پرتاب ماموریت آرتمیس 1 ناسا به ماه در ماه نوامبر، گام دیگری در این سفر را رقم زد که روزی به بازدید انسان از نزدیکترین همسایه سیاره ای ما، مریخ منجر می شود. یک ماموریت انسانی در نهایت پس از چندین فضاپیمای روباتیک دنبال خواهد شد، که جدیدترین آنها فرود کاوشگر Perseverance بر روی سیاره سرخ در فوریه 2021 بود. برای سفرهای انسان به مریخ، مسائل تکنولوژیکی زیادی وجود دارد که باید حل شوند، از جمله موارد کلیدی. آنها محافظت در برابر تشعشعات خورشیدی و سلامت خدمه، از جمله بهترین روش برای تهیه غذای مغذی هستند. تمرکز و چالش بسیاری از کارشناسانی که در مورد دومی مطالعه می کنند، این است که چگونه از کمبودهای نهفته ناشی از مصرف مداوم مواد غذایی خشک شده منجمد جلوگیری کنند. در دسترس بودن غذای تازه بدیهی است که یک مزیت عمده بهداشتی و روانی خواهد بود و برای این منظور رشد و برداشت گیاهان در مسیر ضروری است. در این مقاله، نویسندگان دادهها و تحقیقات فعلی را در مورد تغذیه، فواید پزشکی و روانشناختی و روشهای احتمالی رشد محصولات در اعماق فضا بررسی میکنند.
به گفته ناسا، پنج خطر بزرگ در طول پروازهای فضایی طولانی ظاهر می شود: تشعشعات فضایی، انزوا و محصور شدن، فاصله از زمین، گرانش کم، و محیط خصمانه و بسته یک فضاپیما. گیاهان زنده و غذاهای تازه رشد کرده می توانند نقش مهمی در حمایت از سه مورد از این موارد ایفا کنند: تغذیه، نیازهای پزشکی و روانشناسی خدمه.
تغذیه
تعادل تغذیه ای غذای تامین شده برای ماموریت های فضایی باید کاملاً برای خدمه تطبیق داده شود تا سفری طولانی را در سلامت کامل حفظ کنند.
تعادل تغذیه ای غذای تامین شده برای ماموریت های فضایی باید کاملاً سازگار باشد تا خدمه بتوانند یک سفر طولانی را با سلامت خوب ادامه دهند. از آنجایی که تامین منابع از زمین دشوار خواهد بود، تعیین دقیق رژیم غذایی مناسب و شکل دقیق آن یک هدف حیاتی است.
اجتناب از هر گونه کمبود مواد مغذی ضروری بدیهی ترین چالش است و نیازهای غذایی دقیق توسط ناسا مورد مطالعه قرار گرفته است. با این حال، ثابت شده است که بسیاری از «سیستم» غذای فضایی فعلی ناقص هستند. به طور خاص، نگهداری طولانی غذا در محیط باعث تخریب ویتامین های A، B1، B6 و C می شود.
میانگین کاهش وزن تجمعی برای فضانوردان 2.4 درصد در هر 100 روز در ریزگرانش است، حتی با اقدامات متقابل ورزش مقاومتی شدید. همچنین نشان داده شده است که فضانوردان از کمبودهای تغذیه ای در پتاسیم، کلسیم، ویتامین D و ویتامین K رنج می برند زیرا غذای عرضه شده به آنها اجازه نمی دهد نیازهای دریافتی روزانه را برآورده کنند.
گیاهان به طور طبیعی حاوی ویتامین ها و مواد معدنی هستند و مصرف فوری مواد غذایی تازه از مشکل نگهداری جلوگیری می کند. بنابراین مصرف آنها مکمل خوبی برای غذای خشک شده منجمد خواهد بود.
فضانورد اسکات کلی از زینیاهای فضایی در حال مرگ در ایستگاه فضایی بین المللی به سلامتی خود پرستاری کرد. او از یک دسته گل در کوپولا در پس زمینه زمین عکس گرفت و این عکس را برای روز ولنتاین در سال 2016 در اینستاگرام خود به اشتراک گذاشت.
پزشکی
گیاهان علاوه بر ویتامین ها و مواد معدنی، متابولیت های ثانویه مختلفی را نیز سنتز می کنند. این ترکیبات می تواند کمک بزرگی در پیشگیری از مشکلات سلامتی باشد. به عنوان مثال، فولات در ترمیم DNA نقش دارد، اما نیازهای آن تنها در 64 درصد از روزهای پرواز برآورده می شود. از آنجایی که ثابت شده است تلومرها، انتهای کروموزوم ها، در طول پروازهای طولانی به طور قابل توجهی تغییر می کنند، مکمل فولات از طریق گیاهان تازه می تواند به کاهش پیری ژنتیکی و بروز سرطان کمک کند.
