1월 NASA의 아르테미스 2021호 달 탐사는 언젠가 인간이 가장 가까운 행성인 화성을 방문하게 될 여정의 또 다른 단계를 표시했습니다. 인간의 임무는 결국 XNUMX년 XNUMX월 붉은 행성에 Perseverance 탐사선이 착륙한 여러 로봇 우주선의 뒤를 따를 것입니다. 인간의 화성 여행에는 해결해야 할 많은 기술적 문제가 있습니다. 그들은 영양가 있는 음식을 가장 잘 제공하는 방법을 포함하여 태양 복사 및 승무원 건강으로부터 보호합니다. 후자를 연구하는 많은 전문가들의 초점과 과제는 동결 건조 식품의 지속적인 소비로 인해 발생하는 잠재된 결함을 피하는 방법입니다. 신선한 식품의 가용성은 분명히 주요 건강 및 심리적 이점이 될 것이며 이를 위해 도중에 식물을 재배하고 수확하는 것이 필요할 것입니다. 이 기사에서 저자는 영양, 의학적 및 심리적 이점, 심우주에서 작물을 재배할 수 있는 가능한 방법에 관한 최신 데이터와 연구를 검토합니다.
NASA에 따르면 장거리 우주 비행 중에 우주 방사선, 격리 및 감금, 지구로부터의 거리, 낮은 중력, 우주선의 적대적이고 폐쇄된 환경 등 XNUMX가지 주요 위험 요소가 나타납니다. 살아 있는 식물과 갓 재배한 식품은 영양, 의학적 필요 및 승무원 심리 중 세 가지를 지원하는 데 중요한 역할을 할 수 있습니다.
영양소
우주 임무를 위해 공급되는 음식의 영양 균형은 승무원이 건강하게 긴 여행을 지속할 수 있도록 완벽하게 조정되어야 합니다.
우주 임무를 위해 공급되는 음식의 영양 균형은 승무원이 건강하게 긴 여행을 지속할 수 있도록 완벽하게 조정되어야 합니다. 지구로부터의 재보급이 어려울 것이기 때문에 올바른 식단과 그 정확한 형태를 정확히 결정하는 것이 중요한 목표입니다.
필수 영양소의 결핍을 피하는 것이 가장 분명한 과제이며 NASA는 자세한 영양 요구 사항을 연구했습니다. 그러나 현재의 우주 식량 '시스템'의 대부분은 결함이 있는 것으로 판명되었습니다. 특히 음식을 장기간 보관하면 비타민 A, B1, B6 및 C의 분해가 유발됩니다.
우주 비행사의 누적 평균 체중 감소는 엄격한 저항 운동 대책에도 불구하고 미세 중력에서 2.4일당 100%입니다. 우주비행사들은 또한 칼륨, 칼슘, 비타민 D 및 비타민 K의 영양 결핍을 겪는 것으로 나타났습니다. 왜냐하면 음식이 일일 섭취 요구량을 충족시키지 못하기 때문입니다.
식물은 자연적으로 비타민과 미네랄을 함유하고 있으며 신선한 식품을 즉시 섭취하면 저장 문제를 피할 수 있습니다. 따라서 그것들을 섭취하는 것은 동결 건조 식품에 대한 훌륭한 보충제가 될 것입니다.
우주비행사 Scott Kelly는 ISS에서 죽어가는 우주 백일초를 간호하여 건강을 되찾았습니다. 그는 2016년 밸런타인데이에 지구를 배경으로 큐폴라에서 꽃다발을 촬영해 자신의 인스타그램에 공유했다.
의학
비타민과 미네랄 외에도 식물은 다양한 64차 대사산물을 합성합니다. 이 화합물은 건강 문제를 예방하는 데 큰 도움이 될 수 있습니다. 예를 들어 엽산은 DNA 복구에 관여하지만 요구 사항은 비행일의 XNUMX%에만 충족됩니다. 염색체의 끝인 텔로미어가 장거리 비행 중에 크게 변경되는 것으로 입증되었으므로 신선한 식물을 통한 엽산 보충은 유전적 노화와 암 발생을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다.
