U lanciamentu di a missione Artemis 1 di a NASA à a Luna in nuvembre hà marcatu un altru passu in u viaghju chì un ghjornu porta à l'omu chì visitanu u nostru vicinu planetariu più vicinu, Mars. Una missione umana eventualmente seguitarà à i tacchi di parechje navi spaziali robotiche, a più recente di quale era l'atterrissimu di u rover Perseverance nantu à u pianeta rossu in ferraghju 2021. Per viaghji umani in Marte, ci sò parechje prublemi tecnologichi da risolve, chjave trà essendu a prutezzione di a radiazione solare è a salute di l'equipaggiu, cumpresu cumu megliu furnisce l'alimentu nutritivu. L'enfasi è a sfida per parechji esperti chì studianu l'ultime hè cumu per evità e carenze latenti causate da u cunsumu constantu di l'alimentu liofilatu. A dispunibilità di l'alimentariu frescu serà ovviamente un vantaghju maiò di salute è psicologicu, è per questu serà necessariu di cultivà è di cugliera di e piante in strada. In questu articulu, l'autori rivisenu i dati attuali è a ricerca in quantu à a nutrizione, i benefici medichi è psicologichi, è i metudi pussibuli di cultivà i culturi in u spaziu prufondu.
Sicondu a NASA, cinque periculi maiò appariscenu durante i voli spaziali longu: radiazione spaziale, isolamentu è confinamentu, distanza da a Terra, gravità bassa, è l'ambiente ostili è chjusu di una nave spaziale. I pianti viventi è l'alimentu appena cultivatu puderanu ghjucà un rolu maiò à sustene trè di questi: nutrimentu, bisogni medichi è psicologia di l'equipaggiu.
Nutrition
L'equilibriu nutrizionale di l'alimentariu furnitu per e missioni spaziali deve esse adattatu perfettamente per un equipaggiu per sustene un longu viaghju in bona salute.
L'equilibriu nutrizionale di l'alimentariu furnitu per e missioni spaziali deve esse perfettamente adattatu per un equipaggiu per sustene un longu viaghju in bona salute. Siccomu i rifornimenti da a Terra saranu difficili, determinà esattamente a dieta ghjusta è a so forma precisa hè un scopu criticu.
Evitari ogni carenza di nutrienti essenziali hè a sfida più ovvia, è i bisogni nutrizionali detallati sò stati studiati da a NASA. Gran parte di l'attuale "sistema" di l'alimentariu spaziale, però, hè statu dimustratu per esse carenza. In particulare, a longa conservazione ambientale di l'alimentariu induce a degradazione di e vitamini A, B1, B6 è C.
A perdita di pisu cumulativa per l'astronauti hè di 2.4 per centu per 100 ghjorni in microgravità, ancu cù strette contramisuri di eserciziu resistenti. L'astronauti sò ancu dimustrati chì soffrenu di carenze nutrizionali in potasio, calciu, vitamina D è vitamina K perchè l'alimentu furnitu ùn li permette micca di risponde à i bisogni di l'ingesta di ogni ghjornu.
I vegetali cuntenenu naturalmente vitamini è minerali, è u cunsumu immediata di l'alimentariu frescu evitari u prublema di almacenamiento. Cunsumà elli saria dunque un grande supplementu à l'alimenti liofilizzati.
L'astronauta Scott Kelly hà curatu i zinnias di u spaziu morente à a salute nantu à l'ISS. Hà fotografiatu un bouquet di fiori in a Cupola in u sfondate di a Terra è hà sparte a foto à u so Instagram per u Valentine's Day in 2016.
Medicina
In più di vitamini è minerali, i pianti sintetizzanu parechji metaboliti secundarii diffirenti. Questi composti puderanu esse di grande aiutu in a prevenzione di prublemi di salute. Per esempiu, u folate hè implicatu in a riparazione di l'ADN, ma i so bisogni sò cumpresi solu in u 64 per centu di i ghjorni di volu. Siccomu i telomeri, a fine di i cromusomi, sò stati dimustrati per esse alterati significativamente durante i voli longu, a supplementazione in folate via e piante fresche puderia aiutà à riduce l'anzianu geneticu è l'occurrenze di cancru.
