Việc khởi động sứ mệnh Artemis 1 của NASA lên Mặt trăng vào tháng 2021 đánh dấu một bước nữa trên hành trình mà một ngày nào đó sẽ đưa con người đến thăm hành tinh láng giềng gần nhất của chúng ta, sao Hỏa. Nhiệm vụ của con người cuối cùng sẽ nối gót nhiều tàu vũ trụ rô-bốt, trong đó gần đây nhất là cuộc đổ bộ của tàu thăm dò Perseverance lên hành tinh đỏ vào tháng XNUMX năm XNUMX. Đối với các chuyến du hành của con người tới sao Hỏa, có nhiều vấn đề công nghệ cần được giải quyết, trong đó quan trọng là chúng là sự bảo vệ khỏi bức xạ mặt trời và sức khỏe của phi hành đoàn, bao gồm cả cách tốt nhất để cung cấp thực phẩm bổ dưỡng. Trọng tâm và thách thức đối với nhiều chuyên gia nghiên cứu về vấn đề này là làm thế nào để tránh những thiếu hụt tiềm ẩn do tiêu thụ liên tục thực phẩm đông lạnh. Sự sẵn có của thực phẩm tươi rõ ràng sẽ là một lợi thế lớn về sức khỏe và tâm lý, và để đạt được điều này, cần phải trồng và thu hoạch thực vật trên đường đi. Trong bài viết này, các tác giả xem xét dữ liệu và nghiên cứu hiện tại về dinh dưỡng, lợi ích y tế và tâm lý cũng như các phương pháp trồng trọt khả thi trong không gian sâu.
Theo NASA, năm mối nguy hiểm chính xuất hiện trong các chuyến bay dài vào vũ trụ: bức xạ không gian, sự cô lập và giam cầm, khoảng cách với Trái đất, trọng lực thấp và môi trường thù địch và khép kín của tàu vũ trụ. Thực vật sống và thực phẩm mới trồng có thể đóng vai trò chính trong việc hỗ trợ ba trong số này: dinh dưỡng, nhu cầu y tế và tâm lý phi hành đoàn.
Dinh dưỡng
Sự cân bằng dinh dưỡng của thực phẩm cung cấp cho các sứ mệnh không gian phải được điều chỉnh hoàn hảo để phi hành đoàn có thể duy trì một hành trình dài với sức khỏe tốt
Sự cân bằng dinh dưỡng của thực phẩm cung cấp cho các sứ mệnh không gian phải được điều chỉnh một cách hoàn hảo để phi hành đoàn có thể duy trì một hành trình dài trong tình trạng sức khỏe tốt. Vì việc tiếp tế từ Trái đất sẽ khó khăn nên việc xác định chính xác chế độ ăn uống phù hợp và hình thức chính xác của nó là một mục tiêu quan trọng.
Tránh bất kỳ sự thiếu hụt chất dinh dưỡng thiết yếu nào là thách thức rõ ràng nhất và nhu cầu dinh dưỡng chi tiết đã được NASA nghiên cứu. Tuy nhiên, phần lớn 'hệ thống' thực phẩm không gian hiện tại đã được chứng minh là thiếu hụt. Cụ thể, việc bảo quản thực phẩm trong thời gian dài sẽ gây ra sự phân hủy vitamin A, B1, B6 và C.
Mức giảm cân trung bình tích lũy đối với các phi hành gia là 2.4 phần trăm mỗi 100 ngày trong điều kiện vi trọng lực, ngay cả khi áp dụng các biện pháp đối phó với bài tập đối kháng nghiêm ngặt. Các phi hành gia cũng đã được chứng minh là bị thiếu hụt dinh dưỡng về kali, canxi, vitamin D và vitamin K vì thức ăn cung cấp không cho phép họ đáp ứng nhu cầu ăn vào hàng ngày.
