كان إطلاق مهمة Artemis 1 التابعة لناسا إلى القمر في نوفمبر بمثابة خطوة أخرى في الرحلة التي ستؤدي يومًا ما إلى زيارة البشر لأقرب كوكب لنا ، المريخ. ستتبع مهمة بشرية في نهاية المطاف في أعقاب العديد من المركبات الفضائية الروبوتية ، وكان آخرها هبوط المركبة المتجولة المثابرة على الكوكب الأحمر في فبراير 2021. بالنسبة للرحلات البشرية إلى المريخ ، هناك العديد من المشكلات التكنولوجية التي يجب حلها ، ومن أهمها الحماية من الإشعاع الشمسي وصحة الطاقم ، بما في ذلك أفضل السبل لتوفير الطعام المغذي. التركيز والتحدي للعديد من الخبراء الذين يدرسون هذا الأخير هو كيفية تجنب أوجه القصور الكامنة الناجمة عن الاستهلاك المستمر للأغذية المجففة بالتجميد. من الواضح أن توفر الغذاء الطازج سيكون ميزة صحية ونفسية كبيرة ، ولهذا سيكون من الضروري زراعة النباتات وحصادها في الطريق. في هذه المقالة ، يستعرض المؤلفون البيانات والأبحاث الحالية المتعلقة بالتغذية والفوائد الطبية والنفسية والأساليب الممكنة لزراعة المحاصيل في الفضاء السحيق.
وفقًا لوكالة ناسا ، تظهر خمسة مخاطر رئيسية أثناء الرحلات الفضائية الطويلة: الإشعاع الفضائي ، والعزلة والحبس ، والمسافة من الأرض ، والجاذبية المنخفضة ، والبيئة المعادية والمغلقة للمركبة الفضائية. يمكن للنباتات الحية والأغذية المزروعة حديثًا أن تلعب دورًا رئيسيًا في دعم ثلاثة من هذه: التغذية والاحتياجات الطبية وعلم نفس الطاقم.
ركن المعلومات الغذائية
يجب تكييف التوازن الغذائي للأغذية التي يتم توفيرها للبعثات الفضائية بشكل مثالي حتى يتمكن الطاقم من القيام برحلة طويلة بصحة جيدة
يجب تكييف التوازن الغذائي للأغذية التي يتم توفيرها للبعثات الفضائية بشكل مثالي حتى يتمكن الطاقم من القيام برحلة طويلة بصحة جيدة. نظرًا لأن عمليات إعادة الإمداد من الأرض ستكون صعبة ، فإن تحديد النظام الغذائي الصحيح وشكله الدقيق يعد هدفًا بالغ الأهمية.
يعتبر تجنب أي نقص في العناصر الغذائية الأساسية هو التحدي الأكثر وضوحًا ، وقد قامت وكالة ناسا بدراسة الاحتياجات الغذائية التفصيلية. ومع ذلك ، فقد ثبت أن الكثير من "نظام" الغذاء في الفضاء الحالي يعاني من القصور. على وجه التحديد ، يؤدي التخزين المحيط الطويل للأغذية إلى تدهور الفيتامينات A و B1 و B6 و C.
متوسط فقدان الوزن التراكمي لرواد الفضاء هو 2.4 في المائة لكل 100 يوم في الجاذبية الصغرى ، حتى مع الإجراءات المضادة الصارمة للتمارين المقاومة. كما تبين أن رواد الفضاء يعانون من نقص غذائي في البوتاسيوم والكالسيوم وفيتامين د وفيتامين ك لأن الطعام الموفر لا يسمح لهم بتلبية متطلبات المدخول اليومية.
تحتوي النباتات بشكل طبيعي على الفيتامينات والمعادن ، ومن شأن الاستهلاك الفوري للأطعمة الطازجة تجنب مشكلة التخزين. لذلك سيكون استهلاكها مكملًا رائعًا للأطعمة المجففة بالتجميد.
قام رائد الفضاء سكوت كيلي برعاية زينيا الفضاء المحتضر للعودة إلى صحته على محطة الفضاء الدولية. قام بتصوير باقة من الزهور في القبة على خلفية الأرض وشارك الصورة على إنستغرام في عيد الحب في عام 2016.
الطب
بالإضافة إلى الفيتامينات والمعادن ، تصنع النباتات العديد من المستقلبات الثانوية المختلفة. يمكن أن تساعد هذه المركبات بشكل كبير في منع المشكلات الصحية. على سبيل المثال ، يشارك حمض الفوليك في إصلاح الحمض النووي ، ولكن يتم تلبية متطلباته في 64 بالمائة فقط من أيام الرحلة. نظرًا لأن التيلوميرات ، نهاية الكروموسومات ، قد تغيرت بشكل كبير خلال الرحلات الطويلة ، فإن إضافة الفولات عن طريق النباتات الطازجة يمكن أن تساعد في تقليل الشيخوخة الجينية وحدوث السرطان.
