernæringsbehov er blevet undersøgt af NASA. Meget af det nuværende rumføde-"system" har imidlertid vist sig at være mangelfuldt. Specifikt inducerer den lange opbevaring af fødevarer nedbrydningen af vitamin A, B1, B6 og C.
Kumulativt gennemsnitligt vægttab for astronauter er 2.4 procent pr. 100 dage i mikrotyngdekraft, selv med strenge modforanstaltninger til modstand mod træning. Astronauter har også vist sig at lide af ernæringsmæssige mangler i kalium, calcium, vitamin D og vitamin K, fordi den tilførte mad ikke tillader dem at opfylde det daglige indtagsbehov.
Planter indeholder naturligt vitaminer og mineraler, og det øjeblikkelige forbrug af friske fødevarer ville undgå problemet med opbevaring. At indtage dem ville derfor være et godt supplement til frysetørret mad.
Astronaut Scott Kelly plejede døende rumzinnias tilbage til sundhed på ISS. Han fotograferede en buket af blomsterne i kupolen på baggrund af jorden og delte billedet på sin Instagram til Valentinsdag i 2016.
Medicin
Ud over vitaminer og mineraler syntetiserer planter mange forskellige sekundære metabolitter. Disse forbindelser kan være til stor hjælp til at forebygge sundhedsproblemer. For eksempel er folat involveret i DNA-reparation, men dets krav er kun opfyldt på 64 procent af flyvedagene. Da telomerer, slutningen af kromosomer, har vist sig at blive ændret betydeligt under lange flyvninger, kan tilskud af folat via friske planter hjælpe med at reducere genetisk aldring og kræftforekomster.
Blandt andre eksempler kunne carotenoid-rige grøntsager forhindre øjenforvrængning forårsaget af mikrogravitation, mens en tørret blommediæt kan hjælpe med at forhindre strålingsinduceret knogletab. Mange planter indeholder antioxidanter, der kan være til stor hjælp til at beskytte menneskets DNA mod strålingsinducerede mutationer. En plantebaseret kost er dog ikke tilstrækkelig, og der skal udvikles andre løsninger for at beskytte astronauter mod stråling.
Psykologi
Ud over vitaminer og mineraler syntetiserer planter mange forskellige sekundære metabolitter
Da isolation og afstand vil lægge en betydelig belastning på astronauternes mentale sundhed, er måltidet en af de vigtigste tidspunkter for at lette stemningen. At spise frysetørret mad til hvert måltid skaber menutræthed, og astronauter har en tendens til at spise mindre over tid. At spise frisk mad kan reducere denne træthed, ikke mindst ved at give variation i form og tekstur.
En anden aktivitet, der er gavnlig for besætningens mentale sundhed, er havebrug. Dyrkning af planter har vist sig at have en enorm gavnlig effekt, da det kan give astronauterne en følelse af at rejse med et stykke jord. Nogle undersøgelser har forsøgt at finde planterne med de mest gavnlige psykologiske effekter, da de kan være en meget vigtig faktor for besætningens mentale sundhed. For eksempel kan jordbær forbedre positive psykologiske reaktioner, såsom styrke og selvværd, reducere depression og stress, mens koriander kan forbedre søvnkvaliteten.
Plantebaseret space farming er således interessant på et ernæringsmæssigt, psykologisk og medicinsk plan. Men manglen på plads og de særlige vækstbetingelser begrænser antallet og valget af afgrøder.
Det faktiske valg af anvendte afgrøder vil variere afhængigt af de undersøgte kriterier og det område (ernæring, psykologi og medicin), der foretrækkes. Nogle planter med lang holdbarhed kan være praktiske, såsom hvede eller kartoffel, men har den ulempe, at de skal tilberedes før indtagelse. En anden faktor at overveje er reproduktionssystemet og planternes bestøvningstilstand, fordi dyr (såsom insekter) ikke er tilladt om bord.