در میان نمونههای دیگر، سبزیجات غنی از کاروتنوئید میتوانند از انحراف چشم ناشی از ریزگرانش جلوگیری کنند، در حالی که رژیم آلوی خشک میتواند به جلوگیری از از دست دادن استخوان ناشی از تشعشع کمک کند. بسیاری از گیاهان حاوی آنتی اکسیدان هایی هستند که می توانند به محافظت از DNA انسان در برابر جهش های ناشی از تشعشع کمک بزرگی کنند. با این حال، یک رژیم غذایی مبتنی بر گیاه کافی نیست و باید راه حل های دیگری برای محافظت از فضانوردان در برابر تشعشعات ایجاد شود.
روانشناسی
گیاهان علاوه بر ویتامین ها و مواد معدنی، متابولیت های ثانویه مختلفی را نیز سنتز می کنند
از آنجایی که انزوا و دوری فشار زیادی بر سلامت روان فضانوردان وارد میکند، وعده غذایی یکی از مهمترین زمانها برای کاهش خلق و خو است. خوردن غذای خشک شده در هر وعده غذایی باعث خستگی منو می شود و فضانوردان به مرور زمان کمتر غذا می خورند. خوردن غذای تازه می تواند این خستگی را کاهش دهد، به ویژه در ایجاد تنوع در فرم و بافت.
یکی دیگر از فعالیت های مفید برای سلامت روان خدمه، باغبانی است. ثابت شده است که رشد گیاهان اثرات بسیار مفیدی دارد، زیرا می تواند احساس سفر با تکه ای از زمین را به فضانوردان بدهد. برخی از مطالعات سعی کردهاند گیاهانی را بیابند که دارای بیشترین تأثیرات روانی هستند، زیرا میتوانند عامل بسیار مهمی برای سلامت روان خدمه باشند. به عنوان مثال، توت فرنگی ممکن است پاسخ های روانشناختی مثبت مانند انرژی و عزت نفس را بهبود بخشد، افسردگی و استرس را کاهش دهد در حالی که گشنیز می تواند کیفیت خواب را بهبود بخشد.
بنابراین، کشاورزی فضایی مبتنی بر گیاه در سطح تغذیه ای، روانی و پزشکی جالب است. با این حال، کمبود اتاق و شرایط خاص رشد، تعداد و انتخاب محصولات را محدود می کند.
انتخاب واقعی محصولات مورد استفاده بسته به معیارهای مورد بررسی و رشته مورد علاقه (تغذیه، روانشناسی و پزشکی) متفاوت خواهد بود. برخی از گیاهان با ماندگاری طولانی می توانند راحت باشند، مانند گندم یا سیب زمینی، اما این عیب را دارند که نیاز به پختن قبل از مصرف دارند. عامل دیگری که باید در نظر گرفت، سیستم تولید مثل و نحوه گرده افشانی گیاهان است، زیرا حیوانات (مانند حشرات) اجازه ورود به کشتی را ندارند.
فهرستی از محصولات بالقوه برای رشد در فضا ایجاد شد که برخی از آنها قبلاً در کشتی کشت شده بودند. نویسندگان معیارهای تغذیه ای و زراعی را به عنوان ابزاری برای انتخاب آنها انتخاب کردند. بنابراین، برای اثرات روانی، مقداری از یک (دقیقه) تا چهار (حداکثر) به طعم و ظاهر محصول یا قسمت خوراکی گیاه نسبت داده شد.
جدول محصولات مختلف با ویژگی های تغذیه ای، پزشکی، زراعی و روانی مناسب برای ماموریت های طولانی در فضا.
پرورش گیاهان در فضاپیما
فضا دو منبع اصلی تنش برای گیاهان است: تابش کیهانی و گرانش میکرو.
تابش بر رشد گیاهان تأثیر منفی می گذارد و خطر جهش های ژنتیکی را افزایش می دهد، بنابراین حفاظت از گیاهان در برابر تشعشع باید در اولویت باشد. در حالی که تابش را می توان با استفاده از سپرهای سرب و/یا آب مهار کرد، این نشان دهنده یک جرم اضافی برای قرار دادن در مدار است. یک راه حل خوب، که از کمپ پایه مریخ لاکهید مارتین (2018) سرچشمه گرفته است، استفاده از ذخیره سوخت به عنوان سپر تشعشع است.
