美国国家航空航天局 (NASA) 的阿耳emi弥斯 1 号登月任务于 2021 月启动,标志着这一旅程又迈出了一步,有朝一日,人类将造访离我们最近的行星邻居火星。 人类任务最终将紧随多个机器人航天器之后,其中最近一次是 XNUMX 年 XNUMX 月毅力号火星车在红色星球上的着陆。对于人类前往火星的旅行,有许多技术问题需要解决,其中关键它们是保护免受太阳辐射和船员健康,包括如何最好地提供有营养的食物。 很多研究后者的专家关注的焦点和挑战是如何避免因经常食用冻干食品而造成的潜在缺陷。 新鲜食物的可用性显然是一个主要的健康和心理优势,为此有必要在途中种植和收获植物。 在这篇文章中,作者回顾了当前关于营养、医学和心理益处的数据和研究,以及在深空种植农作物的可能方法。
据美国国家航空航天局称,在长时间的太空飞行中会出现五大危险:太空辐射、隔离和禁闭、与地球的距离、低重力以及航天器恶劣和封闭的环境。 活植物和新鲜种植的食物可以在支持其中三个方面发挥重要作用:营养、医疗需求和船员心理。
营养学
为太空任务提供的食物的营养平衡必须完全适合机组人员以保持健康的长途旅行
为太空任务提供的食物的营养平衡必须完全适合机组人员以保持健康的长途旅行。 由于来自地球的补给将很困难,因此确定正确的饮食及其精确形式是一个关键目标。
避免任何必需营养素的缺乏是最明显的挑战,美国宇航局已经研究了详细的营养需求。 然而,目前的大部分太空食品“系统”已被证明是有缺陷的。 具体来说,食物的长期环境储存会导致维生素 A、B1、B6 和 C 的降解。
在微重力环境下,宇航员平均每 2.4 天减重 100%,即使采取严格的阻力运动对策也是如此。 宇航员还被证明患有钾、钙、维生素 D 和维生素 K 的营养缺乏症,因为供应的食物无法满足他们的日常摄入需求。
植物天然含有维生素和矿物质,新鲜食物即食即食,避免储存问题。 因此,食用它们将是冻干食品的重要补充。
宇航员斯科特·凯利 (Scott Kelly) 在国际空间站上护理垂死的太空百日草使其恢复健康。 2016 年情人节,他在冲天炉中以地球为背景拍摄了一束鲜花,并在他的 Instagram 上分享了这张照片。
药物
除了维生素和矿物质,植物还合成许多不同的次级代谢产物。 这些化合物可能对预防健康问题有很大帮助。 例如,叶酸参与 DNA 修复,但只有 64% 的飞行日满足其需求。 由于端粒(染色体的末端)已被证明在长途飞行中会发生显着变化,因此通过新鲜植物补充叶酸有助于减少基因老化和癌症的发生。
在其他例子中,富含类胡萝卜素的蔬菜可以防止微重力引起的眼睛变形,而李子干饮食可以帮助防止辐射引起的骨质流失。 许多植物含有抗氧化剂,可以极大地帮助保护人类 DNA 免受辐射引起的突变。 然而,植物性饮食是不够的,必须开发其他解决方案来保护宇航员免受辐射。
心理学
除了维生素和矿物质,植物还合成许多不同的次级代谢产物
由于隔离和距离会给宇航员的心理健康带来很大压力,因此用餐是放松心情的最重要时刻之一。 每顿饭都吃冻干食品会导致菜单疲劳,随着时间的推移,宇航员往往会吃得更少。 吃新鲜的食物可以减轻这种疲劳,尤其是在提供形式和质地的多样性方面。
另一项有益于船员心理健康的活动是园艺。 种植植物已被证明具有巨大的有益效果,因为它可以让宇航员有一种带着地球旅行的感觉。 一些研究试图找到对心理影响最有益的植物,因为它们可能是船员心理健康的一个非常重要的因素。 例如,草莓可以改善积极的心理反应,例如活力和自尊,减少抑郁和压力,而香菜可以改善睡眠质量。
因此,以植物为基础的太空农场在营养、心理和医学层面都很有趣。 然而,缺乏空间和特殊的生长条件限制了作物的数量和选择。
实际使用的作物选择会有所不同,这取决于所检查的标准和偏爱的领域(营养、心理学和医学)。 一些保质期长的植物很方便,例如小麦或马铃薯,但缺点是需要在食用前煮熟。 另一个需要考虑的因素是植物的生殖系统和授粉方式,因为动物(如昆虫)不允许登机。
