De lancering van NASA's Artemis 1-missie naar de maan in november markeerde een nieuwe stap op de reis die er op een dag toe zal leiden dat mensen onze dichtstbijzijnde planetaire buur, Mars, bezoeken. Een menselijke missie zal uiteindelijk volgen op de hielen van meerdere robotruimtevaartuigen, waarvan de meest recente de landing was van de Perseverance-rover op de rode planeet in februari 2021. Voor menselijke reizen naar Mars moeten veel technologische problemen worden opgelost, waaronder de belangrijkste ze zijn de bescherming tegen zonnestraling en de gezondheid van de bemanning, inclusief hoe voedzaam voedsel het beste kan worden verstrekt. De focus en uitdaging voor veel experts die dit laatste bestuderen, is hoe de latente tekortkomingen kunnen worden vermeden die worden veroorzaakt door de constante consumptie van gevriesdroogd voedsel. De beschikbaarheid van vers voedsel zal uiteraard een groot gezondheids- en psychologisch voordeel zijn, en hiervoor zullen onderweg planten moeten worden gekweekt en geoogst. In dit artikel bespreken de auteurs de huidige gegevens en onderzoeken met betrekking tot voeding, medische en psychologische voordelen en mogelijke methoden voor het telen van gewassen in de verre ruimte.
Volgens NASA doen zich tijdens lange ruimtevluchten vijf grote gevaren voor: ruimtestraling, isolatie en opsluiting, afstand tot de aarde, lage zwaartekracht en de vijandige en gesloten omgeving van een ruimtevaartuig. Levende planten en vers geteeld voedsel zouden een belangrijke rol kunnen spelen bij het ondersteunen van drie hiervan: voeding, medische behoeften en bemanningspsychologie.
Voeding
De voedingsbalans van voedsel dat voor ruimtemissies wordt geleverd, moet perfect zijn aangepast voor een bemanning om een lange reis in goede gezondheid te doorstaan
De voedingsbalans van voedsel dat voor ruimtemissies wordt geleverd, moet perfect zijn aangepast voor een bemanning om een lange reis in goede gezondheid te doorstaan. Aangezien bevoorrading vanaf de aarde moeilijk zal zijn, is het bepalen van precies het juiste dieet en de precieze vorm ervan een cruciaal doel.
Het vermijden van een tekort aan essentiële voedingsstoffen is de meest voor de hand liggende uitdaging, en gedetailleerde voedingsbehoeften zijn bestudeerd door NASA. Veel van het huidige 'ruimtevoedselsysteem' blijkt echter gebrekkig te zijn. Met name de lange opslag van voedsel bij kamertemperatuur veroorzaakt de afbraak van vitamine A, B1, B6 en C.
Het cumulatieve gemiddelde gewichtsverlies voor astronauten is 2.4 procent per 100 dagen in microzwaartekracht, zelfs met strenge weerstandsoefeningen. Er is ook aangetoond dat astronauten lijden aan voedingstekorten in kalium, calcium, vitamine D en vitamine K, omdat het geleverde voedsel hen niet in staat stelt om aan de dagelijkse behoefte te voldoen.
Planten bevatten van nature vitamines en mineralen, en de onmiddellijke consumptie van vers voedsel zou het probleem van opslag voorkomen. Het consumeren ervan zou daarom een geweldige aanvulling zijn op gevriesdroogd voedsel.
Astronaut Scott Kelly verzorgde stervende ruimte-zinnia's weer gezond op het ISS. Hij fotografeerde een boeket bloemen in de koepel tegen de achtergrond van de aarde en deelde de foto op zijn Instagram voor Valentijnsdag in 2016.
Geneeskunde
Naast vitamines en mineralen synthetiseren planten veel verschillende secundaire metabolieten. Deze verbindingen kunnen een grote hulp zijn bij het voorkomen van gezondheidsproblemen. Foliumzuur is bijvoorbeeld betrokken bij DNA-reparatie, maar op slechts 64 procent van de vliegdagen wordt aan de vereisten voldaan. Omdat is bewezen dat telomeren, het uiteinde van chromosomen, significant veranderen tijdens lange vluchten, kan suppletie van foliumzuur via verse planten genetische veroudering en het optreden van kanker helpen verminderen.
