O lançamento da missão Artemis 1 da NASA à Lua, em Novembro, marcou mais um passo na viagem que um dia levará os humanos a visitar o nosso vizinho planetário mais próximo, Marte. Uma missão humana acabará por seguir os passos de múltiplas naves espaciais robóticas, a mais recente das quais foi a aterragem do rover Perseverance no planeta vermelho em fevereiro de 2021. Para viagens humanas a Marte, há muitos problemas tecnológicos a serem resolvidos, entre os quais os principais sendo elas a proteção contra a radiação solar e a saúde da tripulação, incluindo a melhor forma de fornecer alimentos nutritivos. O foco e o desafio de muitos especialistas que estudam este último é como evitar as deficiências latentes causadas pelo consumo constante de alimentos liofilizados. A disponibilidade de alimentos frescos será obviamente uma grande vantagem psicológica e de saúde, e para isso será necessário cultivar e colher plantas no caminho. Neste artigo, os autores revisam dados e pesquisas atuais sobre nutrição, benefícios médicos e psicológicos e possíveis métodos de cultivo no espaço profundo.
De acordo com a NASA, cinco perigos principais aparecem durante voos espaciais longos: radiação espacial, isolamento e confinamento, distância da Terra, baixa gravidade e o ambiente hostil e fechado de uma nave espacial. As plantas vivas e os alimentos recém-cultivados poderiam desempenhar um papel importante no apoio a três destes: nutrição, necessidades médicas e psicologia da tripulação.
Nutrição
O equilíbrio nutricional dos alimentos fornecidos para missões espaciais deve ser perfeitamente adaptado para que uma tripulação possa sustentar uma longa viagem com boa saúde.
O equilíbrio nutricional dos alimentos fornecidos para missões espaciais deve ser perfeitamente adaptado para que uma tripulação possa sustentar uma longa viagem com boa saúde. Como os reabastecimentos da Terra serão difíceis, determinar exatamente a dieta correta e a sua forma precisa é um objetivo crítico.
Evitar qualquer deficiência de nutrientes essenciais é o desafio mais óbvio, e as necessidades nutricionais detalhadas foram estudadas pela NASA. Grande parte do actual “sistema” alimentar espacial, contudo, revelou-se deficiente. Especificamente, o armazenamento prolongado de alimentos em ambiente induz a degradação das vitaminas A, B1, B6 e C.
A perda média acumulada de peso para os astronautas é de 2.4% a cada 100 dias em microgravidade, mesmo com contramedidas rigorosas de exercícios resistidos. Foi também demonstrado que os astronautas sofrem de deficiências nutricionais em potássio, cálcio, vitamina D e vitamina K porque os alimentos fornecidos não lhes permitem satisfazer as necessidades diárias de ingestão.
As plantas contêm naturalmente vitaminas e minerais, e o consumo imediato de alimentos frescos evitaria o problema de armazenamento. Consumi-los seria, portanto, um ótimo complemento aos alimentos liofilizados.
O astronauta Scott Kelly cuidou de zínias espaciais moribundas até recuperarem a saúde na ISS. Ele fotografou um buquê de flores na Cúpula tendo como pano de fundo a Terra e compartilhou a foto em seu Instagram no Dia dos Namorados de 2016.
Remédio
Além de vitaminas e minerais, as plantas sintetizam muitos metabólitos secundários diferentes. Esses compostos podem ser de grande ajuda na prevenção de problemas de saúde. Por exemplo, o folato está envolvido na reparação do ADN, mas as suas necessidades são satisfeitas em apenas 64% dos dias de voo. Como foi comprovado que os telômeros, as extremidades dos cromossomos, são significativamente alterados durante voos longos, a suplementação de folato por meio de plantas frescas pode ajudar a reduzir o envelhecimento genético e a ocorrência de câncer.
Entre outros exemplos, os vegetais ricos em carotenóides podem prevenir a distorção ocular causada pela microgravidade, enquanto uma dieta de ameixa seca pode ajudar a prevenir a perda óssea induzida pela radiação. Muitas plantas contêm antioxidantes que podem ser de grande ajuda na proteção do DNA humano contra mutações induzidas pela radiação. No entanto, uma dieta baseada em vegetais não é suficiente e outras soluções devem ser desenvolvidas para proteger os astronautas da radiação.
