当我们为在火星上的长途空间旅行和生活做准备时，生物技术对于使太空飞船不再依赖地球的持续供应至关重要。
“作为人类，我们需要持续的氧气供应。我们需要不断获得营养食品，清洁水和安全，清洁的废物处理系统，”意大利宇航员萨曼莎·克里斯托弗雷蒂（Samantha Cristoforetti）说。当她说话时，她的手表在手腕上漂浮。她正在做一个现场直播来自国际空间站（ISS）。
Cristoforetti解释说，ISS回收了大部分水，从空中和宇航员尿液中收集。该站还可以从水中产生一些氧气。但是，它仍然需要不断提供氧气，水，食物和医疗用品，以使宇航员保持活力。
“但是，如果人类想进一步进入远离地球的深空，那会发生什么，我们不能依靠不断的补给？”她问。
在月球上建立基地或首次将人类带到火星是世界各地以及亿万富翁的目标。杰夫·贝佐斯（Jeff Bezos）已经概述了建立月球殖民地的计划，而埃隆·马斯克（Elon Musk）的目标是将我们带到火星。
“要能够在长期任务中生存，您需要运输大量水，大量的食物和大量氧气”欧洲航天局（ESA）的研发协调员Christophe Lasseur说。“对于火星任务，它将以30吨为单位。今天，对于发射器来说，这太重了。”
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全世界，科学家都在努力应对这些挑战。如何？与生物技术。
保持宇航员健康
当我们开始执行更长的太空任务时，我们需要面对生命远离地球对人体的影响。众所周知，零重力使最强宇航员的肌肉和骨骼在短短六个月内生长弱。
为了防止这种情况，宇航员在轨道上保持活跃。但是它们在返回后仍处于骨骼和肌肉损伤的危险中。为了进一步进入太空，需要配备飞船来治愈他们的船员。
“随着长时间的太空任务，肌肉和骨骼浪费，炎症反应以及辐射造成的损害，被认为是对宇航员造成的主要挑战和威胁之一。”以色列生物技术公司Pluristem的国土国防项目主管Arik Eisenkraft说。
Pluristem开发基于胎盘细胞的治疗方法，以治疗多种疾病。该公司正在与NASA合作测试这些细胞疗法，以作为太空旅行引起的医疗状况的治疗方法，从学习开始治疗是否可以防止在低重力条件下生活的动物损害。
这种方法的挑战是零重力可能会改变细胞的正常生长。合作者将研究如何安全地冻结和解冻细胞以抵抗这些疾病，并开发一种“实用”的方式来管理空间中的治疗方法。
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“如果证明该技术可以预防和减少这些损害，这可能会对未来的太空旅行产生巨大影响，从而可以保护和增强宇航员的健康状况，”Eisenkraft告诉我。
从长远来看，宇航员可能能够随意打印自己的组织和器官。俄罗斯公司3D Bioprinting Solutions是第一个在太空中拥有3D打印的活组织。2019年，俄罗斯航天局将公司的一名太空生物生产商发送到ISS。设备那是成功的在3D打印的人软骨和小鼠甲状腺中。
事实证明，太空中的3D打印具有一些优势。在不受重力的限制的情况下，可以使用磁场和声学场立即从各个侧面打印。“看起来像是在滚雪球。”3D Bioprinting Solutions的联合创始人Yusef Khesuani告诉我。
生物生产商将在ISS停留5年，而该公司将生物材料寄给实验太空生物打印。“对于下一步，我们想了解这些构造的功能。如果是甲状腺组织，我们需要了解它是否可以产生激素，”克希亚尼说。
到目前为止，该公司是3D打印的组织，只有几毫米。将来，生长较大的组织将需要专门的生物反应器，这些生物反应器可以在轨道上保持细胞的生命。Khesuani认为，将需要使用NASA，ESA和日本航空航天勘探局（JAXA）等机构的设备来实现全球科学合作。
在轨道上种植食物
目前，ISS完全依靠地球供应食品。种植我们自己的食物是维持长距离太空旅行的必要条件。
“我们将比以往任何时候都将更多的群众和更多的人送入太空。”威斯康星大学麦迪逊分校的研究员理查德·巴克（Richard Barker）说。“如果我们能够在轨道上为它们种植食物，那将使更多人对太空环境的探索更加可持续和访问。”
Barker正在与几个在太空任务中发送和种植蔬菜的NASA项目合作。特别是，他正在研究植物在“太空生活的压力”下的行为。他的研究小组找到了那在太空中激活基因这使植物做好了应对热量和洪水的反应。识别这些基因使研究人员能够在植物上进行基因研究，从而在太空条件下生长更好。
但是最终目标是能够在其他行星和卫星上种植食物。中国已经在月球南极建造一个自我维持的“月球宫”的测试，而纳入的NASA和埃隆·马斯克（Elon Musk）则关注最终将人类送往火星。