다른 예 중에서 카로티노이드가 풍부한 야채는 미세 중력으로 인한 눈 왜곡을 예방할 수 있는 반면 말린 자두 식단은 방사선으로 인한 뼈 손실을 예방하는 데 도움이 될 수 있습니다. 많은 식물에는 방사선 유발 돌연변이로부터 인간 DNA를 보호하는 데 큰 도움이 될 수 있는 항산화제가 포함되어 있습니다. 그러나 채식만으로는 충분하지 않으며 방사선으로부터 우주 비행사를 보호하기 위한 다른 솔루션을 개발해야 합니다.
심리학
비타민과 미네랄 외에도 식물은 다양한 XNUMX차 대사산물을 합성합니다.
격리와 거리는 우주비행사의 정신 건강에 상당한 부담을 주기 때문에 식사는 기분을 밝게 하는 가장 중요한 시간 중 하나입니다. 냉동 건조 식품을 식사 때마다 먹으면 메뉴 피로가 생기고 우주 비행사는 시간이 지남에 따라 덜 먹는 경향이 있습니다. 신선한 음식을 먹으면 이러한 피로를 줄일 수 있으며, 특히 다양한 형태와 질감을 제공할 수 있습니다.
승무원의 정신 건강에 유익한 또 다른 활동은 원예입니다. 식물을 키우는 것은 우주 비행사에게 지구 조각과 함께 여행하는 느낌을 줄 수 있기 때문에 엄청나게 유익한 효과가 있는 것으로 입증되었습니다. 일부 연구에서는 승무원의 정신 건강에 매우 중요한 요소가 될 수 있으므로 가장 유익한 심리적 효과가 있는 식물을 찾으려고 노력했습니다. 예를 들어 딸기는 활력과 자존감과 같은 긍정적인 심리적 반응을 개선하고 우울증과 스트레스를 줄이는 반면 고수풀은 수면의 질을 향상시킬 수 있습니다.
따라서 식물 기반 우주 농업은 영양학적, 심리적, 의학적 차원에서 흥미롭습니다. 그러나 공간 부족과 특정 재배 조건으로 인해 작물의 수와 선택이 제한됩니다.
사용되는 작물의 실제 선택은 조사된 기준과 선호하는 분야(영양, 심리학 및 의학)에 따라 달라집니다. 밀이나 감자와 같이 유통기한이 긴 일부 식물은 편리할 수 있지만 섭취하기 전에 조리해야 하는 단점이 있습니다. 고려해야 할 또 다른 요소는 동물(예: 곤충)의 탑승이 허용되지 않기 때문에 생식 기관과 식물의 수분 방식입니다.
우주에서 자랄 수 있는 잠재적인 작물 목록이 작성되었으며, 그 중 일부는 이미 기내에서 재배되었습니다. 저자는 영양 및 농경학적 기준을 선택 도구로 선택했습니다. 따라서 심리적 효과에 대해 XNUMX(최소)에서 XNUMX(최대)까지의 값이 작물 또는 식용 식물 부분의 맛과 모양에 기인했습니다.
우주에서의 장기 임무에 적합한 영양학적, 의료적, 농업적, 심리적 특성을 가진 다양한 작물의 표입니다.
우주선에서 식물 키우기
우주는 식물에게 스트레스의 두 가지 주요 원인인 우주 방사선과 미세 중력을 제공합니다.
방사선은 식물 성장에 부정적인 영향을 미치고 유전적 돌연변이의 위험을 증가시키므로 방사선으로부터 식물을 보호하는 것이 우선되어야 합니다. 방사선은 납 및/또는 방수막을 사용하여 억제할 수 있지만 이는 궤도에 배치할 추가 질량을 나타냅니다. Lockheed Martin의 Mars Base Camp(2018)에서 시작된 좋은 솔루션은 연료 저장소를 방사선 차폐물로 사용하는 것입니다.
