Il lancio della missione Artemis 1 della NASA sulla Luna a novembre ha segnato un altro passo nel viaggio che un giorno porterà gli esseri umani a visitare il nostro vicino planetario più vicino, Marte. Alla fine seguirà una missione umana sulla scia di molteplici veicoli spaziali robotici, il più recente dei quali è stato l'atterraggio del rover Perseverance sul pianeta rosso nel febbraio 2021. Per i viaggi umani su Marte ci sono molti problemi tecnologici da risolvere, chiave tra loro sono la protezione dalle radiazioni solari e la salute dell'equipaggio, compreso il modo migliore per fornire cibo nutriente. L'obiettivo e la sfida per molti esperti che studiano quest'ultimo è come evitare le carenze latenti causate dal consumo costante di alimenti liofilizzati. La disponibilità di cibo fresco sarà ovviamente un grande vantaggio sanitario e psicologico, e per questo sarà necessario coltivare e raccogliere piante lungo il percorso. In questo articolo, gli autori esaminano i dati e le ricerche attuali riguardanti la nutrizione, i benefici medici e psicologici e i possibili metodi di coltivazione dei raccolti nello spazio profondo.
Secondo la NASA, durante i lunghi voli spaziali compaiono cinque pericoli principali: radiazioni spaziali, isolamento e confinamento, distanza dalla Terra, bassa gravità e ambiente ostile e chiuso di un veicolo spaziale. Le piante viventi e il cibo appena coltivato potrebbero svolgere un ruolo importante nel supportare tre di questi: nutrizione, esigenze mediche e psicologia dell'equipaggio.
Alimentazione
L'equilibrio nutrizionale del cibo fornito per le missioni spaziali deve essere perfettamente adattato affinché un equipaggio possa sostenere un lungo viaggio in buona salute
L'equilibrio nutrizionale del cibo fornito per le missioni spaziali deve essere perfettamente adattato affinché un equipaggio possa sostenere un lungo viaggio in buona salute. Poiché i rifornimenti dalla Terra saranno difficili, determinare esattamente la dieta giusta e la sua forma precisa è un obiettivo fondamentale.
Evitare qualsiasi carenza di nutrienti essenziali è la sfida più ovvia e le esigenze nutrizionali dettagliate sono state studiate dalla NASA. Gran parte dell'attuale "sistema" alimentare spaziale, tuttavia, si è rivelato carente. In particolare, la lunga conservazione ambientale degli alimenti induce la degradazione delle vitamine A, B1, B6 e C.
La perdita di peso media cumulativa per gli astronauti è del 2.4% per 100 giorni in condizioni di microgravità, anche con rigorose contromisure di esercizio resistivo. È stato inoltre dimostrato che gli astronauti soffrono di carenze nutrizionali di potassio, calcio, vitamina D e vitamina K perché il cibo fornito non consente loro di soddisfare il fabbisogno giornaliero di assunzione.
Le piante contengono naturalmente vitamine e minerali e il consumo immediato di alimenti freschi eviterebbe il problema della conservazione. Consumarli sarebbe quindi un ottimo complemento al cibo liofilizzato.
L'astronauta Scott Kelly ha riportato in salute le zinnie spaziali morenti sulla ISS. Ha fotografato un mazzo di fiori nella Cupola sullo sfondo della Terra e ha condiviso la foto sul suo Instagram per San Valentino nel 2016.
Medicina
Oltre a vitamine e minerali, le piante sintetizzano molti diversi metaboliti secondari. Questi composti potrebbero essere di grande aiuto nella prevenzione di problemi di salute. Ad esempio, il folato è coinvolto nella riparazione del DNA, ma i suoi requisiti sono soddisfatti solo nel 64% dei giorni di volo. Poiché è stato dimostrato che i telomeri, l'estremità dei cromosomi, vengono alterati in modo significativo durante i voli lunghi, l'integrazione di folati tramite piante fresche potrebbe aiutare a ridurre l'invecchiamento genetico e l'insorgenza di tumori.
Tra gli altri esempi, le verdure ricche di carotenoidi potrebbero prevenire la distorsione oculare causata dalla microgravità, mentre una dieta a base di prugne secche può aiutare a prevenire la perdita ossea indotta dalle radiazioni. Molte piante contengono antiossidanti che possono essere di grande aiuto nella protezione del DNA umano dalle mutazioni indotte dalle radiazioni. Tuttavia, una dieta a base vegetale non è sufficiente e devono essere sviluppate altre soluzioni per proteggere gli astronauti dalle radiazioni.
