NASA'nın Artemis 1 misyonunun Kasım ayında Ay'a başlatılması, bir gün insanların en yakın gezegen komşumuz Mars'ı ziyaret etmesine yol açacak yolculukta bir başka adım oldu. En sonuncusu Şubat 2021'de Perseverance gezgininin kızıl gezegene inişi olan çok sayıda robotik uzay aracının ardından insanlı bir görev gelecek. Mars'a yapılacak insanlı yolculuklar için çözülmesi gereken pek çok teknolojik sorun var; bunlar arasında en önemlileri Besleyici gıdanın en iyi şekilde nasıl sağlanacağı da dahil olmak üzere, güneş radyasyonundan ve mürettebat sağlığından korunmadır. İkincisini inceleyen birçok uzmanın odak noktası ve sorunu, sürekli dondurularak kurutulmuş gıda tüketiminin neden olduğu gizli eksikliklerin nasıl önleneceğidir. Taze gıdanın mevcudiyeti elbette büyük bir sağlık ve psikolojik avantaj olacaktır ve bunun için yol boyunca bitki yetiştirip hasat etmek gerekli olacaktır. Bu makalede yazarlar beslenme, tıbbi ve psikolojik faydalar ve derin uzayda bitki yetiştirmenin olası yöntemleri ile ilgili güncel verileri ve araştırmaları gözden geçirmektedir.
NASA'ya göre, uzun uzay uçuşları sırasında beş büyük tehlike ortaya çıkıyor: uzay radyasyonu, izolasyon ve hapsedilme, Dünya'dan uzaklık, düşük yerçekimi ve uzay aracının düşmanca ve kapalı ortamı. Canlı bitkiler ve taze yetiştirilen yiyecekler bunlardan üçünün desteklenmesinde önemli bir rol oynayabilir: beslenme, tıbbi ihtiyaçlar ve mürettebat psikolojisi.
Beslenme
Uzay görevleri için sağlanan yiyeceklerin besin dengesi, mürettebatın uzun bir yolculuğu sağlıklı bir şekilde sürdürebilmesi için mükemmel şekilde uyarlanmalıdır.
Uzay görevleri için sağlanan yiyeceklerin besin dengesi, mürettebatın uzun bir yolculuğu sağlıklı bir şekilde sürdürebilmesi için mükemmel şekilde uyarlanmalıdır. Dünya'dan tedarik zor olacağından, tam olarak doğru beslenmeyi ve onun kesin formunu belirlemek kritik bir hedeftir.
Temel besin maddelerinin herhangi bir eksikliğinden kaçınmak en bariz zorluktur ve beslenme ihtiyaçları NASA tarafından ayrıntılı olarak incelenmiştir. Ancak mevcut uzay gıda 'sisteminin' çoğunun yetersiz olduğu kanıtlandı. Özellikle gıdanın uzun süre ortamda depolanması A, B1, B6 ve C vitaminlerinin bozulmasına neden olur.
Astronotlar için kümülatif ortalama kilo kaybı, sıkı dirençli egzersiz önlemlerine rağmen mikro yerçekiminde 2.4 günde yüzde 100'tür. Astronotların ayrıca potasyum, kalsiyum, D vitamini ve K vitamini açısından beslenme eksikliklerinden muzdarip oldukları da gösterildi çünkü sağlanan yiyecekler günlük alım gereksinimlerini karşılamalarına izin vermiyor.
Bitkiler doğal olarak vitamin ve mineral içerir ve taze gıdanın hemen tüketilmesi depolama sorununu ortadan kaldırır. Bu nedenle bunları tüketmek, dondurularak kurutulmuş gıdalara mükemmel bir katkı olacaktır.
Astronot Scott Kelly, ISS'de ölmekte olan uzay çinilerini sağlığına kavuşturdu. Cupola'daki çiçek buketini Dünya fonunda fotoğrafladı ve fotoğrafı 2016 Sevgililer Günü için Instagram hesabında paylaştı.
Tıp
Bitkiler vitamin ve minerallerin yanı sıra birçok farklı ikincil metaboliti de sentezler. Bu bileşikler sağlık sorunlarının önlenmesinde çok yardımcı olabilir. Örneğin folat DNA onarımında rol oynuyor ancak gereksinimleri uçuş günlerinin yalnızca yüzde 64'ünde karşılanıyor. Kromozomların sonu olan telomerlerin uzun uçuşlar sırasında önemli ölçüde değiştiği kanıtlandığından, taze bitkiler yoluyla folat takviyesi, genetik yaşlanmanın ve kanser oluşumunun azaltılmasına yardımcı olabilir.