반면 미세중력은 식물의 성장을 크게 저해하지는 않지만 속도를 늦출 수 있습니다. 그러나 미세 중력이 식물의 게놈 발현에 영향을 미치기 때문에 식물의 반응은 종에 따라 다릅니다. 미세중력 상태에서 식물은 열충격 유전자와 같은 스트레스 관련 유전자를 더 많이 발현하고 스트레스 관련 단백질 생산을 증가시킨다는 사실이 밝혀졌습니다. 더욱이, 종자는 대사물의 농도가 다르고 발아가 지연되는 것으로 밝혀졌습니다.
미세중력은 또한 대기의 움직임 부족과 같은 식물의 미세 환경에 영향을 미쳐 비정상적인 대기 구성 및 물주기(지원 여부에 관계없이)의 어려움을 만듭니다. 우주 공간에는 공기 대류가 없으므로 재배 스테이션이 충분히 환기되지 않으면 식물에서 방출되는 가스가 표면 주위에 남아 있게 됩니다. 식물의 잎 주위에 기체 상태의 에틸렌이 축적되면 잎이 비정상적으로 발달하는 것으로 나타났습니다. 우주선에 고농도로 존재하는 이산화탄소와 같은 다른 가스는 일부 식물에 치명적일 수 있습니다. 식물에 물을 주는 경우에도 동일한 문제가 발생하므로 뿌리를 익사시키지 않는 방법을 개발해야 합니다.
우주 환경에 대한 식물의 반응은 평가하기가 더 어렵습니다. 제한된 공간과 같은 환경의 일부 측면은 왜소한 품종으로 우리의 선택을 지시할 수 있습니다. 그러나 미세 중력에 대한 식물의 반응과 같은 일부 다른 측면은 종과 품종에 따라 다릅니다. 실험을 계속해야 하지만, 특정 수의 식물이 이미 테스트를 거쳐 우주에서 자랄 수 있는 것으로 설명되었으며 이를 기반으로 사용할 수 있습니다.
우주비행사의 모든 영양 요구 사항을 충족하는 자급자족 식물 챔버를 개발하는 데는 수십 년이 걸릴 수 있지만 작은 챔버를 보완 조치로 사용하면 비타민과 영양소(포장 식품에서 변경됨)가 부족한 승무원을 돕고 다이어트 피로를 줄일 수 있습니다.
Space X Crew-02의 Mark Vande Hei, Shane Kimbrough, Thomas Pesquet, Akihiko Hoshide 및 Megan McArthur가 Plant-Habitat 2021 조사를 위해 04년 ISS에서 빨강 및 녹색 고추 수확과 함께 포즈를 취하고 있습니다.
생체재생 생명유지 시스템
냉동 건조 식품을 식사 때마다 먹으면 메뉴 피로감이 생기고 우주 비행사는 시간이 지남에 따라 덜 먹는 경향이 있습니다.
우주선에서는 공간이 제한되어 있습니다. 따라서 임무의 성공 여부는 사용된 물질을 사용 가능한 물질로 재활용할 수 있는 생명 유지 시스템(LSS)에 내장된 재생 시스템에 달려 있습니다. 국제 우주 정거장(ISS)에 설치된 환경 제어 및 생명 유지 시스템(ECLSS)은 이산화탄소와 소변을 재활용하여 산소와 물을 생산합니다. 장거리 우주 비행에도 유사한 시스템이 필요합니다.
생물학적 재생 LSS(BLSS)의 아이디어는 1960년대에 식량 생산과 폐기물(예: 배설물)을 ECLSS로 재활용하는 것을 포함하기 위해 탄생했습니다. 박테리아와 조류가 포함된 BLSS는 고형 폐기물의 질소를 식물이 흡수할 수 있는 사용 가능한 형태의 유기 질소로 다시 재활용하는 데 사용할 수 있습니다. 그 원칙에 따른 실험인 MELiSSA(Micro Ecological Life Support System Alternative)는 1990년대부터 유럽 우주국에서 개발 및 수행되었습니다.
