زیست‌شناسی فضایی (Astrobiology) به مطالعه منشاء، تکامل و توزیع حیات در جهان می‌پردازد. درک چگونگی سازگاری موجودات با ریزگرانش و تشعشعات فضایی، بینش‌های ارزشمندی در مورد مقاومت بیولوژیکی ارائه می‌دهد و حتی می‌تواند انقلابی در کشاورزی روی زمین ایجاد کند.
هزاران سال است که کشاورزی سنگ بنای تمدن بشری بوده است. با این حال، به دلیل تغییرات آب و هوایی، سیستم‌های کشت تحت فشار فزاینده‌ای قرار دارند. محققان به فضا روی می‌آورند تا درک کنند که گیاهان چگونه در شرایط سخت مقاومت می‌کنند.
آب در فضا از الگوهای مشابه روی زمین پیروی نمی‌کند و منجر به ایجاد "آب خزنده" می‌شود. این اصطلاح به تمایل آب برای رفتار به شیوه‌های غیرقابل پیش‌بینی در شرایط ریزگرانش اشاره دارد. این رفتار چالش‌هایی را برای تغذیه و رشد گیاهان در فضا ایجاد می‌کند. با این حال، همین چالش‌ها تا حدودی مشکلات کشاورزی شهری روی زمین را منعکس می‌کنند، جایی که تأمین آب و کنترل محیطی بسیار مهم است.
امروزه، تحقیقات علمی به طور فزاینده‌ای اثرات قرار گرفتن در معرض تشعشعات کیهانی بر رشد محصول و بهره‌وری کشاورزی را بررسی می‌کند. یک آزمایش اخیر قابل توجه نشان داد که موهای انگوری که در معرض شرایط فضایی قرار گرفته‌اند، حساسیت کمتری به سفیدک دروغی نشان می‌دهند، بیماری‌ای که برگ‌ها را تحت تأثیر قرار می‌دهد. بنابراین، درک چگونگی زنده ماندن موجودات در شرایط آب و هوایی شدید می‌تواند بینشی در مورد مکانیسم‌های مقاومت ارائه دهد که می‌توان از آنها برای بهبود بقای محصول در زمین استفاده کرد.
کشت فضایی پاسخ‌هایی را ارائه می‌دهد
در مطالعه‌ای که در اکتبر سال گذشته منتشر شد، دانشمندان قلمه های خفته مو از دو نوع معروف شراب، Cabernet Sauvignon و Merlot را به مدت 10 ماه در فضا در ایستگاه فضایی بین‌المللی (ISS) ذخیره کردند. در همان زمان، مجموعه دیگری از قلمه ها به عنوان کنترل روی زمین باقی ماندند. این دو نوع به این دلیل انتخاب شدند که مستعد ابتلا به سفیدک دروغی هستند.
سفیدک دروغی یکی از مضرترین عوامل بیماری‌زا برای انگور در سراسر جهان است. بر اساس تحقیقات، انگورهای مبتلا به سفیدک دروغی، که از نظر علمی Plasmopara viticola نامیده می‌شود، "چروکیده می‌شوند و تغییرات گسترده‌ای در اجزای توت ایجاد می‌کنند، در نتیجه بر مشخصات شیمیایی و حسی شراب‌های قرمز تأثیر می‌گذارند."
مطالعه بر روی دو نوع شراب شامل یک تجزیه و تحلیل دو ساله از پاسخ گیاه بود. نتایج نشان داد که قرار دادن قلمه های مو در معرض شرایط ISS منجر به درصد بیشتری از گیاهان با حساسیت کمتر به سفیدک دروغی می‌شود. در مورد Merlot، 11٪ از نهال‌ها در ISS حساسیت بسیار کمتری نسبت به گروه کنترل نشان دادند.
در حالی که روش‌های سنتی اصلاح نژاد مو 15 تا 20 سال طول می‌کشد، تنها 1 تا 10 درصد از گیاهان صفات مطلوب مقاومت به بیماری را ایجاد می‌کنند. الگوبرداری از شرایط موجود در ISS می‌تواند به شراب‌سازان کمک کند تا موهایی با ویژگی‌های بهبود یافته در آینده پرورش دهند و نیاز به آفت‌کش‌ها را کاهش دهند.
دکتر سایمون گیلروی، استاد گیاه‌شناسی در دانشگاه ویسکانسین-مدیسون است که به طور مرتب آزمایش‌های پرواز فضایی را با ناسا طراحی می‌کند. هنگامی که از او پرسیده شد که آیا فکر می‌کند ما به اندازه کافی از تحقیقات زیست‌شناسی فضایی برای بهبود پایداری خود روی زمین استفاده می‌کنیم، پروفسور گیلروی به گفتمان پیرامون کشاورزی شهری اشاره کرد، رویکردی که شامل انتقال برخی از عناصر کشت و بهره‌وری به شهرها به جای استفاده از مزارع کشاورزی است.
