美國國家航空航天局 (NASA) 的阿耳emi彌斯 1 號登月任務於 2021 月啟動,標誌著這一旅程又邁出了一步,有朝一日,人類將造訪離我們最近的行星鄰居火星。 人類任務最終將緊隨多個機器人航天器之後,其中最近一次是 XNUMX 年 XNUMX 月毅力號火星車在紅色星球上的著陸。對於人類前往火星的旅行,有許多技術問題需要解決,其中關鍵它們是保護免受太陽輻射和船員健康,包括如何最好地提供有營養的食物。 很多研究後者的專家關注的焦點和挑戰是如何避免因經常食用凍乾食品而造成的潛在缺陷。 新鮮食物的可用性顯然是一個主要的健康和心理優勢,為此有必要在途中種植和收穫植物。 在這篇文章中,作者回顧了當前關於營養、醫學和心理益處的數據和研究,以及在深空種植農作物的可能方法。
據美國國家航空航天局稱,在長時間的太空飛行中會出現五大危險:太空輻射、隔離和禁閉、與地球的距離、低重力以及航天器惡劣和封閉的環境。 活植物和新鮮種植的食物可以在支持其中三個方面發揮重要作用:營養、醫療需求和船員心理。
營養
為太空任務提供的食物的營養平衡必須完全適合機組人員以保持健康的長途旅行
為太空任務提供的食物的營養平衡必須完全適合機組人員以保持健康的長途旅行。 由於來自地球的補給將很困難,因此確定正確的飲食及其精確形式是一個關鍵目標。
避免任何必需營養素的缺乏是最明顯的挑戰,美國宇航局已經研究了詳細的營養需求。 然而,目前的大部分太空食品“系統”已被證明是有缺陷的。 具體來說,食物的長期環境儲存會導致維生素 A、B1、B6 和 C 的降解。
在微重力環境下,宇航員平均每 2.4 天減重 100%,即使採取嚴格的阻力運動對策也是如此。 宇航員還被證明患有鉀、鈣、維生素 D 和維生素 K 的營養缺乏症,因為供應的食物無法滿足他們的日常攝入需求。
植物天然含有維生素和礦物質,新鮮食物即食即食,避免儲存問題。 因此,食用它們將是凍乾食品的重要補充。
宇航員斯科特·凱利 (Scott Kelly) 在國際空間站上護理垂死的太空百日草使其恢復健康。 2016 年情人節,他在沖天爐中以地球為背景拍攝了一束鮮花,並在他的 Instagram 上分享了這張照片。
藥物
除了維生素和礦物質,植物還合成許多不同的次級代謝產物。 這些化合物可能對預防健康問題有很大幫助。 例如,葉酸參與 DNA 修復,但只有 64% 的飛行日滿足其需求。 由於端粒(染色體的末端)已被證明在長途飛行中會發生顯著變化,因此通過新鮮植物補充葉酸有助於減少基因老化和癌症的發生。
在其他例子中,富含類胡蘿蔔素的蔬菜可以防止微重力引起的眼睛變形,而李子乾飲食可以幫助防止輻射引起的骨質流失。 許多植物含有抗氧化劑,可以極大地幫助保護人類 DNA 免受輻射引起的突變。 然而,植物性飲食是不夠的,必須開發其他解決方案來保護宇航員免受輻射。
心理學
除了維生素和礦物質,植物還合成許多不同的次級代謝產物
由於隔離和距離會給宇航員的心理健康帶來很大壓力,因此用餐是放鬆心情的最重要時刻之一。 每頓飯都吃凍乾食品會導致菜單疲勞,隨著時間的推移,宇航員往往會吃得更少。 吃新鮮的食物可以減輕這種疲勞,尤其是在提供形式和質地的多樣性方面。
另一項有益於船員心理健康的活動是園藝。 種植植物已被證明具有巨大的有益效果,因為它可以讓宇航員有一種帶著地球旅行的感覺。 一些研究試圖找到對心理影響最有益的植物,因為它們可能是船員心理健康的一個非常重要的因素。 例如,草莓可以改善積極的心理反應,例如活力和自尊,減少抑鬱和壓力,而香菜可以改善睡眠質量。
因此,以植物為基礎的太空農場在營養、心理和醫學層面都很有趣。 然而,缺乏空間和特殊的生長條件限制了作物的數量和選擇。
實際使用的作物選擇會有所不同,這取決於所檢查的標準和偏愛的領域(營養、心理學和醫學)。 一些保質期長的植物很方便,例如小麥或馬鈴薯,但缺點是需要在食用前煮熟。 另一個需要考慮的因素是植物的生殖系統和授粉方式,因為動物(如昆蟲)不允許登機。