من بين الأمثلة الأخرى ، يمكن للخضروات الغنية بالكاروتينويد أن تمنع تشوه العين الناجم عن الجاذبية الصغرى ، في حين أن حمية البرقوق المجففة يمكن أن تساعد في منع فقدان العظام الناجم عن الإشعاع. تحتوي العديد من النباتات على مضادات الأكسدة التي يمكن أن تساعد بشكل كبير في حماية الحمض النووي البشري من الطفرات التي يسببها الإشعاع. ومع ذلك ، فإن النظام الغذائي النباتي ليس كافيًا ويجب تطوير حلول أخرى لحماية رواد الفضاء من الإشعاع.
السيكولوجيا
بالإضافة إلى الفيتامينات والمعادن ، تصنع النباتات العديد من المستقلبات الثانوية المختلفة
نظرًا لأن العزلة والمسافة ستضع ضغطًا كبيرًا على الصحة العقلية لرواد الفضاء ، فإن الوجبة هي واحدة من أهم الأوقات لتخفيف الحالة المزاجية. يؤدي تناول الطعام المجفف بالتجميد في كل وجبة إلى إرهاق قائمة الطعام ويميل رواد الفضاء إلى تناول كميات أقل بمرور الوقت. يمكن أن يقلل تناول الطعام الطازج من هذا التعب ، ليس أقله في توفير التنوع في الشكل والملمس.
البستنة هي نشاط آخر مفيد للصحة العقلية للطاقم. ثبت أن زراعة النباتات لها تأثيرات مفيدة للغاية ، حيث يمكن أن تمنح رواد الفضاء شعورًا بالسفر مع قطعة من الأرض. حاولت بعض الدراسات العثور على النباتات ذات التأثيرات النفسية الأكثر فائدة ، حيث يمكن أن تكون عاملاً مهمًا جدًا للصحة العقلية للطاقم. على سبيل المثال ، قد تعمل الفراولة على تحسين الاستجابات النفسية الإيجابية ، مثل القوة واحترام الذات ، وتقليل الاكتئاب والتوتر بينما يمكن للكزبرة تحسين نوعية النوم.
وبالتالي ، فإن الزراعة الفضائية النباتية مثيرة للاهتمام على المستوى الغذائي والنفسي والطبي. ومع ذلك ، فإن قلة المساحة وظروف النمو الخاصة تحد من عدد المحاصيل واختيارها.
سيختلف الاختيار الفعلي للمحاصيل المستخدمة ، اعتمادًا على المعايير التي تم فحصها والمجال المفضل (التغذية وعلم النفس والطب). يمكن أن تكون بعض النباتات ذات العمر الافتراضي الطويل ملائمة ، مثل القمح أو البطاطس ، ولكن لها عيب في الحاجة إلى طهيها قبل الاستهلاك. هناك عامل آخر يجب مراعاته وهو الجهاز التناسلي وطريقة التلقيح للنباتات ، لأن الحيوانات (مثل الحشرات) غير مسموح بها على متن السفينة.
تم وضع قائمة بالمحاصيل المحتملة للنمو في الفضاء ، وقد تمت زراعة بعضها بالفعل على ظهر السفينة. اختار المؤلفون المعايير الغذائية والزراعية كأدوات لاختيارهم. وبالتالي ، بالنسبة للتأثيرات النفسية ، تم إرجاع قيمة من واحد (دقيقة) إلى أربعة (كحد أقصى) إلى طعم ومظهر المحصول أو جزء النبات الصالح للأكل.
جدول للمحاصيل المختلفة بخصائصها الغذائية والطبية والزراعية والنفسية المناسبة للبعثات الطويلة في الفضاء.
زراعة النباتات في مركبة فضائية
يمثل الفضاء مصدرين رئيسيين للضغط على النباتات: الإشعاع الكوني والجاذبية الصغرى.
يؤثر الإشعاع سلبًا على نمو النبات ويزيد من مخاطر الطفرات الجينية ، لذلك يجب أن تكون حماية النباتات من الإشعاع أولوية. بينما يمكن احتواء الإشعاع باستخدام الرصاص و / أو الدروع المائية ، فإن هذا يمثل كتلة إضافية لوضعها في المدار. يتمثل الحل الجيد ، الذي نشأ من معسكر قاعدة مارس في شركة لوكهيد مارتن (2018) ، في استخدام تخزين الوقود كدرع إشعاعي.
