השיגור של משימת ארטמיס 1 של נאס"א לירח בנובמבר סימן צעד נוסף במסע שיוביל יום אחד לביקור של בני אדם בשכננו הפלנטרי הקרוב ביותר, מאדים. משימה אנושית תבוא בסופו של דבר בעקבות חלליות רובוטיות מרובות, האחרונה שבהן הייתה הנחיתה של רובר Perseverance על כוכב הלכת האדום בפברואר 2021. למסעות אנושיים למאדים ישנן בעיות טכנולוגיות רבות שצריך לפתור, המפתח בין הם ההגנה מפני קרינת השמש ובריאות הצוות, כולל הדרך הטובה ביותר לספק מזון מזין. המיקוד והאתגר של מומחים רבים החוקרים את האחרון הוא כיצד להימנע מהחסרים הסמויים הנגרמים כתוצאה מצריכה מתמדת של מזון מיובש בהקפאה. הזמינות של מזון טרי תהווה כמובן יתרון בריאותי ופסיכולוגי גדול, ולשם כך יהיה צורך לגדל ולקצור צמחים בדרך. במאמר זה, הכותבים סוקרים נתונים ומחקרים עדכניים בנוגע לתזונה, יתרונות רפואיים ופסיכולוגיים ושיטות אפשריות לגידול יבולים בחלל העמוק.
לפי נאס"א, חמש סכנות עיקריות מופיעות במהלך טיסות ארוכות בחלל: קרינת חלל, בידוד וכליאה, מרחק מכדור הארץ, כוח משיכה נמוך וסביבה עוינת וסגורה של חללית. צמחים חיים ומזון שגדל טרי יכולים למלא תפקיד מרכזי בתמיכה בשלושה מהם: תזונה, צרכים רפואיים ופסיכולוגיה של הצוות.
תזונה
האיזון התזונתי של המזון המסופק למשימות חלל חייב להיות מותאם בצורה מושלמת לצוות כדי לקיים מסע ארוך בבריאות טובה
האיזון התזונתי של המזון המסופק למשימות חלל חייב להיות מותאם בצורה מושלמת לצוות כדי לקיים מסע ארוך בבריאות טובה. מכיוון שאספקה מכדור הארץ תהיה קשה, קביעת התזונה הנכונה בדיוק וצורתה המדויקת היא מטרה קריטית.
הימנעות מכל מחסור ברכיבי תזונה חיוניים היא האתגר הברור ביותר, וצרכים תזונתיים מפורטים נחקרו על ידי נאס"א. אולם, חלק ניכר מ'מערכת המזון בחלל' הנוכחית הוכח כחסר. באופן ספציפי, האחסון הארוך בסביבה של מזון גורם לפירוק של ויטמינים A, B1, B6 ו-C.
ירידה ממוצעת מצטברת במשקל עבור אסטרונאוטים היא 2.4 אחוזים ל-100 ימים במיקרו-כבידה, אפילו עם אמצעי נגד מחמירים של פעילות גופנית התנגדות. כמו כן, הוכח כי אסטרונאוטים סובלים ממחסור תזונתי באשלגן, סידן, ויטמין D וויטמין K מכיוון שהמזון המסופק אינו מאפשר להם לעמוד בדרישות הצריכה היומית.
צמחים מכילים באופן טבעי ויטמינים ומינרלים, וצריכה מיידית של מזון טרי תמנע את בעיית האחסון. צריכתם תהיה לכן תוספת נהדרת למזון מיובש בהקפאה.
האסטרונאוט סקוט קלי טיפח זיני חלל גוססים בחזרה לבריאות ב-ISS. הוא צילם זר פרחים בקופולה על רקע כדור הארץ ושיתף את התמונה באינסטגרם שלו ליום האהבה ב-2016.
רפואה
בנוסף לויטמינים ומינרלים, צמחים מסנתזים מטבוליטים משניים רבים ושונים. תרכובות אלו יכולות להיות לעזר רב במניעת בעיות בריאותיות. לדוגמה, חומצה פולית מעורבת בתיקון DNA, אבל הדרישות שלו מתקיימות רק ב-64 אחוז מימי הטיסה. מכיוון שהוכח כי טלומרים, סוף הכרומוזומים, משתנים באופן משמעותי במהלך טיסות ארוכות, תוספת של חומצה פולית באמצעות צמחים טריים עשויה לסייע בהפחתת הזדקנות גנטית והתרחשויות סרטן.