그러나 BLSS에 고등 식물을 포함함에 따라 다른 기존 환경 제어 기술과의 통합을 연구해야 하며 이는 새로운 과제를 나타냅니다. 이러한 소규모 식량 작물 생산 시스템의 비용과 지속 가능성을 결정하면 더 큰 BLSS로 진화하는 데 중요한 정보를 제공할 것입니다.
다공성 튜브 식물 성장 유닛의 두 번째 설계에 대한 개략도.
식물생장실 개발
작물을 재배하기 위해 수경 재배 시스템을 사용하는 것은 토양과 같은 시스템에 의존하는 대신 물에서 식물을 재배하기 때문에 매력적인 가능성입니다. 후자는 우주선에 무게를 더하고 입자가 떠다니는 위험을 더하는데, 두 가지 측면에서 불리합니다. ISS에 설치된 APH(Advanced Plant Habitat)는 아실라이트와 서방형 비료를 포함하는 뿌리 모듈에 내장된 다공성 튜브 관수 시스템을 갖춘 수경 재배 시스템을 사용하여 이미 다양한 드워프 밀을 재배했습니다.
승무원의 원예 활동을 용이하게 하고 식물이 최적의 환경에서 자라고 있는지 확인하려면 작물 재배 주기를 컴퓨터로 완전히 모니터링해야 합니다. 이러한 모니터링 시스템은 2018년 남극 대륙에서 테스트되었습니다. 작물 재배를 위해 부분적으로 자동화된 시스템을 사용하면 승무원이 우주선에 있는 식물의 존재로부터 이익을 얻고(식물을 조작하여) 농업에 너무 많은 시간이 소요되는 문제를 피할 수 있습니다. 실제로 식물을 키우는 데 필요한 공간은 아직 정확하게 정의되지 않았으며 공간과 유사한 환경(예: HI-SEAS)에서 여러 실험을 통해 이 활동이 길어질 수 있음이 나타났습니다.
식물을 키우는 것은 우주 비행사에게 지구의 일부와 함께 여행하는 느낌을 줄 수 있기 때문에 엄청나게 유익한 효과가 있는 것으로 입증되었습니다.
마지막으로 2014m²의 재배 면적을 제공하는 NASA의 야채 생산 시스템 또는 채소(Veggie)(0.11년 출시)는 우주선에서 사용할 수 있는 식물 성장 장치의 좋은 예입니다. ISS. 조명 요구 사항 측면에서 LED는 빨간색(630nm)과 파란색(455nm)의 두 가지 다른 파장과 함께 사용됩니다. 식물은 이 파장에서 더 효율적으로 자랍니다. 녹색 LED는 또한 식물에 자연스러운 색상을 부여하여 질병 식별을 용이하게 하고 승무원에게 지구를 상기시키기 위해 필요할 수 있습니다.
미즈나(일본 양배추), 붉은 로메인 상추, 도쿄 베카나(배추)는 ISS의 베지 유닛에서 재배됩니다.
우주 조건은 인간과 식물 모두에게 스트레스를 유발하므로 우주선에서 자랄 수 있고 우주 비행사가 경험하는 스트레스 중 일부를 완화하는 데 도움이 되는 식물의 디자인이 현재 연구되고 있습니다.
식물의 스트레스 반응에 관여하는 유전자가 확인되었지만 그러한 영향을 줄이거나 완화하기 위해 과학자들은 기존 유전자의 발현을 수정하거나 게놈에 공간 적응 유전자를 추가해야 합니다. 이것은 유전자 편집을 사용하여 달성할 수 있으며 일부 후보 유전자는 이미 구체적으로 식별되고 연구되었습니다. 예를 들어, 지구상의 식물의 중력 반응에 영향을 미치는 것으로 알려진 유전자인 ARG1(중력에 대한 변화된 반응 1)은 우주 비행 적응과 관련된 127개의 유전자 발현에 관여합니다. 우주 비행에서 발현이 변경된 대부분의 유전자는 Arg1 의존성인 것으로 밝혀졌으며, 이는 우주 비행에 대한 미분화 세포의 생리적 적응에서 해당 유전자의 주요 역할을 시사합니다. HsfA2(Heat Shock Factor A2)는 예를 들어 전분 생합성을 통해 우주 비행 적응에 상당한 영향을 미칩니다. 목표는 스트레스 유발 유전자를 손상시키고 유익한 유전자를 촉진하는 것입니다.
