Kuzinduliwa kwa safari ya NASA ya Artemis 1 kwenda Mwezini mnamo Novemba iliashiria hatua nyingine katika safari ambayo siku moja itasababisha wanadamu kutembelea jirani yetu wa sayari ya karibu zaidi, Mirihi. Misheni ya mwanadamu hatimaye itafuata baada ya vyombo vingi vya anga vya juu vya roboti, ya hivi karibuni zaidi ikiwa ni kutua kwa rover ya Perseverance kwenye sayari nyekundu mnamo Februari 2021. Kwa safari za wanadamu kwenda Mihiri kuna masuala mengi ya kiteknolojia ya kutatuliwa, muhimu kati ya yao ikiwa ni ulinzi dhidi ya mionzi ya jua na afya ya wafanyakazi, ikiwa ni pamoja na namna bora ya kutoa chakula chenye virutubisho. Lengo na changamoto kwa wataalam wengi wanaosoma mwisho ni jinsi ya kuzuia upungufu uliofichwa unaosababishwa na matumizi ya mara kwa mara ya chakula kilichokaushwa. Upatikanaji wa chakula safi itakuwa wazi kuwa faida kubwa ya afya na kisaikolojia, na kwa hili itakuwa muhimu kukua na kuvuna mimea njiani. Katika makala haya, waandishi hupitia data na utafiti wa sasa kuhusu lishe, manufaa ya kimatibabu na kisaikolojia, na mbinu zinazowezekana za kukuza mazao katika anga za juu.
Kulingana na NASA, hatari kuu tano huonekana wakati wa safari ndefu za anga: mionzi ya anga, kutengwa na kufungwa, umbali kutoka kwa Dunia, mvuto mdogo, na mazingira ya uhasama na kufungwa ya chombo. Mimea hai na vyakula vipya vilivyopandwa vinaweza kuwa na jukumu kubwa katika kusaidia tatu kati ya hizi: lishe, mahitaji ya matibabu na saikolojia ya wafanyakazi.
Lishe
Usawa wa lishe wa chakula kinachotolewa kwa ajili ya misheni za angani lazima urekebishwe kikamilifu kwa wafanyakazi ili kuendeleza safari ndefu wakiwa na afya njema.
Usawa wa lishe wa chakula kinachotolewa kwa ajili ya misheni za angani lazima urekebishwe kikamilifu kwa wafanyakazi ili kuendeleza safari ndefu wakiwa na afya njema. Kwa vile ugavi upya kutoka Duniani utakuwa mgumu, kubainisha mlo sahihi hasa na umbo lake sahihi ni lengo muhimu.
Kuepuka upungufu wowote wa virutubisho muhimu ni changamoto dhahiri zaidi, na mahitaji ya kina ya lishe yamechunguzwa na NASA. Sehemu kubwa ya 'mfumo' wa sasa wa chakula cha anga, hata hivyo, imeonekana kuwa na upungufu. Hasa, uhifadhi wa muda mrefu wa chakula husababisha uharibifu wa vitamini A, B1, B6 na C.
Wastani wa wastani wa kupunguza uzito kwa wanaanga ni asilimia 2.4 kwa siku 100 katika uzito wa chini ya ardhi, hata kwa vipimo vikali vya mazoezi ya kupinga. Wanaanga pia wameonyeshwa kukabiliwa na upungufu wa lishe katika potasiamu, kalsiamu, vitamini D na vitamini K kwa sababu chakula kinachotolewa hakiwaruhusu kukidhi mahitaji ya kila siku ya ulaji.
Mimea kwa asili ina vitamini na madini, na matumizi ya mara moja ya chakula safi ingeepuka shida ya uhifadhi. Kuzitumia kwa hivyo itakuwa nyongeza nzuri kwa chakula kilichokaushwa.
Mwanaanga Scott Kelly aliuguza zinnia za anga za kufa kwenye ISS. Alipiga picha shada la maua kwenye Cupola dhidi ya mandhari ya Dunia na akashiriki picha hiyo kwenye Instagram yake kwa ajili ya Siku ya Wapendanao mnamo 2016.
Madawa
Mbali na vitamini na madini, mimea huunganisha metabolites nyingi za sekondari. Misombo hii inaweza kuwa msaada mkubwa katika kuzuia maswala ya kiafya. Kwa mfano, folate inahusika katika kutengeneza DNA, lakini mahitaji yake yanatimizwa kwa asilimia 64 tu ya siku za kukimbia. Kwa vile telomeres, mwisho wa kromosomu, zimethibitishwa kubadilishwa kwa kiasi kikubwa wakati wa safari ndefu za ndege, uongezaji wa folate kupitia mimea mpya inaweza kusaidia kupunguza kuzeeka kwa maumbile na matukio ya saratani.