בין הדוגמאות האחרות, ירקות עשירים בקרוטנואידים יכולים למנוע עיוות עיניים הנגרם על ידי מיקרו-כבידה, בעוד שדיאטת שזיפים מיובשים יכולה לסייע במניעת אובדן עצם כתוצאה מקרינה. צמחים רבים מכילים נוגדי חמצון שיכולים להיות לעזר רב בהגנה על DNA אנושי מפני מוטציות הנגרמות על ידי קרינה. עם זאת, תזונה מהצומח אינה מספיקה ויש לפתח פתרונות אחרים להגנה על האסטרונאוטים מקרינה.
פסיכולוגיה
בנוסף לויטמינים ומינרלים, צמחים מסנתזים מטבוליטים משניים רבים ושונים
מכיוון שהבידוד והריחוק יגרמו לעומס משמעותי על בריאותם הנפשית של האסטרונאוטים, הארוחה היא אחד הזמנים החשובים ביותר להקלת מצב הרוח. אכילת מזון מיובש בהקפאה בכל ארוחה יוצרת עייפות בתפריט ואסטרונאוטים נוטים לאכול פחות לאורך זמן. אכילת מזון טרי יכולה להפחית עייפות זו, לא מעט במתן מגוון בצורה ומרקם.
פעילות נוספת המועילה לבריאות הנפש של הצוות היא גננות. גידול צמחים הוכח כבעל השפעות מועילות מאוד, מכיוון שהוא יכול לתת לאסטרונאוטים תחושה של נסיעה עם פיסת כדור הארץ. כמה מחקרים ניסו למצוא את הצמחים עם ההשפעות הפסיכולוגיות המועילות ביותר, מכיוון שהם יכולים להיות גורם חשוב מאוד לבריאות הנפשית של הצוות. לדוגמה, תותים עשויים לשפר תגובות פסיכולוגיות חיוביות, כמו נמרצות והערכה עצמית, להפחית דיכאון ומתח בעוד כוסברה יכולה לשפר את איכות השינה.
לפיכך, חקלאות שטח על בסיס צמחי מעניינת ברמה התזונתית, הפסיכולוגית והרפואית. עם זאת, המחסור במקום ותנאי הגידול המסוימים מגבילים את מספר הגידולים ואת בחירת הגידולים.
בחירת הגידולים בפועל תשתנה, בהתאם לקריטריונים שנבדקו ולתחום המועדף (תזונה, פסיכולוגיה ורפואה). צמחים מסוימים עם חיי מדף ארוכים יכולים להיות נוחים, כמו חיטה או תפוח אדמה, אך יש להם את החיסרון של צורך לבשל אותם לפני הצריכה. גורם נוסף שיש לקחת בחשבון הוא מערכת הרבייה ואופן ההאבקה של הצמחים, מכיוון שבעלי חיים (כגון חרקים) אינם מורשים לעלות על הסיפון.
הוקמה רשימה של גידולים פוטנציאליים לגידול בחלל, שחלקם כבר טופחו על הסיפון. המחברים בחרו בקריטריונים תזונתיים ואגרונומיים ככלי לבחירתם. לפיכך, עבור השפעות פסיכולוגיות, ערך מאחד (דקה) עד ארבע (מקסימום) יוחס לטעם ולמראה של היבול או חלק הצמח האכיל.
טבלת גידולים שונים עם מאפיינים תזונתיים, רפואיים, אגרונומיים ופסיכולוגיים המתאימים למשימות ארוכות בחלל.
גידול צמחים בחללית
החלל מציג שני מקורות עיקריים של מתח לצמחים: קרינה קוסמית ומיקרו-כבידה.
קרינה משפיעה לרעה על צמיחת הצמח ומגבירה את הסיכונים למוטציות גנטיות, ולכן הגנה על צמחים מפני קרינה צריכה להיות בראש סדר העדיפויות. בעוד שניתן להכיל קרינה באמצעות מגני עופרת ו/או מים, זה מייצג מסה נוספת להציב במסלול. פתרון טוב, שמקורו במחנה בסיס מאדים של לוקהיד מרטין (2018), הוא להשתמש באחסון דלק כמגן קרינה.