建立了一份在太空中種植的潛在作物清單,其中一些已經在太空中種植。 作者選擇了營養和農藝標準作為選擇它們的工具。 因此,對於心理影響,從一(最小)到四(最大)的值歸因於作物或可食用植物部分的味道和外觀。
不同作物及其適合長期太空任務的營養、醫學、農藝和心理特徵的表格。
在航天器中種植植物
空間為植物提供了兩個主要的壓力源:宇宙輻射和微重力。
輻射會對植物生長產生負面影響並增加基因突變的風險,因此保護植物免受輻射應該是當務之急。 雖然可以使用鉛和/或水屏蔽層來控制輻射,但這意味著要在軌道上放置額外的質量。 源自洛克希德馬丁公司的火星大本營(2018)的一個很好的解決方案是使用燃料儲存作為輻射屏蔽。
另一方面,微重力不會顯著影響植物生長,儘管它可能會減慢植物的生長速度。 然而,植物的反應因物種而異,因為微重力會影響植物的基因組表達。 研究發現,在微重力條件下,植物會表達更多的應激相關基因,如熱休克基因,並增加應激相關蛋白的產量。 此外,已發現種子具有不同濃度的代謝物和延遲發芽。
微重力也會影響植物的微環境,例如大氣缺乏流動,造成不尋常的大氣成分和澆水困難(有或沒有支持)。 外層空間沒有空氣對流,因此如果種植站通風不充分,植物排放的任何氣體都會殘留在其表面周圍。 已經表明,植物葉片周圍氣態乙烯的積累會導致葉片發育異常。 其他氣體,如二氧化碳,在航天器中以高濃度存在,對某些植物可能是致命的。 植物澆水也會出現同樣的問題,因此需要開發一種不會淹死根部的方法。
植物對空間環境的反應更難評估。 該環境的某些方面,例如受限空間,可以引導我們選擇矮化品種。 然而,植物對微重力的反應等其他一些方面因物種和品種而異。 雖然實驗還需要繼續,但已經有一定數量的植物經過測試並被描述為能夠在太空中生長,我們可以將它們作為基礎。
開發滿足宇航員所有營養需求的自我維持植物室可能需要數十年時間,但使用小型植物室作為補充措施可以幫助宇航員解決維生素和營養素不足(包裝食品中發生變化)的問題,並減少飲食疲勞。
Space X Crew-02 的 Mark Vande Hei、Shane Kimbrough、Thomas Pesquet、Akihiko Hoshide 和 Megan McArthur 於 2021 年在國際空間站與他們收穫的紅辣椒和綠辣椒合影,以進行植物棲息地 04 調查。
生物再生生命支持系統
每頓飯都吃凍乾食品會導致菜單疲勞,隨著時間的推移,宇航員往往會吃得更少
在航天器中,空間是有限的。 因此,任務的成功取決於嵌入到生命支持系統 (LSS) 中的再生系統,該系統可以將用過的物質回收成可用物質。 安裝在國際空間站(ISS)的環境控制和生命支持系統(ECLSS)通過回收二氧化碳和尿液產生氧氣和水; 長途太空飛行也需要類似的系統。
生物再生 LSS (BLSS) 的想法誕生於 1960 年代,包括食品生產和廢物材料(例如,糞便)的回收到 ECLSS。 含有細菌和藻類的 BLSS 可用於將固體廢物中的氮再循環成植物可以吸收的可用形式的有機氮。 自 1990 年代以來,歐洲航天局開發並進行了一項遵循該原則的實驗——微生態生命支持系統替代方案 (MELiSSA)。
然而,由於我們將高等植物納入 BLSS,我們將需要研究它們與其他現有環境控制技術的整合,這是一個新的挑戰。 確定這些較小的糧食作物生產系統的成本和可持續性將為向更大的 BLSS 演進提供關鍵信息。
多孔管植物生長單元第二種設計的示意圖。
開發植物生長室
使用水培系統種植作物是一種很有吸引力的可能性,因為它是在水中種植植物,而不是依賴於類似土壤的系統。 後者增加了航天器的重量和顆粒漂浮的風險,這是使其不利的兩個方面。 安裝在國際空間站的高級植物棲息地 (APH) 已經使用水培系統種植了多種矮小小麥,該水培系統的多孔管澆水系統嵌入根模塊中,根模塊中含有 arcillite 和緩釋肥料。
