Peluncuran misi Artemis 1 NASA ke Bulan pada bulan November menandai langkah lain dalam perjalanan yang suatu hari akan membawa manusia mengunjungi planet tetangga terdekat kita, Mars. Sebuah misi manusia pada akhirnya akan mengikuti beberapa pesawat ruang angkasa robotik, yang terbaru adalah pendaratan penjelajah Ketekunan di planet merah pada Februari 2021. Untuk perjalanan manusia ke Mars, ada banyak masalah teknologi yang harus diselesaikan, kuncinya di antaranya mereka adalah perlindungan dari radiasi matahari dan kesehatan kru, termasuk cara terbaik untuk menyediakan makanan bergizi. Fokus dan tantangan bagi banyak ahli yang mempelajari yang terakhir adalah bagaimana menghindari kekurangan laten yang disebabkan oleh konsumsi konstan makanan beku-kering. Ketersediaan makanan segar jelas akan menjadi keuntungan kesehatan dan psikologis yang utama, dan untuk ini perlu menanam dan memanen tanaman dalam perjalanan. Dalam artikel ini, penulis meninjau data dan penelitian terkini mengenai nutrisi, manfaat medis dan psikologis, serta kemungkinan metode menanam tanaman di luar angkasa.
Menurut NASA, lima bahaya utama muncul selama penerbangan luar angkasa yang panjang: radiasi ruang angkasa, isolasi dan pengurungan, jarak dari Bumi, gravitasi rendah, dan lingkungan pesawat ruang angkasa yang bermusuhan dan tertutup. Tumbuhan hidup dan makanan yang baru ditanam dapat memainkan peran utama dalam mendukung tiga hal berikut: nutrisi, kebutuhan medis, dan psikologi kru.
makanan
Keseimbangan nutrisi makanan yang disediakan untuk misi luar angkasa harus diadaptasi dengan sempurna agar kru dapat mempertahankan perjalanan panjang dalam keadaan sehat
Keseimbangan nutrisi makanan yang disediakan untuk misi luar angkasa harus diadaptasi dengan sempurna agar kru dapat mempertahankan perjalanan panjang dalam keadaan sehat. Karena suplai dari Bumi akan sulit, menentukan pola makan yang tepat dan bentuknya yang tepat adalah tujuan yang penting.
Menghindari kekurangan nutrisi penting adalah tantangan yang paling jelas, dan kebutuhan nutrisi terperinci telah dipelajari oleh NASA. Namun, sebagian besar 'sistem' makanan luar angkasa saat ini telah terbukti kurang. Secara khusus, penyimpanan makanan dalam waktu lama menginduksi degradasi vitamin A, B1, B6 dan C.
Penurunan berat badan rata-rata kumulatif untuk astronot adalah 2.4 persen per 100 hari dalam gayaberat mikro, bahkan dengan tindakan pencegahan latihan resistif yang ketat. Astronot juga telah terbukti menderita kekurangan gizi kalium, kalsium, vitamin D dan vitamin K karena makanan yang disediakan tidak memungkinkan mereka memenuhi kebutuhan asupan harian.
Tumbuhan secara alami mengandung vitamin dan mineral, dan konsumsi makanan segar segera akan menghindari masalah penyimpanan. Oleh karena itu, mengkonsumsinya akan menjadi suplemen yang bagus untuk makanan beku-kering.
Astronot Scott Kelly merawat zinnia luar angkasa yang sekarat agar kembali sehat di ISS. Dia memotret karangan bunga di Cupola dengan latar belakang Bumi dan membagikan foto itu ke Instagram miliknya untuk Hari Valentine tahun 2016.
Obat
Selain vitamin dan mineral, tumbuhan mensintesis banyak metabolit sekunder yang berbeda. Senyawa ini bisa sangat membantu dalam mencegah masalah kesehatan. Misalnya, folat terlibat dalam perbaikan DNA, tetapi persyaratannya hanya terpenuhi pada 64 persen hari penerbangan. Karena telomere, ujung kromosom, telah terbukti diubah secara signifikan selama penerbangan panjang, suplementasi folat melalui tanaman segar dapat membantu mengurangi penuaan genetik dan kejadian kanker.
