NASA Artemis 1 missiooni Kuule start novembris tähistas järjekordset sammu sellel teekonnal, mis ühel päeval viib selleni, et inimesed külastavad meie lähimat planeedinaabrit Marsi. Inimmissioon järgneb lõpuks mitmele robot-kosmoselaevale, millest viimane oli Perseverance'i kulguri maandumine punasele planeedile 2021. aasta veebruaris. Inimeste Marsile tehtavate reiside jaoks tuleb lahendada palju tehnoloogilisi probleeme, millest üks on võtmetähtsusega. need on kaitse päikesekiirguse ja meeskonna tervise eest, sealhulgas see, kuidas kõige paremini pakkuda toitvat toitu. Paljude viimast uurivate ekspertide fookus ja väljakutse on see, kuidas vältida külmkuivatatud toidu pidevast tarbimisest tingitud varjatud puudusi. Värske toidu kättesaadavus on ilmselgelt suur tervise- ja psühholoogiline eelis ning selleks on vaja taimi teel kasvatada ja koristada. Käesolevas artiklis vaatavad autorid läbi praegused andmed ja uuringud toitumise, meditsiinilise ja psühholoogilise kasu ning võimalike põllukultuuride süvakosmoses kasvatamise meetodite kohta.
NASA andmetel ilmnevad pikkade kosmoselendude ajal viis suurt ohtu: kosmosekiirgus, isoleeritus ja suletus, kaugus Maast, madal gravitatsioon ning kosmoselaeva vaenulik ja suletud keskkond. Elustaimedel ja värskelt kasvatatud toidul võib olla suur roll nende kolme toetamisel: toitumine, meditsiinilised vajadused ja meeskonna psühholoogia.
Toitumine
Kosmosemissioonide jaoks tarnitava toidu toiteväärtus peab olema täiuslikult kohandatud, et meeskond saaks pikka teekonda hea tervise juures hoida
Kosmosemissioonide jaoks tarnitava toidu toiteväärtus peab olema täiuslikult kohandatud, et meeskond saaks pikka teekonda hea tervise juures hoida. Kuna varud Maalt on keerulised, on õige dieedi ja selle täpse vormi kindlaksmääramine kriitiline eesmärk.
Oluliste toitainete puuduse vältimine on kõige ilmsem väljakutse ja NASA on üksikasjalikke toitumisvajadusi uurinud. Suur osa praegusest kosmosetoidu "süsteemist" on aga osutunud puudulikuks. Täpsemalt, toidu pikk säilitamine ümbritsevas keskkonnas kutsub esile vitamiinide A, B1, B6 ja C lagunemise.
Astronautide kumulatiivne keskmine kaalukaotus on mikrogravitatsioonis 2.4 protsenti 100 päeva kohta isegi rangete takistuslike vastumeetmete korral. Samuti on näidatud, et astronaudid kannatavad kaaliumi, kaltsiumi, D-vitamiini ja K-vitamiini toitumisvaeguse all, kuna pakutav toit ei võimalda neil täita päevast tarbimise vajadust.
Taimed sisaldavad loomulikult vitamiine ja mineraalaineid ning värske toidu kohene tarbimine väldiks säilitusprobleeme. Seetõttu oleks nende tarbimine suurepärane täiendus külmkuivatatud toidule.
Astronaut Scott Kelly toitis ISS-il suremas kosmose tsinniasid terveks. Ta pildistas maa taustal kuplis lillekimpu ja jagas fotot oma Instagramis 2016. aasta sõbrapäevaks.
Meditsiin
Lisaks vitamiinidele ja mineraalainetele sünteesivad taimed palju erinevaid sekundaarseid metaboliite. Need ühendid võivad olla suureks abiks terviseprobleemide ennetamisel. Näiteks folaat osaleb DNA parandamises, kuid selle nõuded on täidetud vaid 64 protsendil lennupäevadest. Kuna on tõestatud, et telomeerid, kromosoomide otsad, on pikkade lendude ajal oluliselt muutunud, võib folaadi lisamine värskete taimede kaudu aidata vähendada geneetilist vananemist ja vähi esinemist.