En liste over potentielle afgrøder til at dyrke i rummet blev etableret, hvoraf nogle allerede var blevet dyrket om bord. Forfatterne valgte ernæringsmæssige og agronomiske kriterier som redskaber til at vælge dem. For psykologiske effekter blev en værdi fra én (min) til fire (max) således tilskrevet smagen og udseendet af afgrøden eller den spiselige plantedel.
Tabel over forskellige afgrøder med deres ernæringsmæssige, medicinske, agronomiske og psykologiske egenskaber velegnet til lange missioner i rummet.
Dyrkning af planter i et rumfartøj
Rummet præsenterer to hovedkilder til stress for planter: kosmisk stråling og mikrogravitation.
Stråling påvirker plantevæksten negativt og øger risikoen for genetiske mutationer, så beskyttelse af planter mod stråling bør være en prioritet. Mens stråling kan indesluttes ved hjælp af bly- og/eller vandskjolde, repræsenterer dette en ekstra masse at placere i kredsløb. En god løsning, som stammer fra Lockheed Martins Mars Base Camp (2018), er at bruge brændstoflager som et strålingsskjold.
Mikrotyngdekraft på den anden side forringer ikke plantevæksten væsentligt, selvom det kan bremse den. Plantens respons er dog forskellig alt efter arten, da mikrogravitation påvirker plantens genomekspression. Det er blevet opdaget, at planter i mikrogravitation vil udtrykke flere stress-relaterede gener, såsom varmechokgener, og øge deres produktion af stress-relaterede proteiner. Desuden har frø vist sig at have forskellige koncentrationer af metabolitter og forsinket spiring.
Mikrotyngdekraft påvirker også plantens mikromiljø, såsom manglende bevægelse af atmosfæren, hvilket skaber en usædvanlig atmosfærisk sammensætning og vanskeligheder med at vande (med eller uden støtte). Der er ingen luftkonvektion i det ydre rum, så hvis vækststationen ikke er tilstrækkeligt ventileret, vil enhver gas, som planten udsender, forblive rundt om dens overflade. Det har vist sig, at ophobning af gasformig ethylen omkring planters blade resulterer i unormal bladudvikling. Andre gasser, som kuldioxid, der findes i høje koncentrationer i et rumfartøj, kan være dødelige for nogle planter. Det samme problem opstår for plantevanding, så det er nødvendigt at udvikle en metode, der ikke drukner rødderne.
Anlæggets reaktion på rummiljøet er sværere at vurdere. Nogle aspekter af det miljø, såsom begrænset plads, kan rette vores valg mod dværgsorter. Nogle andre aspekter som plantens reaktion på mikrotyngdekraft varierer dog afhængigt af arter og sorter. Selvom eksperimenterne skal fortsætte, er et vist antal planter allerede blevet testet og beskrevet som i stand til at vokse i rummet, og vi kan bruge dem som grundlag.
Udviklingen af et selvbærende plantekammer, der dækker alle astronauternes ernæringsmæssige behov, kan tage årtier, men at bruge små kamre som komplementære foranstaltninger kan hjælpe besætningen med mangel på vitaminer og næringsstoffer (som ændres i emballeret mad) og reducere diættræthed.
Mark Vande Hei, Shane Kimbrough, Thomas Pesquet, Akihiko Hoshide og Megan McArthur fra Space X Crew-02 poserer med deres høst af røde og grønne chilipeber i ISS i 2021 til Plant-Habitat 04-undersøgelsen.
Bioregenerativt livsstøttesystem
At spise frysetørret mad til hvert måltid skaber menutræthed, og astronauter har en tendens til at spise mindre over tid
I et rumfartøj er plads begrænset. Derfor afhænger missionens succes af regenerative systemer, der er indlejret i Life Support Systems (LSS), som kan genanvende brugt materiale til brugbart materiale. Environmental Control and Life Support System (ECLSS) installeret i den internationale rumstation (ISS) producerer ilt og vand ved at genbruge kuldioxid og urin; et lignende system vil være nødvendigt for lange rumflyvninger.