방사선, 과염소산염, 왜소증 및 저온과 관련된 유전자와 같은 공간 적응 유전자라고 하는 다른 유전자는 식물이 가혹한 공간 조건에 저항하는 데 도움이 되므로 잠재적으로 연구할 가치가 있습니다. 예를 들어, 고염분 환경에 적응한 미생물은 UV 저항성과 과염소산염 저항성을 위한 유전자를 가지고 있습니다. 많은 난쟁이 품종(예: 밀)이 이미 ISS에서 재배되었으며 난쟁이 체리 토마토 '레드 로빈'은 NASA의 Veg-05 실험의 일환으로 ISS에서 재배될 수 있습니다.
우주비행사의 건강을 위한 식물도 디자인할 수 있습니다. 유익한 화합물의 축적을 촉진하거나, 전신 식용 식물을 만들어 폐기물을 줄이거나, 우주 비행사에 대한 우주 부작용에 대한 약물을 생산하도록 식물을 설계하는 것은 식물을 승무원에게 유용하게 만드는 가능한 방법입니다.
WBEEP(Whole-Body Edible and Elite Plant) 전략이 감자 식물에 사용되어 감자에서 솔라닌을 제거하여 감자 줄기와 잎을 식용으로 만들었습니다. 생산을 억제하기 위해 생산 유전자를 침묵시키거나 유전자 편집으로 돌연변이시킵니다. 이 WBEEP 감자를 만드는 것은 좋은 에너지원이며 우주와 같은 어려운 조건에서도 자랄 수 있는 것으로 입증된 쉽게 재배되는 식물이라는 장점이 있습니다. 식물은 또한 인체의 영양소 요구를 완전히 충족하도록 강화되었습니다.
방사선은 식물 성장에 부정적인 영향을 미치고 유전적 돌연변이의 위험을 증가시키므로 방사선으로부터 식물을 보호하는 것이 우선되어야 합니다.
미세중력 상태에서 우주비행사의 건강에 대한 주요 문제 중 하나는 골밀도 손실입니다. 우리의 뼈는 성장과 흡수 사이에서 지속적으로 균형을 유지하므로 뼈가 부상이나 운동 변화에 반응할 수 있습니다. 미세중력 상태에서 시간을 보내면 이 균형이 깨지고 뼈가 재흡수 쪽으로 기울어져 우주비행사는 뼈의 질량을 잃게 됩니다. 이것은 부갑상선 호르몬(PTH)이라는 약물로 치료할 수 있지만 정기적인 주사가 필요하고 유통기한이 매우 짧아 장거리 우주 비행에 문제가 됩니다. 따라서, PTH를 생성하는 형질전환 양상추를 조작하였다.
우주에서 자랄 수 있고 우주 비행사가 사용할 수 있는 식물을 설계하는 것은 아직 연구 초기 단계에 있습니다. 그러나 그 전망은 매우 유망하며 모든 주요 우주 기관에서 연구하고 있습니다. 반갑지 않은 우주 환경에서 식물 성장 챔버를 구축하려면 여전히 작업이 필요합니다. 과제 중 하나는 기존 LSS에 BLSS의 생물 재생 부분을 추가하는 것입니다. 또 다른 과제는 우주 조건을 견디고 상당한 수확량을 제공하기 위해 기내에서 재배할 더 나은 작물 선택이 필요하다는 것입니다. 그러나 식물 육종에 대한 지식의 확산 덕분에 선택한 작물의 유전자 편집을 통해 작물이 우주 조건에 더욱 적응하고 승무원의 영양 및 건강 요구 사항을 충족할 수 있습니다.