Teiste näidete hulgas võivad karotenoidirikkad köögiviljad ära hoida mikrogravitatsioonist tingitud silmade moonutusi, kuivatatud ploomi dieet aga kiirgusest põhjustatud luuhõrenemist. Paljud taimed sisaldavad antioksüdante, mis võivad olla suureks abiks inimese DNA kaitsmisel kiirgusest põhjustatud mutatsioonide eest. Taimsest toitumisest aga ei piisa ja astronautide kiirguse eest kaitsmiseks tuleb välja töötada muud lahendused.
Psühholoogia
Lisaks vitamiinidele ja mineraalainetele sünteesivad taimed palju erinevaid sekundaarseid metaboliite
Kuna eraldatus ja vahemaa koormavad oluliselt astronautide vaimset tervist, on eine üks tähtsamaid aegu meeleolu parandamiseks. Külmkuivatatud toidu söömine igal toidukorral tekitab menüüst väsimust ja astronaudid kipuvad aja jooksul vähem sööma. Värske toidu söömine võib seda väsimust vähendada, pakkudes eelkõige vormi ja tekstuuri mitmekesisust.
Teine meeskonna vaimsele tervisele kasulik tegevus on aiandus. On tõestatud, et taimede kasvatamisel on tohutult kasulik mõju, kuna see võib anda astronautidele tunde, nagu reisiksid tükiga Maad. Mõned uuringud on püüdnud leida kõige kasulikuma psühholoogilise mõjuga taimi, kuna need võivad olla meeskonna vaimse tervise jaoks väga olulised tegurid. Näiteks võivad maasikad parandada positiivseid psühholoogilisi reaktsioone, nagu elujõudu ja enesehinnangut, vähendada depressiooni ja stressi, samal ajal kui koriander võib parandada unekvaliteeti.
Seega on taimne kosmosekasvatus huvitav nii toitumis-, psühholoogilisel kui ka meditsiinilisel tasandil. Ruumipuudus ja erilised kasvutingimused piiravad aga põllukultuuride arvu ja valikut.
Kasutatavate põllukultuuride tegelik valik varieerub olenevalt uuritud kriteeriumidest ja eelistatud põllust (toitumine, psühholoogia ja meditsiin). Mõned pika säilivusajaga taimed võivad olla mugavad, näiteks nisu või kartul, kuid nende puuduseks on see, et neid tuleb enne tarbimist keeta. Teine tegur, mida tuleb arvesse võtta, on taimede paljunemissüsteem ja tolmeldamisviis, sest loomi (nt putukaid) pardale ei lubata.
Koostati nimekiri võimalikest kosmoses kasvatatavatest põllukultuuridest, millest osa oli juba pardal kasvatatud. Autorid valisid nende valiku vahenditeks toitumis- ja agronoomilised kriteeriumid. Seega omistati psühholoogiliste mõjude puhul saagi või söödava taimeosa maitsele ja välimusele väärtus ühest (min) kuni neljani (max).
Tabel erinevatest põllukultuuridest koos nende toitumis-, meditsiiniliste, agronoomiliste ja psühholoogiliste omadustega, mis sobivad pikkadeks kosmosemissioonideks.
Taimede kasvatamine kosmoselaevas
Kosmos on taimede jaoks kaks peamist stressiallikat: kosmiline kiirgus ja mikrogravitatsioon.
Kiirgus mõjutab taimede kasvu negatiivselt ja suurendab geneetiliste mutatsioonide riski, seega peaks taimede kaitsmine kiirguse eest olema prioriteet. Kuigi kiirgust saab ohjeldada plii- ja/või veekaitsega, kujutab see endast täiendavat massi, mida orbiidile paigutada. Hea lahendus, mis sai alguse Lockheed Martini Marsi baaslaagrist (2018), on kütusehoidla kasutamine kiirguskaitsena.