Frà altri esempi, i vegetali ricchi di carotenoidi puderanu prevene a distorsione di l'ochju causata da a microgravità, mentre chì una dieta di prugna secca pò aiutà à prevene a perdita di l'osse indutta da a radiazione. Parechje piante cuntenenu antioxidanti chì ponu esse di grande aiutu in a prutezzione di l'ADN umanu da e mutazioni indotte da a radiazione. In ogni casu, una dieta basata in a pianta ùn hè micca abbastanza è altre suluzioni deve esse sviluppate per prutege l'astronauti da a radiazione.
Psychology
In più di vitamini è minerali, i pianti sintetizzanu parechji metaboliti secundarii diffirenti
Siccomu l'isolamentu è a distanza metteranu una tensione significativa à a salute mentale di l'astronauti, u pastu hè unu di i tempi più impurtanti per alleggerà l'umore. Manghjendu alimenti liofilizzati à ogni pastu crea fatigue di menu è l'astronauti tendenu à manghjà menu cù u tempu. Manghjendu l'alimentu frescu pò riduce sta fatigue, micca menu in furnisce varietà in forma è texture.
Un'altra attività benefica per a salute mentale di l'equipaggiu hè l'orticultura. U crescente di e piante hè statu dimustratu per avè effetti tremendamente benèfichi, perchè pò dà à l'astronauti un sensu di viaghjà cù un pezzu di a Terra. Certi studii anu pruvatu à truvà e piante cù l'effetti psicologichi più benefizii, perchè puderanu esse un fattore assai impurtante per a salute mentale di l'equipaggiu. Per esempiu, e fragole ponu migliurà e risposti psicologichi pusitivi, cum'è u vigore è l'autoestima, riduce a depressione è u stress, mentre chì u coriandro puderia migliurà a qualità di u sonnu.
Cusì, l'agricultura spaziale basata in a pianta hè interessante à u livellu nutrizionale, psicologicu è medico. In ogni casu, a mancanza di stanza è e cundizioni di crescita particulare limitanu u numeru è l'scelta di culturi.
A scelta vera di i culturi utilizati varierà, secondu i criteri esaminati è u campu (nutrizione, psiculugia è medicina) favuritu. Certi pianti cù una longa conservazione pò esse cunvene, cum'è u granu o a patata, ma anu u svantaghju di avè bisognu à esse cottu prima di cunsumu. Un altru fattore à cunsiderà hè u sistema riproduttivu è u modu di polinizazione di e piante, perchè l'animali (cum'è insetti) ùn sò micca permessi à bordu.
Hè stata stabilita una lista di culturi potenziali per cultivà in u spaziu, alcune di e quali eranu digià cultivate à bordu. L'autori anu sceltu criteri nutrizionale è agronomichi cum'è strumenti per sceglie. Cusì, per l'effetti psicologichi, un valore da unu (min) à quattru (max) hè stata attribuita à u gustu è l'apparenza di a cultura o parte di a pianta comestible.
Tavola di diverse culturi cù e so caratteristiche nutrizionale, mediche, agronomiche è psicologiche adattate per longu missioni in u spaziu.
Cultivazione di e piante in una nave spaziale
U spaziu presenta duie fonti maiò di stress per e piante: a radiazione còsmica è a microgravità.
A radiazione afecta negativamente a crescita di e piante è aumenta i risichi di mutazioni genetiche, cusì a prutezzione di e piante da a radiazione deve esse una priorità. Mentre a radiazione pò esse cuntenuta usendu scudi di piombo è / o d'acqua, questu rapprisenta una massa addiziale per mette in orbita. Una bona suluzione, chì hè urigginata da Lockheed Martin's Mars Base Camp (2018), hè di utilizà l'almacenamiento di carburante cum'è un scudo di radiazione.
