با وجود تمام روش هایی که انسان ها با طبیعت بازی می کنند، نحوه رشد و استخراج مواد از جنگل ها و مزارع اساساً بدون تغییر باقی مانده است. مثلاً برای به دست آوردن الوار، درختی را می کاریم، می گذاریم رشد کند و آن را خرد می کنیم.

چوب و سایر مواد گیاهی ممکن است منابع تجدیدپذیر باشند، اما دستیابی به اشکال قابل استفاده معمولاً نیازمند حمل و نقل، آسیاب و فرآوری زیادی است. اکنون، گروهی از محققان MIT امیدوارند این ناکارآمدی ها را به شدت کاهش دهند. محققان، بافت گیاهی چوب مانند را در آزمایشگاه پرورش دادند که اگر بزرگتر شود، شاید روزی بتواند به توسعه چوب، الیاف و سایر مواد زیستی رشد یافته در آزمایشگاه منجر شود که هدف آن ها کاهش ردپای محیطی جنگلداری و کشاورزی است.

این پروژه اخیرا ها در مقاله Journal of Cleaner Production توضیح چاپ شده است. امید این است که اگر این فرآیند توسعه یافته برای تولید مواد گیاهی استفاده شود، می توانیم برخی از فشارها را بر زمین های کشاورزی کاهش دهید. اشلی بکویث، نویسنده اصلی این تحقیق و کاندیدای دکترای مهندسی مکانیک در MIT، می‌گوید با این فشارها، امیدواریم بتوانیم اجازه دهیم فضاهای بیشتری به صورت طبیعی و وحشی باقی بمانند و جنگل‌های بیشتری در جای خود باقی بمانند.

تحقیقات قبلی بکویث با استفاده از میکروسیال های چاپ سه بعدی برای کاربردهای زیست پزشکی مانند تجزیه و تحلیل قطعات تومور مورد بررسی قرار گرفت. اما پس از اینکه مدتی را صرف کار و یادگیری در مورد مزارع ارگانیک کرد، علاقه مند به استفاده موثرتر از منابع کشاورزی و طبیعی شد.

مواد گیاهی آزمایشگاهی برای کشت به آب و هوا، آفت کش ها یا زمین های زراعی بستگی ندارد. محققان خاطرنشان می کنند که تولید تنها بخش های مفید گیاهان می تواند پوست دور ریخته شده، برگ ها و سایر مواد اضافی را از بین ببرد. لوئیس فرناندو ولاسکوئز-گارسیا، یکی از نویسندگان مطالعه و دانشمند پژوهشی اصلی در آزمایشگاه‌ های فناوری میکروسیستم ‌های MIT، می‌گوید: تولید در سطح بالاتر در مکان و زمان مورد نیاز مطرح است.

در حال حاضر، ما این مدل را داریم که در آن کالاها را در مکان های بسیار کوچکی تولید می کنیم و سپس آن ها را پخش می نماییم.

رشد بافت‌های گیاهی در آزمایشگاه با سلول‌ها شروع می‌شود، نه دانه‌ها. محققان سلول‌های زنده را از برگ‌های جوان Zinnia elegans استخراج کردند، گونه‌ای که به دلیل رشد سریع آن انتخاب شده و از نظر تمایز سلولی به خوبی مورد مطالعه قرار گرفته است، فرآیندی که طی آن سلول‌ ها از نوعی به نوع دیگر تغییر می‌کنند.

سلول ‌ها قبل از انتقال به ژل برای توسعه بیشتر، در محیط کشت حاوی مواد مغذی قرار گرفتند. بکویث می‌گوید: سلول ‌ها در داخل این داربست ژلی معلق می‌شوند و با گذشت زمان، رشد می‌کنند تا حجم داربست را پر کنند و همچنین به انواع سلول ‌های مورد علاقه ما تبدیل می‌شوند.

این داربست حاوی مواد مغذی و هورمون‌ هایی برای حفظ رشد سلولی است، به این معنی که مواد گیاهی به طور غیر فعال رشد می‌کنند و نیازی به نور خورشید یا خاک نیست. با این حال، ترکیبی از سلول ‌های گیاهی و ژل بدون کمی اصلاح به چیز بسیار مفیدی تبدیل نمی‌شود.

