O lanzamento da misión Artemis 1 da NASA á Lúa en novembro marcou un paso máis na viaxe que algún día levará a que os humanos visiten o noso veciño planetario máis próximo, Marte. Finalmente, unha misión humana seguirá os pasos de varias naves espaciais robóticas, a máis recente das cales foi a aterraxe do rover Perseverance no planeta vermello en febreiro de 2021. Para as viaxes humanas a Marte hai moitos problemas tecnolóxicos por resolver, clave entre son a protección contra a radiación solar e a saúde da tripulación, incluíndo a mellor forma de proporcionar alimentos nutritivos. O enfoque e o reto para moitos expertos que estudan este último é como evitar as deficiencias latentes provocadas polo consumo constante de alimentos liofilizados. A dispoñibilidade de alimentos frescos será, evidentemente, unha gran vantaxe para a saúde e psicolóxica, e para iso será necesario cultivar e colleitar plantas no camiño. Neste artigo, os autores revisan os datos e as investigacións actuais sobre nutrición, beneficios médicos e psicolóxicos e posibles métodos de cultivo no espazo profundo.
Segundo a NASA, durante os longos voos espaciais aparecen cinco grandes perigos: a radiación espacial, o illamento e o confinamento, a distancia da Terra, a baixa gravidade e o ambiente hostil e pechado dunha nave espacial. As plantas vivas e os alimentos recén cultivados poderían desempeñar un papel importante no apoio a tres destes: nutrición, necesidades médicas e psicoloxía da tripulación.
Nutrición
O balance nutricional dos alimentos subministrados para as misións espaciais debe estar perfectamente adaptado para que unha tripulación manteña unha longa viaxe con boa saúde.
O balance nutricional dos alimentos subministrados para as misións espaciais debe estar perfectamente adaptado para que unha tripulación manteña unha longa viaxe con boa saúde. Como os abastecementos desde a Terra serán difíciles, determinar exactamente a dieta correcta e a súa forma precisa é un obxectivo crítico.
Evitar calquera deficiencia de nutrientes esenciais é o desafío máis obvio, e as necesidades nutricionais detalladas foron estudadas pola NASA. Non obstante, gran parte do actual "sistema" alimentario espacial demostrouse ser deficiente. En concreto, o longo almacenamento ambiental dos alimentos induce a degradación das vitaminas A, B1, B6 e C.
A perda de peso media acumulada dos astronautas é do 2.4 por cento por 100 días en microgravedade, mesmo con contramedidas rigorosas de exercicios de resistencia. Tamén se demostrou que os astronautas padecen deficiencias nutricionais de potasio, calcio, vitamina D e vitamina K porque os alimentos que se lles proporcionan non lles permiten satisfacer as necesidades diarias de inxestión.
As plantas conteñen naturalmente vitaminas e minerais, e o consumo inmediato de alimentos frescos evitaría o problema do almacenamento. Polo tanto, consumilos sería un excelente complemento para os alimentos liofilizados.
O astronauta Scott Kelly cuidou a zinnias espaciais moribundas para recuperar a súa saúde na ISS. Fotografou un ramo de flores na cúpula co telón de fondo da Terra e compartiu a foto no seu Instagram para o Día de San Valentín en 2016.
Medicina
Ademais de vitaminas e minerais, as plantas sintetizan moitos metabolitos secundarios diferentes. Estes compostos poden ser de gran axuda para previr problemas de saúde. Por exemplo, o folato está implicado na reparación do ADN, pero os seus requisitos cúmprense só no 64 por cento dos días de voo. Como se demostrou que os telómeros, o final dos cromosomas, se alteran significativamente durante longos voos, a suplementación de folato a través de plantas frescas podería axudar a reducir o envellecemento xenético e a aparición de cancro.
Entre outros exemplos, os vexetais ricos en carotenoides poderían evitar a distorsión dos ollos causada pola microgravedade, mentres que unha dieta de ameixas secas pode axudar a previr a perda ósea inducida pola radiación. Moitas plantas conteñen antioxidantes que poden ser de gran axuda para protexer o ADN humano das mutacións inducidas pola radiación. Non obstante, unha dieta a base de plantas non é suficiente e hai que desenvolver outras solucións para protexer aos astronautas da radiación.