پروفسور گیلروی در گفتگو با Interesting Engineering، مشاهده کرد که محیط‌های شهری بسیاری از مشکلات مشابه با رشد گیاهان در فضا را دارند، از جمله چالش‌هایی در مورد تحویل آب، حفظ محیط در پارامترهای مورد نظر و مقابله با شیوع عوامل بیماری‌زا. او خاطرنشان کرد: "بنابراین توسعه فناوری زیادی در فضا در حال انجام است که کاربردهای واقعی دارد وقتی به فکر این نوع کاربردها روی زمین هستید."
آب خزنده و سایر چالش‌ها
پروفسور گیلروی توضیح داد که آبیاری در فضا کار نمی‌کند. "ما وارد محیط بی‌وزن فضا می‌شویم و سپس آن نیرو، که فقط نحوه حرکت آب روی زمین است، ناپدید می‌شود. و بنابراین نیروهای دیگری که همیشه در آب وجود دارند، نیروهای مولکولی که تعیین می‌کنند آب چگونه عمل می‌کند، جایگزین می‌شوند. بنابراین، مولکول‌های آب می‌خواهند به یکدیگر بچسبند و به چیزهای دیگر بچسبند. در فضا، آب چسبناک و خزنده است. می‌خواهد به سطوح بچسبد و روی سطوح بخزد. تصور کنید گیاهی دارید که در گلدانی در خاک رشد می‌کند. آب به خاک می‌چسبد، اما بعد، روی زمین، گرانش آن را از طریق خاک به پایین می‌کشد. اما در فضا، این اتفاق نمی‌افتد."
با تسریع تغییرات آب و هوایی، رویدادهای شدید آب و هوایی مانند باران‌های شدید و سیل‌ها بیشتر می‌شوند و تهدیدی جدی برای کشاورزی ایجاد می‌کنند. سیل می‌تواند ریشه گیاهان را خفه کند و عملکرد محصول را کاهش دهد. تحقیق در مورد بقای گیاهان در فضا، جایی که آب به دلیل ریزگرانش به طور متفاوتی رفتار می‌کند، می‌تواند بینش‌های بیشتری در مورد توسعه محصول ارائه دهد.
به گفته پروفسور گیلروی، یک رویکرد این است که به راه حل‌های مهندسی فکر کنیم. رویکرد دیگر این است که بپذیریم "این فقط چیزی است که زندگی در فضا شبیه آن است." او یک رویکرد جایگزین را پیشنهاد کرد. "اگر به اندازه کافی در مورد نحوه عملکرد گیاهان بدانیم، می‌توانیم از نظر ژنتیکی گیاهی را مهندسی کنیم که از پوشیده شدن در آب ناراحت نشود."
او تأکید کرد که این کاملاً دست یافتنی است. "روی زمین، گیاهان می‌توانند در برابر سیل مقاومت کنند. یک مزرعه ممکن است دچار سیل شود و گیاهان می‌توانند چندین روز زنده بمانند. اگر آب به موقع فروکش کند، بهبود می‌یابند. خوشحال نخواهند بود، اما مکانیسم‌هایی برای مقابله با آن استرس ایجاد کرده‌اند."
با استفاده از درک خود از نحوه مقابله گیاهان با سیل، می‌توانیم آنها را برای محیط‌های پرواز فضایی مهندسی کنیم. این بدان معناست که آنها مجهزتر برای زنده ماندن در آب هستند. "به طور همزمان، شما فهمیده‌اید که چگونه گیاهان را نسبت به سیل در زمین مقاوم‌تر کنید. بنابراین، ما یک مشکل را در فضا حل می‌کنیم. اما این مشکل فضایی می‌تواند به ما در حل یک مشکل روی زمین، تغییرات آب و هوایی و افزایش سیل ناشی از آن کمک کند." پروفسور گیلروی خاطرنشان کرد که بسیاری از چالش‌ها در پرواز فضایی ممکن است در ابتدا بسیار خاص به نظر برسند. با این حال، هنگامی که از نزدیک تجزیه و تحلیل شوند، اغلب با مسائل مبرم روی زمین همپوشانی دارند.
آزمایش‌ها و احتمالات
بر اساس یافته‌های یک مطالعه اواخر سال 2024 که توسط زیست‌شناسان دانشگاه لوئیزیانا منتشر شد، فناوری‌های کشت باید به گونه‌ای طراحی شوند که از خواص منحصربه‌فرد محیط پرواز فضایی استفاده کنند. در مورد سیستم‌هایی که توزیع و حذف آب را کنترل می‌کنند، دانشمندان تأکید کردند که آنها باید با محصولات با اندازه‌های مختلف و گیاهان با ریشه‌های کم عمق یا عمیق سازگار باشند. در این مقاله تحقیقاتی اشاره شده است که استفاده از هیدروژل‌ها، از جمله موارد دیگر، به عنوان بستر می‌تواند به انتقال به سیستم‌های گرانشی کم کمک کند.
