El lanzamiento de la misión Artemis 1 de la NASA a la Luna en noviembre marcó otro paso en el viaje que un día llevará a los humanos a visitar nuestro vecino planetario más cercano, Marte. Una misión humana eventualmente seguirá los pasos de múltiples naves espaciales robóticas, la más reciente de las cuales fue el aterrizaje del rover Perseverance en el planeta rojo en febrero de 2021. Para los viajes humanos a Marte, hay muchos problemas tecnológicos por resolver, clave entre siendo ellos la protección contra la radiación solar y la salud de la tripulación, incluida la mejor manera de proporcionar alimentos nutritivos. El foco y desafío para muchos expertos que estudian esto último es cómo evitar las deficiencias latentes provocadas por el consumo constante de alimentos liofilizados. La disponibilidad de alimentos frescos obviamente será una gran ventaja psicológica y para la salud, y para ello será necesario cultivar y cosechar plantas en el camino. En este artículo, los autores revisan datos e investigaciones actuales sobre nutrición, beneficios médicos y psicológicos, y posibles métodos para cultivar en el espacio profundo.
Según la NASA, durante los vuelos espaciales prolongados aparecen cinco peligros principales: la radiación espacial, el aislamiento y el confinamiento, la distancia a la Tierra, la baja gravedad y el entorno hostil y cerrado de una nave espacial. Las plantas vivas y los alimentos recién cultivados podrían desempeñar un papel importante en el apoyo a tres de estos: nutrición, necesidades médicas y psicología de la tripulación.
Nutrición
El equilibrio nutricional de los alimentos suministrados para las misiones espaciales debe estar perfectamente adaptado para que una tripulación pueda soportar un largo viaje con buena salud.
El equilibrio nutricional de los alimentos suministrados para las misiones espaciales debe estar perfectamente adaptado para que una tripulación pueda soportar un largo viaje con buena salud. Dado que los reabastecimientos de la Tierra serán difíciles, determinar exactamente la dieta adecuada y su forma precisa es un objetivo fundamental.
Evitar cualquier deficiencia de nutrientes esenciales es el desafío más obvio, y la NASA ha estudiado las necesidades nutricionales detalladas. Sin embargo, se ha demostrado que gran parte del actual "sistema" de comida espacial es deficiente. En concreto, el almacenamiento prolongado de los alimentos a temperatura ambiente induce la degradación de las vitaminas A, B1, B6 y C.
La pérdida de peso media acumulada para los astronautas es del 2.4 por ciento cada 100 días en microgravedad, incluso con contramedidas estrictas de ejercicios de resistencia. También se ha demostrado que los astronautas sufren deficiencias nutricionales de potasio, calcio, vitamina D y vitamina K debido a que los alimentos suministrados no les permiten cumplir con los requisitos de ingesta diaria.
Las plantas contienen naturalmente vitaminas y minerales, y el consumo inmediato de alimentos frescos evitaría el problema del almacenamiento. Por lo tanto, consumirlos sería un gran complemento para los alimentos liofilizados.
El astronauta Scott Kelly cuidó a las zinnias espaciales moribundas hasta que recuperaron la salud en la ISS. Fotografió un ramo de flores en la cúpula con el telón de fondo de la Tierra y compartió la foto en su Instagram para el Día de San Valentín en el 2016.
Medicina
Además de vitaminas y minerales, las plantas sintetizan muchos metabolitos secundarios diferentes. Estos compuestos podrían ser de gran ayuda para prevenir problemas de salud. Por ejemplo, el folato está involucrado en la reparación del ADN, pero sus requisitos se cumplen solo en el 64 por ciento de los días de vuelo. Como se ha demostrado que los telómeros, el extremo de los cromosomas, se alteran significativamente durante vuelos largos, la suplementación con folato a través de plantas frescas podría ayudar a reducir el envejecimiento genético y la aparición de cáncer.
Entre otros ejemplos, las verduras ricas en carotenoides podrían prevenir la distorsión ocular causada por la microgravedad, mientras que una dieta de ciruelas secas puede ayudar a prevenir la pérdida ósea inducida por la radiación. Muchas plantas contienen antioxidantes que pueden ser de gran ayuda para proteger el ADN humano de las mutaciones inducidas por la radiación. Sin embargo, una dieta basada en plantas no es suficiente y se deben desarrollar otras soluciones para proteger a los astronautas de la radiación.