Mikrogravitatsioon seevastu taimede kasvu oluliselt ei kahjusta, kuigi võib seda aeglustada. Taime reaktsioon on aga liigiti erinev, kuna mikrogravitatsioon mõjutab taime genoomi ekspressiooni. On avastatud, et mikrogravitatsioonis avaldavad taimed rohkem stressiga seotud geene, näiteks kuumašoki geene, ja suurendavad stressiga seotud valkude tootmist. Lisaks on leitud, et seemnetel on erinev metaboliitide kontsentratsioon ja hilinenud idanemine.
Mikrogravitatsioon mõjutab ka taime mikrokeskkonda, näiteks atmosfääri vähest liikumist, tekitades ebatavalise atmosfääri koostise ja raskusi kastmisel (toega või ilma). Kosmoses puudub õhukonvektsioon, nii et kui kasvujaam ei ole piisavalt ventileeritud, jääb taime pinnale eralduv gaas. On näidatud, et gaasilise etüleeni kogunemine taimede lehtede ümber põhjustab lehtede ebanormaalset arengut. Teised gaasid, nagu süsinikdioksiid, mida kosmoseaparaadis on suures kontsentratsioonis, võivad olla mõnele taimele surmavad. Sama probleem tekib taimede kastmisel, seega on vaja välja töötada meetod, mis ei uputa juuri.
Tehase reaktsiooni ruumikeskkonnale on raskem hinnata. Mõned selle keskkonna aspektid, näiteks piiratud ruum, võivad suunata meie valiku kääbussortide poole. Kuid mõned muud aspektid, nagu taime reaktsioon mikrogravitatsioonile, sõltuvad liigist ja sortidest. Kuigi katseid tuleb jätkata, on teatud hulk taimi juba testitud ja kirjeldatud kui võimelised ruumis kasvama ning saame neid aluseks võtta.
Isemajandava taimekambri väljatöötamine, mis kataks astronautide kõik toitainevajadused, võib võtta aastakümneid, kuid väikeste kambrite kasutamine täiendavate meetmetena võib aidata meeskonnal vitamiinide ja toitainete puuduse korral (mis on pakendatud toidus muudetud) ja vähendada dieedist tingitud väsimust.
Mark Vande Hei, Shane Kimbrough, Thomas Pesquet, Akihiko Hoshide ja Megan McArthur Space X Crew-02-st poseerivad oma punase ja rohelise tšillipipra saagiga ISS-is 2021. aastal Plant-Habitat 04 uurimise jaoks.
Bioregeneratiivne elu toetav süsteem
Külmkuivatatud toidu söömine igal toidukorral tekitab menüüst väsimust ja astronaudid kipuvad aja jooksul vähem sööma
Kosmoselaevas on ruum piiratud. Seetõttu sõltub missiooni edu elushoidmissüsteemidesse (LSS) sisseehitatud regeneratiivsetest süsteemidest, mis suudavad kasutatud materjali kasutatavaks aineks ümber töödelda. Rahvusvahelisse kosmosejaama (ISS) paigaldatud Environmental Control and Life Support System (ECLSS) toodab hapnikku ja vett süsinikdioksiidi ja uriini ringlussevõtu teel; sarnast süsteemi läheb vaja pikkade kosmoselendude jaoks.
Bioregeneratiivse LSS-i (BLSS) idee sündis 1960. aastatel, et hõlmata toidutootmine ja jäätmematerjalide (nt fekaalainete) ringlussevõtt ECLSS-i. Bakterite ja vetikatega BLSS-i saab kasutada tahkete jäätmete lämmastiku ringlussevõtuks tagasi kasutatavaks orgaaniliseks lämmastikuks, mida taimed saaksid omastada. Euroopa Kosmoseagentuur on alates 1990. aastatest välja töötanud ja viinud läbi selle põhimõtte järgivat eksperimenti – Micro Ecological Life Support System Alternative (MELiSSA) –.