از سوی دیگر، میکروگرانش رشد گیاه را به طور قابل توجهی مختل نمی کند، اگرچه ممکن است آن را کند کند. با این حال، پاسخ گیاه بسته به گونه متفاوت است، زیرا گرانش میکروبی بر بیان ژنوم گیاه تأثیر می گذارد. کشف شده است که در ریزگرانش، گیاهان ژنهای مرتبط با استرس مانند ژنهای شوک حرارتی را بیان میکنند و تولید پروتئینهای مرتبط با استرس را افزایش میدهند. علاوه بر این، دانه ها دارای غلظت های متفاوتی از متابولیت ها و تاخیر در جوانه زنی هستند.
گرانش ریز همچنین بر ریزمحیط گیاه تأثیر می گذارد، مانند عدم حرکت جو، ایجاد ترکیب جوی غیرمعمول و مشکل در آبیاری (با یا بدون حمایت). هیچ جابجایی هوا در فضای بیرونی وجود ندارد، بنابراین اگر ایستگاه رشد به اندازه کافی تهویه نشود، هر گونه گاز ساطع شده توسط گیاه در اطراف سطح آن باقی می ماند. نشان داده شده است که تجمع اتیلن گازی در اطراف برگ گیاهان منجر به رشد غیر طبیعی برگ می شود. گازهای دیگر، مانند دی اکسید کربن که در غلظت های بالا در فضاپیما وجود دارد، می تواند برای برخی از گیاهان کشنده باشد. همین مشکل برای آبیاری گیاه نیز به وجود می آید، بنابراین ایجاد روشی که ریشه ها را غرق نکند، مورد نیاز است.
ارزیابی واکنش گیاه به محیط فضا دشوارتر است. برخی از جنبه های آن محیط، مانند فضای محدود، می تواند انتخاب ما را به سمت گونه های کوتوله هدایت کند. با این حال، برخی از جنبه های دیگر مانند واکنش گیاه به ریزگرانش بسته به گونه ها و گونه ها متفاوت است. اگرچه آزمایشات باید ادامه یابد، تعداد معینی از گیاهان قبلاً آزمایش شده و توصیف شده اند که قادر به رشد در فضا هستند و ما می توانیم از آنها به عنوان پایه استفاده کنیم.
ایجاد یک محفظه گیاهی خود نگهدار که تمام نیازهای غذایی فضانوردان را پوشش می دهد ممکن است چندین دهه طول بکشد، اما استفاده از اتاقک های کوچک به عنوان اقدامات تکمیلی می تواند به خدمه در کمبود ویتامین ها و مواد مغذی (که در غذای بسته بندی شده تغییر می یابد) کمک کند و خستگی رژیم غذایی را کاهش دهد.
مارک ونده هی، شین کیمبرو، توماس پسکت، آکیهیکو هوشید و مگان مک آرتور از Space X Crew-02 با برداشت فلفل قرمز و سبز خود در ایستگاه فضایی بینالمللی در سال 2021 برای تحقیقات Plant-Habitat 04 عکس گرفتهاند.
سیستم حمایت از حیات بیورژنراتیو
خوردن غذای خشک شده در هر وعده غذایی باعث خستگی منو می شود و فضانوردان به مرور زمان کمتر غذا می خورند.
در یک فضاپیما، اتاق محدود است. بنابراین، موفقیت این ماموریت به سیستمهای احیاکننده تعبیهشده در سیستمهای پشتیبانی حیات (LSS) بستگی دارد که میتوانند مواد مصرفشده را به مواد قابل استفاده بازیافت کنند. سیستم کنترل محیطی و پشتیبانی حیات (ECLSS) نصب شده در ایستگاه فضایی بین المللی (ISS) با بازیافت دی اکسید کربن و ادرار، اکسیژن و آب تولید می کند. سیستم مشابهی برای پروازهای فضایی طولانی مورد نیاز خواهد بود.
ایده یک LSS زیستی (BLSS) در دهه 1960 متولد شد که شامل تولید غذا و بازیافت مواد زائد (به عنوان مثال، مواد مدفوع) به ECLSS میشود. یک BLSS با باکتری ها و جلبک ها می تواند برای بازیافت نیتروژن موجود در زباله های جامد به شکل قابل استفاده ای از نیتروژن آلی که گیاهان می توانند جذب کنند، استفاده شود. آزمایشی با پیروی از این اصل - سیستم پشتیبانی حیاتی میکرو اکولوژیکی جایگزین (MELiSSA) - از دهه 1990 توسط آژانس فضایی اروپا توسعه و اجرا شده است.