A microgravità, invece, ùn impedisce micca a crescita di a pianta significativamente, ancu s'ellu puderia rallentà. In ogni casu, a risposta di a pianta varieghja secondu a spezia, cum'è a microgravità afecta l'espressione di u genoma di a pianta. Hè statu scupertu chì, in a microgravità, i pianti sprimeranu più geni ligati à u stress, cum'è i geni di scossa di calore, è aumentanu a so pruduzzione di proteini ligati à u stress. Inoltre, i sementi sò stati truvati per avè diverse concentrazioni di metaboliti è a germinazione ritardata.
A microgravità affetta ancu u microambientu di a pianta, cum'è a mancanza di muvimentu di l'atmosfera, creendu una cumpusizioni atmosferica inusual è difficultà à rega (cù o senza supportu). Ùn ci hè micca cunvezione di l'aire in u spaziu esterno, perchè se a stazione di crescita ùn hè micca abbastanza ventilata, ogni gasu emessu da a pianta ferma nantu à a so superficia. Hè statu dimustratu chì l'accumulazione di l'etilene gasuosa intornu à e foglie di e piante si traduce in un sviluppu anormale di foglie. L'altri gasi, cum'è l'anidride carbonica, prisenti in alta concentrazione in una nave spaziale, ponu esse letali per certi pianti. U stessu prublema si sviluppa per l'acqua di a pianta, cusì serà necessariu di sviluppà un metudu chì ùn affucà micca e radiche.
A risposta di a pianta à l'ambienti spaziali hè più difficiuli di evaluà. Certi aspetti di quellu ambiente, cum'è u spaziu ristrettu, ponu dirige a nostra scelta versu variità nanu. In ogni casu, alcuni altri aspetti cum'è a risposta di a pianta à a microgravità varienu sicondu l'spezie è variità. Ancu s'ellu ci vole à cuntinuà l'esperimenti, un certu nùmeru di pianti sò digià stati pruvati è discrittu cum'è capaci di cultivà in u spaziu è pudemu usà cum'è una basa.
U sviluppu di una camera di pianta autosostenente chì copre tutti i bisogni nutritivi di l'astronauti puderia piglià decennii, ma l'usu di camere chjuche cum'è misure cumplementarii puderia aiutà l'equipaggiu cù carenze in vitamini è nutrienti (chì sò alterati in l'alimentu imballatu) è riduce a fatigue di a dieta.
Mark Vande Hei, Shane Kimbrough, Thomas Pesquet, Akihiko Hoshide è Megan McArthur di u Space X Crew-02 posanu cù a so racolta di peperoncini rossi è verdi in l'ISS in 2021 per l'investigazione Plant-Habitat 04.
Sistema di sustegnu di vita bioregenerative
Manghjendu alimenti liofilizzati à ogni pastu crea fatigue di menu è l'astronauti tendenu à manghjà menu cù u tempu.
In una nave spaziale, a stanza hè limitata. Dunque, u successu di a missione dipende da i sistemi rigenerativi integrati in i Sistemi di Supportu di Vita (LSS) chì ponu riciclà a materia usata in materia utilizable. U Sistema di Controlu Ambientale è Supportu di Vita (ECLSS) installatu in a Stazione Spaziale Internaziunale (ISS) pruduce l'ossigenu è l'acqua riciclendu diossidu di carbonu è urina; un sistema simile serà necessariu per i voli spaziali longu.
L'idea di una LSS bioregenerativa (BLSS) hè nata in l'anni 1960 per include a produzzione alimentaria è u riciclamentu di i rifiuti (per esempiu, a materia fecale) à l'ECLSS. Un BLSS cù battìri è alghe puderia esse usatu per riciclà u nitrogenu in i rifiuti solidi in una forma utilizable di nitrogenu organicu chì e piante puderanu assorbe. Dapoi l'anni 1990, l'Agenzia Spaziale Europea hà sviluppatu è realizatu un esperimentu in seguitu à quellu principiu - l'Alternativa di u Sistema di Supportu Micro Ecologicu (MELiSSA).