Miongoni mwa mifano mingine, mboga za carotenoid zinaweza kuzuia upotovu wa macho unaosababishwa na microgravity, wakati chakula cha plum kilichokaushwa kinaweza kusaidia kuzuia upotezaji wa mfupa unaosababishwa na mionzi. Mimea mingi ina antioxidants ambayo inaweza kusaidia sana katika kulinda DNA ya binadamu dhidi ya mabadiliko yanayotokana na mionzi. Hata hivyo, lishe inayotokana na mimea haitoshi na suluhu zingine lazima ziandaliwe ili kulinda wanaanga dhidi ya mionzi.
Saikolojia
Mbali na vitamini na madini, mimea hutengeneza metabolites nyingi tofauti za sekondari
Kwa vile kujitenga na umbali kutaweka mkazo mkubwa kwa afya ya akili ya wanaanga, mlo ni mojawapo ya nyakati muhimu zaidi za kupunguza hali hiyo. Kula chakula kilichokaushwa kwa kuganda katika kila mlo huleta uchovu wa menyu na wanaanga huwa na kula kidogo kadri muda unavyopita. Kula chakula kipya kunaweza kupunguza uchovu huu, sio angalau katika kutoa aina mbalimbali katika fomu na texture.
Shughuli nyingine ya manufaa kwa afya ya akili ya wafanyakazi ni kilimo cha bustani. Mimea inayokua imethibitishwa kuwa na athari nzuri sana, kwani inaweza kuwapa wanaanga hisia ya kusafiri na kipande cha Dunia. Masomo fulani yamejaribu kupata mimea yenye madhara ya kisaikolojia yenye manufaa zaidi, kwani inaweza kuwa jambo muhimu sana kwa afya ya akili ya wafanyakazi. Kwa mfano, jordgubbar inaweza kuboresha majibu chanya ya kisaikolojia, kama vile nguvu na kujistahi, kupunguza unyogovu na mfadhaiko wakati coriander inaweza kuboresha ubora wa usingizi.
Kwa hivyo, kilimo cha anga cha mimea kinavutia katika kiwango cha lishe, kisaikolojia na matibabu. Hata hivyo, ukosefu wa chumba na hali fulani ya kukua hupunguza idadi na uchaguzi wa mazao.
Chaguo halisi la mazao yanayotumika yatatofautiana, kulingana na vigezo vilivyochunguzwa na shamba (lishe, saikolojia na dawa) inayopendelewa. Baadhi ya mimea yenye maisha ya rafu ndefu inaweza kuwa rahisi, kama vile ngano au viazi, lakini ina hasara ya kuhitaji kupikwa kabla ya kuliwa. Jambo lingine la kuzingatia ni mfumo wa uzazi na hali ya uchavushaji wa mimea, kwa sababu wanyama (kama vile wadudu) hawaruhusiwi kupanda.
Orodha ya mazao yanayoweza kukua angani ilianzishwa, ambayo baadhi yake yalikuwa tayari yamelimwa kwenye ubao. Waandishi walichagua vigezo vya lishe na kilimo kama zana za kuvichagua. Kwa hiyo, kwa athari za kisaikolojia, thamani kutoka kwa moja (min) hadi nne (max) ilihusishwa na ladha na kuonekana kwa mazao au sehemu ya mimea ya chakula.
Jedwali la mazao tofauti na sifa zao za lishe, matibabu, agronomic na kisaikolojia zinazofaa kwa misheni ndefu katika nafasi.
Kupanda mimea katika chombo cha anga
Nafasi inatoa vyanzo viwili vikuu vya mkazo kwa mimea: mionzi ya cosmic na microgravity.
Mionzi huathiri ukuaji wa mimea vibaya na huongeza hatari za mabadiliko ya kijeni, hivyo kulinda mimea kutokana na mionzi inapaswa kuwa kipaumbele. Ingawa mionzi inaweza kuzuiwa kwa kutumia risasi na/au ngao za maji, hii inawakilisha wingi wa ziada wa kuweka kwenye obiti. Suluhisho zuri, lililotoka Lockheed Martin's Mars Base Camp (2018), ni kutumia hifadhi ya mafuta kama ngao ya mionzi.