Groenten die rijk zijn aan carotenoïden zouden onder andere oogvervorming door microzwaartekracht kunnen voorkomen, terwijl een dieet met gedroogde pruimen door straling veroorzaakt botverlies kan helpen voorkomen. Veel planten bevatten antioxidanten die een grote hulp kunnen zijn bij het beschermen van menselijk DNA tegen door straling veroorzaakte mutaties. Een plantaardig dieet is echter niet voldoende en er moeten andere oplossingen worden ontwikkeld om astronauten tegen straling te beschermen.
Psychologie
Naast vitaminen en mineralen synthetiseren planten veel verschillende secundaire metabolieten
Omdat isolatie en afstand de mentale gezondheid van astronauten zwaar zullen belasten, is de maaltijd een van de belangrijkste momenten om de stemming te verlichten. Het eten van gevriesdroogd voedsel bij elke maaltijd zorgt voor menumoeheid en astronauten hebben de neiging om na verloop van tijd minder te eten. Het eten van vers voedsel kan deze vermoeidheid verminderen, niet in de laatste plaats door afwisseling in vorm en textuur te bieden.
Een andere activiteit die gunstig is voor de geestelijke gezondheid van de bemanning is de tuinbouw. Het is bewezen dat het kweken van planten enorm gunstige effecten heeft, omdat het de astronauten het gevoel kan geven dat ze met een stukje aarde reizen. Sommige onderzoeken hebben geprobeerd de planten te vinden met de meest gunstige psychologische effecten, omdat ze een zeer belangrijke factor kunnen zijn voor de geestelijke gezondheid van de bemanning. Aardbeien kunnen bijvoorbeeld positieve psychologische reacties verbeteren, zoals vitaliteit en zelfrespect, depressie en stress verminderen, terwijl koriander de slaapkwaliteit kan verbeteren.
Op planten gebaseerde ruimtelandbouw is dus interessant op voedingskundig, psychologisch en medisch vlak. Het gebrek aan ruimte en de bijzondere groeiomstandigheden beperken echter het aantal en de keuze van gewassen.
De daadwerkelijke keuze van de gebruikte gewassen zal variëren, afhankelijk van de onderzochte criteria en het voorkeursgebied (voeding, psychologie en geneeskunde). Sommige planten met een lange houdbaarheid kunnen handig zijn, zoals tarwe of aardappel, maar hebben het nadeel dat ze voor consumptie gekookt moeten worden. Een andere factor om rekening mee te houden is het voortplantingssysteem en de bestuivingswijze van de planten, omdat dieren (zoals insecten) niet aan boord zijn toegestaan.
Er werd een lijst opgesteld met mogelijke gewassen om in de ruimte te groeien, waarvan sommige al aan boord waren verbouwd. De auteurs selecteerden nutritionele en agronomische criteria als hulpmiddelen om ze te kiezen. Zo werd voor psychologische effecten een waarde van één (min) tot vier (max) toegekend aan de smaak en het uiterlijk van het gewas of eetbare plantendeel.
Tabel met verschillende gewassen met hun nutritionele, medische, agronomische en psychologische kenmerken die geschikt zijn voor lange missies in de ruimte.
Planten kweken in een ruimtevaartuig
De ruimte biedt twee belangrijke bronnen van stress voor planten: kosmische straling en microzwaartekracht.
Straling heeft een negatieve invloed op de plantengroei en verhoogt het risico op genetische mutaties, dus het beschermen van planten tegen straling moet een prioriteit zijn. Hoewel straling kan worden tegengehouden met behulp van lood- en/of waterschilden, vertegenwoordigt dit een extra massa om in een baan om de aarde te plaatsen. Een goede oplossing, afkomstig uit Lockheed Martin's Mars Base Camp (2018), is om brandstofopslag te gebruiken als stralingsschild.
