دانشمندان برای نخستین بار در خاک ماه گیاه پرورش دادند

امیر نیک‌رو

۲۳ اردیبهشت ۱۴۰۱ | ۲۲:۴۰ ۲۳ اردیبهشت ۱۴۰۱ زمان مورد نیاز برای مطالعه: ۶ دقیقه

به‌عنوان یکی از نیازهای سفر به جهان‌های دیگر، دانشمندان موفق شدند برای نخستین بار در خاک ماه گیاه پرورش دهند.

رشد گیاهان در فضا مزایای زیادی دارد. چون گیاهان آب را بازیافت می‌کنند، می‌توانند به سالم بودن جو کمک کنند و همچنین باعث تنوع در رژیم غذایی می‌شوند. در حالی که می‌توان آن‌ها را به صورت هیدروپونیک پرورش داد، اما این فرآیند به مقدار بسیاری آب نیاز دارد که ممکن است دردسترس نباشد. بنابراین برای مأموریت‌هایی که روی اجرامی مانند ماه یا مریخ فرود می‌آیند، رشد گیاهان در خاک محلی احتمالا راه حل بهتری خواهد بود.

فضانوردان از سبزی‌های پرورش یافته در ایستگاه فضایی خوردند

اما خاک‌های محلی روی این اجرام فضایی، شبیه خاک‌هایی که روی زمین می‌یابیم، که ترکیبی پیچیده از مواد معدنی، ترکیبات آلی و حیات میکروبی دارند، نیستند. پس آیا گیاهان می‌توانند با این تفاوت‌ها سازگار شوند؟

این همان پرسشی است که گروهی از محققان دانشگاه فلوریدا شامل «آنا-لیزا پل» (Anna-Lisa Paul)، «استفان الاردو» (Stephen Elardo) و «رابرت فرل» (Robert Ferl) تصمیم گرفتند به این موضوع پی ببرند و برای این کار از موادی بسیار کمیاب استفاده کردند: خاک ماه که توسط مأموریت‌های آپولو به زمین آورده شده است.

کار با خاک ماه در آزمایشگاه
Credit: UF/IFAS photo by Tyler Jone

استفاده از خاک ماه

خاک ماه به شکلی به نام «رگولیت» (Regolith) یا «سنگ‌پوشه» وجود دارد که اساسا ماده‌ای سست و غبارآلود است که در اثر بمباران مداوم سنگ‌های ماه توسط ریزشهاب‌سنگ‌ها ایجاد می‌شود. هنگامی که اولین نمونه‌ها در دوران آپولو به زمین بازگردانده شد، مطالعات بر روی برهم‌کنش این مواد سنگی با موجودات زنده بر ترس از عوامل بیماری‌زا متمرکز شد که ممکن بود خطری برای حیات روی زمین باشند. در نتیجه، گیاهان و دانه‌ها برای مدت کوتاهی در معرض خاک ماه قرار گرفتند و سپس آزمایش شدند تا ببینند آیا این قرار گرفتن در معرض خاک ماه، رشد آن‌ها را تغییر می‌دهد یا خیر. اما تا کنون هیچ تلاشی برای رشد چیزی در خاک ماه انجام نشده بود.

از آن زمان ناسا ماده‌ای زمینی به نام JSC-1A را ساخته است که برای شبیه‌سازی خاک ماه استفاده می‌شود. اما این ماده تفاوت‌های قابل توجهی با خاک واقعی ماه دارد که شامل تفاوت‌های شیمیایی می‌شود. خاک ماه دارای مقادیر بالاتری از تیتانیوم و همچنین برخی مواد معدنی کمیاب نسبت به JSC-1A است. محیط اکسیدکننده‌ی زمین همچنین تفاوت‌هایی را در وضعیت شیمیایی برخی از فلزات موجود، از جمله آهن به‌عنوان جزء کلیدی بسیاری از آنزیم‌ها، مانند آنزیم‌های مؤثر در فتوسنتز، ایجاد می‌کند.