מיקרו-כבידה, לעומת זאת, אינה פוגעת באופן משמעותי בצמיחת הצמח, אם כי היא עשויה להאט אותה. עם זאת, תגובת הצמח שונה בהתאם למין, שכן מיקרו-כבידה משפיעה על ביטוי הגנום של הצמח. התגלה שבמיקרו-כבידה, צמחים יבטאו יותר גנים הקשורים לסטרס, כמו גנים של הלם חום, ויגבירו את ייצורם של חלבונים הקשורים לסטרס. יתרה מכך, לזרעים נמצאו ריכוזים שונים של מטבוליטים והנבטה מאוחרת.
מיקרו-כבידה משפיעה גם על המיקרו-סביבה של הצמח, כמו חוסר תנועה של האטמוספירה, יוצר הרכב אטמוספרי יוצא דופן וקושי בהשקיה (עם או בלי תמיכה). אין הסעת אוויר בחלל החיצון, כך שאם תחנת הגידול אינה מאווררת מספיק כל גז שפולט מהצמח יישאר סביב פני השטח שלה. הוכח שהצטברות של אתילן גזי סביב עלי הצמחים גורמת להתפתחות עלים לא תקינה. גזים אחרים, כמו פחמן דו חמצני, הנמצאים בריכוז גבוה בחללית, יכולים להיות קטלניים לצמחים מסוימים. אותה בעיה מתעוררת בהשקיית צמחים, ולכן יהיה צורך בפיתוח שיטה שאינה מטביעה את השורשים.
קשה יותר להעריך את תגובת המפעל לסביבת החלל. כמה היבטים של סביבה זו, כמו שטח מוגבל, יכולים לכוון את הבחירה שלנו לעבר זנים ננסיים. עם זאת, כמה היבטים אחרים כמו תגובת הצמח למיקרו-כבידה משתנים בהתאם למינים ולזנים. למרות שהניסויים צריכים להימשך, מספר מסוים של צמחים כבר נבדק ותואר כמסוגלים לגדול בחלל ואנחנו יכולים להשתמש בהם כבסיס.
הפיתוח של תא צמח המקיים את עצמו המכסה את כל הצרכים התזונתיים של האסטרונאוטים עשוי להימשך עשרות שנים, אך שימוש בתאים קטנים כאמצעים משלימים יכול לעזור לצוות עם מחסור בויטמינים וחומרי מזון (המשתנים במזון ארוז) ולהפחית את עייפות הדיאטה.
מארק ואנדה היי, שיין קימברו, תומס פסק, אקיהיקו הושיד ומייגן מקארתור מ-Space X Crew-02 מצטלמים עם קציר פלפלי צ'ילי אדומים וירוקים ב-ISS בשנת 2021 לצורך חקירת Plant-Habitat 04.
מערכת תומכת חיים ביו-רגנרטיבית
אכילת מזון מיובש בהקפאה בכל ארוחה יוצרת עייפות בתפריט ואסטרונאוטים נוטים לאכול פחות לאורך זמן
בחללית, המקום מוגבל. לכן, הצלחת המשימה תלויה במערכות רגנרטיביות המוטמעות במערכות תומכות חיים (LSS) שיכולות למחזר חומר משומש לחומר שמיש. מערכת בקרת הסביבה ותמיכת חיים (ECLSS) המותקנת בתחנת החלל הבינלאומית (ISS) מייצרת חמצן ומים על ידי מיחזור פחמן דו חמצני ושתן; מערכת דומה תידרש לטיסות ארוכות בחלל.
הרעיון של LSS ביולוגי-רגנרטיבי (BLSS) נולד בשנות ה-1960 כדי לכלול ייצור מזון ומיחזור של חומרי פסולת (לדוגמה, חומרי צואה) ל-ECLSS. ניתן להשתמש ב-BLSS עם חיידקים ואצות כדי למחזר את החנקן בפסולת מוצקה בחזרה לצורה שמישה של חנקן אורגני שצמחים יכולים לספוג. ניסוי העוקב אחר עיקרון זה - ה-Micro Ecological Life Support System Alternative (MELiSSA) - פותח ונערך על ידי סוכנות החלל האירופית מאז שנות ה-1990.