Diğer örneklerin yanı sıra, karotenoid açısından zengin sebzeler mikro yerçekiminin neden olduğu göz bozulmasını önleyebilirken, kurutulmuş erik diyeti radyasyonun neden olduğu kemik kaybını önlemeye yardımcı olabilir. Pek çok bitki, insan DNA'sını radyasyonun neden olduğu mutasyonlardan korumada çok yardımcı olabilecek antioksidanlar içerir. Ancak bitki bazlı beslenme yeterli olmayıp astronotları radyasyondan korumak için başka çözümlerin geliştirilmesi gerekiyor.
Psikoloji
Bitkiler vitamin ve minerallerin yanı sıra birçok farklı ikincil metaboliti de sentezler.
İzolasyon ve mesafe astronotların ruh sağlığı üzerinde önemli bir yük oluşturacağından yemek, ruh halini hafifletmek için en önemli zamanlardan biridir. Her öğünde dondurularak kurutulmuş yiyecekler yemek, menü yorgunluğuna neden olur ve astronotlar zamanla daha az yemek yeme eğilimi gösterir. Taze yiyecekler yemek, özellikle şekil ve doku açısından çeşitlilik sağlayarak bu yorgunluğu azaltabilir.
Mürettebatın ruh sağlığına faydalı olan bir diğer faaliyet ise bahçeciliktir. Büyüyen bitkilerin son derece yararlı etkileri olduğu kanıtlanmıştır, çünkü astronotlara bir parça Dünya ile seyahat etme hissi verebilir. Bazı çalışmalar, mürettebatın ruh sağlığı açısından çok önemli bir faktör olabileceğinden, en faydalı psikolojik etkilere sahip bitkileri bulmaya çalıştı. Örneğin çilek, dinçlik ve özgüven gibi olumlu psikolojik tepkileri iyileştirebilir, depresyonu ve stresi azaltabilir, kişniş ise uyku kalitesini iyileştirebilir.
Bu nedenle bitki bazlı uzay çiftçiliği beslenme, psikolojik ve tıbbi düzeyde ilgi çekicidir. Ancak yer eksikliği ve özel yetiştirme koşulları, ürün sayısını ve seçimini sınırlıyor.
Kullanılan mahsullerin gerçek seçimi, incelenen kriterlere ve tercih edilen alana (beslenme, psikoloji ve tıp) bağlı olarak değişecektir. Buğday veya patates gibi raf ömrü uzun olan bazı bitkiler uygun olabilir ancak tüketilmeden önce pişirilmeleri gerekmesi dezavantajına sahiptir. Göz önünde bulundurulması gereken diğer bir faktör de üreme sistemi ve bitkilerin tozlaşma şeklidir, çünkü hayvanların (böcekler gibi) gemiye alınmasına izin verilmez.
Uzayda yetiştirilebilecek potansiyel mahsullerin bir listesi oluşturuldu; bunların bir kısmı halihazırda gemide yetiştirilmişti. Yazarlar, bunları seçerken araç olarak beslenme ve tarımsal kriterleri seçmişlerdir. Dolayısıyla, psikolojik etkiler için, mahsulün veya yenilebilir bitki kısmının tadı ve görünümüne birden (minimum) ila dörde (maksimum) kadar bir değer atfedildi.
Uzaydaki uzun görevlere uygun, besinsel, tıbbi, tarımsal ve psikolojik özellikleriyle farklı mahsullerin tablosu.
Uzay aracında bitki yetiştirme
Uzay, bitkiler için iki ana stres kaynağı sunar: kozmik radyasyon ve mikro yerçekimi.
Radyasyon bitki büyümesini olumsuz etkiler ve genetik mutasyon riskini artırır, bu nedenle bitkileri radyasyondan korumak bir öncelik olmalıdır. Radyasyon, kurşun ve/veya su kalkanları kullanılarak kontrol altına alınabilse de, bu, yörüngeye yerleştirilecek ek bir kütleyi temsil eder. Lockheed Martin'in Mars Ana Kampı'ndan (2018) çıkan iyi bir çözüm, yakıt depolamayı radyasyon kalkanı olarak kullanmaktır.