Psicoloxía
Ademais de vitaminas e minerais, as plantas sintetizan moitos metabolitos secundarios diferentes
Como o illamento e a distancia suporán unha presión significativa na saúde mental dos astronautas, a comida é un dos momentos máis importantes para alixeirar o estado de ánimo. Comer alimentos liofilizados en cada comida crea cansazo do menú e os astronautas tenden a comer menos co paso do tempo. Comer alimentos frescos pode reducir esta fatiga, sobre todo en proporcionar variedade de forma e textura.
Outra actividade beneficiosa para a saúde mental da tripulación é a horticultura. Probouse que o cultivo de plantas ten efectos tremendamente beneficiosos, xa que lles pode dar aos astronautas a sensación de viaxar cun anaco de Terra. Algúns estudos intentaron atopar as plantas con efectos psicolóxicos máis beneficiosos, xa que poderían ser un factor moi importante para a saúde mental da tripulación. Por exemplo, os amorodos poden mellorar as respostas psicolóxicas positivas, como o vigor e a autoestima, reducir a depresión e o estrés mentres que o cilantro pode mellorar a calidade do sono.
Así, a agricultura espacial baseada en plantas é interesante a nivel nutricional, psicolóxico e médico. Non obstante, a falta de espazo e as condicións particulares de crecemento limitan o número e a elección dos cultivos.
A elección real dos cultivos empregados variará en función dos criterios examinados e do ámbito (nutrición, psicoloxía e medicina) que se prefira. Algunhas plantas cunha longa vida útil poden ser convenientes, como o trigo ou a pataca, pero teñen a desvantaxe de necesitar ser cocidas antes do seu consumo. Outro factor a ter en conta é o sistema reprodutor e o modo de polinización das plantas, xa que non se admiten animais (como insectos) a bordo.
Estableceuse unha lista de posibles cultivos para crecer no espazo, algúns dos cales xa foran cultivados a bordo. Os autores seleccionaron criterios nutricionais e agronómicos como ferramentas para escollelos. Así, para os efectos psicolóxicos, atribuíuse un valor de un (min) a catro (máximo) ao sabor e aparencia do cultivo ou da parte da planta comestible.
Táboa de diferentes cultivos coas súas características nutricionais, médicas, agronómicas e psicolóxicas aptas para longas misións no espazo.
Cultivo de plantas nunha nave espacial
O espazo presenta dúas principais fontes de estrés para as plantas: a radiación cósmica e a microgravidade.
A radiación afecta negativamente ao crecemento das plantas e aumenta os riscos de mutacións xenéticas, polo que protexer as plantas da radiación debería ser unha prioridade. Aínda que a radiación pódese conter usando escudos de chumbo e/ou auga, isto representa unha masa adicional para colocar en órbita. Unha boa solución, que se orixinou no campo base de Marte de Lockheed Martin (2018), é utilizar o almacenamento de combustible como escudo de radiación.
A microgravidade, por outra banda, non prexudica o crecemento das plantas de forma significativa, aínda que pode retardalo. Non obstante, a resposta da planta varía segundo a especie, xa que a microgravidade afecta a expresión do xenoma da planta. Descubriuse que, en microgravidade, as plantas expresarán máis xenes relacionados co estrés, como os xenes de choque térmico, e aumentarán a súa produción de proteínas relacionadas co estrés. Ademais, comprobouse que as sementes teñen diferentes concentracións de metabolitos e retardan a xerminación.
A microgravidade tamén afecta ao microambiente da planta, como a falta de movemento da atmosfera, creando unha composición atmosférica inusual e dificultade para regar (con ou sen soporte). Non hai convección de aire no espazo exterior, polo que se a estación de cultivo non está suficientemente ventilada, calquera gas emitido pola planta permanecerá arredor da súa superficie. Demostrouse que a acumulación de etileno gasoso ao redor das follas das plantas produce un desenvolvemento anormal das follas. Outros gases, como o dióxido de carbono, presentes en altas concentracións nunha nave espacial, poden ser letais para algunhas plantas. O mesmo problema xorde para o rego das plantas, polo que será necesario desenvolver un método que non afogue as raíces.
A resposta da planta ao ambiente espacial é máis difícil de avaliar. Algúns aspectos dese ambiente, como o espazo restrinxido, poden dirixir a nosa elección cara a variedades ananas. Non obstante, algúns outros aspectos como a resposta da planta á microgravidade varían segundo as especies e as variedades. Aínda que os experimentos teñen que continuar, un certo número de plantas xa foron probadas e descritas como capaces de crecer no espazo e podemos utilizalas como base.