Psicología
Además de vitaminas y minerales, las plantas sintetizan muchos metabolitos secundarios diferentes
Como el aislamiento y la distancia ejercerán una presión significativa sobre la salud mental de los astronautas, la comida es uno de los momentos más importantes para aligerar el estado de ánimo. Comer alimentos liofilizados en cada comida crea fatiga en el menú y los astronautas tienden a comer menos con el tiempo. Comer alimentos frescos puede reducir esta fatiga, sobre todo al proporcionar variedad en forma y textura.
Otra actividad beneficiosa para la salud mental de la tripulación es la horticultura. Se ha demostrado que el cultivo de plantas tiene efectos tremendamente beneficiosos, ya que puede dar a los astronautas la sensación de viajar con un trozo de Tierra. Algunos estudios han intentado encontrar las plantas con efectos psicológicos más beneficiosos, ya que podrían ser un factor muy importante para la salud mental de la tripulación. Por ejemplo, las fresas pueden mejorar las respuestas psicológicas positivas, como el vigor y la autoestima, reducir la depresión y el estrés, mientras que el cilantro podría mejorar la calidad del sueño.
Por lo tanto, la agricultura espacial basada en plantas es interesante a nivel nutricional, psicológico y médico. Sin embargo, la falta de espacio y las condiciones particulares de cultivo limitan el número y la elección de cultivos.
La elección real de los cultivos usados variará, dependiendo de los criterios examinados y el campo (nutrición, psicología y medicina) favorecido. Algunas plantas con una vida útil prolongada pueden ser convenientes, como el trigo o la papa, pero tienen la desventaja de que deben cocinarse antes del consumo. Otro factor a considerar es el sistema reproductivo y el modo de polinización de las plantas, ya que no se permiten animales (como insectos) a bordo.
Se estableció una lista de cultivos potenciales para crecer en el espacio, algunos de los cuales ya se habían cultivado a bordo. Los autores seleccionaron criterios nutricionales y agronómicos como herramientas para elegirlos. Así, para efectos psicológicos, se atribuyó un valor de uno (mín) a cuatro (máx) al sabor y apariencia del cultivo o parte comestible de la planta.
Tabla de diferentes cultivos con sus características nutricionales, médicas, agronómicas y psicológicas aptas para largas misiones en el espacio.
Cultivo de plantas en una nave espacial
El espacio presenta dos fuentes principales de estrés para las plantas: la radiación cósmica y la microgravedad.
La radiación afecta negativamente al crecimiento de las plantas y aumenta los riesgos de mutaciones genéticas, por lo que proteger las plantas de la radiación debería ser una prioridad. Si bien la radiación se puede contener usando escudos de plomo y/o agua, esto representa una masa adicional para colocar en órbita. Una buena solución, que se originó en el campo base de Marte de Lockheed Martin (2018), es utilizar el almacenamiento de combustible como escudo contra la radiación.
La microgravedad, por otro lado, no afecta significativamente el crecimiento de las plantas, aunque podría ralentizarlo. Sin embargo, la respuesta de la planta difiere según la especie, ya que la microgravedad afecta la expresión del genoma de la planta. Se ha descubierto que, en microgravedad, las plantas expresarán más genes relacionados con el estrés, como los genes de choque térmico, y aumentarán su producción de proteínas relacionadas con el estrés. Además, se ha encontrado que las semillas tienen diferentes concentraciones de metabolitos y una germinación retrasada.
La microgravedad también afecta el microambiente de la planta, como la falta de movimiento de la atmósfera, creando una composición atmosférica inusual y dificultad en el riego (con o sin soporte). No hay convección de aire en el espacio exterior, por lo que si la estación de cultivo no está lo suficientemente ventilada, cualquier gas emitido por la planta permanecerá alrededor de su superficie. Se ha demostrado que la acumulación de etileno gaseoso alrededor de las hojas de las plantas da como resultado un desarrollo anormal de las hojas. Otros gases, como el dióxido de carbono, presentes en altas concentraciones en una nave espacial, pueden ser letales para algunas plantas. El mismo problema surge para el riego de plantas, por lo que será necesario desarrollar un método que no ahogue las raíces.
La respuesta de la planta al entorno espacial es más difícil de evaluar. Algunos aspectos de ese entorno, como el espacio restringido, pueden dirigir nuestra elección hacia las variedades enanas. Sin embargo, algunos otros aspectos, como la respuesta de la planta a la microgravedad, varían según las especies y variedades. Aunque los experimentos deben continuar, ya se han probado y descrito un cierto número de plantas que pueden crecer en el espacio y podemos usarlas como base.