Di antara contoh lainnya, sayuran kaya karotenoid dapat mencegah distorsi mata yang disebabkan oleh gayaberat mikro, sementara diet plum kering dapat membantu mencegah pengeroposan tulang akibat radiasi. Banyak tumbuhan mengandung antioksidan yang dapat sangat membantu dalam melindungi DNA manusia dari mutasi akibat radiasi. Namun, pola makan nabati saja tidak cukup dan solusi lain harus dikembangkan untuk melindungi astronot dari radiasi.
Psikologi
Selain vitamin dan mineral, tumbuhan mensintesis banyak metabolit sekunder yang berbeda
Karena isolasi dan jarak akan memberikan tekanan yang signifikan pada kesehatan mental astronot, makan adalah salah satu waktu terpenting untuk mencairkan suasana. Mengonsumsi makanan beku-kering setiap kali makan menciptakan kelelahan menu dan astronot cenderung makan lebih sedikit dari waktu ke waktu. Mengonsumsi makanan segar bisa mengurangi rasa lelah ini, tak terkecuali dalam memberikan variasi bentuk dan tekstur.
Kegiatan lain yang bermanfaat bagi kesehatan mental ABK adalah hortikultura. Menanam tanaman telah terbukti memiliki efek yang sangat bermanfaat, karena dapat membuat astronot merasa bepergian dengan sepotong Bumi. Beberapa penelitian telah mencoba menemukan tanaman dengan efek psikologis yang paling menguntungkan, karena dapat menjadi faktor yang sangat penting bagi kesehatan mental awak kapal. Misalnya, stroberi dapat meningkatkan respons psikologis positif, seperti semangat dan harga diri, mengurangi depresi dan stres, sedangkan ketumbar dapat meningkatkan kualitas tidur.
Dengan demikian, pertanian luar angkasa berbasis tumbuhan menarik pada tingkat nutrisi, psikologis, dan medis. Namun, kurangnya ruang dan kondisi pertumbuhan tertentu membatasi jumlah dan pilihan tanaman.
Pilihan tanaman yang digunakan akan bervariasi, tergantung pada kriteria yang diperiksa dan bidang (nutrisi, psikologi dan kedokteran) yang disukai. Beberapa tanaman dengan umur simpan yang lama bisa nyaman, seperti gandum atau kentang, tetapi memiliki kelemahan karena harus dimasak sebelum dikonsumsi. Faktor lain yang perlu dipertimbangkan adalah sistem reproduksi dan cara penyerbukan tanaman, karena hewan (seperti serangga) tidak diperbolehkan naik.
Daftar tanaman potensial untuk ditanam di luar angkasa telah ditetapkan, beberapa di antaranya telah ditanam di atas kapal. Penulis memilih kriteria nutrisi dan agronomi sebagai alat untuk memilihnya. Jadi, untuk efek psikologis, nilai dari satu (menit) sampai empat (maks) dikaitkan dengan rasa dan penampilan tanaman atau bagian tanaman yang dapat dimakan.
Tabel berbagai tanaman dengan karakteristik nutrisi, medis, agronomi, dan psikologisnya cocok untuk misi panjang di luar angkasa.
Menanam tanaman di pesawat ruang angkasa
Ruang menghadirkan dua sumber stres utama bagi tanaman: radiasi kosmik dan gayaberat mikro.
Radiasi mempengaruhi pertumbuhan tanaman secara negatif dan meningkatkan risiko mutasi genetik, jadi melindungi tanaman dari radiasi harus menjadi prioritas. Meskipun radiasi dapat ditampung menggunakan pelindung timbal dan/atau air, hal ini menunjukkan massa tambahan untuk ditempatkan di orbit. Solusi yang baik, yang berasal dari Kamp Pangkalan Mars Lockheed Martin (2018), adalah menggunakan penyimpanan bahan bakar sebagai perisai radiasi.