من ناحية أخرى ، لا تؤثر الجاذبية الصغرى على نمو النبات بشكل كبير ، على الرغم من أنها قد تبطئه. ومع ذلك ، فإن استجابة النبات تختلف باختلاف الأنواع ، حيث تؤثر الجاذبية الصغرى على التعبير الجيني للنبات. لقد تم اكتشاف أنه ، في الجاذبية الصغرى ، ستعبر النباتات عن المزيد من الجينات المرتبطة بالإجهاد ، مثل جينات الصدمة الحرارية ، وتزيد من إنتاجها للبروتينات المرتبطة بالتوتر. علاوة على ذلك ، وجد أن البذور لها تركيزات مختلفة من المستقلبات وتأخر الإنبات.
تؤثر الجاذبية الصغرى أيضًا على البيئة المكروية للنبات ، مثل قلة حركة الغلاف الجوي ، مما يخلق تكوينًا جويًا غير عادي وصعوبة في الري (مع أو بدون دعم). لا يوجد حمل حراري للهواء في الفضاء الخارجي ، لذلك إذا لم يتم تهوية المحطة النامية بشكل كافٍ ، فإن أي غاز ينبعث من المحطة سيبقى حول سطحه. لقد ثبت أن تراكم الإيثيلين الغازي حول أوراق النباتات يؤدي إلى نمو غير طبيعي للأوراق. يمكن أن تكون الغازات الأخرى ، مثل ثاني أكسيد الكربون ، الموجودة بتركيزات عالية في مركبة فضائية ، قاتلة لبعض النباتات. تنشأ نفس المشكلة بالنسبة لسقي النبات ، لذا ستكون هناك حاجة إلى تطوير طريقة لا تغرق الجذور.
يصعب تقييم استجابة النبات لبيئة الفضاء. يمكن لبعض جوانب تلك البيئة ، مثل المساحة المحدودة ، توجيه اختيارنا نحو أنواع الأقزام. ومع ذلك ، فإن بعض الجوانب الأخرى مثل استجابة النبات للجاذبية الصغرى تختلف باختلاف الأنواع والأصناف. على الرغم من ضرورة استمرار التجارب ، فقد تم بالفعل اختبار عدد معين من النباتات ووصفها بأنها قادرة على النمو في الفضاء ويمكننا استخدامها كأساس.
قد يستغرق تطوير غرفة نباتية ذاتية الاستدامة تغطي جميع الاحتياجات الغذائية لرواد الفضاء عقودًا ، لكن استخدام الغرف الصغيرة كتدابير تكميلية يمكن أن يساعد الطاقم في نقص الفيتامينات والعناصر الغذائية (التي يتم تغييرها في الأطعمة المعبأة) وتقليل إجهاد النظام الغذائي.
مارك فاندي هي ، شين كيمبرو ، توماس بيسكيت ، أكيهيكو هوشيد ، ميجان ماك آرثر من Space X Crew-02 وهم يتظاهرون مع حصادهم من الفلفل الأحمر والأخضر الحار في محطة الفضاء الدولية في عام 2021 لتحقيق Plant-Habitat 04.
نظام دعم الحياة الحيوي
يؤدي تناول الطعام المجفف بالتجميد في كل وجبة إلى إرهاق قائمة الطعام ويميل رواد الفضاء إلى تناول كميات أقل بمرور الوقت
في المركبة الفضائية ، الغرفة محدودة. لذلك ، يعتمد نجاح المهمة على الأنظمة التجديدية المضمنة في أنظمة دعم الحياة (LSS) والتي يمكنها إعادة تدوير المواد المستخدمة إلى مادة قابلة للاستخدام. ينتج نظام التحكم البيئي ودعم الحياة (ECLSS) المثبت في محطة الفضاء الدولية (ISS) الأكسجين والماء عن طريق إعادة تدوير ثاني أكسيد الكربون والبول ؛ ستكون هناك حاجة إلى نظام مماثل للرحلات الفضائية الطويلة.
ولدت فكرة LSS (BLSS) في الستينيات لتشمل إنتاج الغذاء وإعادة تدوير النفايات (على سبيل المثال ، المواد البرازية) إلى ECLSS. يمكن استخدام BLSS مع البكتيريا والطحالب لإعادة تدوير النيتروجين في النفايات الصلبة إلى شكل قابل للاستخدام من النيتروجين العضوي الذي يمكن أن تمتصه النباتات. تم تطوير وتنفيذ تجربة تتبع هذا المبدأ - نظام دعم الحياة الإيكولوجي الصغير (MELiSSA) - من قبل وكالة الفضاء الأوروبية منذ التسعينيات.