In ogni casu, cum'è includemu e piante più altu in u BLSS, avemu bisognu di studià a so integrazione cù l'altri tecnulugii di cuntrollu ambientale esistenti, chì rapprisentanu una nova sfida. A determinazione di u costu è a sustenibilità di questi sistemi di produzzione di culturi alimentari più chjuchi furnisce infurmazioni critichi per l'evoluzione versu un BLSS più grande.
Schema schematicu di u sicondu disignu di l'unità di crescita di a pianta di tubu poroso.
Sviluppà una camera di crescita di a pianta
Utilizà un sistema idroponicu per cultivà i culturi hè una pussibilità attrattiva, postu chì cresce e piante in acqua invece di cunfidendu in un sistema di terra. L'ultime aghjusta u pesu à a nave spaziale è u risicu di particelle chì fluttuanu, dui aspetti chì a facenu svantaghju. L'Advanced Plant Habitat (APH) installatu in l'ISS hà digià cultivatu una varietà di granu nanu utilizendu un sistema idroponicu cù un sistema d'irrigazione di tubu poroso incrustatu in un modulu radicali chì cuntene arcillite è un fertilizante à liberazione lenta.
Per facilità l'attività orticultura di l'equipaggiu è per assicurà chì e piante crescenu in un ambiente ottimali, u ciculu culturale di i culturi deve esse monitoratu cumplettamente da un computer. Un tali sistema di surviglianza hè statu pruvatu in 2018 in l'Antartida. Utilizà un sistema parzialmente automatizatu per a crescita di i culturi hà da assicurà chì l'equipaggiu prufittà da a prisenza di e piante in a nave spaziale (manipulendu elli) è evite chì u prublema di l'agricultura diventa troppu tempu. Infatti, a stanza necessaria per cultivà e piante ùn hè ancu definita precisamente è parechji esperimenti in ambienti spaziali (cum'è HI-SEAS) anu dimustratu chì sta attività pò esse longa.
U crescente di e piante hè statu dimustratu per avè effetti tremendamente benèfichi, postu chì ponu dà à l'astronauti un sensu di viaghjà cù un pezzu di Terra.
Infine, u Sistema di Produzzione di Verdura di a NASA, o Veggie, (lanciatu in u 2014), chì furnisce una zona di crescita di 0.11 m², hè un grande esempiu di unità di crescita di e piante chì puderia esse aduprata à bordu di una nave spaziale, cum'è hè digià stata pruvata nantu à a nave. ISS. In termini di esigenze di luce, i LED sò usati cù duie lunghezze d'onda diverse: rossu (630 nm) è blu (455 nm) cum'è e piante crescenu in modu più efficau sottu à queste lunghezze d'onda. Un LED verde puderia ancu esse necessariu per dà à a pianta u so culore naturali, facilitendu cusì l'identificazione di e malatie è ricurdendu l'equipaggiu di a Terra.
Mizuna (col giapponese), lettuce romaine rossa è bekana di Tokyo (col cinese) cultivate in unità Veggie in l'ISS.
E cundizioni spaziali creanu stress per l'omu è per e piante, cusì u disignu di e piante capaci di cultivà in navi spaziali è aiutanu à alleviare alcune di e tensioni chì l'astronauti sperimentanu hè attualmente studiatu.
I geni implicati in e risposte di stress di e piante sò stati identificati, ma per riduce o mitigà quelli effetti, i scientisti anu bisognu di mudificà l'espressione di i geni esistenti o aghjunghje geni di adattazione spaziale in i genomi. Questu pò esse ottenutu cù l'editazione di geni è certi geni candidati sò digià stati specificamente identificati è studiati. Per esempiu, ARG1 (Altered Response to Gravity 1), un genu cunnisciutu per affettà e risposti di gravità in e piante nantu à a Terra, hè implicatu in l'espressione di 127 geni ligati à l'adattazione di u volu spaziale. A maiò parte di i geni alterati in l'espressione in u volu spaziale sò stati trovati per esse Arg1-dipendente, chì suggerenu un rolu maiò per quellu genu in l'adattazione fisiologica di e cellule indifferenziate à u volu spaziale. HsfA2 (Heat Shock Factor A2) hà un effettu significativu nantu à l'adattazione di u volu spaziale, per esempiu per via di a biosintesi di amido. L'ughjettu hè di sminuì i geni chì induiscenu u stress è prumove i beneficii.