就像马特·达蒙（Matt Damon）在2015年电影《火星人》中一样，前往火星的人类将依靠在红色星球上培养土豆和其他蔬菜。不过，这可能并不像电影那样容易。正如巴克所指出的那样，火星土壤太咸，无法生长。
他的研究团队一直在调查一种基因工程技术，以使植物具有抵抗盐度和干旱的抗性（您在火星土壤上也不会发现那么多水）。该小组一直在进行实验拟南芥，芥末植物的表弟，广泛用于研究植物遗传学。正如巴克所说的那样“这是植物世界的实验室大鼠。”
科学家现在正在测试他们是否还可以设计其他植物，例如棉花，其最终目标是将其扩展到绿叶蔬菜，例如生菜，豆果酱和中国白菜。
ESA正在进行类似的测试，以在太空任务中种植植物和其他食物。到目前为止，它已经成功地生长藻类来生产螺旋藻等成分。该机构还进行了较小的实验拟南芥植物，现在正准备开始种植可食用的植物，例如菠菜，小麦和西红柿。第一个将是土豆。
从长远来看，太空饮食不一定仅限于蔬菜和藻类。以色列生物技术Aleph Farms在生物打印时成为头条新闻太空中的第一个牛排在ISS上。
地球上的许多初创公司都面临着生产的挑战没有动物的肉- 牛肉，猪肉，鸡肉，土耳其，金枪鱼，你说的。“从成千上万的细胞中，您可以获得数十亿个细胞”。Khesuani解释说。“您无需从地球发送更多细胞。”
产生干净的氧气和水
目前，通过化学反应从水中提取了一部分IS的氧气。这需要使用宝贵的水和大型设备。在地球上，我们通过光合作用从植物和其他生物那里获取氧气，那么为什么不在太空中做同样的氧气呢？
克里斯托夫·拉西尔（Christophe Lasseur）领导着一个名为梅利莎（Melissa）的ESA项目，在过去的30年中，人们一直在研究如何使用生物学生产和回收太空任务中的氧气，水和食物。“我们已经在空间站进行了一些飞行实验，并证明我们可以种植藻类并将二氧化碳回收到氧气中，”他告诉我。“我们可以以非常良好的准确性来控制这种生产。”
梅利莎（Melissa）项目已证明，可以使用藻类回收接近二氧化碳的100％。ESA科学家还一直在研究与地球相比，藻类能够在太空中生长的速度。它生长的速度越快，产生氧气所需的藻类量越少。
“在太空中，我们正在与弥撒作斗争。我们希望一切尽可能小，尽可能轻巧。”Lasseur解释说。“无论我们需要100公斤还是300公斤才能回收氧气，这是一个很大的区别。”
干净也是必不可少的。在ISS中，多达80％的水是从空中和宇航员的汗水和尿液中回收的。尽管如此，机组人员还是依靠地球上的定期水运输。“水是太空中的宝贵资源，因为每个机组人员每天使用4至6升，每公斤售价为50,000美元，”丹麦航空公司（DAC）首席执行官托马斯·安德森（Thomas Andersen）说。
ESA正在与DAC和丹麦公司Aquaporin合作，以开发一种更有效的净化方法。使用细菌蛋白可以在膜上运输水分子，水通道蛋白开发了一种更快，更有效的方法净水。
“此外，[膜]可以去除DSMD，这是NASA遇到的塑料管中的残留物，它遇到了与目前的回收系统在国际空间站上拆卸的问题，”安徒生告诉我。
寻找回收所有其他废物的方法也很重要。“对于废物回收，细菌非常有效，因为它们非常多样化，并且可以适应各种废物。这将很难处理另一种技术，”拉西尔说。
最终目标是创建一个可以在没有任何外部输入的情况下回收所有内容的单个生命支持系统。ESA正在测试这种生命支持系统无限期保持大鼠活力和舒适的能力，而与外部环境无接触。
超越无限
“最终目标是尽可能独立，能够在太空中长时间停留，而不会依赖地球的供应，”拉西尔说。“但是实现这一目标将是进步的。”
前进的第一步将是建造NASA的深空门户，该站计划在2024年到2024年在月球周围绕行。
“这是一个非常令人兴奋的地点，因为它在地球的范·艾伦腰带之外。那是保护我们免受宇宙射线和太阳太阳风的保护性磁球体，”巴克说。在这个车站，NASA计划建造一个太空花园，该花园将测试生命如何在没有地球磁场保护的情况下进行应对。
“我认为植物是煤矿中最好的金丝雀。”巴克说。“我们正在研究机器人园艺技术，目标是在那里设有半自动化的植物生长系统。”
这些实验将帮助我们准备更长的地球，专家预测，及时距离不远。“从现在开始大约10年后，我们将拥有深空门户 - 我比航空航天公司更保守 - 大约十年后，我们很可能拥有月球基地。从现在起大约20年的时间里，埃隆·马斯克（Elon Musk）说，我们能够将人们送到月球上。”巴克说。“走着瞧。”
似乎很明显的是，没有阻止人进入太空的地方。生物技术似乎是满足长期太空任务的所有需求所需的解决方案，并最终将科幻小说变成科学事实。
Elena Resko的封面插图。本文最初发表于2019年3月，已更新以反映最新的发展。