O desenvolvemento dunha cámara vexetal autosustentable que cubra todas as necesidades nutritivas dos astronautas podería levar décadas, pero o uso de cámaras pequenas como medidas complementarias podería axudar á tripulación con deficiencias de vitaminas e nutrientes (que se alteran nos alimentos envasados) e reducir a fatiga da dieta.
Mark Vande Hei, Shane Kimbrough, Thomas Pesquet, Akihiko Hoshide e Megan McArthur do Space X Crew-02 posando coa súa colleita de pementos vermellos e verdes na ISS en 2021 para a investigación Plant-Habitat 04.
Sistema de soporte vital biorexenerativo
Comer alimentos liofilizados en cada comida crea cansazo do menú e os astronautas tenden a comer menos co paso do tempo.
Nunha nave espacial, o espazo é limitado. Polo tanto, o éxito da misión depende dos sistemas rexenerativos integrados nos Sistemas de Soporte Vital (LSS) que poden reciclar a materia usada en materia utilizable. O Sistema de Control Ambiental e Soporte Vital (ECLSS) instalado na Estación Espacial Internacional (ISS) produce osíxeno e auga mediante a reciclaxe de dióxido de carbono e ouriños; un sistema similar será necesario para longos voos espaciais.
A idea dun LSS biorexenerativo (BLSS) naceu na década de 1960 para incluír a produción de alimentos e a reciclaxe de materiais de refugallo (por exemplo, materia fecais) ao ECLSS. Un BLSS con bacterias e algas podería usarse para reciclar o nitróxeno dos residuos sólidos nunha forma utilizable de nitróxeno orgánico que as plantas poidan absorber. A Axencia Espacial Europea desenvolveu e levou a cabo desde os anos 1990 un experimento seguindo ese principio: a alternativa do sistema de soporte vital microecolóxico (MELiSSA).
Non obstante, como incluímos plantas superiores no BLSS, teremos que estudar a súa integración coas outras tecnoloxías de control ambiental existentes, o que supón un novo reto. Determinar o custo e a sustentabilidade destes sistemas de produción de cultivos alimentarios máis pequenos proporcionará información crítica para evolucionar cara a un BLSS máis grande.
Diagrama esquemático do segundo deseño da unidade de crecemento de plantas de tubo poroso.
Desenvolvemento dunha cámara de crecemento vexetal
Usar un sistema hidropónico para cultivar é unha posibilidade atractiva, xa que cultiva plantas en auga en lugar de depender dun sistema semellante ao solo. Isto último engade peso á nave e o risco de que as partículas floten, dous aspectos que a fan desvantaxosa. O Advanced Plant Habitat (APH) instalado na ISS xa cultivou unha variedade de trigo anano mediante un sistema hidropónico cun sistema de rego de tubos porosos incorporado nun módulo de raíz que contén arcilita e un fertilizante de liberación lenta.
Para facilitar as actividades hortícolas da tripulación e garantir que as plantas medran nun ambiente óptimo, o ciclo cultural dos cultivos debe estar totalmente supervisado por un ordenador. Este sistema de vixilancia foi probado en 2018 na Antártida. Usar un sistema parcialmente automatizado para o cultivo de cultivos asegurará que a tripulación se beneficie da presenza de plantas na nave espacial (manipulándoas) e evitará que o problema da agricultura se faga demasiado lento. De feito, o cuarto necesario para cultivar plantas aínda non está definido con precisión e varios experimentos en ambientes espaciais (como o HI-SEAS) demostraron que esta actividade pode chegar a ser longa.
Probouse que o cultivo de plantas ten efectos tremendamente beneficiosos, xa que pode dar aos astronautas a sensación de viaxar cun anaco de Terra.
Finalmente, o Vegetable Production System da NASA, ou Veggie, (lanzado en 2014), que proporciona unha superficie de cultivo de 0.11 m², é un gran exemplo de unidade de crecemento vexetal que podería usarse a bordo dunha nave espacial, xa que xa foi probado na nave espacial. ISS. En canto aos requisitos de luz, os LED utilízanse con dúas lonxitudes de onda diferentes: vermello (630 nm) e azul (455 nm) xa que as plantas crecen de forma máis eficiente baixo estas lonxitudes de onda. Tamén pode ser necesario un LED verde para darlle á planta a súa cor natural, facilitando así a identificación de enfermidades e recordando á tripulación a Terra.
Mizuna (repolo xaponés), leituga romana vermella e bekana de Tokio (repolo chinés) cultivadas na unidade Veggie na ISS.