L'altri geni, chjamati geni di adattazione spaziale, cum'è i geni ligati à a radiazione, u perchlorate, u nanu è a temperatura di u friddu, valenu a pena di studià cumu aiutanu e piante à resistere à e dure cundizioni di u spaziu. Per esempiu, i microorganismi adattati à l'ambienti hypersaline pussede genes per a resistenza UV è a resistenza perchlorate. Parechje varietà nana (per esempiu di granu) sò digià cultivate nantu à l'ISS è u pumadoru ciliegia nanu "Red Robin" puderia esse cultivatu in l'ISS cum'è parte di l'esperimentu Veg-05 di a NASA.
Pudemu ancu disignà e piante per a salute di l'astronauti. A prumuzione di l'accumulazione di cumposti benifichi, fà e piante comestibili in tuttu u corpu per riduce i rifiuti, o cuncependu e piante per pruduce droghe contr'à l'effetti secundari di u spaziu nantu à l'astronauti sò modi pussibuli per fà e piante utili per l'equipaggiu.
Una strategia di Pianta Comestibile è Elite (WBEEP) hè stata aduprata nantu à e piante di patata, facendu i steli di patata è e foglie comestibili sguassendu a solanina da elli. Per inibisce a so pruduzzione, sia i geni chì a producenu sò silenziati o mutati da l'editazione di geni. A creazione di sta patata WBEEP hà vantaghji chì hè una pianta facilmente cultivata chì hè una bona fonti d'energia è hà dimustratu capace di cultivà in cundizioni difficili cum'è u spaziu. I pianti sò ancu furtificati per risponde à i bisogni di nutrienti di u corpu umanu.
A radiazione afecta negativamente a crescita di e piante è aumenta i risichi di mutazioni genetiche, cusì a prutezzione di e piante da a radiazione deve esse una priorità.
Unu di i prublemi principali per a salute di l'astronauti in a microgravità hè a perdita di densità ossea. I nostri ossi sò constantemente equilibrati trà a crescita è a risorzione, chì permettenu l'osse per risponde à a ferita o cambiamenti in l'esercitu. Passà u tempu in a microgravità disturba stu equilibriu, inclina l'osse versu a risorzione, cusì l'astronauti perde a massa ossea. Questu pò esse trattatu cù una droga chjamata hormona paratiroidea, o PTH, ma hè bisognu di injections regularmente è hà una vita di conservazione assai corta, chì hè problematica per i voli spaziali longu. Dunque, una lattuga transgénica chì produce PTH hè stata ingegneria.
U disignu di e piante capaci di cultivà in u spaziu è esse d'utilizazione per l'astronauti hè sempre in a so prima fase di ricerca. In ogni casu, i so perspettivi sò assai promettenti è sò studiati da tutti l'agenzii spaziali maiò. A custruzzione di una camera di crescita di a pianta in l'ambienti unwelcoming di u spaziu hè sempre bisognu di travagliu. Una di e sfide serà di aghjunghje a parte bioregenerativa di u BLSS à u LSS digià esistente. Un'altra sfida hè a necessità di una scelta megliu di i culturi per esse cultivati à bordu per resiste à e cundizioni spaziali è offre un rendimentu significativu. Ma grazia à a diffusione di a cunniscenza in a ripruduzzione di e piante, l'editazione di geni in i culturi scelti li permetterà di esse più adattati à e cundizioni spaziali è currisponde à i bisogni nutrizionale è di salute di un equipaggiu.
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