El llançament de la missió Artemis 1 de la NASA a la Lluna al novembre va marcar un pas més en el viatge que algun dia portarà als humans a visitar el nostre veí planetari més proper, Mart. Una missió humana acabarà després de múltiples naus robòtiques, la més recent de les quals va ser l'aterratge del rover Perseverance al planeta vermell el febrer de 2021. Per als viatges humans a Mart hi ha molts problemes tecnològics per resoldre, clau entre són la protecció de la radiació solar i la salut de la tripulació, inclosa la millor manera de proporcionar aliments nutritius. El focus i el repte de molts experts que estudien aquest últim és com evitar les deficiències latents provocades pel consum constant d'aliments liofilitzats. La disponibilitat d'aliments frescos, òbviament, suposarà un gran avantatge per a la salut i psicològic, i per això caldrà cultivar i collir plantes en ruta. En aquest article, els autors revisen dades i investigacions actuals sobre nutrició, beneficis mèdics i psicològics i possibles mètodes de cultiu a l'espai profund.
Segons la NASA, durant els llargs vols espacials apareixen cinc perills importants: radiació espacial, aïllament i confinament, distància de la Terra, baixa gravetat i l'entorn hostil i tancat d'una nau espacial. Les plantes vives i els aliments acabats de cultivar podrien tenir un paper important en el suport de tres d'aquests: nutrició, necessitats mèdiques i psicologia de la tripulació.
Nutrició
L'equilibri nutricional dels aliments subministrats per a les missions espacials ha d'estar perfectament adaptat perquè una tripulació pugui mantenir un llarg viatge amb bona salut.
L'equilibri nutricional dels aliments subministrats per a les missions espacials ha d'estar perfectament adaptat perquè una tripulació pugui mantenir un llarg viatge amb bona salut. Com que els subministraments des de la Terra seran difícils, determinar exactament la dieta adequada i la seva forma precisa és un objectiu crític.
Evitar qualsevol deficiència de nutrients essencials és el repte més evident, i les necessitats nutricionals detallades han estat estudiades per la NASA. Tanmateix, s'ha demostrat que gran part del "sistema" alimentari espacial actual és deficient. Concretament, el llarg emmagatzematge ambiental dels aliments indueix la degradació de les vitamines A, B1, B6 i C.
La pèrdua de pes mitjana acumulada per als astronautes és del 2.4 per cent per 100 dies en microgravetat, fins i tot amb contramesures d'exercici resistents estrictes. També s'ha demostrat que els astronautes pateixen deficiències nutricionals en potassi, calci, vitamina D i vitamina K perquè els aliments subministrats no els permeten satisfer les necessitats d'ingesta diària.
Les plantes contenen de manera natural vitamines i minerals, i el consum immediat d'aliments frescos evitaria el problema de l'emmagatzematge. Per tant, consumir-los seria un gran complement als aliments liofilitzats.
L'astronauta Scott Kelly va cuidar els zinnies espacials moribunds per recuperar la salut a l'ISS. Va fotografiar un ram de flors a la cúpula amb el teló de fons de la Terra i va compartir la foto al seu Instagram per al Dia de Sant Valentí el 2016.
Medicina
A més de vitamines i minerals, les plantes sintetitzen molts metabòlits secundaris diferents. Aquests compostos poden ser de gran ajuda per prevenir problemes de salut. Per exemple, el folat està implicat en la reparació de l'ADN, però els seus requisits es compleixen només el 64 per cent dels dies de vol. Com que s'ha demostrat que els telòmers, l'extrem dels cromosomes, s'han alterat significativament durant els vols llargs, la suplementació en folat mitjançant plantes fresques podria ajudar a reduir l'envelliment genètic i l'aparició de càncer.
Entre altres exemples, les verdures riques en carotenoides podrien prevenir la distorsió ocular causada per la microgravetat, mentre que una dieta de prunes seques pot ajudar a prevenir la pèrdua òssia induïda per la radiació. Moltes plantes contenen antioxidants que poden ser de gran ajuda per protegir l'ADN humà de les mutacions induïdes per la radiació. Tanmateix, una dieta basada en plantes no és suficient i cal desenvolupar altres solucions per protegir els astronautes de la radiació.
Psicologia
A més de vitamines i minerals, les plantes sintetitzen molts metabòlits secundaris diferents
Com que l'aïllament i la distància suposaran una pressió important per a la salut mental dels astronautes, l'àpat és un dels moments més importants per alleugerir l'estat d'ànim. Menjar aliments liofilitzats a cada àpat crea fatiga del menú i els astronautes tendeixen a menjar menys amb el pas del temps. Menjar aliments frescos pot reduir aquest cansament, sobretot en proporcionar varietat de forma i textura.
