کشاورزی در فضا

موضوع کشاورزی در فضا، موضوعی است که نوع بشر به دنبال آن رفته است. گام اول در این راه می تواند کشاورزی بر روی سطح ماه باشد. البته شاید این موضوع به خودی خود معقول نباشد اما از آنجا که انسان به دنبال فتح فضا و امکان گسترش حوزه دسترسی خود به منابع می باشد، لاجرم باید در فضائی خارج از جو زمین ، همچون ماه و سایر سیاره ها مستقر شده و کارهای خود را از آنجا ادامه دهد. که این استقرار مستلزم تامین آذوقه نیز می باشد. هرچند مطرح نمودن این موضوعات بیشتر به فیلمهای فضائی و تخیلی علمی شبیه است اما تحقیقات و تلاشهای جدیدی که توسط محققین و دانشمندان انجام شده است بشر را به تحقق این تخیل نزدیک و نزدیکتر می کند. فراموش نکنیم که پرواز، رادیو، تلویزیون، موبایل، سفرهای فضائی و بسیاری موضوعات دیگر نیز روزگاری تخیل، موهوم و آرزوهای دور و دراز و دست نیافتنی خوانده می شدند و همگی امروزه محقق شده و در دسترس ما قرار داده شده اند. در این نوشته سعی می شود تا مختصری از تحقیقات صورت گرفته و پیشرفتهای بدست آمده از تحقیقات فضائی برای علاقه مندان ارائه گردد. 

 

کشاورزی در شرایط بی وزنی  

در بیست و نهم آگوست سال گذشته شاتل فضائی برای فضانوردان مستقر در ایستگاه فضائی بین المللی مقداری بذر گیاه حمل نمود. در حقیقت این موضوع بخشی از تحقیقاتی بود که در روی زمین انجام شده بود و برای بررسی اثرات بی وزنی و فضا بر روی رشد گیاهان ادامه پیدا می کرد. سوال این بود : در شرایط بی وزنی فضا چه اتفاقی برای گیاهان رخ خواهد داد؟  

 گیاه نمونه   

 

گیاهی که در فضا پرورش داده شده گونه ای به نامه Thale Cress نوعی شاهی یا ترتیزک  است. دلیل انتخاب این گیاه آن بود که این گیاه در زمره اولین گیاهانی هست که تمام ساختار ژنی آن شناخته شده و لذا در بیشتر تحقیقات از آن استفاده می شود. گیاه مورد نظر برای مدت دو ماه، از سپتامبر 2009 ، در ایستگاه فضائی بین المللی پرورش داده شد. این تحقیقات با استفاده از ماژول تحقیقاتی ژاپنی به نام Kibo عملی شده است. ماژول بکار گرفته شده نوعی فضای مصنوعی تحقیقاتی است که ابعاد آن حدود 12 در 20 و ارتفاع آن حدود 10 سانتی متر بوده و به دو بخش تقسیم بندی شده است.  

محیط کشت گیاه 

 فضائی ویژه در درون ماژول بوده که مکعبی به ابعاد تقریبی 5*7*5 از جنس تلق شفاف و مدرج شده می باشد. درپوش فضای کشت حاوی 24 عدد دیود نوری سفید بوده که وظیفه تامین نور لازم برای عمل فتوسنتز را بر عهده دارد. از آنجا که آبیاری در فضا مسئله ساز است، درون این ظرف یک واسط محتوی رطوبت در ته ظرف تعبیه شده است. در نیمه دیگر ماژول تجهیزات تصویر برداری و سایر وسایل کنترل کننده تعبیه شده اند.هشت عدد از این ماژولها در فضا بکارگرفته شدند. 

شروع کشت فضائی :

دانشگاه Toyama، دانشکده علوم ، پروفسور Seiichiro Kamisaka ، دانشمندی است که در طول بیست سال گذشته بر روی پرورش گیاه در فضا تحقیق نموده است.   

 وی علت انجام تحقیقات خود را اینگونه بیان می کند : برنامه ما ایجاد یک پایگاه فضائی بر روی ماه بمنظور سفر به مریخ و اقامت دراز مدت در آن سیاره ها است. انجام چنین کاری بدون پروش گیاهان غیر ممکن است لذا انجام تحقیقات در این زمینه ضروری است.گام اول در این تحقیقات بررسی رابطه میان رشد گیاه و جاذبه است. برای این منظور از نوعی دستگاه سانتریفیوژ استفاده شده که جاذبه ای بیشتر از عدد 1 (جاذبه زمین ) تولید می کند. این موضوع درست برعکس وضعیت جاذبه فضا می باشد. در این دستگاه نمونه گیاه درون لوله آزمایش پرورش داده شده و در داخل دستگاه قرار گرفته و با کنترل سرعت دوران ، مقدار جاذبه اعمال شده مقدار مورد نظر رسانیده شده و نگهداشته می شود. در یک آزمایش جاذبه 10 برابر زمین نگهداشته می شود. این آزمایش برای مدت 30 روز انجام شده است.  