Öte yandan mikro yerçekimi, bitki büyümesini önemli ölçüde etkilemez, ancak yavaşlatabilir. Ancak mikro yerçekimi bitkinin genom ifadesini etkilediğinden bitkinin tepkisi türe göre farklılık gösterir. Mikro yerçekiminde bitkilerin, ısı şoku genleri gibi stresle ilişkili genleri daha fazla ifade edeceği ve stresle ilişkili protein üretimini artıracağı keşfedildi. Ayrıca tohumların farklı konsantrasyonlarda metabolitlere sahip olduğu ve çimlenmenin geciktiği bulunmuştur.
Mikro yerçekimi aynı zamanda atmosferin hareketsizliği, olağandışı bir atmosferik kompozisyon oluşturma ve sulamada zorluk (destekli veya desteksiz) gibi bitkinin mikro ortamını da etkiler. Uzayda hava dolaşımı yoktur, bu nedenle yetiştirme istasyonu yeterince havalandırılmazsa, bitki tarafından yayılan gazlar yüzeyin etrafında kalacaktır. Bitkilerin yaprakları çevresinde gaz halindeki etilenin birikmesinin anormal yaprak gelişimine yol açtığı gösterilmiştir. Bir uzay aracında yüksek konsantrasyonlarda bulunan karbondioksit gibi diğer gazlar bazı bitkiler için öldürücü olabilir. Aynı sorun bitki sulanmasında da ortaya çıktığı için kökleri boğmayan bir yöntem geliştirilmesi gerekecektir.
Bitkinin uzay ortamına tepkisinin değerlendirilmesi daha zordur. Bu ortamın sınırlı alan gibi bazı yönleri, tercihimizi cüce türlere yönlendirebilir. Ancak bitkinin mikro yerçekimine tepkisi gibi diğer bazı hususlar türlere ve çeşitlere bağlı olarak değişiklik gösterir. Deneylerin devam etmesi gerekse de, belirli sayıda bitki zaten test edilmiş ve uzayda büyüyebilecekleri tanımlanmış ve bunları temel olarak kullanabiliriz.
Astronotların tüm beslenme ihtiyaçlarını karşılayan, kendi kendini idame ettirebilen bir bitki odasının geliştirilmesi onlarca yıl sürebilir, ancak küçük odaların tamamlayıcı önlemler olarak kullanılması, mürettebatın vitamin ve besin eksiklikleri (paketlenmiş gıdada değişen) konusunda yardımcı olabilir ve diyet yorgunluğunu azaltabilir.
Space X Crew-02'den Mark Vande Hei, Shane Kimbrough, Thomas Pesquet, Akihiko Hoshide ve Megan McArthur, Plant-Habitat 2021 araştırması için 04'de ISS'de kırmızı ve yeşil biber hasadıyla poz veriyor.
Biyorejeneratif yaşam destek sistemi
Her öğünde dondurularak kurutulmuş yiyecekler yemek, menü yorgunluğuna neden olur ve astronotlar zamanla daha az yemek yeme eğilimi gösterir.
Bir uzay aracında yer sınırlıdır. Bu nedenle görevin başarısı, kullanılmış maddeyi kullanılabilir maddeye dönüştürebilen Yaşam Destek Sistemlerine (LSS) yerleştirilmiş rejeneratif sistemlere bağlıdır. Uluslararası Uzay İstasyonuna (ISS) kurulan Çevresel Kontrol ve Yaşam Destek Sistemi (ECLSS), karbondioksit ve idrarı geri dönüştürerek oksijen ve su üretiyor; Uzun uzay uçuşları için de benzer bir sisteme ihtiyaç duyulacak.
Biyorejeneratif LSS (BLSS) fikri, gıda üretimini ve atık malzemelerin (örneğin dışkı maddesi) ECLSS'ye geri dönüştürülmesini dahil etmek üzere 1960'larda doğdu. Bakteri ve alglerden oluşan bir BLSS, katı atıklardaki nitrojeni bitkilerin emebileceği kullanılabilir bir organik nitrojen formuna geri dönüştürmek için kullanılabilir. Bu prensibi izleyen bir deney - Mikro Ekolojik Yaşam Destek Sistemi Alternatifi (MELiSSA) - 1990'lardan bu yana Avrupa Uzay Ajansı tarafından geliştirilmekte ve yürütülmektedir.