با این حال، از آنجایی که ما نیروگاه های عالی را در BLSS قرار می دهیم، باید ادغام آنها را با سایر فناوری های کنترل محیطی موجود مطالعه کنیم، که نشان دهنده یک چالش جدید است. تعیین هزینه و پایداری این سیستمهای کوچکتر تولید محصولات غذایی، اطلاعات حیاتی را برای تکامل به سمت یک BLSS بزرگتر فراهم میکند.
نمودار شماتیک طرح دوم واحد رشد گیاه لوله متخلخل.
ایجاد اتاقک رشد گیاه
استفاده از سیستم هیدروپونیک برای رشد محصولات یک امکان جذاب است، زیرا به جای تکیه بر سیستم خاک مانند، گیاهان را در آب پرورش می دهد. دومی به وزن فضاپیما و خطر شناور شدن ذرات در اطراف می افزاید، دو جنبه که آن را مضر می کند. زیستگاه گیاهی پیشرفته (APH) نصب شده در ISS قبلاً انواع گندم کوتوله را با استفاده از یک سیستم هیدروپونیک با یک سیستم آبیاری لوله متخلخل که در یک مدول ریشه حاوی آرسیلیت و یک کود آهسته رهش تعبیه شده است، پرورش داده است.
برای سهولت فعالیتهای باغبانی خدمه و اطمینان از اینکه گیاهان در یک محیط بهینه رشد میکنند، چرخه کشت محصول باید بهطور کامل توسط رایانه کنترل شود. چنین سیستم نظارتی در سال 2018 در قطب جنوب آزمایش شد. استفاده از یک سیستم نیمه خودکار برای کشت محصولات تضمین می کند که خدمه از حضور گیاهان در فضاپیما (با دستکاری آنها) سود می برند و از زمان بر شدن بیش از حد کشاورزی جلوگیری می کند. در واقع، اتاق مورد نیاز برای رشد گیاهان هنوز دقیقاً تعریف نشده است و چندین آزمایش در محیطهای فضا مانند (مانند HI-SEAS) نشان دادهاند که این فعالیت میتواند طولانی شود.
ثابت شده است که رشد گیاهان اثرات بسیار مفیدی دارد، زیرا می تواند احساس سفر با تکه ای از زمین را به فضانوردان بدهد.
در نهایت، سیستم تولید سبزیجات ناسا یا Veggie (که در سال 2014 راه اندازی شد)، که مساحت رشد 0.11 متر مربع را فراهم می کند، نمونه ای عالی از واحد رشد گیاه است که می تواند در یک فضاپیما مورد استفاده قرار گیرد، همانطور که قبلاً در فضاپیما آزمایش شده است. ISS از نظر نور مورد نیاز، LED ها با دو طول موج متفاوت استفاده می شوند: قرمز (630 نانومتر) و آبی (455 نانومتر) زیرا گیاهان در زیر این طول موج ها رشد موثرتری دارند. یک LED سبز نیز ممکن است برای دادن رنگ طبیعی گیاه لازم باشد، بنابراین شناسایی بیماری ها را آسان می کند و به خدمه زمین یادآوری می کند.
میزونا (کلم ژاپنی)، کاهوی رومی قرمز و توکیو بکانا (کلم چینی) که در واحد Veggie در ISS رشد میکند.
شرایط فضا هم برای انسان و هم برای گیاهان استرس ایجاد می کند، بنابراین طراحی گیاهانی که قادر به رشد در فضاپیما هستند و به کاهش برخی از استرس هایی که فضانوردان تجربه می کنند در حال حاضر در حال مطالعه است.
ژنهای دخیل در پاسخهای تنش گیاهان شناسایی شدهاند، اما برای کاهش یا کاهش این اثرات، دانشمندان باید بیان ژنهای موجود را اصلاح کنند یا ژنهای سازگار با فضا را به ژنومها اضافه کنند. این را می توان با استفاده از ویرایش ژن به دست آورد و برخی از ژن های کاندید قبلاً به طور خاص شناسایی و مطالعه شده اند. به عنوان مثال، ARG1 (پاسخ تغییر یافته به جاذبه 1)، ژنی که بر پاسخ های گرانشی در گیاهان روی زمین تأثیر می گذارد، در بیان 127 ژن مربوط به سازگاری با پرواز فضایی نقش دارد. مشخص شد که بیشتر ژنهایی که در پرواز فضایی در بیان تغییر یافتهاند وابسته به Arg1 هستند، که نشاندهنده نقش اصلی آن ژن در سازگاری فیزیولوژیکی سلولهای تمایز نیافته با پرواز فضایی است. HsfA2 (عامل شوک حرارتی A2) تأثیر قابل توجهی بر سازگاری پروازهای فضایی دارد، به عنوان مثال از طریق بیوسنتز نشاسته. هدف آسیب رساندن به ژنهای استرسزا و ترویج ژنهای مفید است.