עם זאת, מכיוון שאנו כוללים מפעלים גבוהים יותר ב-BLSS, נצטרך ללמוד את השילוב שלהם עם טכנולוגיות בקרת הסביבה הקיימות האחרות, המייצגות אתגר חדש. קביעת העלות והקיימות של מערכות ייצור מזון קטנות יותר אלה תספק מידע קריטי להתפתחות לקראת BLSS גדול יותר.
דיאגרמה סכמטית של העיצוב השני של יחידת הגידול של צמח הצינור הנקבובי.
פיתוח תא גידול צמחים
שימוש במערכת הידרופונית לגידול יבולים הוא אפשרות אטרקטיבית, שכן הוא מגדל צמחים במים במקום להסתמך על מערכת דמוית אדמה. זה האחרון מוסיף משקל לחללית ואת הסיכון של ציפה של חלקיקים, שני היבטים שהופכים אותה לחסרת ערך. ה-Advanced Plant Habitat (APH) המותקן ב-ISS כבר גידל מגוון של חיטה ננסית באמצעות מערכת הידרופונית עם מערכת השקיית צינורות נקבוביים המוטמעת במודול שורש המכיל ארציליט ודשן בשחרור איטי.
כדי להקל על פעילויות הגננות של הצוות וכדי להבטיח שצמחים גדלים בסביבה אופטימלית, יש לנטר את מחזור התרבות היבול במלואו על ידי מחשב. מערכת ניטור כזו נוסתה בשנת 2018 באנטארקטיקה. שימוש במערכת אוטומטית חלקית לגידול יבולים יבטיח שהצוות ייהנה מנוכחות הצמחים בחללית (על ידי מניפולציה שלהם) וימנע שנושא החקלאות הופך זמן רב מדי. ואכן, החדר הדרוש לגידול צמחים עדיין לא מוגדר במדויק וכמה ניסויים בסביבות דמויות חלל (כמו ה-HI-SEAS) הראו שפעילות זו יכולה להיות ארוכה.
גידול צמחים הוכח כבעל השפעות מועילות מאוד, מכיוון שהוא יכול לתת לאסטרונאוטים תחושה של נסיעה עם פיסת כדור הארץ
לבסוף, מערכת ייצור הירקות של נאס"א, או Veggie, (הושקה ב-2014), המספקת שטח גידול של 0.11 מ"ר, היא דוגמה מצוינת ליחידת גידול צמחים שיכולה לשמש על סיפון חללית, שכן היא כבר נוסתה על ISS. מבחינת דרישות האור, נעשה שימוש בנורות LED עם שני אורכי גל שונים: אדום (630 ננומטר) וכחול (455 ננומטר) מכיוון שצמחים גדלים ביעילות רבה יותר תחת אורכי גל אלו. ייתכן שיהיה צורך גם ב-LED ירוק כדי לתת לצמח את צבעו הטבעי, ובכך להקל על זיהוי המחלות ולהזכיר לצוות את כדור הארץ.
מיזונה (כרוב יפני), חסה רומנית אדומה ובקאנה טוקיו (כרוב סיני) שגדלו ביחידת Veggie ב-ISS.
תנאי החלל יוצרים מתח הן לבני אדם והן לצמחים, ולכן העיצוב של צמחים המסוגלים לגדול בחללית ולסייע בהקלת חלק מהלחצים שחווים אסטרונאוטים נחקר כעת.
גנים המעורבים בתגובות הלחץ של צמחים זוהו, אך כדי להפחית או למתן את ההשפעות הללו, מדענים צריכים לשנות את הביטוי של גנים קיימים או להוסיף גנים להסתגלות למרחב לתוך הגנום. ניתן להשיג זאת באמצעות עריכת גנים וכמה גנים מועמדים כבר זוהו ונחקרו במיוחד. לדוגמה, ARG1 (Altered Response to Gravity 1), גן הידוע כמשפיע על תגובות כוח הכבידה בצמחים על פני כדור הארץ, מעורב בביטוי של 127 גנים הקשורים להסתגלות לטיסות החלל. רוב הגנים שהשתנו בביטוי בטיסות חלל נמצאו תלויים ב-Arg1, מה שמצביע על תפקיד מרכזי של אותו גן בהסתגלות הפיזיולוגית של תאים לא מובחנים לטיסה בחלל. ל-HsfA2 (Heat Shock Factor A2) יש השפעה משמעותית על התאמת הטיסה לחלל, למשל באמצעות ביוסינתזה של עמילן. המטרה היא לפגוע בגנים מעוררי מתח ולקדם גנים מועילים.