Ancak, BLSS'ye daha yüksek tesisleri dahil ettiğimizde, bunların diğer mevcut çevresel kontrol teknolojileriyle entegrasyonunu incelememiz gerekecek ve bu da yeni bir zorluk teşkil ediyor. Bu daha küçük gıda ürünü üretim sistemlerinin maliyetinin ve sürdürülebilirliğinin belirlenmesi, daha büyük bir BLSS'ye doğru ilerlemek için kritik bilgiler sağlayacaktır.
Gözenekli tüp bitki yetiştirme ünitesinin ikinci tasarımının şematik diyagramı.
Bir bitki büyüme odasının geliştirilmesi
Mahsul yetiştirmek için hidroponik sistem kullanmak cazip bir olasılık çünkü bitkileri toprak benzeri bir sisteme güvenmek yerine suda yetiştiriyor. İkincisi, uzay aracına ağırlık katar ve parçacıkların etrafta dolaşması riskini artırır; bu da onu dezavantajlı kılan iki husustur. ISS'de kurulu Gelişmiş Bitki Habitatı (APH), arkilit ve yavaş salınan gübre içeren bir kök modülüne yerleştirilmiş gözenekli tüplü sulama sistemine sahip hidrofonik bir sistem kullanarak halihazırda çeşitli cüce buğday yetiştirmiştir.
Mürettebatın bahçecilik faaliyetlerini kolaylaştırmak ve bitkilerin en uygun ortamda büyümesini sağlamak için mahsul yetiştirme döngüsünün bir bilgisayar tarafından tamamen izlenmesi gerekiyor. Böyle bir izleme sistemi 2018 yılında Antarktika'da test edildi. Mahsul yetiştirmek için kısmen otomatikleştirilmiş bir sistemin kullanılması, mürettebatın uzay aracındaki bitkilerin varlığından (onları manipüle ederek) faydalanmasını sağlayacak ve tarımın çok zaman alıcı hale gelmesi sorununu önleyecektir. Aslında, bitki yetiştirmek için gereken oda henüz kesin olarak tanımlanmamıştır ve uzay benzeri ortamlarda (HI-SEAS gibi) yapılan çeşitli deneyler, bu aktivitenin uzun sürebileceğini göstermiştir.
Büyüyen bitkilerin son derece yararlı etkileri olduğu kanıtlanmıştır; çünkü bu, astronotlara Dünya'nın bir parçasıyla seyahat ediyormuş hissi verebilir.
Son olarak, 2014 m²'lik bir yetiştirme alanı sağlayan NASA'nın Sebze Üretim Sistemi veya Veggie (0.11'te piyasaya sürüldü), uzay aracında kullanılabilecek bitki yetiştirme ünitesinin harika bir örneğidir; zira daha önce test edilmiştir. ISS. Işık gereksinimleri açısından, bitkilerin bu dalga boylarında daha verimli büyümesi nedeniyle kırmızı (630 nm) ve mavi (455 nm) olmak üzere iki farklı dalga boyunda LED'ler kullanılır. Bitkiye doğal rengini vermek, böylece hastalıkların tanımlanmasını kolaylaştırmak ve mürettebata Dünya'yı hatırlatmak için yeşil bir LED de gerekli olabilir.
Mizuna (Japon lahanası), kırmızı marul ve Tokyo bekana (Çin lahanası), ISS'deki Veggie ünitesinde yetiştiriliyor.
Uzay koşulları hem insanlar hem de bitkiler için stres yaratıyor, dolayısıyla uzay gemisinde büyüyebilen ve astronotların yaşadığı stresin bir kısmını hafifletmeye yardımcı olabilecek bitkilerin tasarımı şu anda inceleniyor.
Bitkilerin stres tepkilerinde yer alan genler belirlendi ancak bu etkileri azaltmak veya hafifletmek için bilim adamlarının mevcut genlerin ifadesini değiştirmesi veya genomlara uzaya uyum sağlayan genler eklemesi gerekiyor. Bu, gen düzenleme kullanılarak gerçekleştirilebilir ve bazı aday genler halihazırda özel olarak tanımlanmış ve incelenmiştir. Örneğin, Dünya'daki bitkilerde yerçekimi tepkilerini etkilediği bilinen bir gen olan ARG1 (Yerçekimine Değiştirilmiş Tepki 1), uzay uçuşu adaptasyonuyla ilgili 127 genin ifadesinde rol oynuyor. Uzay uçuşunda ifadede değişen genlerin çoğunun Arg1'e bağımlı olduğu bulundu; bu, farklılaşmamış hücrelerin uzay uçuşuna fizyolojik adaptasyonunda bu genin önemli bir rol oynadığını ortaya koyuyor. HsfA2'nin (Isı Şoku Faktörü A2), örneğin nişasta biyosentezi yoluyla uzay uçuşu adaptasyonu üzerinde önemli bir etkisi vardır. Amaç, strese neden olan genleri bozmak ve faydalı olanları teşvik etmektir.