ژنهای دیگر، به نام ژنهای سازگار با فضا، مانند ژنهای مربوط به تشعشع، پرکلرات، کوتولگی و دمای سرد، به طور بالقوه ارزش مطالعه دارند، زیرا به گیاهان در مقاومت در برابر شرایط سخت فضا کمک میکنند. به عنوان مثال، میکروارگانیسمهای سازگار با محیطهای پر نمک دارای ژنهایی برای مقاومت در برابر اشعه ماوراء بنفش و مقاومت در برابر پرکلرات هستند. بسیاری از گونه های کوتوله (مانند گندم) قبلاً در ایستگاه فضایی بین المللی کشت شده اند و گوجه فرنگی گیلاسی کوتوله "Red Robin" ممکن است به عنوان بخشی از آزمایش Veg-05 ناسا در ISS رشد کند.
ما همچنین می توانیم گیاهانی برای سلامت فضانوردان طراحی کنیم. ترویج تجمع ترکیبات مفید، ساخت گیاهان خوراکی تمام بدن برای کاهش ضایعات، یا طراحی گیاهانی برای تولید دارو در برابر اثرات جانبی فضا بر فضانوردان، راه های ممکن برای مفید کردن گیاهان برای خدمه است.
یک استراتژی گیاهی خوراکی و نخبگان کامل بدن (WBEEP) بر روی گیاهان سیب زمینی استفاده شد و با حذف سولانین از آنها، ساقه و برگ سیب زمینی را خوراکی کرد. برای جلوگیری از تولید آن، یا ژن های تولید کننده آن خاموش می شوند یا با ویرایش ژن جهش می یابند. ایجاد این سیب زمینی WBEEP دارای مزایایی است زیرا گیاهی است که به راحتی کشت می شود و منبع خوبی برای انرژی است و ثابت کرده است که در شرایط سختی مانند فضا رشد می کند. این گیاهان همچنین برای تامین کامل نیازهای غذایی بدن انسان غنی شده بودند.
تابش بر رشد گیاهان تأثیر منفی می گذارد و خطر جهش های ژنتیکی را افزایش می دهد، بنابراین محافظت از گیاهان در برابر تشعشعات باید در اولویت باشد.
یکی از مسائل اصلی برای سلامت فضانوردان در ریزگرانش کاهش تراکم استخوان است. استخوانهای ما دائماً بین رشد و جذب متعادل هستند و به استخوانها اجازه میدهند به آسیب یا تغییرات ورزش پاسخ دهند. گذراندن زمان در ریزگرانش این تعادل را به هم می زند و استخوان ها را به سمت تحلیل هدایت می کند، بنابراین فضانوردان توده استخوانی را از دست می دهند. این را می توان با دارویی به نام هورمون پاراتیروئید یا PTH درمان کرد، اما نیاز به تزریق منظم دارد و ماندگاری بسیار کوتاهی دارد که برای پروازهای فضایی طولانی مشکل ساز است. بنابراین، یک کاهوی تراریخته که PTH تولید می کند مهندسی شد.
طراحی گیاهانی که بتوانند در فضا رشد کنند و برای فضانوردان مورد استفاده قرار گیرند، هنوز در مراحل اولیه تحقیقات است. با این حال، چشم انداز آن بسیار امیدوارکننده است و توسط همه آژانس های فضایی بزرگ در حال مطالعه است. ساختن اتاقک رشد گیاه در محیط ناخوشایند فضا همچنان نیازمند کار است. یکی از چالشها اضافه کردن بخش زیستسازنده BLSS به LSS موجود است. چالش دیگر نیاز به انتخاب بهتر محصولات برای کشت در کشتی است تا هم در شرایط فضایی مقاومت کند و هم عملکرد قابل توجهی ارائه دهد. اما به لطف گسترش دانش در اصلاح نباتات، ویرایش ژن در محصولات انتخابی به آنها اجازه می دهد تا بیشتر با شرایط فضا سازگار شوند و با نیازهای تغذیه ای و بهداشتی خدمه مطابقت داشته باشند.
منبع: https://room.eu.com