As condicións espaciais crean estrés tanto para os humanos como para as plantas, polo que se está a estudar o deseño de plantas capaces de crecer en naves espaciais e axudar a aliviar algúns dos estrés que experimentan os astronautas.
Identificáronse xenes implicados nas respostas ao estrés das plantas, pero para reducir ou mitigar eses efectos, os científicos precisan modificar a expresión dos xenes existentes ou engadir xenes de adaptación espacial aos xenomas. Isto pódese conseguir mediante a edición de xenes e algúns xenes candidatos xa foron identificados e estudados especificamente. Por exemplo, ARG1 (Altered Response to Gravity 1), un xene coñecido por afectar as respostas da gravidade nas plantas da Terra, está implicado na expresión de 127 xenes relacionados coa adaptación dos voos espaciais. Descubriuse que a maioría dos xenes alterados na expresión nos voos espaciais eran dependentes de Arg1, o que suxire un papel importante para ese xene na adaptación fisiolóxica de células indiferenciadas ao voo espacial. HsfA2 (Heat Shock Factor A2) ten un efecto significativo na adaptación dos voos espaciais, por exemplo a través da biosíntese de amidón. O obxectivo é prexudicar os xenes inductores de estrés e promover outros beneficiosos.
Outros xenes, chamados xenes de adaptación ao espazo, como os xenes relacionados coa radiación, o perclorato, o enanismo e a temperatura fría, poden ser estudados, xa que axudarían ás plantas a resistir as duras condicións do espazo. Por exemplo, os microorganismos adaptados a ambientes hipersalinos posúen xenes para a resistencia UV e resistencia ao perclorato. Moitas variedades ananas (por exemplo, de trigo) xa se cultivaron na ISS e o tomate cherry anano 'Red Robin' podería cultivarse na ISS como parte do experimento Veg-05 da NASA.
Tamén podemos deseñar plantas para a saúde dos astronautas. Promover a acumulación de compostos beneficiosos, facer plantas comestibles de todo o corpo para reducir os residuos ou deseñar plantas para producir medicamentos contra os efectos secundarios do espazo sobre os astronautas son posibles formas de facer plantas útiles para a tripulación.
Utilizouse unha estratexia de plantas de élite e comestibles de corpo enteiro (WBEEP) nas plantas de pataca, facendo comestibles os talos e follas da pataca eliminando a solanina deles. Para inhibir a súa produción, os xenes que o producen son silenciados ou mutados mediante a edición de xenes. Crear esta pataca WBEEP ten vantaxes xa que é unha planta de fácil cultivo que é unha boa fonte de enerxía e demostrou que é capaz de crecer en condicións difíciles como o espazo. As plantas tamén foron fortificadas para satisfacer plenamente as necesidades de nutrientes do corpo humano.
A radiación afecta negativamente ao crecemento das plantas e aumenta os riscos de mutacións xenéticas, polo que protexer as plantas da radiación debería ser unha prioridade
Un dos principais problemas para a saúde dos astronautas na microgravidade é a perda de densidade ósea. Os nosos ósos están constantemente equilibrados entre o crecemento e a reabsorción, o que permite que os ósos respondan ás lesións ou aos cambios no exercicio. Pasar tempo en microgravedade perturba este equilibrio, inclinando os ósos cara á reabsorción, polo que os astronautas perden masa ósea. Isto pódese tratar cun fármaco chamado hormona paratiroidea ou PTH, pero require inxeccións regulares e ten unha vida útil moi curta, o que é problemático para longos voos espaciais. Polo tanto, deseñouse unha leituga transxénica que produce PTH.
Deseñar plantas capaces de crecer no espazo e ser útiles para os astronautas aínda está na súa fase inicial de investigación. Non obstante, as súas perspectivas son moi prometedoras e están a ser estudadas por todas as principais axencias espaciais. Construír unha cámara de crecemento vexetal no ambiente pouco acolledor do espazo aínda require traballo. Un dos retos será engadir a parte biorexenerativa do BLSS ao LSS xa existente. Outro reto é a necesidade dunha mellor elección de cultivos a bordo para soportar as condicións de espazo e ofrecer rendementos significativos. Pero grazas á difusión do coñecemento no cultivo de plantas, a edición xenética dos cultivos escollidos permitirá adaptalos aínda máis ás condicións do espazo e adaptarse ás necesidades nutricionais e de saúde dunha tripulación.
Unha fonte: https://room.eu.com