کشت گیاهان در فضا

رشد گیاهان در فضا توجه زیادی را به خود جلب کرده است. ناسا قصد دارد گیاهانی را در فضا پرورش دهد تا به تغذیه فضانوردان کمک کند و مزایای روانی برای پروازهای فضایی طولانی مدت فراهم کند. در اینجا نحوه رشد گیاهان در فضا را بخوانید.

سه‌شنبه، 7 دی 1400

تخمین زمان مطالعه:

مترجم : زهرا حاجی احمدی

هوافضا کشاورزی و دامپروری آینده اینجاست

موارد بیشتر برای شما

همانطور که بشر در حال کشف فضاست، قصد دارد که گیاهان را هم به دلایل زیبایی شناختی و علمی به فضا منتقل کند. آن ها برای سلامت روانی ما در زمین و فضا مفید هستند. گیاهان همچنین برای حفظ سلامت فضانوردان در ماموریت های طولانی مدت حیاتی خواهند بود. کمبود ویتامین C تمام آن چیزی است که برای دادن اسکوربوت به ملوانان لازم بود،و کمبود ویتامین می تواند باعث تعدادی دیگر از مشکلات سلامتی شود. صرفا استفاده از چند مولتی ویتامین برای حفظ سلامت فضانوردان در فضانوردی کافی نیست. آن ها به محصولات گیاهی تازه نیاز خواهند داشت. در حال حاضر در ایستگاه فضایی، فضانوردان محموله‌های منظمی از طیف گسترده‌ای از وعده‌های غذایی منجمد شده و بسته‌بندی شده دریافت می‌کنند تا نیازهای غذایی خود را پوشش دهند. هنگامی که خدمه به فضا سفر می کنند و ماه ها یا سال ها بدون محموله های تامین مجدد سفر می کنند، ویتامین ها به شکل پیش بسته بندی شده در طول زمان تجزیه می شوند که برای سلامت فضانوردان مشکلی ایجاد می کند. بنابراین، ناسا به دنبال راه هایی برای تامین مواد مغذی به فضانوردان به شکلی طولانی مدت است. چالش این است که چگونه می توان این کار را در یک محیط بسته بدون نور خورشید یا گرانش زمین انجام داد.

Veggie

سیستم تولید سبزیجات معروف به Veggie، یک باغ فضایی است که در ایستگاه فضایی قرار دارد. باغ سبزیجات تقریباً به اندازه یک چمدان دستی است و معمولاً شش گیاه را در خود جای می دهد. هر گیاه در یک "بستر" پر از محیط رشد مبتنی بر خاک رس و کود رشد می کند. بسترها برای کمک به توزیع آب، مواد مغذی و هوا در یک تعادل سالم در اطراف ریشه ها مهم هستند. در غیر این صورت، ریشه ها یا در آب یا در هوا غرق می شوند غرق می شوند زیرا مایعات موجود در فضا تمایل به تشکیل حباب دارند. در غیاب جاذبه، گیاهان از سایر عوامل محیطی مانند نور برای جهت دهی و هدایت رشد استفاده می کنند. مجموعه ای از دیودهای ساطع کننده نور (LED) در بالای گیاهان، طیفی از نور مناسب برای رشد گیاهان تولید می کند. از آنجایی که گیاهان نور سبز زیادی را منعکس می کنند و از طول موج های قرمز و آبی بیشتری استفاده می کنند، محفظه Veggie معمولاً به صورت صورتی-سرخابی می درخشد. تا به امروز، Veggie با موفقیت گیاهان مختلفی از جمله سه نوع کاهو، کلم چینی، کلم پیچ قرمز روسی و گل های zinnia را پرورش داده است. این گل ها به ویژه در میان فضانورد Scott Kelly که دسته گلی را انتخاب کرد و از آن به صورت شناور با پس زمینه زمین عکس گرفت و در ایسنتای خود منتشر کرد، بسیار محبوب بود. برخی از گیاهان توسط اعضای خدمه برداشت و خورده شدند و نمونه های باقی مانده برای تجزیه و تحلیل به زمین بازگشتند. یکی از نگرانی ها ی ناسا رشد میکروب های مضر روی محصول بود. تاکنون هیچ آلودگی مضری شناسایی نشده است و غذا برای خدمه امن (و لذت بخش) بوده است. تیم مستقر در مرکز فضایی کندی در نظر دارد در آینده محصولات بیشتری مانند گوجه فرنگی و فلفل بکارد. غذاهایی مانند انواع توت ها، برخی از لوبیاها و سایر غذاهای غنی از آنتی اکسیدان می توانند مزایای بیشتری برای محافظت در برابر تشعشعات فضایی برای اعضای خدمه ای که آن ها را می خورند، داشته باشند.