Kuna aga lisame BLSS-i kõrgemaid tehaseid, peame uurima nende integreerimist teiste olemasolevate keskkonnakontrolli tehnoloogiatega, mis kujutab endast uut väljakutset. Nende väiksemate toidukultuuride tootmissüsteemide kulude ja jätkusuutlikkuse kindlaksmääramine annab kriitilist teavet suurema BLSS-i suunas arenemiseks.
Poorse torustiku taimekasvatusüksuse teise konstruktsiooni skemaatiline diagramm.
Taimede kasvukambri arendamine
Hüdropoonilise süsteemi kasutamine põllukultuuride kasvatamiseks on atraktiivne võimalus, kuna see kasvatab taimi vees, selle asemel, et tugineda mullataolisele süsteemile. Viimane lisab kosmoselaevale kaalu ja osakeste hõljumise ohtu, kaks aspekti, mis muudavad selle ebasoodsaks. ISS-i paigaldatud Advanced Plant Habitat (APH) on juba kasvatanud mitmesuguseid kääbusnisu, kasutades hüdropoonilist süsteemi koos poorse toruga kastmissüsteemiga, mis on põimitud arilliiti ja aeglaselt vabastavat väetist sisaldavasse juurmoodulisse.
Meeskonna aiandustegevuse hõlbustamiseks ja taimede optimaalses keskkonnas kasvamise tagamiseks peab saagikultuuri tsüklit täielikult jälgima arvuti. Sellist seiresüsteemi katsetati 2018. aastal Antarktikas. Osaliselt automatiseeritud põllukultuuride kasvatamise süsteemi kasutamine tagab, et meeskond saab kasu taimede olemasolust kosmoselaevas (neid manipuleerides) ja väldib põllumajanduse liiga aeganõudvat muutumist. Tõepoolest, taimede kasvatamiseks vajalik ruum ei ole veel täpselt määratletud ja mitmed katsed kosmoselaadsetes keskkondades (nagu HI-SEAS) on näidanud, et see tegevus võib olla pikk.
On tõestatud, et taimede kasvatamisel on tohutult kasulik mõju, kuna see võib anda astronautidele tunde, nagu reisiksid tükiga maad.
Lõpuks on NASA köögiviljatootmissüsteem ehk Veggie (käivitatud 2014. aastal), mille kasvupind on 0.11 m², suurepärane näide taimekasvatusüksusest, mida saaks kasutada kosmoseaparaadi pardal, kuna seda on juba katsetatud ISS. Valgusnõuete osas kasutatakse LED-e kahe erineva lainepikkusega: punane (630 nm) ja sinine (455 nm), kuna taimed kasvavad nende lainepikkuste all tõhusamalt. Rohelist LED-i võib vaja minna ka selleks, et anda taimele loomulik värv, mis hõlbustab haiguste tuvastamist ja tuletab meeskonnale meelde Maad.
Mizuna (jaapani kapsas), punane rooma salat ja Tokyo bekana (hiina kapsas), mida kasvatatakse ISS-i Veggie üksuses.
Kosmosetingimused tekitavad stressi nii inimestele kui ka taimedele, seega uuritakse praegu selliste taimede disaini, mis suudavad kosmoselaevades kasvada ja aidata leevendada mõningaid astronautide stressi.
Taimede stressireaktsioonides osalevad geenid on tuvastatud, kuid nende mõjude vähendamiseks või leevendamiseks peavad teadlased muutma olemasolevate geenide ekspressiooni või lisama genoomidesse ruumiga kohanemise geene. Seda on võimalik saavutada geenide redigeerimisega ja mõned kandidaatgeenid on juba konkreetselt tuvastatud ja uuritud. Näiteks ARG1 (Altered Response to Gravity 1), geen, mis teadaolevalt mõjutab taimede gravitatsioonireaktsioone Maal, osaleb 127 kosmoselendude kohanemisega seotud geeni ekspressioonis. Leiti, et enamik kosmoselennul ekspressioonis muutunud geene on Arg1-sõltuvad, mis viitab selle geeni olulisele rollile diferentseerumata rakkude füsioloogilisel kohanemisel kosmoselennuga. HsfA2 (Heat Shock Factor A2) mõjutab oluliselt kosmoselendude kohanemist, näiteks tärklise biosünteesi kaudu. Eesmärk on kahjustada stressi tekitavaid geene ja edendada kasulikke geene.