Psicologia
Oltre a vitamine e minerali, le piante sintetizzano molti diversi metaboliti secondari
Poiché l'isolamento e la distanza metteranno a dura prova la salute mentale degli astronauti, il pasto è uno dei momenti più importanti per alleggerire l'umore. Mangiare cibo liofilizzato ad ogni pasto crea affaticamento del menu e gli astronauti tendono a mangiare di meno nel tempo. Mangiare cibo fresco può ridurre questa fatica, non da ultimo fornendo varietà nella forma e nella consistenza.
Un'altra attività benefica per la salute mentale dell'equipaggio è l'orticoltura. È stato dimostrato che la coltivazione delle piante ha effetti estremamente benefici, in quanto può dare agli astronauti la sensazione di viaggiare con un pezzo di Terra. Alcuni studi hanno cercato di trovare le piante con gli effetti psicologici più benefici, in quanto potrebbero essere un fattore molto importante per la salute mentale dell'equipaggio. Ad esempio, le fragole possono migliorare le risposte psicologiche positive, come il vigore e l'autostima, ridurre la depressione e lo stress mentre il coriandolo potrebbe migliorare la qualità del sonno.
Pertanto, l'agricoltura spaziale basata sulle piante è interessante a livello nutrizionale, psicologico e medico. Tuttavia, la mancanza di spazio e le particolari condizioni di coltivazione limitano il numero e la scelta delle colture.
La scelta effettiva delle colture utilizzate varierà, a seconda dei criteri esaminati e del campo (nutrizione, psicologia e medicina) privilegiato. Alcune piante a lunga conservazione possono essere convenienti, come il grano o la patata, ma hanno lo svantaggio di dover essere cotte prima del consumo. Un altro fattore da considerare è il sistema riproduttivo e la modalità di impollinazione delle piante, perché gli animali (come gli insetti) non sono ammessi a bordo.
È stato stabilito un elenco di potenziali colture da coltivare nello spazio, alcune delle quali erano già state coltivate a bordo. Gli autori hanno selezionato criteri nutrizionali e agronomici come strumenti per sceglierli. Pertanto, per gli effetti psicologici, è stato attribuito un valore da uno (minimo) a quattro (massimo) al gusto e all'aspetto del raccolto o della parte commestibile della pianta.
Tabella delle diverse colture con le loro caratteristiche nutrizionali, mediche, agronomiche e psicologiche adatte a lunghe missioni nello spazio.
Piante in crescita in un veicolo spaziale
Lo spazio presenta due principali fonti di stress per le piante: le radiazioni cosmiche e la microgravità.
Le radiazioni influiscono negativamente sulla crescita delle piante e aumentano i rischi di mutazioni genetiche, quindi proteggere le piante dalle radiazioni dovrebbe essere una priorità. Sebbene le radiazioni possano essere contenute utilizzando schermi di piombo e/o acqua, ciò rappresenta una massa aggiuntiva da posizionare in orbita. Una buona soluzione, che ha avuto origine dal Mars Base Camp di Lockheed Martin (2018), è quella di utilizzare lo stoccaggio del carburante come scudo contro le radiazioni.
La microgravità, d'altra parte, non compromette significativamente la crescita delle piante, anche se potrebbe rallentarla. Tuttavia, la risposta della pianta differisce a seconda della specie, poiché la microgravità influisce sull'espressione del genoma della pianta. È stato scoperto che, in condizioni di microgravità, le piante esprimeranno più geni legati allo stress, come i geni dello shock termico, e aumenteranno la loro produzione di proteine legate allo stress. Inoltre, è stato riscontrato che i semi hanno concentrazioni diverse di metaboliti e germinazione ritardata.
La microgravità influisce anche sul microambiente della pianta, come la mancanza di movimento dell'atmosfera, creando una composizione atmosferica insolita e difficoltà nell'irrigazione (con o senza supporto). Non c'è convezione dell'aria nello spazio esterno, quindi se la stazione di coltivazione non è sufficientemente ventilata, qualsiasi gas emesso dalla pianta rimarrà intorno alla sua superficie. È stato dimostrato che l'accumulo di etilene gassoso attorno alle foglie delle piante provoca uno sviluppo fogliare anomalo. Altri gas, come l'anidride carbonica, presenti in alte concentrazioni in un veicolo spaziale, possono essere letali per alcune piante. Lo stesso problema si pone per l'irrigazione delle piante, quindi sarà necessario sviluppare un metodo che non anneghi le radici.
La risposta della pianta all'ambiente spaziale è più difficile da valutare. Alcuni aspetti di quell'ambiente, come lo spazio ristretto, possono orientare la nostra scelta verso le varietà nane. Tuttavia, alcuni altri aspetti come la risposta della pianta alla microgravità variano a seconda delle specie e delle varietà. Sebbene gli esperimenti debbano continuare, un certo numero di piante è già stato testato e descritto come in grado di crescere nello spazio e possiamo usarle come base.