גנים אחרים, הנקראים גנים להסתגלות לחלל, כמו גנים הקשורים לקרינה, פרכלורט, גמדות וטמפרטורה קרה, ראויים למחקר מכיוון שהם יסייעו לצמחים להתנגד לתנאים הקשים של החלל. לדוגמה, למיקרואורגניזמים המותאמים לסביבות היפר-מלח יש גנים לעמידות בפני UV ועמידות לפרכלורטים. זנים ננסיים רבים (למשל של חיטה) כבר טופחו ב-ISS ואפשר לגדל את עגבניות השרי הננסיות 'Red Robin' ב-ISS כחלק מהניסוי Veg-05 של נאס"א.
אנחנו יכולים גם לעצב צמחים לבריאות האסטרונאוטים. קידום הצטברות של תרכובות מועילות, הכנת צמחים אכילים לכל הגוף כדי להפחית פסולת, או עיצוב צמחים לייצור תרופות נגד תופעות הלוואי של החלל על אסטרונאוטים הם דרכים אפשריות להפוך צמחים לשימושיים עבור הצוות.
נעשה שימוש באסטרטגיית צמח אכילה וצמח עילית לכל הגוף (WBEEP) על צמחי תפוחי אדמה, מה שהופך גבעולים ועלים של תפוחי אדמה לאכילים על ידי הסרת הסולנין מהם. כדי לעכב את ייצורו, או שהגנים המייצרים אותו מושתקים או עוברים מוטציה על ידי עריכת גנים. ליצירת תפוח האדמה WBEEP הזה יש יתרונות שכן הוא צמח לעיבוד קל המהווה מקור אנרגיה טוב והוכח שהוא מסוגל לגדול בתנאים קשים כמו חלל. הצמחים גם חוזקו כדי לענות באופן מלא על צורכי התזונה של גוף האדם.
קרינה משפיעה לרעה על צמיחת הצמח ומגבירה את הסיכונים למוטציות גנטיות, ולכן הגנה על צמחים מפני קרינה צריכה להיות בראש סדר העדיפויות
אחת הבעיות העיקריות לבריאות האסטרונאוטים במיקרו-כבידה היא אובדן צפיפות העצם. העצמות שלנו מאוזנות כל הזמן בין גדילה לספיגה, מה שמאפשר לעצמות להגיב לפציעה או לשינויים בפעילות גופנית. בילוי זמן במיקרו-כבידה משבש את האיזון הזה, מטה את העצמות לקראת ספיגה, כך שאסטרונאוטים מאבדים מסת עצם. ניתן לטפל בכך באמצעות תרופה הנקראת הורמון פארתירואיד, או PTH, אך היא דורשת זריקות קבועות ובעלת חיי מדף קצרים מאוד, מה שבעייתי בטיסות ארוכות בחלל. לכן, הונדסה חסה מהונדסת המייצרת PTH.
תכנון צמחים המסוגלים לגדול בחלל ולהיות שימושיים עבור אסטרונאוטים נמצא עדיין בשלב המחקר המוקדם שלו. עם זאת, הסיכויים שלה מבטיחים מאוד והם נחקרים על ידי כל סוכנויות החלל הגדולות. בניית תא גידול צמחים בסביבה לא מסבירת פנים של החלל עדיין דורשת עבודה. אחד האתגרים יהיה להוסיף את החלק הביוגנרטיבי של ה-BLSS ל-LSS הקיים כבר. אתגר נוסף הוא הצורך בבחירה טובה יותר של גידולים שיגדלו על הסיפון כדי לעמוד בתנאי שטח וגם להציע יבול משמעותי. אך הודות להפצת הידע בגידול צמחים, עריכת גנים בגידולים הנבחרים תאפשר את התאמתם נוספת לתנאי החלל והתאמה לצרכים התזונתיים והבריאותיים של הצוות.
מקור: https://room.eu.com