آنا-لیزا پل سعی می‌کند خاک ماه را با یک پیپت مرطوب کند. دانشمندان دریافتند که خاک‌ها آب را دفع می‌کنند (آب‌گریز هستند) و باعث می‌شوند که قطرات آب روی سطح جمع شود. بنابراین همراه کردن فعال مواد با آب برای شکستن آب‌گریزی و خیس شدن یکنواخت خاک مورد نیاز بود. پس از مرطوب شدن، خاک‌های ماه می‌توانند با خاصیت مویینگی برای کشت گیاه خیس شوند.
Credit: UF/IFAS photo by Tyler Jones

در نهایت، برخی از تفاوت‌های فیزیکی هم بین این مواد و خاک ماه وجود دارد. ذوب و سرد شدن سریع ناشی از برخورد ریزشهاب‌سنگ بر سنگ‌پوشه باعث ایجاد کره‌های کوچکی از مواد شیشه‌ای می‌شود. هرچند JSC-1A برای تقریب این فرآیند از شیشه‌های آتشفشانی استفاده می‌کند، اما هنوز تفاوت‌های فیزیکی میان آن‌ها وجود دارد.

بنابراین محققان تصمیم گرفتند با چیزی واقعی کار کنند و از JSC-1A به‌عنوان نمونه‌های کنترل آزمایش استفاده کنند. با کمک کارکنان مرکز فضایی جانسون، آن‌ها سه نمونه‌ی ماه مختلف را که توسط آپولو ۱۱، آپولو ۱۲ و آپولو ۱۷ بازگردانده شده بود، در اختیار گرفتند. نمونه‌ها همگی از مناطقی با منشأ آتشفشانی اما از نظر سنی متفاوت انتخاب شدند. بر این اساس مواد آپولو ۱۱ در معرض طولانی‌ترین و مواد بازگردانده شده در آپولو ۱۷ در معرض کوتاه‌ترین فعالیت‌های آتشفشانی بوده‌اند.

رشد و استرس

با توجه به میزان اندک نمونه‌های سنگ‌پوشه‌ی ماه، محققان سیستمی ساختند که در آن چاهک‌های کوچک نمونه با ۹۰۰ میلی‌گرم خاک پر شده و از زیر با آب تغذیه می‌شد. محققان «آرابیدوپسیس» (Arabidopsis)، یا «رشادی» را به‌عنوان گیاه آزمایشی انتخاب کردند که یک گیاه گل‌دار کوچک مشابه خردل و از خانواده‌ی شب‌بویان است که تا کنون در تحقیقات زیست‌شناسی استفاده شده است. استفاده از یک گیاه کاملا شناخته‌شده به پژوهشگران امکان داد ژن‌های فعال در مواد مختلف را ردیابی کنند.

حدود یک هفته پس از قرار دادن بذرها در خاک، آن‌ها مطابق روند عادی جوانه زدند، بنابراین تفاوت در خاک به اندازه کافی قابل توجه نبود که در این فرآیند دخالت کند. چندین روز پس از آن، محققان به جز یکی بقیه‌ی گیاهان را از هر چاه نمونه خارج کردند و ریشه‌های در حال رشد آن‌ها را در مقایسه با نهال‌های رشد کرده در JSC-1A بررسی کردند.

گیاهان آرابیدوپسیس ۶ روز پس از کاشت بذرها. چهار لوله‌ی آزمایش سمت چپ دارای گیاهانی هستند که در شبیه‌ساز خاک ماه JSC-1A رشد می‌کنند. سه چاهک سمت راست دارای گیاهانی هستند که در خاک ماه رشد می‌کنند.

Credit: UF/IFAS photo by Tyler Jones

به‌طور متوسط، رشد در تمام خاک‌های ماه کندتر و نامنظم‌تر از رشد در JSC-1A بود. باز شدن برگ‌ها بیشتر طول کشید، آن‌ها به قطر کمتری رسیدند، بلند رشد نکردند و رنگدانه‌ی آن‌ها هم تغییر کرده بود. اما این فنوتیپ‌ها (رُخ‌نمودها) یا ویژگی‌های قابل مشاهده، متغیر بودند. برخی از گیاهان رشد کرده در خاک ماه، به وضوح معیوب بودند، در حالی که برخی دیگر طبیعی، البته کمی کوچک‌تر به‌نظر می‌رسیدند. مشکلات به‌طور کلی با سن سنگ‌پوشه مرتبط بود و گیاهان در نمونه‌ی آپولو ۱۷ (جوان‌ترین نمونه) بهترین عملکرد را داشتند.