بنابراین، محققان آزمایش کردند که چگونه دستکاری غلظت هورمون، pH و تراکم سلولی اولیه محیط ژل، در میان متغیرهای دیگر، بر رشد تأثیر گذاشته و می‌تواند بر خواص بافت ‌های گیاهی حاصل تأثیر بگذارد. ولاسکوئز-گارسیا می گوید: سلول های گیاهی این قابلیت را دارند که به سلول های مختلف تبدیل شوند، اگر شرایط را برای آن ها فراهم نماییم. شما می توانید سلول ها را متقاعد کنید که این یا آن کار را انجام دهند و سپس آن ها ویژگی های مورد نظر شما را بدست آورند.

برای دستیابی به ماده‌ای شبیه چوب، محققان مجبور شدند سلول‌ های گیاهی را به تمایز به انواع سلول ‌های آوندی تشویق کنند که آب و مواد معدنی را انتقال می‌دهند و بافت چوبی را می‌سازند. همانطور که سلول ها توسعه یافتند، آن ها یک دیواره سلولی ثانویه ضخیم ایجاد کردند که با لیگنین تقویت شده بود (یک پلیمر استحکام دهنده) که سفت تر می شد. با استفاده از میکروسکوپ فلورسانس برای تجزیه و تحلیل کشت ها، محققان می‌توانند مشاهده کنند که کدام سلول ‌ها تبدیل به چوب می‌شوند و همچنین بزرگ شدن و ازدیاد طول آن ها را ارزیابی کنند.

هنگامی که زمان چاپ آن ها فرا رسید، حرارت دادن و سپس پرینت زیستی سه بعدی ژل باعث شد تا مواد حاصل پس از سرد شدن و جامد شدن تقریباً هر شکلی به خود بگیرند. بافت سبز تیره ای که تیم تحقیقاتی تولید کرد بسیار محکم است، اما از نظر ساختاری برای اکثر اهداف ساخت و ساز به اندازه کافی قوی نخواهد بود.

بکویث می‌گوید در حال حاضر، ساختارهای چاپی نازک و مستطیلی تنها چندین سانتی‌متر طول دارند، اگرچه چاپ نسخه ‌های بزرگ‌تر امکان ‌پذیر است.

پروژه Zinnia elegans بیشتر اثباتی بر مفهوم تکنیک های رشدی بود که آن ها امتحان کردند. گام بعدی می تواند انتقال این دانش به گونه های گیاهی دیگر باشد که ممکن است مواد قوی تری با ویژگی های مفید تولید کنند.

بکویث می‌گوید که در ابتدا، این مواد می‌توانند گران ‌تر از محصولات گیاهی سنتی باشند، اما امکان کنار گذاشتن مراحل برداشت، پردازش و ساخت می‌تواند در نهایت هزینه‌ ها را کاهش دهد. محققان تصور می کنند که ممکن است روزی بتوان اقلام کاملاً دارای شکل مانند مبلمان را چاپ کنند، اما فقط بیرون آوردن بلوک های آماده یا تیرهایی از مواد چوب مانند می تواند انرژی لازم برای برش و شکل دادن الوار را به اشکال قابل استفاده کاهش دهد.

مصرف آب برای تهیه محیط ژل را می توان به شدت کنترل کرد و رواناب را کاهش داد. بکویث می‌گوید که رشد بافت ‌های گیاهی در آزمایشگاه می‌تواند چند ماه طول بکشد، اما این بسیار سریع‌تر از مثلاً انتظار 20 سال برای رشد صنوبر برای دستیابی به حجم سودآور چوب است.

Xuejun Pan (استاد گروه مهندسی سیستم‌های بیولوژیکی در دانشگاه ویسکانسین، مدیسون) که در این مطالعه شرکت نداشت، می‌گوید: مواد گیاهی می‌توانند تولید سوخت و مواد شیمیایی را افزایش دهند. لازم نیست حتماً یک تکه چوب محکم بکارید. او می‌گوید: اگر بتوانید زیست توده‌ای تولید کنید، برای مثال، به‌عنوان یک ماده اولیه برای صنعت زیستی در آینده (به صورت رقابتی و مولد) می‌تواند جذاب باشد. جفری بورنشتاین (یکی از نویسندگان مطالعه و رهبر گروه در آزمایشگاه چارلز استارک دراپر) می‌گوید: این کار اولیه با مواد آلی قابل چاپ حتی ممکن است بینش ‌هایی را در مورد ایجاد مواد و دستگاه ‌های پیشرفته‌ای که از سلول ‌های زنده برای دستیابی به قابلیت‌های پاسخ دما یا خود ترمیمی استفاده می‌کنند، ارائه دهد. یک شرکت خصوصی تحقیق و توسعه مهندسی که بودجه این پروژه را تامین کرده و در حال ارائه کمک هزینه تحصیلی به بکویث است.