مطالعه دیگری از آگوست 2024 که توسط دانشمندان چینی انجام شد، بر اهمیت کشت طولانی مدت گیاهان در فضا در حین مطالعه اثرات ریزگرانش بر رشد و نمو گیاه تأکید کرد. در این مطالعه، محققان اولین آزمایش را برای دستیابی به چرخه کامل زندگی برنج در فضا، یعنی از دانه تا دانه، ارائه کردند.
در سال 2021، یک تحقیق مشابه شامل دانه های Andrographis paniculata بود. این گیاه علفی که معمولاً به عنوان Green chiretta شناخته می‌شود، برای درمان عفونت‌های باکتریایی و مجموعه‌ای از بیماری‌های دیگر استفاده می‌شود. پس از بازگشت به زمین، این گیاه افزایش محتوای اجزای فرار را نشان داد. قابل توجه است که این اجزا اغلب دارای خواص ضد باکتریایی، ضد التهابی و سایر خواص درمانی مفید هستند. این و بسیاری از مطالعات دیگر، امکان استفاده از شرایط فضایی را نه تنها در کشاورزی، بلکه در تحقیقات پزشکی نیز باز می‌کنند.
زیست‌شناسی فضایی یک زمینه به سرعت در حال پیشرفت است که فرصت‌های هیجان‌انگیزی را ارائه می‌دهد، اما چالش‌های قابل توجهی نیز دارد. همه چشم‌ها به محققان و مهندسان دوخته شده است. پروفسور گیلروی گفت: "کاری که ما می‌خواهیم انجام دهیم بسیار بزرگتر و گسترده‌تر خواهد بود"، در حالی که به موانع عمده‌ای که باید بر آنها غلبه کرد نیز اشاره کرد. یکی از مهم‌ترین آنها قرار گرفتن در معرض تشعشعات است.
پروفسور با یک قیاس واضح گفت: "تصور کنید جایی در جهان که یک ستاره منفجر می‌شود و انرژی آزاد می‌کند. این انفجار اتم‌ها را از هم می‌پاشد و هسته‌های اتمی را با انرژی شدید در فضا پرتاب می‌کند. تصور کنید که هسته به یک ابرنواختر دیگر و سپس پنج بار دیگر پرتاب می‌شود. در پایان این فرآیند، آنقدر انرژی جمع کرده بود که هیچ چیز نمی‌توانست جلوی آن را بگیرد."
او بر این احتمال تأکید کرد که هسته به انسان برخورد کند، انرژی آزاد کند، در نتیجه واکنش‌های شیمیایی را آغاز کند و به مولکول‌هایی که بدن ما را تشکیل می‌دهند آسیب برساند. "پروتئین دارید. لیپید دارید. همه آنها آسیب خواهند دید."
روی زمین، میدان مغناطیسی سیاره ما از ما محافظت می‌کند. اما فضانوردان و اشیاء در فضا به طور مداوم در معرض این تشعشعات قرار دارند که اگرچه کم است، اما ثابت است و با گذشت زمان جمع می‌شود. اگر کشاورزی فضایی قرار است به واقعیت تبدیل شود، دانشمندان باید راه هایی برای کاهش یا به حداقل رساندن اثر این تشعشعات ارائه دهند. پروفسور گیلروی خوشبین است: "من به مهندسان و محققان ایمان زیادی دارم. در نهایت، ما متوجه خواهیم شد که چگونه این کار را انجام دهیم."
دانه‌های نوآوری
بر اساس داده‌های موجود از سال 2021، مساحت زمین‌های کشاورزی در سراسر جهان 4.8 میلیارد هکتار است و تولید جهانی محصولات اولیه کشاورزی بین سال‌های 2000 تا 2021، 54 درصد افزایش یافته است. واضح است که تقاضای کشاورزی در حال افزایش است، حتی در حالی که چالش‌هایی مانند تغییرات آب و هوایی و کاهش منابع تشدید می‌شوند.
تحقیق در مورد تأثیر فضا بر گیاهان می‌تواند در این زمینه به ما کمک کند. نتایج حاصل از مطالعاتی مانند قلمه های مو، رفتار آب در ریزگرانش می‌تواند استراتژی‌های نوآورانه‌ای برای کشت ارائه دهد. درک چگونگی سازگاری گیاهان با شرایط سخت فضا می‌تواند منجر به محصولات مقاوم‌تر در زمین شود و وابستگی به آفت‌کش‌ها را کاهش دهد.
علاوه بر کشاورزی، اکتشافات فضایی امکانات جدیدی را برای کاربردهای پزشکی باز می‌کند، همانطور که در مورد Andrographis paniculata مشهود است که خواص درمانی آن افزایش یافته است. با ادامه آزمایش‌ها، مزایای زندگی روی زمین متعدد است. فضا فقط مرز بعدی ما نیست، بلکه به باغ تحقیقاتی ما تبدیل می‌شود، جایی که دانه‌های نوآوری می‌توانند به نفع همه بشریت رشد کنند.