Thực vật chứa vitamin và khoáng chất một cách tự nhiên, và việc tiêu thụ thực phẩm tươi ngay lập tức sẽ tránh được vấn đề bảo quản. Do đó, tiêu thụ chúng sẽ là một bổ sung tuyệt vời cho thực phẩm đông khô.
Phi hành gia Scott Kelly đã nuôi dưỡng những bông cúc bách nhật ngoài không gian đang hấp hối trở lại khỏe mạnh trên ISS. Anh ấy đã chụp một bó hoa ở Cupola trên nền Trái đất và chia sẻ bức ảnh lên Instagram của mình cho Ngày lễ tình nhân năm 2016.
Y học
Ngoài các vitamin và khoáng chất, thực vật còn tổng hợp nhiều chất chuyển hóa thứ cấp khác nhau. Các hợp chất này có thể giúp ích rất nhiều trong việc ngăn ngừa các vấn đề sức khỏe. Ví dụ, folate tham gia vào quá trình sửa chữa DNA, nhưng các yêu cầu của nó chỉ được đáp ứng trong 64% số ngày bay. Vì telomere, phần cuối của nhiễm sắc thể, đã được chứng minh là bị thay đổi đáng kể trong các chuyến bay dài, nên việc bổ sung folate qua thực vật tươi có thể giúp giảm lão hóa di truyền và ung thư.
Trong số các ví dụ khác, các loại rau giàu caroten có thể ngăn ngừa biến dạng mắt do vi trọng lực, trong khi chế độ ăn mận khô có thể giúp ngăn ngừa mất xương do bức xạ. Nhiều loại thực vật có chứa chất chống oxy hóa có thể giúp ích rất nhiều trong việc bảo vệ DNA của con người khỏi các đột biến do bức xạ gây ra. Tuy nhiên, chế độ ăn uống dựa trên thực vật là không đủ và các giải pháp khác phải được phát triển để bảo vệ các phi hành gia khỏi bức xạ.
Tâm lý học
Ngoài vitamin và khoáng chất, thực vật tổng hợp nhiều chất chuyển hóa thứ cấp khác nhau
Vì sự cô lập và khoảng cách sẽ gây căng thẳng đáng kể cho sức khỏe tinh thần của các phi hành gia, bữa ăn là một trong những thời điểm quan trọng nhất để xoa dịu tâm trạng. Ăn thực phẩm đông lạnh trong mỗi bữa ăn sẽ tạo ra sự mệt mỏi trong thực đơn và các phi hành gia có xu hướng ăn ít hơn theo thời gian. Ăn thực phẩm tươi có thể làm giảm sự mệt mỏi này, nhất là trong việc cung cấp sự đa dạng về hình thức và kết cấu.
Một hoạt động khác có lợi cho sức khỏe tinh thần của phi hành đoàn là làm vườn. Việc trồng cây đã được chứng minh là có tác dụng vô cùng hữu ích, vì nó có thể mang lại cho các phi hành gia cảm giác đang du hành cùng một mảnh Trái đất. Một số nghiên cứu đã cố gắng tìm ra những loại cây có tác dụng tâm lý có lợi nhất, vì chúng có thể là một yếu tố rất quan trọng đối với sức khỏe tinh thần của phi hành đoàn. Ví dụ, dâu tây có thể cải thiện các phản ứng tâm lý tích cực, chẳng hạn như sức sống và lòng tự trọng, giảm trầm cảm và căng thẳng trong khi rau mùi có thể cải thiện chất lượng giấc ngủ.
Do đó, canh tác không gian dựa trên thực vật rất thú vị ở cấp độ dinh dưỡng, tâm lý và y tế. Tuy nhiên, việc thiếu phòng và các điều kiện trồng trọt cụ thể đã hạn chế số lượng và sự lựa chọn cây trồng.