زیستگاه گیاهی پیشرفته

زیستگاه گیاهی پیشرفته (APH) مانند Veggie، یک اتاقک رشد در ایستگاه برای تحقیقات گیاهی است. برای رساندن آب، مواد مغذی و اکسیژن به ریشه‌های گیاه، از چراغ‌های LED و یک بستر رسی متخلخل با کود هوشمند (با رهایش کنترل شده) استفاده می‌کند. اما برخلاف Veggie، دوربین‌ها و بیش از 180 حسگر در تماس تعاملی مداوم با تیمی در زمین هستند، بنابراین نیازی به مراقبت روزانه توسط خدمه ندارد. بازیافت و توزیع آب، سطوح رطوبت و دما همگی خودکار هستند. دارای رنگ‌های بیشتری از چراغ‌های LED نسبت به Veggie، با چراغ‌های قرمز، سبز و آبی و همچنین سفید و مادون قرمز است تا امکان تصویربرداری در شب را فراهم کند. هنگامی که برداشت برای مطالعات تحقیقاتی آماده می‌شود، خدمه نمونه‌هایی را از گیاهان جمع‌آوری و منجمد می‌کنند و آن ها را برای مطالعه به زمین می‌فرستند تا دانشمندان بهتر بفهمند فضا چگونه بر رشد و توسعه گیاهان تأثیر گذاشته است. APH اولین آزمایش آزمایشی خود را در بهار 2018 با استفاده از Arabidopsis thaliana (گیاه مدل) و گندم کوتوله در ایستگاه فضایی انجام داد. دکتر نورمن لوئیس و همکارانش به این موضوع علاقه مند هستند که در سطح ژن، پروتئین و متابولیت برای گیاهان در فضا چه اتفاقی می افتد و چه تغییراتی و چرا رخ می دهد. یک سوال کلیدی که آن ها می خواهند به آن پاسخ دهند، رابطه بین ریزگرانش و محتوای لیگنین گیاهی است. لیگنین‌ها در گیاهان دارای عملکردهایی هستند که نزدیک‌ترین تشابه آن با استخوان‌ها در انسان است. آنها ساختار و استحکام را به گیاهان و ابزاری برای ایستادن در برابر جاذبه می دهند. ما قبلاً می دانیم که فضا باعث از بین رفتن استخوان و عضله در انسان می شود زیرا نیازهای فیزیکی در فضا کمتر است. پس لیگنین ها چطور؟ لوئیس و تیمش همچنین می‌خواهند بدانند آیا گیاهانی که به‌طور ژنتیکی مهندسی شده‌اند تا لیگنین کمتری داشته باشند، می‌توانند زنده بمانند و به طور طبیعی در فضا عمل کنند. این می‌تواند چندین مزیت را به گیاهان فضایی بدهد، از جمله بهتر بودن جذب مواد مغذی زمانی که انسان آن ها را می‌خورد و ضایعات گیاهی را برای کمپوست‌سازی آسان‌تر می‌کند. لوئیس و تیم او بر این باورند که این اطلاعات علمی بنیادی، راهبردهای ما را برای کاوش در اعماق فضا هدایت خواهد کرد.