Sebaliknya, gayaberat mikro tidak mengganggu pertumbuhan tanaman secara signifikan, meskipun mungkin memperlambatnya. Namun, respons tanaman berbeda menurut spesiesnya, karena gayaberat mikro memengaruhi ekspresi genom tanaman. Telah ditemukan bahwa, dalam gayaberat mikro, tanaman akan mengekspresikan lebih banyak gen yang berhubungan dengan stres, seperti gen kejutan panas, dan meningkatkan produksi protein yang berhubungan dengan stres. Selain itu, benih ditemukan memiliki konsentrasi metabolit yang berbeda dan perkecambahan yang tertunda.
Gayaberat mikro juga memengaruhi lingkungan mikro tanaman, seperti kurangnya pergerakan atmosfer, menciptakan komposisi atmosfer yang tidak biasa, dan kesulitan menyiram (dengan atau tanpa penyangga). Tidak ada konveksi udara di luar angkasa, jadi jika stasiun pertumbuhan tidak memiliki ventilasi yang cukup, gas yang dipancarkan oleh tanaman akan tertinggal di sekitar permukaannya. Telah ditunjukkan bahwa akumulasi gas etilen di sekitar daun tanaman menghasilkan perkembangan daun yang tidak normal. Gas lain, seperti karbon dioksida, hadir dalam konsentrasi tinggi di pesawat ruang angkasa, dapat mematikan beberapa tumbuhan. Masalah yang sama muncul untuk penyiraman tanaman, sehingga diperlukan pengembangan metode yang tidak menenggelamkan akar.
Respon tanaman terhadap lingkungan luar angkasa lebih sulit untuk dievaluasi. Beberapa aspek lingkungan itu, seperti ruang terbatas, dapat mengarahkan pilihan kita pada varietas kerdil. Namun, beberapa aspek lain seperti respons tumbuhan terhadap gayaberat mikro bervariasi tergantung spesies dan varietasnya. Meskipun eksperimen perlu dilanjutkan, sejumlah tumbuhan telah diuji dan digambarkan mampu tumbuh di luar angkasa dan kita dapat menggunakannya sebagai dasar.
Pengembangan ruang tanaman mandiri yang mencakup semua kebutuhan nutrisi astronot dapat memakan waktu puluhan tahun, tetapi menggunakan ruang kecil sebagai tindakan pelengkap dapat membantu awak dengan kekurangan vitamin dan nutrisi (yang diubah dalam makanan kemasan) dan mengurangi kelelahan diet.
Mark Vande Hei, Shane Kimbrough, Thomas Pesquet, Akihiko Hoshide, dan Megan McArthur dari Space X Crew-02 berpose dengan panen cabai merah dan hijau mereka di ISS pada tahun 2021 untuk investigasi Plant-Habitat 04.
Sistem pendukung kehidupan bioregeneratif
Mengonsumsi makanan beku-kering setiap kali makan menciptakan kelelahan menu dan astronot cenderung makan lebih sedikit dari waktu ke waktu
Di pesawat ruang angkasa, ruangan terbatas. Oleh karena itu, keberhasilan misi bergantung pada sistem regeneratif yang tertanam dalam Life Support System (LSS) yang dapat mendaur ulang materi bekas menjadi materi yang dapat digunakan. Environmental Control and Life Support System (ECLSS) yang dipasang di Stasiun Luar Angkasa Internasional (ISS) menghasilkan oksigen dan air dengan mendaur ulang karbon dioksida dan urin; sistem serupa akan dibutuhkan untuk penerbangan luar angkasa yang panjang.
Gagasan LSS bioregeneratif (BLSS) lahir pada 1960-an untuk memasukkan produksi makanan dan daur ulang bahan limbah (misalnya, kotoran) ke ECLSS. BLSS dengan bakteri dan ganggang dapat digunakan untuk mendaur ulang nitrogen dalam limbah padat kembali menjadi bentuk nitrogen organik yang dapat digunakan tanaman. Eksperimen yang mengikuti prinsip itu – Alternatif Sistem Pendukung Kehidupan Ekologi Mikro (MELiSSA) – telah dikembangkan dan dilakukan oleh Badan Antariksa Eropa sejak 1990-an.