Microzwaartekracht daarentegen belemmert de plantengroei niet significant, hoewel het deze wel kan vertragen. De reactie van de plant verschilt echter per soort, aangezien microzwaartekracht de genoomexpressie van de plant beïnvloedt. Er is ontdekt dat planten in microzwaartekracht meer stressgerelateerde genen tot expressie zullen brengen, zoals hitteschokgenen, en hun productie van stressgerelateerde eiwitten zullen verhogen. Bovendien is gevonden dat zaden verschillende concentraties metabolieten hebben en een vertraagde ontkieming.
Microzwaartekracht heeft ook invloed op de micro-omgeving van de plant, zoals het gebrek aan beweging van de atmosfeer, het creëren van een ongebruikelijke atmosferische samenstelling en problemen met water geven (met of zonder ondersteuning). Er is geen luchtconvectie in de ruimte, dus als het kweekstation niet voldoende wordt geventileerd, blijft het door de plant uitgestoten gas rond het oppervlak achter. Het is aangetoond dat de ophoping van gasvormig ethyleen rond de bladeren van planten resulteert in een abnormale bladontwikkeling. Andere gassen, zoals koolstofdioxide, die in hoge concentraties aanwezig zijn in een ruimtevaartuig, kunnen dodelijk zijn voor sommige planten. Hetzelfde probleem doet zich voor bij het bewateren van planten, dus het is nodig een methode te ontwikkelen die de wortels niet verdrinkt.
De reactie van de plant op de ruimteomgeving is moeilijker te evalueren. Sommige aspecten van die omgeving, zoals beperkte ruimte, kunnen onze keuze in de richting van dwergvariëteiten leiden. Sommige andere aspecten, zoals de reactie van de plant op microzwaartekracht, variëren echter afhankelijk van soort en variëteit. Hoewel experimenten moeten worden voortgezet, zijn er al een aantal planten getest en beschreven die in staat zijn om in de ruimte te groeien en die kunnen we als basis gebruiken.
De ontwikkeling van een zelfvoorzienende plantenkamer die alle voedzame behoeften van astronauten dekt, zou tientallen jaren kunnen duren, maar het gebruik van kleine kamers als aanvullende maatregelen zou de bemanning kunnen helpen bij tekorten aan vitamines en voedingsstoffen (die in verpakt voedsel veranderen) en dieetmoeheid verminderen.
Mark Vande Hei, Shane Kimbrough, Thomas Pesquet, Akihiko Hoshide en Megan McArthur van de Space X Crew-02 poseren met hun oogst van rode en groene chilipepers in het ISS in 2021 voor het Plant-Habitat 04-onderzoek.
Bioregeneratief levensondersteunend systeem
Het eten van gevriesdroogd voedsel bij elke maaltijd zorgt voor menumoeheid en astronauten hebben de neiging om na verloop van tijd minder te eten
In een ruimtevaartuig is de ruimte beperkt. Daarom hangt het succes van de missie af van regeneratieve systemen die zijn ingebed in Life Support Systems (LSS) die gebruikte materie kunnen recyclen tot bruikbare materie. Het Environmental Control and Life Support System (ECLSS) dat is geïnstalleerd in het International Space Station (ISS) produceert zuurstof en water door koolstofdioxide en urine te recyclen; een soortgelijk systeem zal nodig zijn voor lange ruimtevluchten.
Het idee van een bioregeneratieve LSS (BLSS) ontstond in de jaren 1960 om de voedselproductie en de recycling van afvalstoffen (bijvoorbeeld fecaliën) op te nemen in de ECLSS. Een BLSS met bacteriën en algen zou kunnen worden gebruikt om de stikstof in vast afval terug te recyclen tot een bruikbare vorm van organische stikstof die door planten kan worden opgenomen. Een experiment volgens dat principe – het Micro Ecological Life Support System Alternative (MELiSSA) – wordt sinds de jaren negentig ontwikkeld en uitgevoerd door de European Space Agency.