تحقیقات بیولوژیکی در قوطی های استوانه ای

تحقیقات بیولوژیکی در قوطی ها (BRIC) برای مطالعه اثرات فضا بر موجودات کوچک (مانند مخمر و میکروب ها) برای رشد در ظروف پتری مانند است. BRIC-LED آخرین نسخه این سیستم است که دیودهای ساطع کننده نور (LED) را برای حمایت از زیست شناسی مانند گیاهان، خزه ها، جلبک ها و سیانوباکتری هایی که برای تهیه غذای خود به نور نیاز دارند، اضافه کرده است. در حال حاضر، BRIC-LED در حال انجام تست های اعتبارسنجی سخت افزاری است. دانشمندان می خواهند اطمینان حاصل کنند که LED ها برای گیاهان خیلی داغ نمی شوند. به زودی، محققانی مانند دکتر سیمون گیلروی از دانشگاه ویسکانسین-مدیسون از آن برای انجام مطالعات استفاده خواهند کرد.گیلروی به چگونگی تغییر بیان ژن گیاه آرابیدوپسیس در فضا علاقمند است. دو الگو که توجه گیلروی را به خود جلب کرده است مربوط به سیستم ایمنی گیاهان است. به نظر می رسد که گیاهان استرس ناشی از اکسیداسیون را افزایش داده اند. شیمی طبیعی در سلول ها یک ماده شیمیایی مبتنی بر اکسیژن بسیار واکنش پذیر می سازد. اکسیژن فعال کنترل نشده می‌تواند با سیستم ترمیم DNA واکنش نشان دهد و آن را خراب کند، یا می‌تواند به میتوکندری آسیب برساند. در یک گیاه سالم، سلول ها راه هایی برای مقابله با آن دارند. اما در فضا چگونه است؟ الگوی دیگر این است که ژن های خاص مرتبط با سیستم ایمنی روشن می شوند و برخی دیگر در فضا خاموش می شوند. دانشمندان گمان می کنند که این ممکن است توانایی گیاهان را برای مبارزه با عفونت ها به خطر بیندازد. شواهد حکایتی نیز وجود دارد مبنی بر اینکه گیاهان موجود در فضا ممکن است برای دفع در مقابل پاتوژن ها تلاش کنند. یک بار، zinnias در Veggie کمی بیش از حد آب داده شدند و جریان هوا کم بود. یک قارچ روی گیاهان شروع به رشد کرد و تعدادی از آن ها مردند. فضانورد اسکات کلی با ظرافت قارچ را تمیز کرد، از گیاهان باقیمانده به خوبی مراقبت کرد و آن ها را به گل رساند. این می توانست تصادفی باشد، اما این سوال را ایجاد کرد که آیا فضا سلامت زینیا را تضعیف می کند؟

پروژه Plant Habitat-04

آزمایش گیاهی Habitat-04 (PH-04) ناسا برای اولین بار فلفل چیلی را در ایستگاه فضایی بین المللی کشت داد. هنگامی که فضانوردان اولین برداشت از دو برداشت را انجام دادند، فلفل ها بیش از سه ماه رشد کردند. برداشت دوم در 26 نوامبر 2021 انجام شد. خدمه تمام فلفل های برداشت اول را خوردند. برای برداشت دوم، آن ها مقداری از برداشت را خوردند و 12 فلفل را بسته بندی کردند تا بعداً برای تجزیه و تحلیل به زمین بازگردند. این آزمایش گیاهی به دلیل طولانی بودن زمان جوانه زنی و رشد یکی از پیچیده ترین آزمایشات تاکنون در ایستگاه فضایی است. PH-04 طولانی ترین آزمایش گیاهی تا به امروز در ایستگاه فضایی است. این مطالعه به دانش ناسا در مورد رشد محصولات غذایی برای ماموریت های فضایی طولانی مدت می افزاید.