Una altra activitat beneficiosa per a la salut mental de la tripulació és l'horticultura. S'ha demostrat que el cultiu de plantes té efectes tremendament beneficiosos, ja que pot donar als astronautes la sensació de viatjar amb un tros de Terra. Alguns estudis han intentat trobar les plantes amb els efectes psicològics més beneficiosos, ja que podrien ser un factor molt important per a la salut mental de la tripulació. Per exemple, les maduixes poden millorar les respostes psicològiques positives, com el vigor i l'autoestima, reduir la depressió i l'estrès, mentre que el coriandre podria millorar la qualitat del son.
Així, l'agricultura espacial basada en plantes és interessant a nivell nutricional, psicològic i mèdic. No obstant això, la manca d'espai i les condicions particulars de creixement limiten el nombre i l'elecció dels cultius.
L'elecció real dels cultius utilitzats variarà en funció dels criteris examinats i de l'àmbit (nutrició, psicologia i medicina) afavorit. Algunes plantes amb una llarga vida útil poden ser convenients, com el blat o la patata, però tenen l'inconvenient d'haver de ser cuinades abans de consumir-les. Un altre factor a tenir en compte és el sistema reproductor i el mode de pol·linització de les plantes, perquè no es permet l'accés d'animals (com els insectes).
Es va establir una llista de cultius potencials per créixer a l'espai, alguns dels quals ja havien estat conreats a bord. Els autors van seleccionar criteris nutricionals i agronòmics com a eines per triar-los. Així, per als efectes psicològics, es va atribuir un valor d'un (min) a quatre (màxim) al gust i l'aspecte del cultiu o part de la planta comestible.
Taula de diferents cultius amb les seves característiques nutricionals, mèdiques, agronòmiques i psicològiques aptes per a llargues missions a l'espai.
Cultiu de plantes en una nau espacial
L'espai presenta dues principals fonts d'estrès per a les plantes: la radiació còsmica i la microgravetat.
La radiació afecta negativament el creixement de les plantes i augmenta els riscos de mutacions genètiques, per la qual cosa la protecció de les plantes de la radiació hauria de ser una prioritat. Tot i que la radiació es pot contenir amb plom i/o escuts d'aigua, això representa una massa addicional per col·locar en òrbita. Una bona solució, que es va originar a partir del camp base de Mart de Lockheed Martin (2018), és utilitzar l'emmagatzematge de combustible com a escut de radiació.
La microgravetat, en canvi, no perjudica significativament el creixement de les plantes, tot i que podria frenar-lo. Tanmateix, la resposta de la planta difereix segons l'espècie, ja que la microgravetat afecta l'expressió del genoma de la planta. S'ha descobert que, en microgravetat, les plantes expressaran més gens relacionats amb l'estrès, com els gens de xoc tèrmic, i augmentaran la seva producció de proteïnes relacionades amb l'estrès. A més, s'ha trobat que les llavors tenen diferents concentracions de metabòlits i retarden la germinació.
La microgravetat també afecta el microambient de la planta, com ara la manca de moviment de l'atmosfera, creant una composició atmosfèrica inusual i dificultat per regar (amb o sense suport). No hi ha convecció d'aire a l'espai exterior, de manera que si l'estació de cultiu no està prou ventilada, qualsevol gas emès per la planta romandrà al voltant de la seva superfície. S'ha demostrat que l'acumulació d'etilè gasós al voltant de les fulles de les plantes provoca un desenvolupament anormal de les fulles. Altres gasos, com el diòxid de carboni, presents en altes concentracions en una nau espacial, poden ser letals per a algunes plantes. El mateix problema sorgeix per al reg de les plantes, de manera que caldrà desenvolupar un mètode que no ofegui les arrels.
La resposta de la planta a l'entorn espacial és més difícil d'avaluar. Alguns aspectes d'aquest entorn, com ara l'espai restringit, poden dirigir la nostra elecció cap a varietats nanes. Tanmateix, alguns altres aspectes com la resposta de la planta a la microgravetat varien segons les espècies i varietats. Tot i que els experiments han de continuar, ja s'han provat un cert nombre de plantes i s'han descrit que poden créixer a l'espai i les podem utilitzar com a base.