در گیاهان، سلول ‌های زنده می‌توانند محرک‌ ها را حس کنند و به تغییرات محیطشان پاسخ دهند که اگر بتوان آن را در مواد ادغام کرد، یک توانایی بالقوه تبدیل‌کننده است. بورنشتاین می‌گوید: ماده‌ای که می‌تواند رشد کند یا به محیط پاسخ دهد یا خودش را التیام بخشد، قدرت زیادی دارد. این واقعیت که آن ها از سلول‌ های زنده ساخته شده‌اند، این امر را به روش ‌هایی ممکن می‌سازد که قبلاً بسیار پیچیده بود.

محققان می‌گویند چاپ زیستی سلول‌های گیاهی به طور گسترده مورد بررسی قرار نگرفته است و کار رشد انتخابی بافت‌ های گیاهی قابل تنظیم در ساختارهای چاپی احتمالاً اولین کار است. با این حال، حتی سبزترین جاه طلبی ها نیز باید به صورت انتقادی ارزیابی شوند. برای مقایسه، از گوشت کشت شده استفاده کنید که می خواهد هزینه های زیست محیطی تولید گوشت، به ویژه گوشت گاو را کاهش دهد. تبادل انتشار گاز متان از گاو با انتشار دی اکسید کربن ناشی از برق مورد نیاز برای راه اندازی کارخانه های پرورش گوشت، یک معامله نامشخص است. همچنین هنوز مشخص نیست که یک فرآیند صنعتی چه مقدار آب ممکن است در مقایسه با آنچه برای دامداری مورد نیاز است استفاده کند.

افزایش تولید مواد گیاهی استاندارد شده در آزمایشگاه همچنین مستلزم درک عمیق‌ تری از عوامل مؤثر بر رشد سلولی است، از سطوح هورمونی و pH، نیروهای مکانیکی درون داربست ژل تا سیگنال‌دهی بیوشیمیایی سلول به سلول وجود دارد. ولاسکوئز-گارسیا می‌گوید، با توجه به ترکیبات متنوع گیاهان دیگر، انتقال تکنیک‌های رشد Zinnia elegans به گونه‌های دیگر می‌تواند چالش برانگیز باشد. او می‌گوید: کاوش کامل این ایده احتمالاً به افراد بیشتری با تخصص بیشتر نیاز دارد. اما او معتقد است که ایجاد راه‌حل ‌های پایدارتر به ایده ‌های جسورانه نیاز دارد و گاهی اوقات رشد در آزمایشگاه‌ ها بر مواد ساخته ‌شده توسط طبیعت برتری دارد.

اولین باری که در مورد گوشت آزمایشگاهی مطالعه کردم (حدود هفت سال پیش) خندیدم و فکر کردم: این مسخره است! هزینه نجومی بود:280000 دلار برای یک نان همبرگر! چگونه می توان آن را از یک ظرف پتری در آزمایشگاه به تولید تجاری تبدیل کرد؟ و چه کسی دوست دارد این محصول نامطلوب را بخورد؟

تا به امروز به سرعت هزینه گوشت آزمایشگاهی به طور چشمگیری کاهش یافته است، کیفیت و طعم آن به سرعت بهبود یافته است و برای اولین بار در رستوران ها سرو می شود. بسیاری از استارت‌آپ ‌ها برای تجاری ‌سازی گوشت بدون کشتار کار می‌کنند.

چوب ‌های آزمایشگاهی اگرچه در مراحل اولیه خود است، اما محققان امیدوارند که روزی این فناوری اجازه دهد تا محصولات چوبی به هر شکلی رشد کنند. یک مجموعه اتاق غذاخوری را می‌توان مستقیماً پرورش داد و نیازی به برداشت درختان در جنگل، انتقال کنده‌ ها به کارخانه چوب بری، پردازش کنده‌ ها به الوار، حمل الوار به کارخانه مبلمان و غیره نیست. علاوه بر رشد محصولات چوب جامد، محققان علاقه مند به رشد الیاف چوبی هستند که می توانند جایگزین خمیر چوب برای تولید کاغذ شوند.