Namun, karena kami menyertakan pabrik yang lebih tinggi dalam BLSS, kami perlu mempelajari integrasinya dengan teknologi pengendalian lingkungan lain yang ada, yang merupakan tantangan baru. Menentukan biaya dan keberlanjutan sistem produksi tanaman pangan yang lebih kecil ini akan memberikan informasi penting untuk berkembang menuju BLSS yang lebih besar.
Diagram skematik desain kedua unit pertumbuhan tanaman tabung berpori.
Mengembangkan ruang pertumbuhan tanaman
Menggunakan sistem hidroponik untuk bercocok tanam adalah kemungkinan yang menarik, karena menanam tanaman di air daripada mengandalkan sistem seperti tanah. Yang terakhir menambah bobot pesawat ruang angkasa dan risiko partikel melayang-layang, dua aspek yang membuatnya tidak menguntungkan. Advanced Plant Habitat (APH) yang dipasang di ISS telah menumbuhkan berbagai gandum kerdil menggunakan sistem hidroponik dengan sistem penyiraman tabung berpori yang tertanam dalam modul akar yang berisi arcillite dan pupuk slow release.
Untuk memudahkan kegiatan hortikultura kru dan memastikan bahwa tanaman tumbuh di lingkungan yang optimal, siklus budidaya tanaman perlu dipantau sepenuhnya oleh komputer. Sistem pemantauan semacam itu diuji pada 2018 di Antartika. Menggunakan sistem sebagian otomatis untuk menanam tanaman akan memastikan bahwa kru mendapat manfaat dari keberadaan tanaman di pesawat ruang angkasa (dengan memanipulasinya) dan menghindari masalah pertanian menjadi terlalu memakan waktu. Memang, ruang yang dibutuhkan untuk menanam tanaman belum ditentukan secara tepat dan beberapa percobaan di lingkungan mirip ruang angkasa (seperti HI-SEAS) telah menunjukkan bahwa aktivitas ini bisa memakan waktu lama.
Menanam tanaman telah terbukti memiliki efek yang sangat menguntungkan, karena dapat membuat astronot merasa bepergian dengan sebidang tanah.
Terakhir, Sistem Produksi Sayuran NASA, atau Veggie, (diluncurkan pada tahun 2014), yang menyediakan area tumbuh seluas 0.11 m², adalah contoh unit pertumbuhan tanaman yang bagus yang dapat digunakan di pesawat luar angkasa, seperti yang telah diuji di ISS. Dalam hal kebutuhan cahaya, LED digunakan dengan dua panjang gelombang yang berbeda: merah (630 nm) dan biru (455 nm) karena tanaman tumbuh lebih efisien di bawah panjang gelombang tersebut. LED hijau mungkin juga diperlukan untuk memberikan warna alami pada tanaman, sehingga memudahkan identifikasi penyakit dan mengingatkan awak Bumi.
Mizuna (kubis Jepang), selada romaine merah, dan Tokyo bekana (kubis Cina) ditanam di unit Veggie di ISS.
Kondisi luar angkasa menciptakan tekanan bagi manusia dan tumbuhan, sehingga desain tumbuhan yang dapat tumbuh di pesawat ruang angkasa dan membantu meringankan sebagian tekanan yang dialami astronot saat ini sedang dipelajari.
Gen yang terlibat dalam respons stres tanaman telah diidentifikasi tetapi untuk mengurangi atau mengurangi efek tersebut, para ilmuwan perlu memodifikasi ekspresi gen yang ada atau menambahkan gen adaptasi ruang ke dalam genom. Ini dapat dicapai dengan menggunakan pengeditan gen dan beberapa gen kandidat telah diidentifikasi dan dipelajari secara khusus. Misalnya, ARG1 (Altered Response to Gravity 1), gen yang diketahui memengaruhi respons gravitasi pada tumbuhan di Bumi, terlibat dalam ekspresi 127 gen yang terkait dengan adaptasi penerbangan luar angkasa. Sebagian besar gen yang diubah ekspresinya dalam spaceflight ditemukan bergantung pada Arg1, menunjukkan peran utama gen tersebut dalam adaptasi fisiologis sel-sel yang tidak berdiferensiasi terhadap spaceflight. HsfA2 (Heat Shock Factor A2) berpengaruh signifikan terhadap adaptasi spaceflight, misalnya melalui biosintesis pati. Tujuannya adalah untuk merusak gen pemicu stres dan mempromosikan gen yang bermanfaat.