Psicologia
Além de vitaminas e minerais, as plantas sintetizam muitos metabólitos secundários diferentes
Como o isolamento e a distância irão colocar uma pressão significativa na saúde mental dos astronautas, a refeição é um dos momentos mais importantes para aliviar o humor. Comer alimentos liofilizados em todas as refeições cria fadiga no cardápio e os astronautas tendem a comer menos com o tempo. Comer alimentos frescos pode reduzir esse cansaço, principalmente por proporcionar variedade na forma e na textura.
Outra atividade benéfica para a saúde mental da tripulação é a horticultura. Foi comprovado que o cultivo de plantas tem efeitos tremendamente benéficos, pois pode dar aos astronautas a sensação de viajar com um pedaço da Terra. Alguns estudos tentaram encontrar as plantas com efeitos psicológicos mais benéficos, pois poderiam ser um fator muito importante para a saúde mental da tripulação. Por exemplo, os morangos podem melhorar as respostas psicológicas positivas, como o vigor e a auto-estima, reduzir a depressão e o stress, enquanto o coentro pode melhorar a qualidade do sono.
Assim, a agricultura espacial baseada em plantas é interessante a nível nutricional, psicológico e médico. No entanto, a falta de espaço e as condições específicas de cultivo limitam o número e a escolha das culturas.
A escolha real das culturas utilizadas irá variar, dependendo dos critérios examinados e da área (nutrição, psicologia e medicina) preferida. Algumas plantas com longa vida útil podem ser convenientes, como o trigo ou a batata, mas têm a desvantagem de precisarem ser cozidas antes do consumo. Outro fator a considerar é o sistema reprodutivo e o modo de polinização das plantas, pois animais (como insetos) não são permitidos a bordo.
Foi estabelecida uma lista de culturas potenciais para cultivo no espaço, algumas das quais já tinham sido cultivadas a bordo. Os autores selecionaram critérios nutricionais e agronômicos como ferramentas para sua escolha. Assim, para os efeitos psicológicos, foi atribuído um valor de um (mín.) a quatro (máx.) ao sabor e à aparência da cultura ou parte comestível da planta.
Tabela de diferentes culturas com suas características nutricionais, médicas, agronômicas e psicológicas adequadas para longas missões no espaço.
Cultivo de plantas em uma espaçonave
O espaço apresenta duas principais fontes de estresse para as plantas: radiação cósmica e microgravidade.
A radiação afecta negativamente o crescimento das plantas e aumenta os riscos de mutações genéticas, pelo que proteger as plantas da radiação deve ser uma prioridade. Embora a radiação possa ser contida usando escudos de chumbo e/ou água, isso representa uma massa adicional a ser colocada em órbita. Uma boa solução, originada do Mars Base Camp da Lockheed Martin (2018), é usar o armazenamento de combustível como escudo contra radiação.
A microgravidade, por outro lado, não prejudica significativamente o crescimento das plantas, embora possa retardá-lo. Porém, a resposta da planta difere de acordo com a espécie, pois a microgravidade afeta a expressão do genoma da planta. Foi descoberto que, na microgravidade, as plantas expressarão mais genes relacionados com o stress, tais como genes de choque térmico, e aumentarão a sua produção de proteínas relacionadas com o stress. Além disso, descobriu-se que as sementes apresentam diferentes concentrações de metabólitos e germinação retardada.
A microgravidade também afeta o microambiente da planta, como a falta de movimentação da atmosfera, criando uma composição atmosférica incomum e dificuldade de irrigação (com ou sem suporte). Não há convecção de ar no espaço sideral, portanto, se a estação de cultivo não for suficientemente ventilada, qualquer gás emitido pela planta permanecerá em torno de sua superfície. Foi demonstrado que o acúmulo de etileno gasoso ao redor das folhas das plantas resulta no desenvolvimento anormal das folhas. Outros gases, como o dióxido de carbono, presentes em altas concentrações numa nave espacial, podem ser letais para algumas plantas. O mesmo problema surge com a rega das plantas, portanto será necessário desenvolver um método que não afogue as raízes.
A resposta da planta ao ambiente espacial é mais difícil de avaliar. Alguns aspectos desse ambiente, como o espaço restrito, podem direcionar a nossa escolha para variedades anãs. No entanto, alguns outros aspectos, como a resposta da planta à microgravidade, variam dependendo das espécies e variedades. Embora os experimentos precisem continuar, um certo número de plantas já foi testado e descrito como capaz de crescer no espaço e podemos usá-las como base.