اگر این فناوری پارادایم ‌شکنی به سرعت توسعه یابد (مانند گوشت‌های آزمایشگاهی)، پیامدهای بلندمدت برای جنگل‌داری، محصولات جنگلی و حفاظت از آن است. اکنون گروهی از دانشمندان مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT) اولین گام‌ها را برای رشد چوب و محصولات چوبی بدون درخت، مانند پرورش گوشت بدون حیوانات، برداشته‌اند. این فرآیند با استخراج سلول های گیاهی زنده و قرار دادن آن ها در محیط رشد مایع آغاز می شود و در آنجا شروع به تولید مثل می کنند.

دسته ای از سلول های به دست آمده به یک ماتریس ژل سه بعدی منتقل می شود، جایی که آن ها به تکثیر ادامه می دهند. هورمون‌های گیاهی، از جمله اکسین و سیتوکینین، برای تحریک سلول‌ها به تولید لیگنین اضافه می‌شوند که به چوب سفتی می‌دهد. این فرآیند ساده، محققان MIT را قادر ساخت تا ساختارهای چوب مانند را به شکل ماتریس ژل تولید کنند. تغییر سطح هورمون های گیاهی میزان لیگنین تولید شده توسط سلول ها را کنترل می کند و ساختار آن را تغییر می دهد.

بدین ترتیب مشاغل جدید ایجاد می شود، اما آن ها برخلاف مشاغل سنتی جنگلداری و محصولات جنگلی هستند و احتمالاً دور از جنگل ها قرار می گیرند. دیگر پیامدهای تجاری‌سازی گسترده چوب‌ های آزمایشگاهی می‌تواند شامل تولید مواد زیستی کارآمدتر، مزایای حفاظتی و الگوی جدیدی برای مدیریت اکوسیستم جنگلی باشد. بسیاری از تأثیرات بالقوه ناشناخته هستند و سؤالات تحقیقاتی مهمی را مطرح می کنند: برداشت درختان کمتر چگونه بر جذب کربن اتمسفر و تغییرات آب و هوا تأثیر می گذارد؟

چگونه ممکن است این نوآوری بر آتش سوزی در آینده تأثیر بگذارد؟ اثرات زیست محیطی تولید در مقیاس بزرگ چیست؟ پاسخ مصرف کنندگان به این محصول غیرعادی چگونه خواهد بود؟ کاوش در مورد پیامدهای احتمالی چوب رشد یافته در آزمایشگاه می تواند با استفاده از روش های آینده پژوهی انجام شود.

نمایش در مقیاس کوچک که چوب را می توان در آزمایشگاه رشد داد، چیزی است که آینده پژوهان آن را "سیگنال ضعیف" تغییر می نامند. جنگلبان منابع طبیعی، چندین سال بر روی یک پروژه ژنتیک جنگل که شامل افرا با برگ های بزرگ است، کار کرده است. کلر در حال کمک به Pacific Rim Tonewoods (PRT)، سازنده قطعات گیتار آکوستیک در شمال غربی واشنگتن است. هدف PRT ایجاد خطوط ژنتیکی مطلوب از درختان افرا شکل دار با کیفیت بالا و مناسب برای برداشت نهایی، ساخت و استفاده در آلات موسیقی است.

افرا برگ بزرگ(Acer MACRophyllum) درختی بومی در غرب رشته کوه های کاسکاد و سیرا نوادا در بریتیش کلمبیا، واشنگتن، اورگان و کالیفرنیا است. چوب افرا برگ بزرگ معمولاً دارای ارزش تجاری نسبتاً پایینی است، به جز زمانی که وجود چوب شکل دار منجر به طیف وسیع تری از محصولات با ارزش بالاتر مانند چوب های مبلمان و اقلام خاص می شود. پرطرفدارترین درختان در سرتاسر تنه درخت، از جمله فراتر از جایی که انشعاب شروع می‌شود، نمایان می‌شوند.

کارشناسان به طور گسترده موافق هستند که از هر 200 تا 500 افرا بیش از یک افرا این میزان مطلوب از "ابر پیکربندی" را ندارد. PRT و کلر برای یافتن افراهای فوق‌العاده به دنبال کمک هستند. تغییرات اقلیمی ممکن است به آتش‌سوزی‌های عظیم ادامه دهد که احیای جنگل‌ها را بیش از پیش برای ما به چالش می‌کشد. به روز رسانی داده ها و مرتبط کردن [اطلاعات] یکی از کارهای کلیدی است که باید انجام دهیم.

در نتیجه یکی از گام های مهم بعدی به سمت احیای جنگل، تولید چوب در آزمایشگاه است. دانشمندان امیدوار هستند که جنگل ها را فراتر از مکان های موجود گسترش دهند.

منبع: WIRED