Lo sviluppo di una camera vegetale autosufficiente che copra tutti i bisogni nutritivi degli astronauti potrebbe richiedere decenni, ma l'utilizzo di piccole camere come misure complementari potrebbe aiutare l'equipaggio con carenze di vitamine e sostanze nutritive (che sono alterate nel cibo confezionato) e ridurre l'affaticamento della dieta.
Mark Vande Hei, Shane Kimbrough, Thomas Pesquet, Akihiko Hoshide e Megan McArthur della Space X Crew-02 posano con il loro raccolto di peperoncini rossi e verdi nella ISS nel 2021 per l'indagine Plant-Habitat 04.
Sistema di supporto vitale biorigenerativo
Mangiare cibo liofilizzato ad ogni pasto crea affaticamento del menu e gli astronauti tendono a mangiare di meno nel tempo
In un veicolo spaziale, lo spazio è limitato. Pertanto, il successo della missione dipende dai sistemi rigenerativi incorporati nei Life Support Systems (LSS) che possono riciclare la materia usata in materia utilizzabile. L'Environmental Control and Life Support System (ECLSS) installato nella Stazione Spaziale Internazionale (ISS) produce ossigeno e acqua riciclando anidride carbonica e urina; un sistema simile sarà necessario per lunghi voli spaziali.
L'idea di un LSS biorigenerativo (BLSS) è nata negli anni '1960 per includere la produzione alimentare e il riciclaggio di materiali di scarto (ad esempio, materia fecale) nell'ECLSS. Un BLSS con batteri e alghe potrebbe essere utilizzato per riciclare l'azoto contenuto nei rifiuti solidi in una forma utilizzabile di azoto organico che le piante potrebbero assorbire. Un esperimento che segue questo principio - il Micro Ecological Life Support System Alternative (MELiSSA) - è stato sviluppato e condotto dall'Agenzia spaziale europea sin dagli anni '1990.
Tuttavia, poiché includiamo gli impianti superiori nel BLSS, dovremo studiare la loro integrazione con le altre tecnologie di controllo ambientale esistenti, il che rappresenta una nuova sfida. Determinare il costo e la sostenibilità di questi piccoli sistemi di produzione di colture alimentari fornirà informazioni fondamentali per l'evoluzione verso un BLSS più ampio.
Diagramma schematico del secondo progetto dell'unità di crescita delle piante a tubo poroso.
Sviluppo di una camera di crescita delle piante
L'utilizzo di un sistema idroponico per coltivare le colture è una possibilità allettante, poiché fa crescere le piante in acqua invece di fare affidamento su un sistema simile al suolo. Quest'ultimo aggiunge peso al veicolo spaziale e il rischio di particelle che fluttuano intorno, due aspetti che lo rendono svantaggioso. L'Advanced Plant Habitat (APH) installato sulla ISS ha già coltivato una varietà di grano nano utilizzando un sistema idroponico con un sistema di irrigazione a tubo poroso incorporato in un modulo radicale contenente arcillite e un fertilizzante a lenta cessione.
Per facilitare le attività orticole dell'equipaggio e garantire che le piante crescano in un ambiente ottimale, il ciclo colturale delle colture deve essere completamente monitorato da un computer. Tale sistema di monitoraggio è stato testato nel 2018 in Antartide. L'utilizzo di un sistema parzialmente automatizzato per la coltivazione delle colture garantirà che l'equipaggio tragga vantaggio dalla presenza di piante nel veicolo spaziale (manipolandole) ed eviterà che il problema dell'agricoltura diventi troppo dispendioso in termini di tempo. In effetti, lo spazio necessario per far crescere le piante non è ancora definito con precisione e diversi esperimenti in ambienti simili allo spazio (come l'HI-SEAS) hanno dimostrato che questa attività può diventare lunga.
È stato dimostrato che la coltivazione delle piante ha effetti estremamente benefici, in quanto può dare agli astronauti la sensazione di viaggiare con un pezzo di Terra
Infine, il sistema di produzione vegetale della NASA, o Veggie, (lanciato nel 2014), che fornisce un'area di coltivazione di 0.11 m², è un ottimo esempio di un'unità di crescita delle piante che potrebbe essere utilizzata a bordo di un veicolo spaziale, poiché è già stata testata sul ISS. In termini di requisiti di luce, i LED vengono utilizzati con due diverse lunghezze d'onda: rosso (630 nm) e blu (455 nm) poiché le piante crescono in modo più efficiente sotto queste lunghezze d'onda. Potrebbe anche essere necessario un LED verde per dare alla pianta il suo colore naturale, facilitando così l'identificazione delle malattie e ricordando la Terra all'equipaggio.
Mizuna (cavolo giapponese), lattuga romana rossa e Tokyo bekana (cavolo cinese) coltivati nell'unità Veggie della ISS.