O desenvolvimento de uma câmara vegetal autossustentável que cubra todas as necessidades nutricionais dos astronautas pode levar décadas, mas a utilização de pequenas câmaras como medidas complementares poderia ajudar a tripulação com deficiências de vitaminas e nutrientes (que são alteradas nos alimentos embalados) e reduzir a fadiga alimentar.
Mark Vande Hei, Shane Kimbrough, Thomas Pesquet, Akihiko Hoshide e Megan McArthur da Space X Crew-02 posando com sua colheita de pimenta vermelha e verde na ISS em 2021 para a investigação Plant-Habitat 04.
Sistema de suporte de vida biorregenerativo
Comer alimentos liofilizados em todas as refeições cria fadiga no cardápio e os astronautas tendem a comer menos com o tempo
Numa nave espacial, o espaço é limitado. Portanto, o sucesso da missão depende de sistemas regenerativos incorporados em Sistemas de Suporte à Vida (LSS), que podem reciclar matéria usada em matéria utilizável. O Sistema de Controle Ambiental e Suporte à Vida (ECLSS) instalado na Estação Espacial Internacional (ISS) produz oxigênio e água por meio da reciclagem de dióxido de carbono e urina; um sistema semelhante será necessário para voos espaciais longos.
A ideia de um LSS bioregenerativo (BLSS) nasceu na década de 1960 para incluir a produção de alimentos e a reciclagem de resíduos (por exemplo, matéria fecal) no ECLSS. Um BLSS com bactérias e algas poderia ser usado para reciclar o nitrogênio dos resíduos sólidos de volta a uma forma utilizável de nitrogênio orgânico que as plantas pudessem absorver. Uma experiência que segue esse princípio – o Sistema Alternativo de Apoio à Vida Micro Ecológico (MELiSSA) – foi desenvolvida e conduzida pela Agência Espacial Europeia desde a década de 1990.
Porém, ao incluirmos plantas superiores no BLSS, precisaremos estudar sua integração com as demais tecnologias de controle ambiental existentes, o que representa um novo desafio. A determinação do custo e da sustentabilidade destes sistemas de produção de culturas alimentares mais pequenos fornecerá informações críticas para evoluir em direcção a um BLSS maior.
Diagrama esquemático do segundo projeto da unidade de crescimento de plantas em tubo poroso.
Desenvolvendo uma câmara de crescimento de plantas
Usar um sistema hidropônico para cultivar é uma possibilidade atraente, pois cultiva plantas na água em vez de depender de um sistema semelhante ao solo. Este último acrescenta peso à espaçonave e aumenta o risco de partículas flutuarem, dois aspectos que a tornam desvantajosa. O Advanced Plant Habitat (APH) instalado na ISS já cultivou uma variedade de trigo anão utilizando um sistema hidropónico com um sistema de irrigação por tubo poroso incorporado num módulo de raiz contendo arcilite e um fertilizante de libertação lenta.
Para facilitar as atividades hortícolas da tripulação e garantir que as plantas crescem num ambiente ideal, o ciclo cultural da cultura precisa de ser totalmente monitorizado por um computador. Tal sistema de monitoramento foi testado em 2018 na Antártida. A utilização de um sistema parcialmente automatizado para o cultivo de culturas garantirá que a tripulação beneficie da presença de plantas na nave espacial (manipulando-as) e evitará que a questão da agricultura se torne demasiado demorada. Na verdade, o espaço necessário para cultivar plantas ainda não está definido com precisão e várias experiências em ambientes semelhantes ao espaço (como o HI-SEAS) mostraram que esta actividade pode tornar-se demorada.
Foi comprovado que o cultivo de plantas tem efeitos tremendamente benéficos, pois pode dar aos astronautas a sensação de viajar com um pedaço da Terra.
Por fim, o Sistema de Produção Vegetal, ou Veggie, da NASA (lançado em 2014), que oferece uma área de cultivo de 0.11 m², é um ótimo exemplo de unidade de crescimento de plantas que poderia ser usada a bordo de uma espaçonave, pois já foi testada no ISS. Em termos de requisitos de luz, os LEDs são usados com dois comprimentos de onda diferentes: vermelho (630 nm) e azul (455 nm), pois as plantas crescem mais eficientemente sob esses comprimentos de onda. Também poderá ser necessário um LED verde para dar à planta a sua cor natural, facilitando assim a identificação de doenças e lembrando a tripulação da Terra.