Sự lựa chọn thực tế của các loại cây trồng được sử dụng sẽ khác nhau, tùy thuộc vào các tiêu chí được kiểm tra và lĩnh vực (dinh dưỡng, tâm lý và y học) được ưa chuộng. Một số thực vật có thời hạn sử dụng dài có thể thuận tiện, chẳng hạn như lúa mì hoặc khoai tây, nhưng có nhược điểm là cần phải nấu chín trước khi sử dụng. Một yếu tố khác cần xem xét là hệ thống sinh sản và phương thức thụ phấn của thực vật, vì động vật (chẳng hạn như côn trùng) không được phép mang lên máy bay.
Một danh sách các loại cây trồng tiềm năng để phát triển trong không gian đã được thiết lập, một số trong số đó đã được trồng trên tàu. Các tác giả đã chọn các tiêu chí dinh dưỡng và nông học làm công cụ để lựa chọn chúng. Do đó, đối với các hiệu ứng tâm lý, giá trị từ một (tối thiểu) đến bốn (tối đa) được quy cho mùi vị và hình thức của cây trồng hoặc bộ phận ăn được của cây trồng.
Bảng các loại cây trồng khác nhau với các đặc điểm dinh dưỡng, y tế, nông học và tâm lý phù hợp cho các sứ mệnh dài ngày trong không gian.
Trồng cây trong tàu vũ trụ
Không gian có hai nguồn căng thẳng chính đối với thực vật: bức xạ vũ trụ và vi trọng lực.
Bức xạ ảnh hưởng tiêu cực đến sự phát triển của thực vật và làm tăng nguy cơ đột biến gen, vì vậy cần ưu tiên bảo vệ thực vật khỏi bức xạ. Mặc dù bức xạ có thể được chứa bằng cách sử dụng tấm chắn chì và/hoặc nước, nhưng điều này thể hiện một khối lượng bổ sung để đặt vào quỹ đạo. Một giải pháp tốt bắt nguồn từ Lockheed Martin's Mars Base Camp (2018), là sử dụng kho chứa nhiên liệu làm lá chắn bức xạ.
Mặt khác, trọng lực vi mô không làm giảm đáng kể sự phát triển của thực vật, mặc dù nó có thể làm chậm lại. Tuy nhiên, phản ứng của thực vật khác nhau tùy theo loài, vì vi trọng lực ảnh hưởng đến biểu hiện bộ gen của thực vật. Người ta đã phát hiện ra rằng, trong môi trường vi trọng lực, thực vật sẽ biểu hiện nhiều gen liên quan đến căng thẳng hơn, chẳng hạn như gen sốc nhiệt và tăng sản xuất các protein liên quan đến căng thẳng. Hơn nữa, hạt giống đã được tìm thấy có nồng độ chất chuyển hóa khác nhau và sự nảy mầm chậm.
Trọng lực vi mô cũng ảnh hưởng đến môi trường vi mô của cây trồng, chẳng hạn như thiếu chuyển động của khí quyển, tạo ra thành phần khí quyển bất thường và khó tưới nước (có hoặc không có hỗ trợ). Không có sự đối lưu không khí trong không gian bên ngoài, vì vậy nếu trạm trồng trọt không được thông gió đầy đủ thì bất kỳ khí nào do nhà máy thải ra sẽ tồn tại xung quanh bề mặt của nó. Người ta đã chứng minh rằng sự tích tụ khí ethylene xung quanh lá cây dẫn đến sự phát triển bất thường của lá. Các loại khí khác, như carbon dioxide, có nồng độ cao trong tàu vũ trụ, có thể gây chết một số loài thực vật. Vấn đề tương tự cũng phát sinh đối với việc tưới cây, vì vậy cần phát triển một phương pháp không làm ngập rễ.
Phản ứng của thực vật đối với môi trường không gian khó đánh giá hơn. Một số khía cạnh của môi trường đó, chẳng hạn như không gian hạn chế, có thể hướng sự lựa chọn của chúng ta tới các giống lùn. Tuy nhiên, một số khía cạnh khác như phản ứng của thực vật đối với vi trọng lực khác nhau tùy thuộc vào loài và giống. Mặc dù các thí nghiệm cần phải tiếp tục, nhưng một số loài thực vật nhất định đã được thử nghiệm và mô tả là có thể phát triển trong không gian và chúng ta có thể sử dụng chúng làm cơ sở.