El desenvolupament d'una cambra vegetal autosostenible que cobreixi totes les necessitats nutritives dels astronautes podria trigar dècades, però l'ús de cambres petites com a mesures complementàries podria ajudar a la tripulació amb deficiències de vitamines i nutrients (que es veuen alterats en els aliments envasats) i reduir la fatiga de la dieta.
Mark Vande Hei, Shane Kimbrough, Thomas Pesquet, Akihiko Hoshide i Megan McArthur de l'Space X Crew-02 posant amb la seva collita de pebrots vermells i verds a l'ISS el 2021 per a la investigació Plant-Habitat 04.
Sistema de suport vital bioregeneratiu
Menjar aliments liofilitzats a cada àpat crea fatiga del menú i els astronautes tendeixen a menjar menys amb el pas del temps
En una nau espacial, l'habitació és limitada. Per tant, l'èxit de la missió depèn dels sistemes regeneratius integrats als sistemes de suport vital (LSS) que poden reciclar la matèria usada en matèria utilitzable. El Sistema de Control Ambiental i Suport Vital (ECLSS) instal·lat a l'Estació Espacial Internacional (ISS) produeix oxigen i aigua mitjançant el reciclatge de diòxid de carboni i orina; es necessitarà un sistema similar per als llargs vols espacials.
La idea d'una LSS bioregenerativa (BLSS) va néixer als anys 1960 per incloure la producció d'aliments i el reciclatge de materials de rebuig (per exemple, matèria fecal) a l'ECLSS. Es podria utilitzar un BLSS amb bacteris i algues per reciclar el nitrogen dels residus sòlids en una forma utilitzable de nitrogen orgànic que les plantes podrien absorbir. Des dels anys noranta, l'Agència Espacial Europea ha desenvolupat i dut a terme un experiment seguint aquest principi: l'alternativa del sistema microecològic de suport a la vida (MELiSSA).
Tanmateix, com que incloem plantes superiors al BLSS, caldrà estudiar-ne la integració amb les altres tecnologies de control ambiental existents, la qual cosa representa un nou repte. La determinació del cost i la sostenibilitat d'aquests sistemes de producció de cultius alimentaris més petits proporcionarà informació crítica per evolucionar cap a un BLSS més gran.
Diagrama esquemàtic del segon disseny de la unitat de creixement de plantes de tubs porosos.
Desenvolupament d'una cambra de creixement vegetal
L'ús d'un sistema hidropònic per fer cultius és una possibilitat atractiva, ja que fa créixer plantes a l'aigua en lloc de dependre d'un sistema semblant al sòl. Aquest últim afegeix pes a la nau espacial i el risc que les partícules surin al voltant, dos aspectes que la fan desavantatge. L'hàbitat vegetal avançat (APH) instal·lat a l'ISS ja ha cultivat una varietat de blat nan mitjançant un sistema hidropònic amb un sistema de reg de tub porós incrustat en un mòdul d'arrel que conté arcil·lita i un fertilitzant d'alliberament lent.
Per facilitar les activitats hortícoles de la tripulació i assegurar-se que les plantes creixen en un entorn òptim, el cicle de cultiu ha de ser completament monitoritzat per un ordinador. Aquest sistema de monitorització es va provar el 2018 a l'Antàrtida. L'ús d'un sistema parcialment automatitzat per al cultiu garantirà que la tripulació es beneficiï de la presència de plantes a la nau espacial (manipulant-les) i evitarà que el problema de l'agricultura esdevingui massa temps. De fet, la sala necessària per cultivar plantes encara no està definida amb precisió i diversos experiments en entorns semblants a l'espai (com el HI-SEAS) han demostrat que aquesta activitat pot arribar a ser llarga.
S'ha demostrat que el cultiu de plantes té efectes tremendament beneficiosos, ja que pot donar als astronautes la sensació de viatjar amb un tros de Terra.
Finalment, el Vegetable Production System de la NASA, o Veggie, (llançat el 2014), que proporciona una superfície de creixement de 0.11 m², és un gran exemple d'una unitat de creixement vegetal que es podria utilitzar a bord d'una nau espacial, ja que ja s'ha provat a la ISS. Pel que fa als requisits de llum, els LED s'utilitzen amb dues longituds d'ona diferents: vermell (630 nm) i blau (455 nm) a mesura que les plantes creixen de manera més eficient sota aquestes longituds d'ona. També pot ser necessari un LED verd per donar a la planta el seu color natural, facilitant així la identificació de malalties i recordant a la tripulació la Terra.
Mizuna (col japonesa), enciam romaní vermell i bekana de Tòquio (col xinesa) cultivades a la unitat Veggie de l'ISS.