چرا در فضا کشت گیاهان را انجام دهیم؟

ناسا و شرکای بین المللی و تجاری آن مهارت خود را در حل چالش تغذیه خدمه در مدار پایین زمین نشان داده اند. فضانوردان بیش از 20 سال است که به طور مداوم در فضا زندگی و کار کرده اند و عمدتاً غذاهای بسته بندی شده مصرف می کنند. در آماده‌سازی برای ماموریت‌های آرتمیس به ماه و فراتر از آن، محققان در حال توسعه راه‌هایی برای حمایت از کاوشگران برای مأموریت‌هایی به مقاصدی فراتر از مدار پایین زمین از جمله مریخ هستند، مأموریت‌هایی که ممکن است ماه‌ها یا حتی سال‌ها طول بکشد و فرصت‌های محدودی برای ماموریت‌های تامین مجدد غذا داشته باشند. تغذیه خدمه در ماه و به ویژه مریخ، یک چالش لجستیکی خواهد بود. در حالی که خدمه همچنان به غذاهای بسته بندی شده از زمین متکی خواهند بود، بخشی از چالش این است که ارسال تجهیزات فراتر از مدار پایین زمین به پیشرانه بیشتر و زمان تحویل طولانی تری به ویژه به مریخ نیاز دارد. غذاهای بسته بندی شده که برای مدت طولانی ذخیره می شوند منجر به کاهش کیفیت غذا می شود که این امر باعث کاهش مقدار مواد مغذی کلیدی مانند ویتامین C و ویتامین K می شود. از سال 2015، فضانوردان در ایستگاه فضایی 11 محصولات مختلف را رشد داده و خورده اند. سایر مزایای کشت محصولات خود شامل افزودن تنوع به وعده های غذایی است تا فضانوردان از خوردن مکرر غذاهای مشابه خسته نشوند. محققان همچنین در حال بررسی مزایای روانشناختی دیدن، بوییدن و مراقبت از گیاهان در محیط‌های بسته و ایزوله هستند. رشد فلفل در فضا نیز ممکن است با نشان دادن امکان استفاده از انواع فلفل موجود در کشاورزی محیط کنترل شده برای ما مفید باشد.

پیدا کردن فلفل مناسب

محققان Kennedy دو سال را صرف ارزیابی بیش از دو جین فلفل از سراسر جهان کردند. این تیم چندین نوع مختلف فلفل چیلی سبز از Hatch ، نیومکزیکو و Hatch Valley در جنوب نیومکزیکو را انتخاب کرد. PH-04 از فلفل NuMex "Española Improved" استفاده می کند، ترکیبی که توسط دانشگاه ایالتی نیومکزیکو توسعه یافته است (ترکیبی از فلفل "Hatch Sandia" و فلفل سنتی "Española" در شمال نیومکزیکو). این فلفل در آزمایش‌های زمینی در APH بهترین رشد را داشت و به خوبی با کشاورزی محیطی کنترل‌شده سازگار شد و دیگر ارقام فلفل Hatch شامل «Big Jim»، «Sandia»، «NuMex 6-4» و «Lumbre X-Hot» را شکست داد.