Ideen om en bioregenerativ LSS (BLSS) blev født i 1960'erne for at inkludere fødevareproduktion og genanvendelse af affaldsmaterialer (for eksempel fækalier) til ECLSS. En BLSS med bakterier og alger kunne bruges til at genbruge kvælstoffet i fast affald tilbage til en brugbar form for organisk kvælstof, som planter kunne optage. Et eksperiment efter dette princip - Micro Ecological Life Support System Alternative (MELiSSA) - er blevet udviklet og udført af European Space Agency siden 1990'erne.
Men da vi inkluderer højere anlæg i BLSS, bliver vi nødt til at studere deres integration med de andre eksisterende miljøkontrolteknologier, hvilket repræsenterer en ny udfordring. Fastlæggelse af omkostningerne og bæredygtigheden af disse mindre produktionssystemer til fødevareafgrøder vil give kritisk information for udviklingen mod en større BLSS.
Skematisk diagram af det andet design af den porøse rørplantevækst enhed.
Udvikling af et plantevækstkammer
At bruge et hydroponisk system til at dyrke afgrøder er en attraktiv mulighed, da det dyrker planter i vand i stedet for at stole på et jordlignende system. Sidstnævnte tilføjer vægt til rumfartøjet og risikoen for, at partikler flyder rundt, to aspekter, der gør det ufordelagtigt. Advanced Plant Habitat (APH) installeret i ISS har allerede dyrket en række dværghvede ved hjælp af et hydroponisk system med et porøst rørvandingssystem indlejret i et rodmodul, der indeholder arcillit og en gødning med langsom frigivelse.
For at lette besætningens havebrugsaktiviteter og for at sikre, at planterne vokser i et optimalt miljø, skal afgrødens kulturcyklus overvåges fuldt ud af en computer. Et sådant overvågningssystem blev testet i 2018 i Antarktis. Brug af et delvist automatiseret system til dyrkning af afgrøder vil sikre, at besætningen drager fordel af tilstedeværelsen af planter i rumfartøjet (ved at manipulere dem) og undgår, at spørgsmålet om landbrug bliver for tidskrævende. Faktisk er det nødvendige rum til at dyrke planter endnu ikke præcist defineret, og adskillige eksperimenter i rumlignende miljøer (som HI-SEAS) har vist, at denne aktivitet kan blive langvarig.
Dyrkning af planter har vist sig at have en enorm gavnlig effekt, da det kan give astronauterne en følelse af at rejse med et stykke jord
Endelig er NASA's Vegetable Production System, eller Veggie, (lanceret i 2014), som giver et vækstareal på 0.11 m², et godt eksempel på en plantevækst enhed, der kunne bruges ombord på et rumfartøj, da det allerede er blevet testet på ISS. Med hensyn til lyskrav bruges LED'er med to forskellige bølgelængder: rød (630 nm) og blå (455 nm), da planter vokser mere effektivt under disse bølgelængder. En grøn LED kan også være nødvendig for at give planten dens naturlige farve og dermed lette identifikation af sygdomme og minde besætningen om Jorden.
Mizuna (japansk kål), rød romainesalat og Tokyo bekana (kinesisk kål) dyrket i Veggie-enhed i ISS.
Rumforhold skaber stress for både mennesker og planter, så designet af planter, der kan vokse i rumfartøjer og hjælpe med at afhjælpe nogle af de belastninger, som astronauter oplever, er ved at blive undersøgt.