نتایج بدست آمده با نمونه های معمولی که در وضعیت متعارف جاذبه رشد نموده بودند مقایسه شدند. مشخص شد که شاخه گیاه قدرت قد کشیدن را نداشته و برروی سطح زمین پهن شده است. اما تغییر اصلی در ساختار سطح مقطع ساقه گیاه رخ داده است. ساقه گیاه پرورش یافته در فشار جاذبه 10 ، تا مرز 25 درصد ضخیم تر از نوع متعارف آن بوده استLignin .نام ماده استحکام بخش ساقه گیاه و با ساختارشبکه ای است. ساقه گیاه مورد آزمایش مقدار قابل توجه بیشتری لیگنین تولید نموده است. در حقیقت گیاه تلاش نموده است تا ساقه خود را بمنظور مقابله با جاذبه بیشتر تقویت و سرپا نماید.به نظر پروفسور "کامیساکا" در کشاورزی فضائی چون گیاه نیاز به تقویت ساقه خود بمنظور مقابله با جاذبه را ندارد می تواند انرژی خود را ذخیره نموده و از آن برای تولید بذر و میوه و سایر مواد مغزی استفاده نماید. اما چه دلیلی برای این نتیجه گیری وجود دارد؟
انجام این آزمایش از دو جنبه می تواند مورد توجه قرار گیرد. نکته اول روش تحقیق بر روی جاذبه بیشتر بمنظور نتیجه گیری در باب جاذبه کمتر می باشد. و نکته دوم طرح ایده بهره گیری از انرژی ذخیره شده بمنظور بکار گیری در تولید محصول بیشتر می باشد.
.در تحقیقات انجام شده نیز به تغییرات ژنتیک گیاه مورد آزمایش توجه شده است. نتایج آزمایشات نشان داده که با افزایش جاذبه تا حد سیصد برابر جاذبه زمین، تعداد ژن دخیل در تولید بافت ساقه تا حدود 5 برابر مقدار متعارف افزایش یافته است. و در مقابل مقدار ژن درگیر در تولید گل در نمونه آزمایشی حدود 5 برابر کاهش یافته است. بنابر این با تغییر مقدار جاذبه نحوه فعالیت و تمرکز ژنها تغییر خواهد نمود.گیاه Thale Cress مجموعا دارای بیست و شش هزار ژن مختلف می باشد. در تحقیقات مشخص شده است که ششصد هزار ژن نسبت به جاذبه حساسیت دارند. درگیری این تعداد ژن با موضوع جاذبه مورد توجه واقع گردیده است. در این مرحله سوال آن بود که در جاذبه حدود صفر چه اتفاقی رخ خواهد داد آیا گیاه یک گل بزرگ تولید نموده یا تعدادزیادی گلهای کوچک تولید خواهد شد؟ اما جاذبه اثرات دیگری نیز بر روی گیاهان دارد.گیاهان با رشد، خود را به سوی آسمان کشیده تا ضمن دسترسی به نور بیشتر امتیاز توزیع وسیع تر بذر خود را نیز به دست آورند. تصور غالب آن است که گیاهان به سمت نور کشیده می شوند.اما در حقیقت و بر اساس آزمایشات انجام شده گیاهان جاذبه را نیز درک نموده و بر خلاف آن حرکت می کنند. در این آزمایش تعدادی گیاه نمونه در محیط بسته فاقد نور و در زاویه افق نگهداشته و با استفاده از دوربین های مادون قرمر از آنها تصویر برداری شد، و با کمال تعجب مشاهده شد که تنها پس از گذشت یک ساعت ساقه گیاهان به سمت بالا و خلاف جهت جاذبه خم شدند. اما چگونه یک گیاه می تواند جاذبه را احساس نماید؟ این سوال توسط پروفسور Masao Tasaka و تیم تحقیقاتی وی در موسسه علمی تحقیقاتی "نارا" پاسخ داده شده است.  عقیده بر این است که گیاهان ابتدا درون اقیانوسها رشد نموده و برای برپا نگهداشتن خود به غوطه وری درون آب متکی بوده اند. به مرور که از حدود چهارصد میلیون سال پیش گونه های گیاهی بر روی زمین و بیرون از آب شروع به رشد نمودند، دیگر قادر به استفاده از خاصیت غوطه وری نبوده و بمنظور برپا داری خود مجبور به تغییر در وضعیت ژنتیک خود و تولید سلوهای ترکیبی لیگنین بودند