建立了一份在太空中种植的潜在作物清单,其中一些已经在太空中种植。 作者选择了营养和农艺标准作为选择它们的工具。 因此,对于心理影响,从一(最小)到四(最大)的值归因于作物或可食用植物部分的味道和外观。
不同作物及其适合长期太空任务的营养、医学、农艺和心理特征的表格。
在航天器中种植植物
空间为植物提供了两个主要的压力源:宇宙辐射和微重力。
辐射会对植物生长产生负面影响并增加基因突变的风险,因此保护植物免受辐射应该是当务之急。 虽然可以使用铅和/或水屏蔽层来控制辐射,但这意味着要在轨道上放置额外的质量。 源自洛克希德马丁公司的火星大本营(2018)的一个很好的解决方案是使用燃料储存作为辐射屏蔽。
另一方面,微重力不会显着影响植物生长,尽管它可能会减慢植物的生长速度。 然而,植物的反应因物种而异,因为微重力会影响植物的基因组表达。 研究发现,在微重力条件下,植物会表达更多的应激相关基因,如热休克基因,并增加应激相关蛋白的产量。 此外,已发现种子具有不同浓度的代谢物和延迟发芽。
微重力也会影响植物的微环境,例如大气缺乏运动,造成不寻常的大气成分和浇水困难(有或没有支持)。 外太空没有空气对流,因此如果种植站通风不充分,植物排放的任何气体都会残留在其表面周围。 已经表明,植物叶片周围气态乙烯的积累会导致叶片发育异常。 其他气体,如二氧化碳,在航天器中以高浓度存在,对某些植物可能是致命的。 植物浇水也会出现同样的问题,因此需要开发一种不会淹死根部的方法。
植物对空间环境的反应更难评估。 该环境的某些方面,例如受限空间,可以引导我们选择矮化品种。 然而,植物对微重力的反应等其他一些方面因物种和品种而异。 虽然实验还需要继续,但已经有一定数量的植物经过测试并被描述为能够在太空中生长,我们可以将它们作为基础。
开发满足宇航员所有营养需求的自我维持植物室可能需要数十年时间,但使用小型植物室作为补充措施可以帮助宇航员解决维生素和营养素不足(包装食品中发生变化)的问题,并减少饮食疲劳。
Space X Crew-02 的 Mark Vande Hei、Shane Kimbrough、Thomas Pesquet、Akihiko Hoshide 和 Megan McArthur 于 2021 年在国际空间站与他们收获的红辣椒和绿辣椒合影,以进行植物栖息地 04 调查。
生物再生生命支持系统
每顿饭都吃冻干食品会导致菜单疲劳,随着时间的推移,宇航员往往会吃得更少
在航天器中,空间是有限的。 因此,任务的成功取决于嵌入到生命支持系统 (LSS) 中的再生系统,该系统可以将用过的物质回收成可用物质。 安装在国际空间站(ISS)的环境控制和生命支持系统(ECLSS)通过回收二氧化碳和尿液产生氧气和水; 长途太空飞行也需要类似的系统。
生物再生 LSS (BLSS) 的想法诞生于 1960 年代,包括食品生产和废物材料(例如,粪便)的回收到 ECLSS。 含有细菌和藻类的 BLSS 可用于将固体废物中的氮再循环成植物可以吸收的可用形式的有机氮。 自 1990 年代以来,欧洲航天局开发并进行了一项遵循该原则的实验——微生态生命支持系统替代方案 (MELiSSA)。
然而,由于我们将高等植物纳入 BLSS,我们将需要研究它们与其他现有环境控制技术的整合,这是一个新的挑战。 确定这些较小的粮食作物生产系统的成本和可持续性将为向更大的 BLSS 演进提供关键信息。
多孔管植物生长单元第二种设计的示意图。
开发植物生长室
使用水培系统种植作物是一种很有吸引力的可能性,因为它是在水中种植植物,而不是依赖于类似土壤的系统。 后者增加了航天器的重量和颗粒漂浮的风险,这是使其不利的两个方面。 安装在国际空间站的高级植物栖息地 (APH) 已经使用水培系统种植了多种矮小小麦,该水培系统的多孔管浇水系统嵌入根模块中,根模块中含有 arcillite 和缓释肥料。