Aangezien we echter hogere installaties in de BLSS opnemen, zullen we hun integratie met de andere bestaande omgevingscontroletechnologieën moeten bestuderen, wat een nieuwe uitdaging vormt. Het bepalen van de kosten en de duurzaamheid van deze kleinere productiesystemen voor voedselgewassen zal cruciale informatie opleveren voor de ontwikkeling naar een grotere BLSS.
Schematisch diagram van het tweede ontwerp van de groei-eenheid voor poreuze buisplanten.
Het ontwikkelen van een plantengroeikamer
Het gebruik van een hydroponisch systeem om gewassen te laten groeien is een aantrekkelijke mogelijkheid, omdat het planten in water laat groeien in plaats van te vertrouwen op een bodemachtig systeem. Dit laatste voegt gewicht toe aan het ruimtevaartuig en het risico van rondzwevende deeltjes, twee aspecten die het nadelig maken. De Advanced Plant Habitat (APH) die in het ISS is geïnstalleerd, heeft al een verscheidenheid aan dwergtarwe gekweekt met behulp van een hydroponisch systeem met een watergeefsysteem met poreuze buizen ingebed in een wortelmodule met arcillite en een langzaam vrijkomende meststof.
Om de tuinbouwactiviteiten van de bemanning te vergemakkelijken en ervoor te zorgen dat planten in een optimale omgeving groeien, moet de teeltcyclus volledig worden gevolgd door een computer. Een dergelijk monitoringsysteem is in 2018 getest op Antarctica. Het gebruik van een deels geautomatiseerd systeem voor het telen van gewassen zorgt ervoor dat de bemanning profiteert van de aanwezigheid van planten in het ruimtevaartuig (door ze te manipuleren) en voorkomt dat landbouw te tijdrovend wordt. De ruimte die nodig is om planten te laten groeien, is inderdaad nog niet precies gedefinieerd en verschillende experimenten in ruimteachtige omgevingen (zoals de HI-SEAS) hebben aangetoond dat deze activiteit langdurig kan worden.
Het is bewezen dat het kweken van planten enorm gunstige effecten heeft, omdat het de astronauten het gevoel kan geven dat ze met een stukje aarde reizen
Ten slotte is NASA's Vegetable Production System, of Veggie, (gelanceerd in 2014), dat een teeltoppervlak van 0.11 m² biedt, een goed voorbeeld van een plantgroei-eenheid die aan boord van een ruimtevaartuig kan worden gebruikt, aangezien het al is getest op de ISS. Wat de lichtbehoefte betreft, worden LED's gebruikt met twee verschillende golflengten: rood (630 nm) en blauw (455 nm), aangezien planten efficiënter groeien onder deze golflengten. Een groene LED kan ook nodig zijn om de plant zijn natuurlijke kleur te geven, waardoor de identificatie van ziekten wordt vergemakkelijkt en de bemanning aan de aarde wordt herinnerd.
Mizuna (Japanse kool), rode snijsla en Tokyo bekana (Chinese kool) geteeld in Veggie-eenheid in het ISS.
Ruimteomstandigheden creëren stress voor zowel mensen als planten, dus het ontwerp van planten die in ruimtevaartuigen kunnen groeien en een deel van de stress die astronauten ervaren, kan helpen verlichten, wordt momenteel bestudeerd.
Er zijn genen geïdentificeerd die betrokken zijn bij de stressreacties van planten, maar om die effecten te verminderen of te verzachten, moeten wetenschappers de expressie van bestaande genen wijzigen of genen voor ruimteaanpassing aan de genomen toevoegen. Dit kan worden bereikt met behulp van gene editing en sommige kandidaat-genen zijn al specifiek geïdentificeerd en bestudeerd. ARG1 (Altered Response to Gravity 1), een gen waarvan bekend is dat het de zwaartekrachtreacties in planten op aarde beïnvloedt, is bijvoorbeeld betrokken bij de expressie van 127 genen die verband houden met aanpassing aan ruimtevluchten. De meeste van de genen die tijdens ruimtevluchten in expressie veranderden, bleken Arg1-afhankelijk te zijn, wat suggereert dat dat gen een belangrijke rol speelt bij de fysiologische aanpassing van ongedifferentieerde cellen aan ruimtevluchten. HsfA2 (Heat Shock Factor A2) heeft een significant effect op de aanpassing aan ruimtevluchten, bijvoorbeeld door de biosynthese van zetmeel. Het doel is om stressopwekkende genen aan te tasten en gunstige genen te bevorderen.