Gener involveret i planters stressreaktioner er blevet identificeret, men for at reducere eller afbøde disse effekter er forskere nødt til at modificere ekspressionen af eksisterende gener eller tilføje rumtilpasningsgener til genomerne. Dette kan opnås ved hjælp af genredigering, og nogle kandidatgener er allerede blevet specifikt identificeret og undersøgt. For eksempel er ARG1 (Altered Response to Gravity 1), et gen, der vides at påvirke tyngdekraftsreaktioner i planter på Jorden, involveret i ekspressionen af 127 gener relateret til rumflyvningstilpasning. De fleste af generne ændret i ekspression i rumflyvning viste sig at være Arg1-afhængige, hvilket tyder på en vigtig rolle for dette gen i den fysiologiske tilpasning af udifferentierede celler til rumflyvning. HsfA2 (Heat Shock Factor A2) har en betydelig effekt på rumflyvnings tilpasning, for eksempel gennem stivelsesbiosyntese. Målet er at svække stress-inducerende gener og fremme gavnlige gener.
Andre gener, kaldet rumtilpasningsgener, såsom gener relateret til stråling, perklorat, dværgvækst og kold temperatur, er potentielt værd at studere, da de ville hjælpe planter med at modstå de barske forhold i rummet. For eksempel besidder mikroorganismer tilpasset hypersaltholdige miljøer gener for UV-resistens og perkloratresistens. Mange dværgsorter (f.eks. af hvede) er allerede blevet dyrket på ISS, og dværgcherrytomaten 'Red Robin' kan blive dyrket i ISS som en del af NASAs Veg-05-eksperiment.
Vi kan også designe planter til astronauters sundhed. Fremme af akkumulering af gavnlige forbindelser, fremstilling af hele kroppen spiselige planter for at reducere affald eller design af planter til at producere lægemidler mod rummets bivirkninger på astronauter er mulige måder at gøre planter nyttige for besætningen.
En Whole-Body Edible and Elite Plant (WBEEP) strategi blev brugt på kartoffelplanter, hvilket gjorde kartoffelstængler og -blade spiselige ved at fjerne solaninen fra dem. For at hæmme dets produktion bliver enten generne, der producerer det, dæmpet eller muteret ved genredigering. At skabe denne WBEEP kartoffel har fordele, da det er en letdyrket plante, der er en god energikilde og har vist sig i stand til at vokse under vanskelige forhold, såsom plads. Planterne blev også beriget for fuldt ud at opfylde menneskekroppens næringsbehov.
Stråling påvirker plantevæksten negativt og øger risikoen for genetiske mutationer, så beskyttelse af planter mod stråling bør være en prioritet
Et af hovedproblemerne for astronauters sundhed i mikrogravitation er knogletæthedtab. Vores knogler er konstant afbalanceret mellem vækst og resorption, hvilket gør det muligt for knogler at reagere på skader eller ændringer i træning. At bruge tid i mikrotyngdekraften forstyrrer denne balance og vipper knoglerne mod resorption, så astronauter mister knoglemasse. Dette kan behandles med et lægemiddel kaldet parathyroidhormon eller PTH, men det kræver regelmæssige injektioner og har en meget kort holdbarhed, hvilket er problematisk ved lange rumflyvninger. Derfor blev en transgen salat, der producerer PTH, konstrueret.
At designe planter, der kan vokse i rummet og være til nytte for astronauter, er stadig i sin tidlige fase af forskning. Dens udsigter er dog meget lovende og bliver undersøgt af alle større rumfartsorganisationer. Det kræver stadig arbejde at bygge et plantevækstkammer i rummets uvenlige miljø. En af udfordringerne bliver at tilføje den bioregenerative del af BLSS til den allerede eksisterende LSS. En anden udfordring er behovet for et bedre udvalg af afgrøder, der skal dyrkes om bord, for både at modstå pladsforhold og give betydelige udbytter. Men takket være udbredelsen af viden inden for planteavl vil genredigering i de udvalgte afgrøder gøre det muligt for dem at blive yderligere tilpasset pladsforhold og matche en besætnings ernæringsmæssige og sundhedsmæssige behov.
En kilde: https://room.eu.com