Radyasyon, perklorat, cücelik ve soğuk sıcaklıkla ilgili genler gibi uzaya uyum genleri olarak adlandırılan diğer genler, bitkilerin uzayın zorlu koşullarına direnmesine yardımcı olacakları için potansiyel olarak çalışmaya değerdir. Örneğin, hipersalin ortamlarına adapte olmuş mikroorganizmalar, UV direnci ve perklorat direnci için genlere sahiptir. Pek çok cüce türü (örneğin buğday) ISS'de zaten yetiştirildi ve cüce kiraz domatesi 'Red Robin', NASA'nın Veg-05 deneyinin bir parçası olarak ISS'de yetiştirilebilir.
Astronotların sağlığına yönelik bitkiler de tasarlayabiliyoruz. Yararlı bileşiklerin birikimini teşvik etmek, atıkları azaltmak için tüm vücudu yenebilen bitkiler yapmak veya uzayın astronotlar üzerindeki yan etkilerine karşı ilaç üretecek bitkiler tasarlamak, bitkileri mürettebat için yararlı hale getirmenin olası yollarıdır.
Patates bitkilerinde Tüm Vücut Yenilebilir ve Elit Bitki (WBEEP) stratejisi kullanıldı ve patates saplarından ve yapraklarından solanin çıkarılarak yenilebilir hale getirildi. Üretimini engellemek için ya onu üreten genler susturulur ya da gen düzenleme yoluyla mutasyona uğratılır. Bu WBEEP patatesini oluşturmanın, iyi bir enerji kaynağı olan ve uzay gibi zorlu koşullarda büyüyebildiği kanıtlanmış, kolayca yetiştirilebilen bir bitki olması nedeniyle avantajları vardır. Bitkiler ayrıca insan vücudunun besin ihtiyaçlarını tam olarak karşılayacak şekilde güçlendirildi.
Radyasyon bitki büyümesini olumsuz etkiler ve genetik mutasyon riskini artırır, bu nedenle bitkileri radyasyondan korumak bir öncelik olmalıdır.
Mikro yerçekiminde astronotların sağlığı için temel sorunlardan biri kemik yoğunluğu kaybıdır. Kemiklerimiz büyüme ve erime arasında sürekli dengededir ve kemiklerin yaralanmaya veya egzersizdeki değişikliklere tepki vermesini sağlar. Mikro yerçekiminde zaman geçirmek bu dengeyi bozar, kemiklerin erimeye doğru eğilmesine neden olur, böylece astronotlar kemik kütlesini kaybeder. Bu, paratiroid hormonu veya PTH adı verilen bir ilaçla tedavi edilebilir, ancak düzenli enjeksiyon gerektirir ve çok kısa bir raf ömrüne sahiptir, bu da uzun uzay uçuşları için sorun teşkil eder. Bu nedenle PTH üreten transgenik bir marul tasarlandı.
Uzayda büyüyebilecek ve astronotların kullanabileceği bitkilerin tasarlanması henüz araştırma aşamasındadır. Ancak beklentileri oldukça umut verici ve tüm büyük uzay ajansları tarafından inceleniyor. Uzayın istenmeyen ortamında bir bitki yetiştirme odası inşa etmek hala çalışma gerektiriyor. Zorluklardan biri, BLSS'nin biyorejeneratif kısmını halihazırda mevcut LSS'ye eklemek olacaktır. Diğer bir zorluk ise, hem alan koşullarına dayanabilecek hem de önemli verimler sunabilecek daha iyi mahsul seçimine duyulan ihtiyaçtır. Ancak bitki ıslahındaki bilginin yayılması sayesinde, seçilen bitkilerde gen düzenleme yapılması, onların uzay koşullarına daha fazla uyum sağlamasına ve mürettebatın beslenme ve sağlık ihtiyaçlarına uyum sağlamasına olanak tanıyacak.
Bir kaynak: https://room.eu.com