پرورش فلفل در فضا

تیمی در مرکز فضایی Kennedy ناسا، 48 دانه فلفل را در دستگاهی که حاوی خاک رس پخته برای رشد ریشه ها و کود هوشمند با رهایش کنترل شده مخصوص فلفل بود، ضدعفونی کردند و کاشتند. این دستگاه در بیست و دومین ماموریت تامین بار اسپیس ایکس با ناسا به ایستگاه فضایی پرتاب شد. این دستگاه در APH، بزرگترین محفظه از سه محفظه رشد گیاه در آزمایشگاه مدار قرار می گیرد. APH تقریباً به اندازه یک اجاق مایکروویو بزرگ است و دارای بیش از 180 حسگر و کنترل برای نظارت بر رشد گیاه و محیط است. شین کیمبرو، فضانورد ناسا، این دستگاه را در APH قرار داد و آب اضافه کرد تا آزمایش را در 12 ژوئیه 2021 آغاز کند. تیمی در کندی به طور مداوم آزمایش را از زمین زیر نظر گرفته و آبیاری، روشنایی و سایر شرایط محیطی را کنترل کرده است. با همکاری محققان، خدمه در مدار به طور منظم فلفل ها را بررسی کرده و کارهای باغبانی مانند تمیز کردن بقایای گیاهی از APH و همچنین کاهش تعداد بوته های فلفل به چهار بوته را انجام داده اند. فلفل ها خود گرده افشان هستند و به محض اینکه گرده افشانی انجام شود، برخی از گل ها 24 تا 48 ساعت بعد شروع به تشکیل فلفل می کنند. برای اطمینان از گرده افشانی گل‌ها در مدار، تیم مرکز فضایی کندی ناسا به APH دستور داد تا گل‌ها را به هم بزند و انتقال گرده را تشویق کند. خدمه ایستگاه فضایی نیز به گرده افشانی دستی برخی از گل ها کمک کردند. پس از گرده افشانی، گلهای زیادی شکوفا شدند و بعداً چندین میوه رشد کردند. مهندس پرواز اکسپدیشن 66 (مارک ونده هی) هفت فلفل چیلی را در 29 اکتبر 2021 برداشت کرد و به همراه همکاران خود اندکی پس از برداشت فلفل ها را مصرف کردند. در 26 نوامبر ونده هی دومین برداشت را انجام داد که فعالیت های کشت مداری PH-04 را به پایان رساند. او 12 فلفل را برای بازگشت به زمین آماده کرد.

فلفل تند

این فلفل چیلی یک فلفل تند ملایم در نظر گرفته می شود. رتبه بندی می تواند بر اساس روش های رشد و شرایط محیطی متفاوت باشد. مقدار آبی که این فلفل ها دریافت می کنند احتمالاً مهمترین عامل در تعیین میزان تند بودن فلفل هاست. با این حال، ریزگرانش یک عامل استرس زا برای گیاهان است و می تواند تأثیر بگذارد. بخشی از داده‌های جمع‌آوری‌شده از PH-04 شامل بازخورد خدمه درباره طعم و بافت فلفل‌ها، همراه با اندازه‌گیری‌های اسکوویل از فلفل‌های کاشته شده در ایستگاه فضایی و روی زمین در کندی است. در یک پست در رسانه های اجتماعی، فضانورد ناسا و مهندس پرواز اکسپدیشن 66 (کایلا بارون) درباره تندی فلفل ها اظهار نظر نمودند.

خوردن فلفل در فضا

مگان مک آرتور، فضانورد ناسا طی یک کنفرانس مطبوعاتی اظهار داشت که در حالیکه ایستگاه فضایی دارای کوره گرم کننده است، تنها تا 180 درجه فارنهایت می رود. اگرچه خدمه این توانایی را داشتند که فلفل‌های خود را گرم کنند، اما نمی‌توانستند آن‌ها را تفت دهندکه یکی از روش‌های محبوب تهیه این نوع فلفل است. بنابراین، آن ها ترجیح دادند که فلفل ها را خام بخورند. مک آرتور بخشی از برداشت را برای تهیه تاکوی فضایی با استفاده از گوشت گاو فاهیتا، گوجه فرنگی و کنگر فرنگی آبرسانی شده و فلفل چیلی استفاده کرد.

فلفل قرمز یا سبز

یک سوال رایج در نیومکزیکو این است که فلفل قرمز یا سبز؟ زیرا مردم معمولاً فلفل را به هر دو صورت می خورند. فضانوردان این شانس را داشتند که هر دو را به عنوان بخشی از آزمایش PH-04 بچشند، زیرا فلفل‌های «Española Improved» با بالغ شدن از سبز به قرمز تبدیل می‌شوند.

منبع: NASA