Việc phát triển một buồng thực vật tự duy trì đáp ứng tất cả nhu cầu dinh dưỡng của các phi hành gia có thể mất nhiều thập kỷ nhưng sử dụng các buồng nhỏ làm biện pháp bổ sung có thể giúp phi hành đoàn khắc phục tình trạng thiếu vitamin và chất dinh dưỡng (được thay đổi trong thực phẩm đóng gói) và giảm mệt mỏi do ăn kiêng.
Mark Vande Hei, Shane Kimbrough, Thomas Pesquet, Akihiko Hoshide và Megan McArthur của Space X Crew-02 tạo dáng với vụ thu hoạch ớt đỏ và ớt xanh của họ trên ISS vào năm 2021 cho cuộc điều tra Plant-Habitat 04.
Hệ thống hỗ trợ sự sống tái tạo sinh học
Ăn thực phẩm đông lạnh trong mỗi bữa ăn tạo ra sự mệt mỏi trong thực đơn và các phi hành gia có xu hướng ăn ít hơn theo thời gian
Trong một con tàu vũ trụ, không gian có hạn. Do đó, sự thành công của nhiệm vụ phụ thuộc vào các hệ thống tái tạo được nhúng vào Hệ thống hỗ trợ sự sống (LSS) có thể tái chế vật chất đã qua sử dụng thành vật chất có thể sử dụng được. Hệ thống Kiểm soát Môi trường và Hỗ trợ Sự sống (ECLSS) được lắp đặt trong Trạm Vũ trụ Quốc tế (ISS) tạo ra oxy và nước bằng cách tái chế carbon dioxide và nước tiểu; một hệ thống tương tự sẽ cần thiết cho các chuyến bay vũ trụ dài.
Ý tưởng về LSS tái tạo sinh học (BLSS) ra đời vào những năm 1960 để bao gồm sản xuất thực phẩm và tái chế các chất thải (ví dụ: phân) thành ECLSS. Một BLSS với vi khuẩn và tảo có thể được sử dụng để tái chế nitơ trong chất thải rắn thành dạng nitơ hữu cơ có thể sử dụng được mà thực vật có thể hấp thụ. Một thí nghiệm theo nguyên tắc đó – Giải pháp Thay thế Hệ thống Hỗ trợ Sự sống Sinh thái Vi mô (MELiSSA) – đã được Cơ quan Vũ trụ Châu Âu phát triển và tiến hành từ những năm 1990.
Tuy nhiên, khi chúng tôi đưa thực vật bậc cao vào BLSS, chúng tôi sẽ cần nghiên cứu sự tích hợp của chúng với các công nghệ kiểm soát môi trường hiện có khác, đây là một thách thức mới. Xác định chi phí và tính bền vững của các hệ thống sản xuất cây lương thực nhỏ hơn này sẽ cung cấp thông tin quan trọng để phát triển theo hướng BLSS lớn hơn.
Sơ đồ thiết kế thứ hai của bộ tăng trưởng thực vật ống xốp.
Phát triển một buồng tăng trưởng thực vật
Sử dụng hệ thống thủy canh để trồng trọt là một khả năng hấp dẫn, vì nó trồng cây trong nước thay vì dựa vào hệ thống giống như đất. Loại thứ hai tăng thêm trọng lượng cho tàu vũ trụ và nguy cơ các hạt trôi nổi xung quanh, hai khía cạnh khiến nó trở nên bất lợi. Môi trường sống thực vật tiên tiến (APH) được lắp đặt trong ISS đã trồng nhiều loại lúa mì lùn bằng cách sử dụng hệ thống thủy canh với hệ thống tưới ống xốp được nhúng trong mô-đun rễ có chứa arcillit và phân bón tan chậm.