 

 
با مشاهده دقیق سلولهای ساقه، تیم تحقیقاتی متوجه ذرات گلوله مانندی درون سلولهای خاص شدند که حرکتهای غیر متعارفی داشتند. این ذارت به نام Amyloplast نامگذاری شده و ماده اصلی سازنده آنها نشاسته است. زمانیکه ساقه گیاه خوابانیده می شود این مواد تغییر وضعیت را احساس نموده و آنرا به گیاه منتقل می کنند. برای آنکه بتوان این موضوع را ثابت نمود تیم تحقیقاتی نوعی میکروسکوپ سانتریفوژی ساخت تا به وسیله آن بتواند واکنشهای گیاه در زمان تغییرمقدار و جهت جاذبه را تحت نظر قرار دهد. ساخت این دستگاه به محققین امکان آنرا داد تا بتوانند حالتهای متنوعی را برای گیاه بوجود آورده و واکنشهای آنرا ثبت کنند. بر اساس حالتهای ثبت شده وضعیت قرار گیری امیلوپلاست در گیاه کاملا بستگی به جهت اعمال جاذبه داشته و حتی می توان جهت قرار گیری آنها که در حالت متعارف به سمت ریشه است، معکوس نموده و همه آنها را به سمت گل متمرکز نمود و این موضوع تنها به جهت جاذبه بستگی دارد. بر اساس نتایح این تحقیقات است که ثابت شده چرا گیاهان حتی در فضاهای تاریک (مانند بذر در زیر زمین) نیز به سمت مخالف جاذبه حرکت می کنند. البته تحقیقات فوق پاسخها و نتایج دیگری نیز در بر دارد.در جائیکه جاذبه وجود داشته باشد هورمونی به نام Auxin از سمت بالا به طرف ریشه جریان پیدا میکند. حرکت این هورمون سبب میشود تا ساقه شروع به شاخه زدن نکند. در حقیقت جریان داشتن این هورمون جلوی شاخه زدن ساقه را می گیرد. اما در نبود جاذبه حرکت اوکسین نیز مختل شده و این شک مطرح می شود که گیاه شروع به شاخه زدن متعدد نماید. پس همچنان نوع واکنش گیاه در محیط بی وزنی مسئله بود. حال زمان آن بود که کشت واقعی در فضا انجام شود. 

نتایج کشت در فضا : 

در روز سوم پس از کاشت ، بذر شروع به جوانه زدن می نماید. این اتفاقی است که در روی زمین نیز می افتد. رشد تا روز چهاردهم ادامه پیدا می کند اما برگها مانند اسفناج، بر روی سطح پهن می شوند. با مقایسه نمونه های فضائی و زمینی مشاهده شد که حجم رشد نمونه های فضائی کاملا متمایز و بیشتر و رنگ گیاه نیز روشنتر بود. از روز بیستم گیاه شروع به ساقه زنی نموده و در روز بیست ونهم طول ساقه تولید شده در مقایسه با نمونه زمینی بسیار بلند تر و به سقف محیط کشت نیز رسیدند. نتایج بدست آمده حتی دانشمندان را نیز شگفت زده نمود.تحقیقات ادامه دارد :
در اکتبر سال گذشته ماموریتی در آژانس تحقیقاتی هوا فضای ژاپن (JAXA) به سرپرستی پروفسور کامیساکا انجام شد. هدف از انجام این ماموریت برداشت گیاهان کاشته در میانه طول دوره رشد آنها بود. در این ماموریت گیاه کاشت شده و در میانه رشد از محیط کشت خارج شده و با استفاده مواد شیمیائی وضعیت آنها جهت بررسی تغییرات رخ داده شده در گیاه تثبیت گردیده است. مطابق برنامه محموله بدست آمده در مارس امسال به زمین بازگردانیده شده و تحقیقات مختلفی مانند بررسی محتوای لیگنین و تمرکز ژنی آن، بررسی ژنهای فعال شده در غنچه گل و غیره آغاز خواهد شد.از آنجا که گیاه در میانه عمر خود بسیار فعال بوده برگها در بهترین وضعیت، ساقه در حال رشد و غنچه در حال شکل گیری است، بهترین زمان برای بررسی نتایج بی وزنی در گیاه محسوب می شود. 