پژوهشگران دریافتند گیاهانی که در خاک ماه رشد می‌کنند، بسیاری از ژن‌های مرتبط با پاسخ‌های استرس را فعال می‌کنند، از جمله ژن‌هایی که با کمبود فسفات، سمیت فلزات و مشکلات اکسیژن واکنشی (به دلیل تفاوت‌های آهن بین خاک‌ها) مرتبطند. این ژن‌ها بیش از ۷۰ درصد از ژن‌هایی را تشکیل می‌دهند که در مقایسه با گیاهان رشد کرده در JSC-1A فعال شده‌اند و بقیه بیشتر با متابولیسم مواد مغذی مرتبط بودند.

محققان همچنین گیاهان را به سه دسته‌ی معیوب، کوچک و تقریبا معمولی تقسیم کردند. دو گروه آخر تنها ۱۰۰ تا ۱۵۰ ژن تغییر یافته در مقایسه با گروه کنترلی JSC-1A داشتند که بیشتر ژن‌ها در پاسخ به خشکی و تنش شوری دخیل بودند. اما نمونه‌های کوچک بیش از ۱۰۰۰ ژن را با سطوح فعالیت متفاوت شامل می‌شدند.

نتیجه‌گیری آزمایش

چند راه برای بررسی این نتایج وجود دارد. نخست اینکه مطالعه‌ی انجام شده، نشان‌دهنده‌ی یک آزمون استرس جدی است. در حالی که نمونه‌ها با استفاده از یک محلول غذایی آبیاری می‌شدند، این محلول همانطور که بود در سنگ‌پوشه‌ی ماه ریخته می‌شد؛ بدون مخلوط شدن با مواد آلی و بدون رشد میکروبی که بتواند برخی از سموم فلزی را پیش از تماس با گیاهان، جدا کند. بنابراین ساختار آزمایش کارها را سخت‌تر از آنچه لازم بود کرد.

از طرف دیگر، هر چیزی که می‌تواند خاک ماه را برای رشد گیاهان بهتر آماده کند، به زمان و جرم نیاز دارد، دو موردی که ممکن است در مأموریت‌های فضایی بسیار کم باشد. از این زاویه، تصمیم به استفاده از خاک ماه آن‌چنان که به‌نظر می‌رسد باعث صرفه‌جویی در جرم نمی‌شود و این یکی از مزایای آن را کاهش می‌دهد.

راب فرل در سمت چپ، و آنا-لیزا پل به صفحات پر از خاک ماه و قسمتی با خاک های کنترلی نگاه می‌کنند که اکنون زیر چراغ‌های LED در حال رشد هستند. در آن زمان، دانشمندان نمی‌دانستند که آیا این دانه‌ها حتی در خاک ماه جوانه می‌زنند یا خیر.
Credit: UF/IFAS photo by Tyler Jones

این آزمایش نشان می‌دهد که چند درمان شیمیایی ممکن است به شسته شدن برخی از فلزات سنگین و تبدیل آهن به حالت اکسیداسیون بیشتر شبیه به حالتی که در خاک‌های معمولی زمین دیده می‌شود، کمک کند. اما واضح است که در حالی که برخی از گیاهان می‌توانند شرایط سخت تولید شده توسط سنگ‌پوشه را تحمل کنند، اما این روند مناسب برای آن‌ها نیست. این بدان معناست که احتمالا نمی‌توانیم انتظار داشته باشیم که از این سیستم برای رشد هر چیز خوراکی استفاده کنیم، چون به‌نظر می‌رسد که گیاهان اساسا برای رشد با خاک ماه مشکل دارند.

امیدوارکننده‌ترین امکان استفاده از این اطلاعات به‌عنوان سکوی پرشی برای مطالعه‌ی دقیق‌تر چیزی است که باعث می‌شود گیاهان با مشکل مواجه شوند و سپس شروع به مهندسی و انتخاب سویه‌هایی که می‌توانند سنگ‌پوشه را بهتر تحمل کنند.

اما حتی اگر این مطالعه نتیجه‌ی دیگری برای ما نداشته باشد، نشان می‌دهد که ما مرجع خیلی خوبی برای مقایسه با خاک ماه نداریم و مطمئنا نمونه سنگ‌پوشه‌ی کافی برای امکان‌پذیر ساختن این نوع آزمایش‌ها وجود ندارد. کار بر روی موادی که می‌تواند این نوع مطالعات را امکان‌پذیر کند، شاید ضروری‌ترین نیاز برای پیشبرد آن‌هاست.