El desarrollo de una cámara vegetal autosuficiente que cubra todas las necesidades nutricionales de los astronautas podría llevar décadas, pero el uso de cámaras pequeñas como medidas complementarias podría ayudar a la tripulación con las deficiencias de vitaminas y nutrientes (que se alteran en los alimentos envasados) y reducir la fatiga de la dieta.
Mark Vande Hei, Shane Kimbrough, Thomas Pesquet, Akihiko Hoshide y Megan McArthur de Space X Crew-02 posan con su cosecha de chiles rojos y verdes en la ISS en 2021 para la investigación Plant-Habitat 04.
Sistema de soporte vital bioregenerativo
Comer alimentos liofilizados en cada comida crea fatiga en el menú y los astronautas tienden a comer menos con el tiempo.
En una nave espacial, el espacio es limitado. Por lo tanto, el éxito de la misión depende de los sistemas regenerativos integrados en los Sistemas de soporte vital (LSS) que pueden reciclar la materia usada en materia utilizable. El Sistema de Soporte de Vida y Control Ambiental (ECLSS) instalado en la Estación Espacial Internacional (ISS) produce oxígeno y agua reciclando dióxido de carbono y orina; se necesitará un sistema similar para vuelos espaciales largos.
La idea de un LSS bioregenerativo (BLSS) nació en la década de 1960 para incluir la producción de alimentos y el reciclaje de materiales de desecho (por ejemplo, materia fecal) en el ECLSS. Se podría utilizar un BLSS con bacterias y algas para reciclar el nitrógeno de los desechos sólidos y convertirlo en una forma utilizable de nitrógeno orgánico que las plantas puedan absorber. La Agencia Espacial Europea ha desarrollado y realizado un experimento que sigue ese principio, la Alternativa del Sistema de Soporte de Vida Micro Ecológico (MELiSSA), desde la década de 1990.
Sin embargo, a medida que incluyamos plantas superiores en el BLSS, necesitaremos estudiar su integración con las otras tecnologías de control ambiental existentes, lo que representa un nuevo desafío. Determinar el costo y la sostenibilidad de estos sistemas de producción de cultivos alimentarios más pequeños proporcionará información crítica para evolucionar hacia un BLSS más grande.
Diagrama esquemático del segundo diseño de la unidad de crecimiento de plantas de tubo poroso.
Desarrollo de una cámara de crecimiento de plantas.
Usar un sistema hidropónico para cultivar es una posibilidad atractiva, ya que cultiva plantas en agua en lugar de depender de un sistema similar al suelo. Este último añade peso a la nave espacial y el riesgo de partículas flotando, dos aspectos que lo hacen desventajoso. El Advanced Plant Habitat (APH) instalado en la ISS ya ha cultivado una variedad de trigo enano utilizando un sistema hidropónico con un sistema de riego de tubos porosos incrustado en un módulo de raíz que contiene arcillita y un fertilizante de liberación lenta.
Para facilitar las actividades hortícolas de la tripulación y asegurar que las plantas crezcan en un ambiente óptimo, el ciclo cultural de cultivo debe ser monitoreado completamente por una computadora. Dicho sistema de monitoreo se probó en 2018 en la Antártida. El uso de un sistema parcialmente automatizado para el cultivo garantizará que la tripulación se beneficie de la presencia de plantas en la nave espacial (manipulándolas) y evitará que el problema de la agricultura consuma demasiado tiempo. De hecho, el espacio necesario para cultivar plantas aún no está definido con precisión y varios experimentos en entornos similares al espacio (como HI-SEAS) han demostrado que esta actividad puede prolongarse.
Se ha demostrado que cultivar plantas tiene efectos tremendamente beneficiosos, ya que puede dar a los astronautas la sensación de viajar con un trozo de Tierra.
Finalmente, el Sistema de Producción de Vegetales de la NASA, o Veggie, (lanzado en 2014), que proporciona un área de cultivo de 0.11 m², es un gran ejemplo de una unidad de crecimiento de plantas que podría usarse a bordo de una nave espacial, ya que ya ha sido probado en el ISS. En términos de requisitos de luz, los LED se utilizan con dos longitudes de onda diferentes: rojo (630 nm) y azul (455 nm) ya que las plantas crecen de manera más eficiente bajo estas longitudes de onda. También podría ser necesario un LED verde para dar a la planta su color natural, facilitando así la identificación de enfermedades y recordando a la tripulación de la Tierra.
Mizuna (repollo japonés), lechuga romana roja y bekana de Tokio (repollo chino) cultivados en la unidad Veggie en la ISS.