Microgravity, kwa upande mwingine, haiathiri ukuaji wa mimea kwa kiasi kikubwa, ingawa inaweza kupunguza kasi yake. Hata hivyo, mwitikio wa mmea hutofautiana kulingana na aina, kwani microgravity huathiri usemi wa genome wa mmea. Imegunduliwa kwamba, katika microgravity, mimea itaonyesha jeni zaidi zinazohusiana na mkazo, kama vile jeni za mshtuko wa joto, na kuongeza uzalishaji wao wa protini zinazohusiana na mkazo. Aidha, mbegu zimepatikana kuwa na viwango tofauti vya metabolites na kuchelewa kuota.
Microgravity pia huathiri mazingira madogo ya mmea, kama vile ukosefu wa harakati ya anga, kuunda muundo usio wa kawaida wa anga na ugumu wa kumwagilia (pamoja na au bila msaada). Hakuna mkondo wa hewa katika anga ya nje, kwa hivyo ikiwa kituo cha kukua hakina hewa ya kutosha gesi yoyote iliyotolewa na mmea itabaki karibu na uso wake. Imeonyeshwa kuwa mkusanyiko wa ethilini ya gesi karibu na majani ya mimea husababisha ukuaji usio wa kawaida wa majani. Gesi nyingine, kama vile kaboni dioksidi, zilizopo katika viwango vya juu katika chombo cha anga za juu, zinaweza kuwa hatari kwa baadhi ya mimea. Tatizo sawa hutokea kwa kumwagilia mimea, hivyo kuendeleza njia ambayo haina kuzama mizizi itahitajika.
Mwitikio wa mmea kwa mazingira ya anga ni ngumu zaidi kutathmini. Baadhi ya vipengele vya mazingira hayo, kama vile nafasi iliyozuiliwa, vinaweza kuelekeza chaguo letu kwa aina ndogo. Hata hivyo, baadhi ya vipengele vingine kama majibu ya mmea kwa microgravity hutofautiana kulingana na aina na aina. Ingawa majaribio yanahitaji kuendelea, idadi fulani ya mimea tayari imejaribiwa na kuelezewa kuwa inaweza kukua angani na tunaweza kuitumia kama msingi.
Uundaji wa chemba ya mimea inayojitegemea inayofunika mahitaji yote ya lishe ya wanaanga inaweza kuchukua miongo kadhaa lakini kutumia vyumba vidogo kama hatua za ziada kunaweza kusaidia wafanyakazi na upungufu wa vitamini na virutubishi (ambavyo hubadilishwa katika vyakula vilivyofungashwa) na kupunguza uchovu wa lishe.
Mark Vande Hei, Shane Kimbrough, Thomas Pesquet, Akihiko Hoshide na Megan McArthur wa Space X Crew-02 wakipiga picha na mavuno yao ya pilipili hoho na kijani kwenye ISS mnamo 2021 kwa uchunguzi wa Plant-Habitat 04.
Mfumo wa usaidizi wa maisha ya kibayolojia
Kula chakula kilichokaushwa kwa kuganda katika kila mlo huleta uchovu wa menyu na wanaanga huwa na tabia ya kula kidogo kadri muda unavyopita.
Katika chombo cha anga, chumba ni chache. Kwa hivyo, mafanikio ya dhamira yanategemea mifumo ya kuzaliwa upya iliyopachikwa kwenye Mifumo ya Usaidizi wa Maisha (LSS) ambayo inaweza kusaga vitu vilivyotumika kuwa vitu vinavyoweza kutumika. Mfumo wa Udhibiti wa Mazingira na Usaidizi wa Maisha (ECLSS) uliowekwa katika Kituo cha Kimataifa cha Anga (ISS) huzalisha oksijeni na maji kwa kuchakata kaboni dioksidi na mkojo; mfumo sawa utahitajika kwa safari ndefu za anga.
Wazo la LSS ya urejeshaji wa kibayolojia (BLSS) lilizaliwa katika miaka ya 1960 ili kujumuisha uzalishaji wa chakula na urejelezaji wa taka (kwa mfano, mabaki ya kinyesi) hadi ECLSS. BLSS iliyo na bakteria na mwani inaweza kutumika kuchakata nitrojeni katika taka ngumu kurudi katika aina inayoweza kutumika ya nitrojeni hai ambayo mimea inaweza kunyonya. Jaribio linalofuata kanuni hiyo - Mfumo Mbadala wa Kusaidia Maisha ya Kiikolojia (MELiSSA) - limetengenezwa na kuendeshwa na Shirika la Anga la Ulaya tangu miaka ya 1990.