Mizuna (repolho japonês), alface romana vermelha e Tokyo bekana (repolho chinês) cultivadas na unidade Veggie da ISS.
As condições espaciais criam stress tanto para os humanos como para as plantas, pelo que o desenho de plantas capazes de crescer em naves espaciais e ajudar a aliviar algumas das tensões que os astronautas experimentam está actualmente a ser estudado.
Os genes envolvidos nas respostas das plantas ao stress foram identificados, mas para reduzir ou mitigar esses efeitos os cientistas precisam de modificar a expressão dos genes existentes ou adicionar genes de adaptação espacial aos genomas. Isto pode ser conseguido através da edição genética e alguns genes candidatos já foram especificamente identificados e estudados. Por exemplo, ARG1 (Altered Response to Gravity 1), um gene conhecido por afetar as respostas gravitacionais em plantas na Terra, está envolvido na expressão de 127 genes relacionados à adaptação ao voo espacial. Descobriu-se que a maioria dos genes com expressão alterada em voos espaciais são dependentes de Arg1, sugerindo um papel importante para esse gene na adaptação fisiológica de células indiferenciadas ao voo espacial. O HsfA2 (fator de choque térmico A2) tem um efeito significativo na adaptação ao voo espacial, por exemplo, através da biossíntese do amido. O objetivo é prejudicar genes indutores de estresse e promover genes benéficos.
Outros genes, chamados genes de adaptação ao espaço, como genes relacionados à radiação, perclorato, nanismo e temperatura fria, são potencialmente dignos de estudo, pois ajudariam as plantas a resistir às duras condições do espaço. Por exemplo, microrganismos adaptados a ambientes hipersalinos possuem genes para resistência aos raios UV e resistência ao perclorato. Muitas variedades anãs (por exemplo, de trigo) já foram cultivadas na ISS e o tomate cereja anão 'Red Robin' poderá ser cultivado na ISS como parte da experiência Veg-05 da NASA.
Também podemos projetar plantas para a saúde dos astronautas. Promover a acumulação de compostos benéficos, fabricar plantas comestíveis para todo o corpo para reduzir o desperdício ou conceber plantas para produzir medicamentos contra os efeitos secundários do espaço nos astronautas são formas possíveis de tornar as plantas úteis para a tripulação.
Uma estratégia de plantas comestíveis e de elite de corpo inteiro (WBEEP) foi usada em plantas de batata, tornando os caules e as folhas da batata comestíveis, removendo a solanina deles. Para inibir a sua produção, os genes que o produzem são silenciados ou mutados por edição genética. A criação desta batata WBEEP tem vantagens, pois é uma planta de fácil cultivo, uma boa fonte de energia e que provou ser capaz de crescer em condições difíceis como o espaço. As plantas também foram fortificadas para atender plenamente às necessidades nutricionais do corpo humano.
A radiação afecta negativamente o crescimento das plantas e aumenta os riscos de mutações genéticas, pelo que proteger as plantas da radiação deve ser uma prioridade
Um dos principais problemas para a saúde dos astronautas na microgravidade é a perda de densidade óssea. Nossos ossos estão constantemente equilibrados entre crescimento e reabsorção, permitindo que os ossos respondam a lesões ou mudanças no exercício. Passar algum tempo na microgravidade perturba esse equilíbrio, inclinando os ossos para a reabsorção, fazendo com que os astronautas percam massa óssea. Isto pode ser tratado com um medicamento chamado hormônio da paratireóide, ou PTH, mas requer injeções regulares e tem uma vida útil muito curta, o que é problemático para voos espaciais longos. Portanto, foi desenvolvida uma alface transgênica que produz PTH.
Projetar plantas capazes de crescer no espaço e serem úteis para os astronautas ainda está em estágio inicial de pesquisa. No entanto, as suas perspectivas são muito promissoras e estão a ser estudadas por todas as principais agências espaciais. Construir uma câmara de crescimento de plantas no ambiente hostil do espaço ainda requer trabalho. Um dos desafios será adicionar a parte bioregenerativa do BLSS ao LSS já existente. Outro desafio é a necessidade de uma melhor escolha de culturas a serem cultivadas a bordo, para resistir às condições de espaço e oferecer rendimentos significativos. Mas graças à difusão do conhecimento no melhoramento de plantas, a edição genética nas culturas escolhidas permitirá que sejam ainda mais adaptadas às condições do espaço e correspondam às necessidades nutricionais e de saúde de uma tripulação.
Uma fonte: https://room.eu.com