Les condicions espacials creen estrès tant per als humans com per a les plantes, de manera que s'està estudiant el disseny de plantes capaços de créixer en naus espacials i ajudar a alleujar algunes de les tensions que experimenten els astronautes.
S'han identificat gens implicats en les respostes a l'estrès de les plantes, però per reduir o mitigar aquests efectes, els científics han de modificar l'expressió dels gens existents o afegir gens d'adaptació espacial als genomes. Això es pot aconseguir mitjançant l'edició de gens i alguns gens candidats ja s'han identificat i estudiat específicament. Per exemple, ARG1 (Altered Response to Gravity 1), un gen conegut per afectar les respostes de gravetat a les plantes de la Terra, està implicat en l'expressió de 127 gens relacionats amb l'adaptació dels vols espacials. Es va trobar que la majoria dels gens alterats en l'expressió en els vols espacials depenien d'Arg1, cosa que suggereix un paper important per a aquest gen en l'adaptació fisiològica de cèl·lules indiferenciades al vol espacial. HsfA2 (Heat Shock Factor A2) té un efecte significatiu en l'adaptació dels vols espacials, per exemple mitjançant la biosíntesi de midó. L'objectiu és perjudicar els gens que indueixen l'estrès i promoure'n els beneficiosos.
Altres gens, anomenats gens d'adaptació a l'espai, com els gens relacionats amb la radiació, el perclorat, el nanisme i la temperatura freda, val la pena estudiar-los, ja que ajudarien les plantes a resistir les dures condicions de l'espai. Per exemple, els microorganismes adaptats a entorns hipersalins posseeixen gens per a la resistència als UV i la resistència al perclorat. Moltes varietats nanes (per exemple, de blat) ja s'han conreat a l'ISS i el tomàquet cherry nan 'Red Robin' es podria conrear a l'ISS com a part de l'experiment Veg-05 de la NASA.
També podem dissenyar plantes per a la salut dels astronautes. Promoure l'acumulació de compostos beneficiosos, fer plantes comestibles per a tot el cos per reduir els residus o dissenyar plantes per produir medicaments contra els efectes secundaris de l'espai sobre els astronautes són possibles maneres de fer que les plantes siguin útils per a la tripulació.
Es va utilitzar una estratègia de plantes d'elit i comestibles de cos sencer (WBEEP) a les plantes de patata, fent que les tiges i les fulles de la patata siguin comestibles eliminant-ne la solanina. Per inhibir la seva producció, els gens que la produeixen són silenciats o mutats mitjançant l'edició de gens. La creació d'aquesta patata WBEEP té avantatges ja que és una planta de fàcil conreu que és una bona font d'energia i ha demostrat que pot créixer en condicions difícils com l'espai. Les plantes també es van enfortir per satisfer plenament les necessitats de nutrients del cos humà.
La radiació afecta negativament el creixement de les plantes i augmenta els riscos de mutacions genètiques, per la qual cosa la protecció de les plantes de la radiació hauria de ser una prioritat.
Un dels principals problemes per a la salut dels astronautes en microgravetat és la pèrdua de densitat òssia. Els nostres ossos estan constantment equilibrats entre creixement i reabsorció, permetent que els ossos responguin a lesions o canvis en l'exercici. Passar temps en microgravetat altera aquest equilibri, inclinant els ossos cap a la reabsorció, de manera que els astronautes perden massa òssia. Això es pot tractar amb un fàrmac anomenat hormona paratiroïdal o PTH, però requereix injeccions regulars i té una vida útil molt curta, cosa que és problemàtica per als vols espacials llargs. Per tant, es va dissenyar un enciam transgènic que produeix PTH.
El disseny de plantes que puguin créixer a l'espai i ser útils per als astronautes encara es troba en la seva primera fase d'investigació. No obstant això, les seves perspectives són molt prometedores i estan sent estudiades per totes les grans agències espacials. La construcció d'una cambra de creixement de plantes en l'entorn poc acollidor de l'espai encara requereix feina. Un dels reptes serà afegir la part bioregenerativa del BLSS al LSS ja existent. Un altre repte és la necessitat d'una millor elecció de cultius a conrear a bord per suportar les condicions d'espai i oferir rendiments significatius. Però gràcies a la difusió del coneixement en millora vegetal, l'edició de gens en els cultius escollits permetrà adaptar-los encara més a les condicions espacials i adaptar-se a les necessitats nutricionals i sanitàries d'una tripulació.
Una font: https://room.eu.com