Hata hivyo, tunapojumuisha mimea ya juu zaidi katika BLSS, tutahitaji kujifunza ushirikiano wao na teknolojia nyingine zilizopo za udhibiti wa mazingira, ambayo inawakilisha changamoto mpya. Kuamua gharama na uendelevu wa mifumo hii midogo ya uzalishaji wa mazao ya chakula itatoa taarifa muhimu kwa ajili ya kubadilika kuelekea BLSS kubwa.
Mchoro wa mpangilio wa muundo wa pili wa kitengo cha ukuaji wa mmea wa bomba la porous.
Kuendeleza chumba cha ukuaji wa mmea
Kutumia mfumo wa hydroponic kukuza mazao ni uwezekano wa kuvutia, kwani hukua mimea kwenye maji badala ya kutegemea mfumo unaofanana na udongo. Mwisho huo unaongeza uzito kwa chombo cha anga za juu na hatari ya chembe zinazoelea pande zote, vipengele viwili vinavyokifanya kiwe na hasara. Advanced Plant Habitat (APH) iliyosakinishwa katika ISS tayari imekuza aina mbalimbali za ngano kibete kwa kutumia mfumo wa haidroponi wenye mfumo wa kumwagilia mirija ya vinyweleo iliyopachikwa kwenye moduli ya mizizi iliyo na arcillite na mbolea ya kutolewa polepole.
Ili kurahisisha shughuli za kilimo cha bustani za wafanyakazi na kuhakikisha kuwa mimea inakua katika mazingira bora, mzunguko wa utamaduni wa mazao unahitaji kufuatiliwa kikamilifu na kompyuta. Mfumo kama huo wa ufuatiliaji ulijaribiwa mnamo 2018 huko Antarctica. Kutumia mfumo wa kiotomatiki wa ukuzaji wa mazao kutahakikisha kuwa wafanyakazi wananufaika kutokana na uwepo wa mimea kwenye chombo cha anga (kwa kuibadilisha) na kuepusha suala la kilimo kuwa linalotumia muda mwingi. Hakika, chumba kinachohitajika kukuza mimea bado hakijafafanuliwa kwa usahihi na majaribio kadhaa katika mazingira yanayofanana na nafasi (kama vile HI-SEAS) yameonyesha kuwa shughuli hii inaweza kuwa ndefu.
Mimea inayokua imethibitishwa kuwa na athari ya faida kubwa, kwani inaweza kuwapa wanaanga hisia ya kusafiri na kipande cha Dunia.
Hatimaye, Mfumo wa Uzalishaji wa Mboga wa NASA, au Veggie, (uliozinduliwa mwaka wa 2014), ambao hutoa eneo la kukua la 0.11 m², ni mfano mzuri wa kitengo cha ukuaji wa mimea ambacho kinaweza kutumika kwenye chombo cha anga, kwani tayari kimejaribiwa kwenye ISS. Kwa upande wa mahitaji ya mwanga, LEDs hutumiwa na urefu wa mawimbi mawili tofauti: nyekundu (630 nm) na bluu (455 nm) wakati mimea inakua kwa ufanisi zaidi chini ya urefu huu wa wavelengths. Taa ya kijani kibichi pia inaweza kuhitajika ili kuipa mmea rangi yake ya asili, hivyo kurahisisha utambuzi wa magonjwa na kuwakumbusha wafanyakazi wa Dunia.
Mizuna (kabichi ya Kijapani), lettuce nyekundu ya romaine na Tokyo bekana (kabichi ya Kichina) inayokuzwa katika kitengo cha Veggie katika ISS.
Hali za angani huleta mkazo kwa wanadamu na mimea, kwa hivyo muundo wa mimea inayoweza kukua katika vyombo vya angani na kusaidia kupunguza baadhi ya mifadhaiko ambayo wanaanga wanapitia inachunguzwa kwa sasa.
Jeni zinazohusika katika majibu ya mkazo wa mimea zimetambuliwa lakini ili kupunguza au kupunguza athari hizo wanasayansi wanahitaji kurekebisha usemi wa jeni zilizopo au kuongeza jeni za kukabiliana na nafasi kwenye jenomu. Hili linaweza kufikiwa kwa kutumia uhariri wa jeni na baadhi ya jeni za mtahiniwa tayari zimetambuliwa na kuchunguzwa mahususi. Kwa mfano, ARG1 (Mitikio Iliyobadilishwa kwa Mvuto 1), jeni inayojulikana kuathiri majibu ya mvuto katika mimea Duniani, inahusika katika usemi wa jeni 127 zinazohusiana na urekebishaji wa anga. Jeni nyingi zilizobadilishwa katika kujieleza katika mwangaza wa anga zilipatikana kuwa tegemezi kwa Arg1, na kupendekeza jukumu kubwa la jeni hilo katika urekebishaji wa kisaikolojia wa seli zisizotofautishwa hadi anga. HsfA2 (Heat Shock Factor A2) ina athari kubwa katika urekebishaji wa anga, kwa mfano kupitia biosynthesis ya wanga. Kusudi ni kudhoofisha jeni zinazosababisha mkazo na kukuza zile zenye faida.