为了减轻船员的园艺活动并确保植物在最佳环境中生长,作物培养周期需要由计算机进行全面监控。 这种监测系统于 2018 年在南极洲进行了测试。 使用半自动化系统种植农作物将确保宇航员受益于航天器中植物的存在(通过操纵它们)并避免农业变得过于耗时的问题。 事实上,种植植物所需的空间尚未精确定义,并且在类太空环境(如 HI-SEAS)中进行的几项实验表明,这项活动可能会变得冗长。
种植植物已被证明具有巨大的有益效果,因为它可以让宇航员有一种带着地球旅行的感觉
最后,美国宇航局的蔬菜生产系统,或称 Veggie,(于 2014 年推出)提供 0.11 平方米的种植面积,是可用于航天器的植物生长单元的一个很好的例子,因为它已经在太空船上进行了测试国际空间站。 就光照要求而言,LED 使用两种不同的波长:红色 (630 nm) 和蓝色 (455 nm),因为植物在这些波长下生长效率更高。 可能还需要绿色 LED 来赋予植物自然的颜色,从而简化疾病的识别并提醒地球上的机组人员。
水菜(日本卷心菜)、红罗马生菜和东京白菜(大白菜)在国际空间站的素食单元种植。
太空条件会给人类和植物带来压力,因此目前正在研究能够在航天器中生长并有助于减轻宇航员所承受的一些压力的植物设计。
参与植物应激反应的基因已经确定,但要减少或减轻这些影响,科学家需要修改现有基因的表达或将空间适应基因添加到基因组中。 这可以通过基因编辑来实现,一些候选基因已经被明确识别和研究。 例如,ARG1(Altered Response to Gravity 1)是一种已知会影响地球植物重力反应的基因,它参与了 127 个与航天适应相关的基因的表达。 大多数在太空飞行中表达改变的基因被发现是 Arg1 依赖性的,表明该基因在未分化细胞对太空飞行的生理适应中起着重要作用。 HsfA2(热休克因子 A2)对航天适应有显着影响,例如通过淀粉生物合成。 目的是削弱压力诱导基因并促进有益基因。
其他基因,称为空间适应基因,例如与辐射、高氯酸盐、侏儒症和低温相关的基因,可能值得研究,因为它们可以帮助植物抵御恶劣的太空条件。 例如,适应高盐环境的微生物具有抗紫外线和抗高氯酸盐的基因。 许多矮化品种(例如小麦)已经在国际空间站上种植,矮小樱桃番茄“红知更鸟”可能作为美国宇航局 Veg-05 实验的一部分在国际空间站种植。
我们还可以为宇航员的健康设计植物。 促进有益化合物的积累,制造全身可食用植物以减少浪费,或设计植物来生产药物以对抗太空对宇航员的副作用,这些都是使植物对宇航员有用的可能方法。
对马铃薯植物采用了全身食用和精英植物 (WBEEP) 策略,通过去除马铃薯茎和叶中的龙葵碱,使马铃薯茎叶可食用。 为了抑制它的产生,产生它的基因要么被沉默,要么被基因编辑突变。 创造这种 WBEEP 马铃薯具有优势,因为它是一种易于栽培的植物,是一种很好的能量来源,并且已被证明能够在太空等困难条件下生长。 植物也被强化以充分满足人体的营养需求。
辐射会对植物生长产生负面影响并增加基因突变的风险,因此保护植物免受辐射应成为重中之重
宇航员在微重力环境下健康的主要问题之一是骨密度损失。 我们的骨骼在生长和吸收之间不断保持平衡,从而使骨骼能够对损伤或运动变化做出反应。 在微重力环境中度过的时间会破坏这种平衡,使骨骼倾向于再吸收,因此宇航员会失去骨量。 这可以用一种叫做甲状旁腺激素或 PTH 的药物来治疗,但它需要定期注射并且保质期很短,这对于长时间的太空飞行来说是个问题。 因此,我们设计了一种产生 PTH 的转基因生菜。
设计能够在太空中生长并可供宇航员使用的植物仍处于早期研究阶段。 然而,它的前景非常有前途,所有主要的航天机构都在研究它。 在恶劣的太空环境中建造植物生长室仍然需要工作。 挑战之一是将 BLSS 的生物再生部分添加到现有的 LSS 中。 另一个挑战是需要更好地选择船上种植的作物,以承受空间条件并提供显着的产量。 但由于植物育种知识的传播,所选作物的基因编辑将使它们能够进一步适应空间条件,并满足机组人员的营养和健康需求。