Để giảm bớt các hoạt động làm vườn của nhóm và để đảm bảo rằng cây cối đang phát triển trong một môi trường tối ưu, chu trình nuôi cấy cây trồng cần được máy tính giám sát đầy đủ. Một hệ thống giám sát như vậy đã được thử nghiệm vào năm 2018 ở Nam Cực. Sử dụng một hệ thống tự động hóa một phần để trồng trọt sẽ đảm bảo rằng phi hành đoàn được hưởng lợi từ sự hiện diện của thực vật trong tàu vũ trụ (bằng cách điều khiển chúng) và tránh vấn đề nông nghiệp trở nên quá tốn thời gian. Thật vậy, căn phòng cần thiết để trồng cây vẫn chưa được xác định chính xác và một số thí nghiệm trong môi trường giống như không gian (như HI-SEAS) đã chỉ ra rằng hoạt động này có thể kéo dài.
Việc trồng cây đã được chứng minh là có tác dụng vô cùng hữu ích, vì nó có thể mang lại cho các phi hành gia cảm giác đang du hành cùng một mảnh Trái đất.
Cuối cùng, Hệ thống sản xuất rau của NASA, hay Veggie, (ra mắt năm 2014), cung cấp diện tích trồng 0.11 m², là một ví dụ tuyệt vời về đơn vị tăng trưởng thực vật có thể được sử dụng trên tàu vũ trụ, vì nó đã được thử nghiệm trên ISS. Về yêu cầu ánh sáng, đèn LED được sử dụng với hai bước sóng khác nhau: đỏ (630 nm) và xanh lam (455 nm) vì cây phát triển hiệu quả hơn dưới các bước sóng này. Một đèn LED màu xanh lá cây cũng có thể cần thiết để cung cấp cho cây màu sắc tự nhiên của nó, do đó giúp dễ dàng xác định các bệnh và nhắc nhở phi hành đoàn về Trái đất.
Mizuna (bắp cải Nhật Bản), rau diếp romaine đỏ và Tokyo bekana (bắp cải Trung Quốc) được trồng trong đơn vị Veggie ở ISS.
Điều kiện không gian tạo ra căng thẳng cho cả con người và thực vật, vì vậy việc thiết kế các loại cây có thể phát triển trong tàu vũ trụ và giúp giảm bớt một số căng thẳng mà các phi hành gia gặp phải hiện đang được nghiên cứu.
Các gen liên quan đến phản ứng căng thẳng của thực vật đã được xác định nhưng để giảm thiểu hoặc giảm thiểu những tác động đó, các nhà khoa học cần sửa đổi biểu hiện của các gen hiện có hoặc thêm các gen thích ứng với không gian vào bộ gen. Điều này có thể đạt được bằng cách chỉnh sửa gen và một số gen ứng cử viên đã được xác định và nghiên cứu cụ thể. Ví dụ, ARG1 (Altered Response to Gravity 1), một gen được biết là có ảnh hưởng đến phản ứng trọng lực ở thực vật trên Trái đất, có liên quan đến sự biểu hiện của 127 gen liên quan đến sự thích nghi với các chuyến bay vũ trụ. Hầu hết các gen bị thay đổi biểu hiện trong chuyến bay vũ trụ được phát hiện là phụ thuộc vào Arg1, cho thấy vai trò chính của gen đó trong sự thích nghi sinh lý của các tế bào không phân biệt với chuyến bay vũ trụ. HsfA2 (Yếu tố sốc nhiệt A2) có ảnh hưởng đáng kể đến khả năng thích ứng với chuyến bay vũ trụ, chẳng hạn như thông qua quá trình sinh tổng hợp tinh bột. Mục tiêu là làm suy yếu các gen gây căng thẳng và thúc đẩy những gen có lợi.