Andere genen, zogenaamde ruimte-aanpassingsgenen, zoals genen die verband houden met straling, perchloraat, dwerggroei en koude temperatuur, zijn potentieel de moeite waard om te bestuderen, omdat ze planten zouden helpen weerstand te bieden aan de barre omstandigheden in de ruimte. Micro-organismen die zijn aangepast aan hypersaline-omgevingen, hebben bijvoorbeeld genen voor UV-resistentie en perchloraatresistentie. Op het ISS zijn al veel dwergvariëteiten (bijv. van tarwe) gekweekt en de dwergcherrytomaat 'Red Robin' zou in het ISS kunnen worden gekweekt als onderdeel van NASA's Veg-05-experiment.
We kunnen ook planten ontwerpen voor de gezondheid van astronauten. Het bevorderen van de accumulatie van nuttige verbindingen, het maken van eetbare planten voor het hele lichaam om afval te verminderen, of het ontwerpen van planten om medicijnen te produceren tegen de bijwerkingen van de ruimte op astronauten zijn mogelijke manieren om planten nuttig te maken voor de bemanning.
Een Whole-Body Edible and Elite Plant (WBEEP) -strategie werd gebruikt op aardappelplanten, waarbij aardappelstengels en -bladeren eetbaar werden door de solanine eruit te verwijderen. Om de productie ervan te remmen, worden de genen die het produceren tot zwijgen gebracht of gemuteerd door genbewerking. Het creëren van deze WBEEP-aardappel heeft voordelen omdat het een gemakkelijk te kweken plant is die een goede energiebron is en heeft bewezen te kunnen groeien in moeilijke omstandigheden zoals ruimte. De planten werden ook versterkt om volledig te voldoen aan de voedingsbehoeften van het menselijk lichaam.
Straling heeft een negatieve invloed op de plantengroei en verhoogt het risico op genetische mutaties, dus het beschermen van planten tegen straling moet een prioriteit zijn
Een van de belangrijkste problemen voor de gezondheid van astronauten in microzwaartekracht is het verlies van botdichtheid. Onze botten zijn voortdurend in evenwicht tussen groei en resorptie, waardoor botten kunnen reageren op blessures of veranderingen in lichaamsbeweging. Tijd doorbrengen in microzwaartekracht verstoort dit evenwicht, waardoor botten in de richting van resorptie kantelen, waardoor astronauten botmassa verliezen. Dit kan worden behandeld met een medicijn dat bijschildklierhormoon of PTH wordt genoemd, maar het vereist regelmatige injecties en heeft een zeer korte houdbaarheid, wat problematisch is voor lange ruimtevluchten. Daarom werd een transgene sla ontwikkeld die PTH produceert.
Het ontwerpen van planten die in de ruimte kunnen groeien en nuttig kunnen zijn voor astronauten, bevindt zich nog in de beginfase van het onderzoek. De vooruitzichten zijn echter veelbelovend en worden bestudeerd door alle grote ruimteagentschappen. Het bouwen van een plantengroeikamer in de onvriendelijke omgeving van de ruimte vereist nog steeds werk. Een van de uitdagingen zal zijn om het bioregeneratieve deel van de BLSS toe te voegen aan de reeds bestaande LSS. Een andere uitdaging is de behoefte aan een betere keuze aan gewassen die aan boord worden verbouwd om zowel ruimteomstandigheden te weerstaan als aanzienlijke opbrengsten te bieden. Maar dankzij de verspreiding van kennis in plantenveredeling, zal genbewerking in de gekozen gewassen het mogelijk maken om ze verder aan te passen aan de ruimteomstandigheden en aan te sluiten bij de voedings- en gezondheidsbehoeften van een bemanning.
Een bron: https://room.eu.com