為了減輕船員的園藝活動並確保植物在最佳環境中生長,作物培養週期需要由計算機進行全面監控。 這種監測系統於 2018 年在南極洲進行了測試。 使用半自動化系統種植農作物將確保宇航員受益於航天器中植物的存在(通過操縱它們)並避免農業變得過於耗時的問題。 事實上,種植植物所需的空間尚未精確定義,並且在類太空環境(如 HI-SEAS)中進行的幾項實驗表明,這項活動可能會變得冗長。
種植植物已被證明具有巨大的有益效果,因為它可以讓宇航員有一種帶著地球旅行的感覺
最後,美國宇航局的蔬菜生產系統,或稱 Veggie,(於 2014 年推出)提供 0.11 平方米的種植面積,是可用於航天器的植物生長單元的一個很好的例子,因為它已經在太空船上進行了測試國際空間站。 就光照要求而言,LED 使用兩種不同的波長:紅色 (630 nm) 和藍色 (455 nm),因為植物在這些波長下生長效率更高。 可能還需要綠色 LED 來賦予植物自然的顏色,從而簡化疾病的識別並提醒地球上的機組人員。
水菜(日本捲心菜)、紅羅馬生菜和東京白菜(大白菜)在國際空間站的素食單元種植。
太空條件會給人類和植物帶來壓力,因此目前正在研究能夠在航天器中生長並有助於減輕宇航員所承受的一些壓力的植物設計。
參與植物應激反應的基因已經確定,但要減少或減輕這些影響,科學家需要修改現有基因的表達或將空間適應基因添加到基因組中。 這可以通過基因編輯來實現,一些候選基因已經被明確識別和研究。 例如,ARG1(Altered Response to Gravity 1)是一種已知會影響地球植物重力反應的基因,它參與了 127 個與航天適應相關的基因的表達。 大多數在太空飛行中表達改變的基因被發現是 Arg1 依賴性的,表明該基因在未分化細胞對太空飛行的生理適應中起著重要作用。 HsfA2(熱休克因子 A2)對航天適應有顯著影響,例如通過澱粉生物合成。 目的是削弱壓力誘導基因並促進有益基因。
其他基因,稱為空間適應基因,例如與輻射、高氯酸鹽、侏儒症和低溫相關的基因,可能值得研究,因為它們可以幫助植物抵禦惡劣的太空條件。 例如,適應高鹽環境的微生物具有抗紫外線和抗高氯酸鹽的基因。 許多矮化品種(例如小麥)已經在國際空間站上種植,矮小櫻桃番茄“紅知更鳥”可能作為美國宇航局 Veg-05 實驗的一部分在國際空間站種植。
我們還可以為宇航員的健康設計植物。 促進有益化合物的積累,製造全身可食用植物以減少浪費,或設計植物來生產藥物以對抗太空對宇航員的副作用,這些都是使植物對宇航員有用的可能方法。
對馬鈴薯植物採用了全身食用和精英植物 (WBEEP) 策略,通過去除馬鈴薯莖和葉中的龍葵鹼,使馬鈴薯莖葉可食用。 為了抑制它的產生,產生它的基因要么被沉默,要么被基因編輯突變。 創造這種 WBEEP 馬鈴薯具有優勢,因為它是一種易於栽培的植物,是一種很好的能量來源,並且已被證明能夠在太空等困難條件下生長。 植物也被強化以充分滿足人體的營養需求。
輻射會對植物生長產生負面影響並增加基因突變的風險,因此保護植物免受輻射應成為重中之重
宇航員在微重力環境下健康的主要問題之一是骨密度損失。 我們的骨骼在生長和吸收之間不斷保持平衡,從而使骨骼能夠對損傷或運動變化做出反應。 在微重力環境中度過的時間會破壞這種平衡,使骨骼傾向於再吸收,因此宇航員會失去骨量。 這可以用一種叫做甲狀旁腺激素或 PTH 的藥物來治療,但它需要定期注射並且保質期很短,這對於長時間的太空飛行來說是個問題。 因此,我們設計了一種產生 PTH 的轉基因生菜。
設計能夠在太空中生長並可供宇航員使用的植物仍處於早期研究階段。 然而,它的前景非常有前途,所有主要的航天機構都在研究它。 在惡劣的太空環境中建造植物生長室仍然需要工作。 挑戰之一是將 BLSS 的生物再生部分添加到現有的 LSS 中。 另一個挑戰是需要更好地選擇船上種植的作物,以承受空間條件並提供顯著的產量。 但由於植物育種知識的傳播,所選作物的基因編輯將使它們能夠進一步適應空間條件,並滿足機組人員的營養和健康需求。