Các gen khác, được gọi là gen thích ứng với không gian, chẳng hạn như gen liên quan đến bức xạ, perchlorate, bệnh lùn và nhiệt độ lạnh, có khả năng đáng được nghiên cứu vì chúng sẽ giúp thực vật chống lại các điều kiện khắc nghiệt của không gian. Ví dụ, các vi sinh vật thích nghi với môi trường quá mặn có gen kháng tia cực tím và kháng perchlorate. Nhiều giống lùn (ví dụ như lúa mì) đã được trồng trên ISS và cà chua bi lùn 'Red Robin' có thể được trồng trên ISS như một phần của thí nghiệm Veg-05 của NASA.
Chúng tôi cũng có thể thiết kế các loại cây cho sức khỏe của các phi hành gia. Thúc đẩy sự tích tụ các hợp chất có lợi, tạo ra các loại thực vật ăn được toàn bộ cơ thể để giảm chất thải hoặc thiết kế các loại cây để sản xuất thuốc chống lại tác dụng phụ của không gian đối với các phi hành gia là những cách khả thi để làm cho thực vật trở nên hữu ích cho phi hành đoàn.
Chiến lược Cây ưu tú và Ăn được Toàn thân (WBEEP) đã được sử dụng trên cây khoai tây, làm cho thân và lá khoai tây có thể ăn được bằng cách loại bỏ solanine khỏi chúng. Để ngăn chặn quá trình sản xuất của nó, các gen tạo ra nó sẽ bị vô hiệu hóa hoặc bị đột biến bằng cách chỉnh sửa gen. Việc tạo ra khoai tây WBEEP này có lợi thế vì đây là loại cây dễ trồng, là nguồn cung cấp năng lượng tốt và đã được chứng minh là có thể phát triển trong các điều kiện khó khăn như không gian. Thực vật cũng được tăng cường để đáp ứng đầy đủ nhu cầu dinh dưỡng của cơ thể con người.
Bức xạ ảnh hưởng tiêu cực đến sự phát triển của thực vật và làm tăng nguy cơ đột biến gen, vì vậy cần ưu tiên bảo vệ thực vật khỏi bức xạ
Một trong những vấn đề chính đối với sức khỏe của các phi hành gia trong môi trường vi trọng lực là mất mật độ xương. Xương của chúng ta liên tục được cân bằng giữa tăng trưởng và tái hấp thu, cho phép xương phản ứng với chấn thương hoặc thay đổi khi tập thể dục. Việc dành thời gian trong môi trường vi trọng lực sẽ phá vỡ sự cân bằng này, khiến xương bị tiêu đi, vì vậy các phi hành gia sẽ mất đi khối lượng xương. Điều này có thể được điều trị bằng một loại thuốc gọi là hormone tuyến cận giáp, hay PTH, nhưng nó cần được tiêm thường xuyên và có thời hạn sử dụng rất ngắn, đây là vấn đề đối với các chuyến bay vũ trụ dài ngày. Do đó, một loại rau diếp chuyển gen tạo ra PTH đã được thiết kế.
Việc thiết kế các loại cây có thể phát triển trong không gian và sử dụng cho các phi hành gia vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu ban đầu. Tuy nhiên, triển vọng của nó rất hứa hẹn và đang được nghiên cứu bởi tất cả các cơ quan vũ trụ lớn. Xây dựng một buồng tăng trưởng thực vật trong môi trường không gian không được chào đón vẫn cần phải làm việc. Một trong những thách thức sẽ là thêm phần tái tạo sinh học của BLSS vào LSS hiện có. Một thách thức khác là nhu cầu lựa chọn tốt hơn các loại cây trồng được trồng trên tàu để vừa chịu được các điều kiện không gian vừa mang lại năng suất đáng kể. Nhưng nhờ sự phổ biến kiến thức trong nhân giống cây trồng, việc chỉnh sửa gen trong các loại cây trồng được chọn sẽ cho phép chúng thích nghi hơn nữa với điều kiện không gian và phù hợp với nhu cầu dinh dưỡng và sức khỏe của phi hành đoàn.
Một nguồn: https://room.eu.com