Teisi geene, mida nimetatakse ruumiga kohanemise geenideks, nagu kiirguse, perkloraadi, kääbuse ja külma temperatuuriga seotud geenid, tasub potentsiaalselt uurida, kuna need aitaksid taimedel kosmose karmidele tingimustele vastu seista. Näiteks on hüpersoolsete keskkondadega kohandatud mikroorganismidel UV-resistentsuse ja perkloraadiresistentsuse geenid. ISS-is on juba kasvatatud paljusid kääbussorte (nt nisu) ja NASA katse Veg-05 raames võidakse ISS-is kasvatada kääbuskirsstomatit Red Robin.
Samuti saame kujundada taimi astronautide tervise jaoks. Kasulike ühendite kogunemise soodustamine, kogu keha söödavate taimede muutmine jäätmete vähendamiseks või taimede kavandamine ravimite tootmiseks kosmose kõrvalmõjude vastu astronautidele on võimalikud viisid taimede meeskonna jaoks kasulikuks muutmiseks.
Kartulitaimede puhul kasutati kogu keha söödava ja eliittaimede (WBEEP) strateegiat, muutes kartuli varred ja lehed söödavaks, eemaldades neist solaniini. Selle tootmise pärssimiseks kas seda tootvad geenid vaigistatakse või muteeritakse geenide redigeerimisega. Selle WBEEP-kartuli loomisel on eeliseid, kuna see on kergesti kasvatatav taim, mis on hea energiaallikas ja on tõestanud, et see suudab kasvada rasketes tingimustes, näiteks ruumis. Taimi rikastati ka selleks, et rahuldada täielikult inimkeha toitainete vajadusi.
Kiirgus mõjutab taimede kasvu negatiivselt ja suurendab geneetiliste mutatsioonide riski, seega peaks taimede kaitsmine kiirguse eest olema prioriteet
Üks peamisi astronautide terviseprobleeme mikrogravitatsioonis on luutiheduse vähenemine. Meie luud on pidevalt tasakaalus kasvu ja resorptsiooni vahel, võimaldades luudel reageerida vigastustele või treeningu muutustele. Mikrogravitatsioonis aja veetmine häirib seda tasakaalu, kallutades luud resorptsiooni poole, nii et astronaudid kaotavad luumassi. Seda saab ravida ravimiga, mida nimetatakse paratüreoidhormooniks ehk PTH-ks, kuid see nõuab regulaarseid süstimisi ja selle säilivusaeg on väga lühike, mis on pikkade kosmoselendude puhul problemaatiline. Seetõttu konstrueeriti transgeenne salat, mis toodab PTH-d.
Kosmoses kasvama ja astronautidele kasulike taimede kujundamine on alles algusjärgus. Selle väljavaated on aga väga paljutõotavad ja seda uurivad kõik suuremad kosmoseagentuurid. Taimede kasvukambri ehitamine ebasoodsas ruumikeskkonnas nõuab veel tööd. Üks väljakutsetest on BLSS-i bioregeneratiivse osa lisamine juba olemasolevale LSS-ile. Teiseks väljakutseks on vajadus parema valiku pardal kasvatatavate põllukultuuride järele, et nii ruumitingimustele vastu pidada kui ka märkimisväärset saaki pakkuda. Kuid tänu teadmiste levikule sordiaretuses võimaldab valitud põllukultuuride geenide redigeerimine neid veelgi kohandada ruumitingimustega ja sobitada meeskonna toitumis- ja tervisevajadustega.
Allikas: https://room.eu.com