Le condizioni spaziali creano stress sia per gli esseri umani che per le piante, quindi è attualmente allo studio la progettazione di piante in grado di crescere in veicoli spaziali e aiutare ad alleviare alcuni degli stress che gli astronauti sperimentano.
Sono stati identificati i geni coinvolti nelle risposte allo stress delle piante, ma per ridurre o mitigare tali effetti gli scienziati devono modificare l'espressione dei geni esistenti o aggiungere geni di adattamento spaziale nei genomi. Ciò può essere ottenuto utilizzando l'editing genetico e alcuni geni candidati sono già stati specificatamente identificati e studiati. Ad esempio, ARG1 (Altered Response to Gravity 1), un gene noto per influenzare le risposte gravitazionali nelle piante sulla Terra, è coinvolto nell'espressione di 127 geni correlati all'adattamento al volo spaziale. La maggior parte dei geni alterati nell'espressione durante il volo spaziale è risultata essere Arg1-dipendente, suggerendo un ruolo importante per quel gene nell'adattamento fisiologico delle cellule indifferenziate al volo spaziale. HsfA2 (Heat Shock Factor A2) ha un effetto significativo sull'adattamento al volo spaziale, ad esempio attraverso la biosintesi dell'amido. L'obiettivo è danneggiare i geni che inducono lo stress e promuovere quelli benefici.
Altri geni, chiamati geni di adattamento allo spazio, come i geni legati alle radiazioni, al perclorato, al nanismo e al freddo, sono potenzialmente degni di essere studiati in quanto aiuterebbero le piante a resistere alle dure condizioni dello spazio. Ad esempio, i microrganismi adattati agli ambienti ipersalini possiedono geni per la resistenza ai raggi UV e per la resistenza al perclorato. Molte varietà nane (ad esempio di grano) sono già state coltivate sulla ISS e il pomodoro ciliegino nano 'Red Robin' potrebbe essere coltivato sulla ISS come parte dell'esperimento Veg-05 della NASA.
Possiamo anche progettare impianti per la salute degli astronauti. Promuovere l'accumulo di composti benefici, realizzare piante commestibili per tutto il corpo per ridurre gli sprechi o progettare piante per produrre farmaci contro gli effetti collaterali dello spazio sugli astronauti sono modi possibili per rendere le piante utili per l'equipaggio.
Una strategia Whole-Body Edible and Elite Plant (WBEEP) è stata utilizzata sulle piante di patate, rendendo commestibili gli steli e le foglie delle patate rimuovendo la solanina da essi. Per inibirne la produzione, i geni che lo producono vengono messi a tacere o mutati mediante editing genetico. La creazione di questa patata WBEEP ha dei vantaggi in quanto è una pianta facilmente coltivabile che è una buona fonte di energia e si è dimostrata in grado di crescere in condizioni difficili come lo spazio. Le piante sono state anche fortificate per soddisfare pienamente i bisogni nutritivi del corpo umano.
Le radiazioni influiscono negativamente sulla crescita delle piante e aumentano i rischi di mutazioni genetiche, quindi proteggere le piante dalle radiazioni dovrebbe essere una priorità
Uno dei problemi principali per la salute degli astronauti in condizioni di microgravità è la perdita di densità ossea. Le nostre ossa sono costantemente bilanciate tra crescita e riassorbimento, consentendo alle ossa di rispondere a lesioni o cambiamenti nell'esercizio. Trascorrere del tempo in condizioni di microgravità interrompe questo equilibrio, inclinando le ossa verso il riassorbimento, quindi gli astronauti perdono massa ossea. Questo può essere trattato con un farmaco chiamato ormone paratiroideo, o PTH, ma richiede iniezioni regolari e ha una durata di conservazione molto breve, il che è problematico per i lunghi voli spaziali. Pertanto, è stata progettata una lattuga transgenica che produce PTH.
Progettare piante in grado di crescere nello spazio ed essere utili per gli astronauti è ancora nella sua fase iniziale di ricerca. Tuttavia, le sue prospettive sono molto promettenti e sono allo studio di tutte le principali agenzie spaziali. Costruire una camera di crescita delle piante nell'ambiente inospitale dello spazio richiede ancora lavoro. Una delle sfide sarà quella di aggiungere la parte biorigenerativa del BLSS al LSS già esistente. Un'altra sfida è la necessità di una migliore scelta delle colture da coltivare a bordo per resistere alle condizioni di spazio e offrire rese significative. Ma grazie alla diffusione delle conoscenze nel miglioramento genetico delle piante, l'editing genetico nelle colture scelte consentirà loro di essere ulteriormente adattate alle condizioni spaziali e di soddisfare le esigenze nutrizionali e sanitarie di un equipaggio.
Una fonte: https://room.eu.com