Jeni zingine, zinazoitwa jeni za kukabiliana na nafasi, kama vile jeni zinazohusiana na mionzi, perchlorate, dwarfism na halijoto ya baridi, zinafaa kuchunguzwa kwani zitasaidia mimea kupinga hali mbaya ya angani. Kwa mfano, vijidudu vilivyobadilishwa kwa mazingira ya hypersaline vina jeni kwa upinzani wa UV na upinzani wa perchlorate. Aina nyingi dubu (kwa mfano za ngano) tayari zimepandwa kwenye ISS na nyanya ndogo ya cherry 'Red Robin' inaweza kukuzwa katika ISS kama sehemu ya jaribio la NASA Veg-05.
Tunaweza pia kubuni mimea kwa ajili ya afya ya wanaanga. Kukuza mkusanyiko wa misombo yenye manufaa, kutengeneza mimea inayoliwa mwili mzima ili kupunguza taka, au kubuni mimea ya kuzalisha dawa dhidi ya madhara ya anga kwa wanaanga ni njia zinazowezekana za kufanya mimea kuwa muhimu kwa wafanyakazi.
Mkakati wa Mmea Unaoliwa na Wasomi wa Mwili Mzima (WBEEP) ulitumika kwenye mimea ya viazi, kufanya mashina ya viazi na majani yawe chakula kwa kuondoa solanine kutoka kwayo. Ili kuzuia uzalishaji wake, jeni zinazoizalisha hunyamazishwa au kubadilishwa kwa kuhariri jeni. Kutengeneza kiazi hiki cha WBEEP kuna faida kwani ni mmea unaolimwa kwa urahisi na ni chanzo kizuri cha nishati na umethibitika kukua katika mazingira magumu kama vile nafasi. Mimea hiyo pia iliimarishwa ili kukidhi kikamilifu mahitaji ya virutubisho ya mwili wa binadamu.
Mionzi huathiri ukuaji wa mmea vibaya na huongeza hatari ya mabadiliko ya kijeni, kwa hivyo kulinda mimea dhidi ya mionzi inapaswa kuwa kipaumbele.
Mojawapo ya masuala muhimu kwa afya ya wanaanga katika microgravity ni kupoteza msongamano wa mfupa. Mifupa yetu husawazishwa kila wakati kati ya ukuaji na urejeshaji, kuruhusu mifupa kujibu jeraha au mabadiliko katika mazoezi. Kutumia muda katika microgravity huvuruga usawa huu, kuimarisha mifupa kuelekea resorption, hivyo wanaanga kupoteza uzito wa mfupa. Hii inaweza kutibiwa kwa dawa inayoitwa parathyroid hormone, au PTH, lakini inahitaji kudungwa mara kwa mara na ina maisha mafupi ya rafu, ambayo ni tatizo kwa safari ndefu za anga. Kwa hivyo, lettuce ya transgenic ambayo hutoa PTH iliundwa.
Kubuni mimea inayoweza kukua angani na kutumika kwa wanaanga bado iko katika hatua yake ya awali ya utafiti. Hata hivyo, matarajio yake ni ya kuahidi sana na yanachunguzwa na mashirika yote makubwa ya anga. Kujenga chumba cha ukuaji wa mimea katika mazingira yasiyofaa ya nafasi bado inahitaji kazi. Mojawapo ya changamoto itakuwa ni kuongeza sehemu ya bioregenerative ya BLSS kwa LSS iliyopo tayari. Changamoto nyingine ni hitaji la uchaguzi bora wa mazao ya kupandwa kwenye bodi ili kustahimili hali ya anga na kutoa mavuno makubwa. Lakini kutokana na kuenea kwa ujuzi katika ufugaji wa mimea, uhariri wa jeni katika mazao yaliyochaguliwa utawawezesha kubadilishwa zaidi na hali ya nafasi na kuendana na mahitaji ya lishe na afya ya wafanyakazi.
Chanzo: https://room.eu.com