اثر فشار هوا :
در تحقیقات دیگری که در دانشگاه چیبا ، دانشکده گیاه شناسی به سرپرستی پروفسور Eiji Goto در جریان است ، رابطه فشار هوا و گیاهان در دست بررسی می باشد.در کاهش فشار اتمسفر به روش معمولی همه ملکولهای متعارف موجود در هوا با نرخ مساوی باقی مانده و انبساط پیدا می کنند. اما پروفسور "گوتو" کاهش فشار اتمسفر را از طریق حذف ملکولهای اکسیژن و نیتروژن و باقی گذاشتن ملکولهای دی اکسید کربن انجام داده است.در حقیقت اتمسفر باقی مانده مملو از دی اکسید کربن بوده و کشت در درون این محیط و بصورت " تک محیطی " برنامه ریزی شده است. مشاهده شده که رشد گیاهان بسیار بهتر شده است.در فشار دو دهم اتمسفر نرخ فتوسنتز تا چهار برابر و در فشار یک دهم اتمسفر این نرخ تا شش برابر افزایش یافته است. نتیجه آنکه هرچه فشار کمتر باشد نرخ فتوسنتز بیشتر خواهد بود. به نظر پروفسور گوتو علت این موضوع جذب بهتر دی اکسید کربن در غیبت اکسیژن و نیتروژن و فشار کمتر اتمسفر بوده است.در این تحقیقات مشخص شد که کاهش فشار و حضور دی اکسید کربن سبب رشد بیشتر و بهتر گیاهان خواهد شد. بنابراین می توان امید دستیابی به راه حلی برای مشکل جهانی منواکسید کربن را نیز مطرح نمود. اما این وضعیت در زمان تولید محصول صادق نیست. در حقیقت گیاهانی که در فشار اتمسفر کمتر اما با اکسیژن کافی رشد نموده بودند، محصول بهتری داشتند.بنابر این می توان چنین استنباط نمود که در فضای خارج از جو کره زمین میتوان کشت " چند محیطی" را تعبیه نمود که در آن گیاه در دوره خاص رشد خود فشار کم با دی اکسید کافی و در دوره ای دیگر فشار کم با اکسیژن بیشتر را در اختیار داشته و ضمن رشد بهتر، محصول مناسبی نیز بار آورد. 

محصول نهائی :
مطابق نتایج بدست آمده در ماژول کشت، گیاه از روز سی ام شروع به گل دادن نموده و در روز چهلم محصول به بار نشسته است. حجم و مقدار محصول قابل توجه بوده و دانشمندان برای بررسی نتایج پس از دریافت نمونه ها آماده می شوند. به این ترتیب طول دوره رشد نیز تا به مقدار یک سوم کاهش یافته است. 

نتیجه: 

تحقیقات ادامه دارد. بدون شک نتایج بدست آمده علاوه بر آنکه برای سفرهای فضائی با ارزش هستند، می توانند برای کشاورزی بر روی زمین نیز مفید بوده و به بهبود آن کمک نمایند. بر اساس نتایج بدست آمده گیاهان قابلیتهای نهفته فراوانی دارند که هنوز از آنها آگاه نیستیم. با قرار دادن آنها در محیطهای مختلف قطعا واکنشهای آنها ما را شگفت زده خواهد نمود. گیاهان توانائی های خود را در روی زمین اثبات نموده و در محیط غیر زمینی نیز قابلیت های جدیدی را معرفی خواهند نمود. شناخت این قابلیتهای نه تنها برای سفرهای فضائی مفید می باشند بلکه می توانند وضعیت کشاورزی در روی زمین را نیز متحول نمایند.نکته دیگر اثراتی است که فضا می تواند بر روی سایر موجودات داشته باشد. این تنها گیاهان نیستند که با تغییر در شرایط محیطی واکنش نشان می دهند بلکه سایر موجودات نیز از این قانون پیروی می نمایند، من جمله انسان.

پروفسور "تاساکا" بیان میکند که به عقیده بسیاری از مردم گیاهان هیچ حرکتی ندارند. اما در حقیقت گیاهان به محرکهای بیرونی پاسخ می دهند. این واکنشها شامل نوعی حرکت به نام Tropism شده که در واکنش به جاذبه نشان داده می شود. وقتی یک شخص بر روی زمین دراز می کشد، می داند که در وضعیت افقی قرار دارد، گیاه نیز به همین ترتیب می تواند وضعیت افقی را تشخیص دهد.