ومع ذلك ، نظرًا لأننا ندرج المصانع الأعلى في BLSS ، فسنحتاج إلى دراسة تكاملها مع تقنيات التحكم البيئي الأخرى الحالية ، مما يمثل تحديًا جديدًا. سيوفر تحديد تكلفة واستدامة أنظمة إنتاج المحاصيل الغذائية الأصغر هذه معلومات مهمة للتطور نحو BLSS أكبر.
رسم تخطيطي للتصميم الثاني لوحدة نمو نبات الأنبوب المسامي.
تطوير غرفة نمو النبات
يعد استخدام نظام الزراعة المائية لزراعة المحاصيل احتمالًا جذابًا ، حيث إنه يزرع النباتات في الماء بدلاً من الاعتماد على نظام يشبه التربة. هذا الأخير يضيف وزنا للمركبة الفضائية وخطر الجسيمات التي تطفو حولها ، وهما جانبان يجعلانها غير مواتية. قام الموئل النباتي المتقدم (APH) المثبت في محطة الفضاء الدولية بالفعل بتنمية مجموعة متنوعة من القمح القزم باستخدام نظام الزراعة المائية مع نظام ري أنبوبي مسامي مدمج في وحدة جذرية تحتوي على أرسيليت وسماد بطيء الإطلاق.
لتسهيل أنشطة الطاقم البستانية ولضمان نمو النباتات في بيئة مثالية ، يجب مراقبة الدورة الثقافية للمحاصيل بشكل كامل بواسطة الكمبيوتر. تم اختبار نظام المراقبة هذا في عام 2018 في أنتاركتيكا. سيضمن استخدام نظام مؤتمت جزئيًا لزراعة المحاصيل استفادة الطاقم من وجود النباتات في المركبة الفضائية (عن طريق التلاعب بها) وتجنب مشكلة الزراعة التي تستغرق وقتًا طويلاً. في الواقع ، لم يتم تحديد الغرفة اللازمة لزراعة النباتات بدقة بعد ، وقد أظهرت العديد من التجارب في البيئات الشبيهة بالفضاء (مثل HI-SEAS) أن هذا النشاط يمكن أن يصبح طويلاً.
ثبت أن زراعة النباتات لها آثار مفيدة للغاية ، حيث يمكن أن تمنح رواد الفضاء شعورًا بالسفر مع قطعة من الأرض
أخيرًا ، يعد نظام إنتاج الخضروات التابع لناسا ، أو Veggie ، (الذي تم إطلاقه في عام 2014) ، والذي يوفر مساحة نمو تبلغ 0.11 متر مربع ، مثالًا رائعًا على وحدة نمو النبات التي يمكن استخدامها على متن مركبة فضائية ، حيث تم اختبارها بالفعل على ISS. فيما يتعلق بمتطلبات الإضاءة ، يتم استخدام مصابيح LED ذات أطوال موجية مختلفة: الأحمر (630 نانومتر) والأزرق (455 نانومتر) حيث تنمو النباتات بشكل أكثر كفاءة تحت هذه الأطوال الموجية. قد يكون من الضروري أيضًا استخدام LED الأخضر لإعطاء النبات لونه الطبيعي ، وبالتالي تسهيل تحديد الأمراض وتذكير طاقم الأرض.
ميزونا (ملفوف ياباني) ، خس روماني أحمر وطوكيو بيكانا (ملفوف صيني) نمت في وحدة نباتية في محطة الفضاء الدولية.
تخلق ظروف الفضاء ضغوطًا لكل من البشر والنباتات ، لذا فإن تصميم النباتات القادرة على النمو في المركبات الفضائية وتساعد في تخفيف بعض الضغوط التي يتعرض لها رواد الفضاء قيد الدراسة حاليًا.
تم تحديد الجينات المشاركة في استجابات الإجهاد للنباتات ولكن لتقليل هذه التأثيرات أو تخفيفها ، يحتاج العلماء إلى تعديل التعبير عن الجينات الموجودة أو إضافة جينات التكيف مع الفضاء إلى الجينوم. يمكن تحقيق ذلك باستخدام التحرير الجيني وقد تم بالفعل تحديد ودراسة بعض الجينات المرشحة على وجه التحديد. على سبيل المثال ، ARG1 (الاستجابة المعدلة للجاذبية 1) ، وهو جين معروف بتأثيره على استجابات الجاذبية في النباتات على الأرض ، يشارك في التعبير عن 127 جينًا متعلقًا بالتكيف مع رحلات الفضاء. تم العثور على معظم الجينات المتغيرة في التعبير في رحلات الفضاء لتكون معتمدة على Arg1 ، مما يشير إلى دور رئيسي لهذا الجين في التكيف الفسيولوجي للخلايا غير المتمايزة لرحلات الفضاء. HsfA2 (عامل الصدمة الحرارية A2) له تأثير كبير على التكيف مع رحلات الفضاء ، على سبيل المثال من خلال التخليق الحيوي للنشا. الهدف هو إضعاف الجينات المسببة للتوتر وتعزيز الجينات المفيدة.