Gen lain, yang disebut gen adaptasi ruang, seperti gen yang terkait dengan radiasi, perklorat, kekerdilan, dan suhu dingin, berpotensi untuk dipelajari karena akan membantu tumbuhan melawan kondisi luar angkasa yang keras. Misalnya, mikroorganisme yang beradaptasi dengan lingkungan hipersalin memiliki gen untuk resistensi UV dan resistensi perklorat. Banyak varietas kerdil (misalnya gandum) telah dibudidayakan di ISS dan tomat ceri kerdil 'Red Robin' mungkin ditanam di ISS sebagai bagian dari percobaan Veg-05 NASA.
Kami juga dapat merancang tanaman untuk kesehatan astronot. Mempromosikan akumulasi senyawa bermanfaat, membuat tanaman yang dapat dimakan seluruh tubuh untuk mengurangi limbah, atau merancang tanaman untuk memproduksi obat melawan efek samping antariksa pada astronot adalah cara yang memungkinkan untuk membuat tanaman bermanfaat bagi kru.
Strategi Whole-Body Edible and Elite Plant (WBEEP) digunakan pada tanaman kentang, membuat batang dan daun kentang dapat dimakan dengan menghilangkan solanin darinya. Untuk menghambat produksinya, gen yang memproduksinya dibungkam atau dimutasi dengan pengeditan gen. Membuat kentang WBEEP ini memiliki kelebihan karena merupakan tanaman yang mudah dibudidayakan dan merupakan sumber energi yang baik dan terbukti mampu tumbuh dalam kondisi sulit seperti ruang angkasa. Tumbuhan juga diperkaya untuk memenuhi kebutuhan nutrisi tubuh manusia.
Radiasi mempengaruhi pertumbuhan tanaman secara negatif dan meningkatkan risiko mutasi genetik, jadi melindungi tanaman dari radiasi harus menjadi prioritas
Salah satu masalah utama kesehatan astronot dalam gayaberat mikro adalah hilangnya kepadatan tulang. Tulang kita secara konstan seimbang antara pertumbuhan dan penyerapan, memungkinkan tulang merespons cedera atau perubahan dalam olahraga. Menghabiskan waktu dalam gayaberat mikro mengganggu keseimbangan ini, mendorong tulang menuju resorpsi, sehingga astronot kehilangan massa tulang. Ini dapat diobati dengan obat yang disebut hormon paratiroid, atau PTH, tetapi memerlukan suntikan teratur dan memiliki umur simpan yang sangat pendek, yang bermasalah untuk penerbangan luar angkasa yang lama. Oleh karena itu, selada transgenik yang menghasilkan PTH direkayasa.
Merancang tanaman yang dapat tumbuh di luar angkasa dan bermanfaat bagi astronot masih dalam tahap awal penelitian. Namun, prospeknya sangat menjanjikan dan sedang dipelajari oleh semua badan antariksa besar. Membangun ruang pertumbuhan tanaman di lingkungan ruang yang tidak ramah masih membutuhkan pekerjaan. Salah satu tantangannya adalah menambahkan bagian bioregeneratif BLSS ke LSS yang sudah ada. Tantangan lain adalah perlunya pilihan tanaman yang lebih baik untuk ditanam di atas kapal agar tahan terhadap kondisi ruang dan menawarkan hasil yang signifikan. Namun berkat penyebaran pengetahuan dalam pemuliaan tanaman, pengeditan gen pada tanaman terpilih akan memungkinkan mereka untuk lebih beradaptasi dengan kondisi ruang dan sesuai dengan kebutuhan nutrisi dan kesehatan kru.
Sumber: https://room.eu.com