Las condiciones espaciales crean estrés tanto para los humanos como para las plantas, por lo que actualmente se está estudiando el diseño de plantas capaces de crecer en naves espaciales y ayudar a aliviar parte del estrés que experimentan los astronautas.
Se han identificado genes implicados en las respuestas al estrés de las plantas, pero para reducir o mitigar esos efectos, los científicos necesitan modificar la expresión de los genes existentes o añadir genes de adaptación espacial en los genomas. Esto se puede lograr mediante la edición de genes y algunos genes candidatos ya se han identificado y estudiado específicamente. Por ejemplo, ARG1 (Respuesta alterada a la gravedad 1), un gen que se sabe que afecta las respuestas a la gravedad en las plantas de la Tierra, está involucrado en la expresión de 127 genes relacionados con la adaptación a los vuelos espaciales. Se descubrió que la mayoría de los genes alterados en la expresión en los vuelos espaciales eran dependientes de Arg1, lo que sugiere un papel importante para ese gen en la adaptación fisiológica de las células indiferenciadas a los vuelos espaciales. HsfA2 (Heat Shock Factor A2) tiene un efecto significativo en la adaptación de los vuelos espaciales, por ejemplo, a través de la biosíntesis del almidón. El objetivo es dañar los genes que inducen estrés y promover los beneficiosos.
Otros genes, llamados genes de adaptación espacial, como los genes relacionados con la radiación, el perclorato, el enanismo y la temperatura fría, son potencialmente dignos de estudio, ya que ayudarían a las plantas a resistir las duras condiciones del espacio. Por ejemplo, los microorganismos adaptados a entornos hipersalinos poseen genes de resistencia a los rayos UV y al perclorato. Muchas variedades enanas (por ejemplo, de trigo) ya se han cultivado en la ISS y el tomate cherry enano 'Red Robin' podría cultivarse en la ISS como parte del experimento Veg-05 de la NASA.
También podemos diseñar plantas para la salud de los astronautas. Promover la acumulación de compuestos beneficiosos, hacer plantas comestibles para todo el cuerpo para reducir los desechos o diseñar plantas para producir medicamentos contra los efectos secundarios del espacio en los astronautas son formas posibles de hacer que las plantas sean útiles para la tripulación.
Se utilizó una estrategia de planta élite y comestible de cuerpo entero (WBEEP) en las plantas de patata, haciendo que los tallos y las hojas de la patata fueran comestibles al eliminarles la solanina. Para inhibir su producción, los genes que la producen se silencian o mutan mediante la edición de genes. La creación de esta papa WBEEP tiene ventajas, ya que es una planta de fácil cultivo que es una buena fuente de energía y ha demostrado ser capaz de crecer en condiciones difíciles como el espacio. Las plantas también fueron fortificadas para satisfacer completamente las necesidades de nutrientes del cuerpo humano.
La radiación afecta negativamente al crecimiento de las plantas y aumenta los riesgos de mutaciones genéticas, por lo que proteger las plantas de la radiación debería ser una prioridad
Uno de los principales problemas para la salud de los astronautas en microgravedad es la pérdida de densidad ósea. Nuestros huesos se equilibran constantemente entre el crecimiento y la reabsorción, lo que permite que los huesos respondan a lesiones o cambios en el ejercicio. Pasar tiempo en microgravedad altera este equilibrio, inclinando los huesos hacia la reabsorción, por lo que los astronautas pierden masa ósea. Esto se puede tratar con un medicamento llamado hormona paratiroidea o PTH, pero requiere inyecciones regulares y tiene una vida útil muy corta, lo que es problemático para vuelos espaciales largos. Por lo tanto, se diseñó una lechuga transgénica que produce PTH.
El diseño de plantas capaces de crecer en el espacio y ser útiles para los astronautas aún se encuentra en su etapa inicial de investigación. Sin embargo, sus perspectivas son muy prometedoras y están siendo estudiadas por todas las principales agencias espaciales. La construcción de una cámara de crecimiento de plantas en el entorno poco acogedor del espacio aún requiere trabajo. Uno de los retos será añadir la parte biorregenerativa del BLSS al LSS ya existente. Otro desafío es la necesidad de una mejor selección de cultivos a bordo para soportar las condiciones de espacio y ofrecer rendimientos significativos. Pero gracias a la difusión del conocimiento en fitomejoramiento, la edición de genes en los cultivos elegidos les permitirá adaptarse aún más a las condiciones del espacio y satisfacer las necesidades nutricionales y de salud de una tripulación.
Una fuente: https://room.eu.com