الجينات الأخرى ، التي تسمى جينات التكيف مع الفضاء ، مثل الجينات المتعلقة بالإشعاع ، والبيركلورات ، والتقزم ودرجة الحرارة الباردة ، تستحق الدراسة لأنها تساعد النباتات على مقاومة الظروف القاسية للفضاء. على سبيل المثال ، الكائنات الحية الدقيقة التي تكيفت مع البيئات شديدة الملوحة تمتلك جينات لمقاومة الأشعة فوق البنفسجية ومقاومة البركلورات. تم بالفعل زراعة العديد من أصناف الأقزام (مثل القمح) في محطة الفضاء الدولية ويمكن زراعة طماطم الكرز القزم "Red Robin" في محطة الفضاء الدولية كجزء من تجربة Veg-05 التابعة لناسا.
يمكننا أيضًا تصميم نباتات لصحة رواد الفضاء. إن تعزيز تراكم المركبات المفيدة ، أو صنع نباتات صالحة للأكل لكامل الجسم لتقليل النفايات ، أو تصميم نباتات لإنتاج الأدوية ضد الآثار الجانبية للفضاء على رواد الفضاء هي طرق ممكنة لجعل النباتات مفيدة للطاقم.
تم استخدام إستراتيجية نباتات النخبة (WBEEP) لكامل الجسم للأكل على نباتات البطاطس ، مما يجعل سيقان وأوراق البطاطس صالحة للأكل عن طريق إزالة السولانين منها. لتثبيط إنتاجه ، يتم إسكات الجينات المنتجة له أو تحويرها عن طريق التحرير الجيني. يتميز إنشاء بطاطس WBEEP بمزايا لأنه نبات سهل الزراعة ومصدر جيد للطاقة وقد أثبت قدرته على النمو في ظروف صعبة مثل الفضاء. كما تم تحصين النباتات لتلبية احتياجات الجسم من العناصر الغذائية بشكل كامل.
يؤثر الإشعاع سلبًا على نمو النبات ويزيد من مخاطر الطفرات الجينية ، لذلك يجب أن تكون حماية النباتات من الإشعاع أولوية
إحدى القضايا الرئيسية لصحة رواد الفضاء في الجاذبية الصغرى هي فقدان كثافة العظام. تتوازن عظامنا باستمرار بين النمو والارتشاف ، مما يسمح للعظام بالاستجابة للإصابة أو التغييرات في التمرين. يؤدي قضاء الوقت في الجاذبية الصغرى إلى تعطيل هذا التوازن ، مما يؤدي إلى ارتشاف العظام ، وبالتالي يفقد رواد الفضاء كتلة العظام. يمكن علاج هذا بعقار يسمى هرمون الغدة الجار درقية ، أو PTH ، لكنه يتطلب حقنًا منتظمة وله مدة صلاحية قصيرة جدًا ، مما يمثل مشكلة بالنسبة للرحلات الفضائية الطويلة. لذلك ، تم تصميم الخس المعدل وراثيا الذي ينتج هرمون PTH.
لا يزال تصميم نباتات قادرة على النمو في الفضاء وتكون مفيدة لرواد الفضاء في مراحلها الأولى من البحث. ومع ذلك ، فإن آفاقه واعدة للغاية وتتم دراستها من قبل جميع وكالات الفضاء الكبرى. لا يزال بناء غرفة نمو النبات في بيئة الفضاء غير المرغوبة يتطلب العمل. سيكون أحد التحديات هو إضافة الجزء الحيوي من BLSS إلى LSS الموجود بالفعل. التحدي الآخر هو الحاجة إلى اختيار أفضل للمحاصيل التي سيتم زراعتها على ظهر السفينة لتحمل ظروف المكان وتوفر عوائد كبيرة. ولكن بفضل انتشار المعرفة في مجال تربية النباتات ، سيسمح تحرير الجينات في المحاصيل المختارة بتكييفها بشكل أكبر مع ظروف الفضاء وتلبية الاحتياجات الغذائية والصحية للطاقم.
مصدر: https://room.eu.com