گياهاني كه براي سفر به مريخ آماده مي‌شوند

. منبع : Space Science @ NASA .

Anxiety can be a good thing. It alerts you that something may be wrong, that danger may be close. It helps initiate signals that get you ready to act. But, while an occasional bit of anxiety can save your life, constant anxiety causes great harm. The hormones that yank your body to high alert also damage your brain, your immune system and more if they flood through your body all the time.

Plants don't get anxious in the same way that humans do. But they do suffer from stress, and they deal with it in much the same way. They produce a chemical signal -- superoxide (O2-) -- that puts the rest of the plant on high alert. Superoxide, however, is toxic; too much of it will end up harming the plant.

This could be a problem for plants on Mars.

According to the Vision for Space Exploration, humans will visit and explore Mars in the decades ahead. Inevitably, they'll want to take plants with them. Plants provide food, oxygen, companionship and a patch of green far from home.

Right: Mars, photographed by the Viking Orbiters. [More]

On Mars, plants would have to tolerate conditions that usually cause them a great deal of stress -- severe cold, drought, low air pressure, soils that they didn't evolve for. But plant physiologist Wendy Boss and microbiologist Amy Grunden of North Carolina State University believe they can develop plants that can live in these conditions. Their work is supported by the NASA Institute for Advanced Concepts.

Stress management is key: Oddly, there are already Earth creatures that thrive in Mars-like conditions. They're not plants, though. They're some of Earth's earliest life forms--ancient microbes that live at the bottom of the ocean, or deep within Arctic ice. Boss and Grunden hope to produce Mars-friendly plants by borrowing genes from these extreme-loving microbes. And the first genes they're taking are those that will strengthen the plants' ability to deal with stress.

Ordinary plants already possess a way to detoxify superoxide, but the researchers believe that a microbe known as Pyrococcus furiosus uses one that may work better. P. furiosus lives in a superheated vent at the bottom of the ocean, but periodically it gets spewed out into cold sea water. So, unlike the detoxification pathways in plants, the ones in P. furiosus function over an astonishing 100+ degree Celsius range in temperature. That's a swing that could match what plants experience in a greenhouse on Mars.

Left: Pyrococcus furiosus, photographed by Henry Aldrich of the University of Florida. [More]

The researchers have already introduced a P. furiosus gene into a small, fast-growing plant known as arabidopsis. "We have our first little seedlings," says Boss. "We'll grow them up and collect seeds to produce a second and then a third generation." In about one and a half to two years, they hope to have plants that each have two copies of the new genes. At that point they'll be able to study how the genes perform: whether they produce functional enzymes, whether they do indeed help the plant survive, or whether they hurt it in some way, instead.

Eventually, they hope to pluck genes from other extremophile microbes -- genes that will enable the plants to withstand drought, cold, low air pressure, and so on.

The goal, of course, is not to develop plants that can merely survive Martian conditions. To be truly useful, the plants will need to thrive: to produce crops, to recycle wastes, and so on. "What you want in a greenhouse on Mars," says Boss, "is something that will grow and be robust in a marginal environment."

In stressful conditions, notes Grunden, plants often partially shut down. They stop growing and reproducing, and instead focus their efforts on staying alive--and nothing more. By inserting microbial genes into the plants, Boss and Grunden hope to change that.

"By using genes from other sources," explains Grunden, "you're tricking the plant, because it can't regulate those genes the way it would regulate its own. We're hoping to [short-circuit] the plant's ability to shut down its own metabolism in response to stress."

Right: Genetically engineered plants growing in Boss and Grunden's lab.

If Boss and Grunden are successful, their work could make a huge difference to humans living in marginal environments here on Earth. In many third-world countries, says Boss, "extending the crop a week or two when the drought comes could give you the final harvest you need to last through winter. If we could increase drought resistance, or cold tolerance, and extend the growing season, that could make a big difference in the lives of a lot of people."

Their project is a long-term one, emphasize the scientists. "It'll be a year and a half before we actually have [the first gene] in a plant that we can test," points out Grunden. It'll be even longer before there's a cold- and drought-loving tomato plant on Mars--or even in North Dakota. But Grunden and Boss remain convinced they will succeed.

"There's a treasure trove of extremophiles out there," says Grunden. "So if one doesn't work, you can just go on to the next organism that produces a slightly different variant of what you want."

"Amy's right," agrees Boss. "It is a treasure trove. And it's just so exciting."
اضطراب گاهي مي‌تواند كمك‌كننده باشد. اضطراب به شما هشدار مي‌دهد كه شايد خطري تهديدتان مي‌كند و يا شايد اشتباهي روي داده است. همچنين باعث به راه افتادن سيگنال‌هايي مي‌شود كه بدن را در حالت آماده‌باش قرار مي‌دهد. هر چند كه اين اضطراب‌هاي گاه و بيگاه مي‌توانند زندگي انسانها را نجات دهند، اما اضطراب مداوم آسيب‌هایی جدی به دنبال خواهد داشت. هورمون‌هايي كه بدن شما را به صورت ناگهاني براي مقابله با خطر آماده مي‌سازند، در صورتي كه براي مدت طولاني در بدن جريان داشته باشند مي‌توانند به بسياري از دستگاه‌ها نظير مغز و سيستم ايمني صدمه بزنند.
گياهان مانند انسانها دچار اضطراب نمي‌شوند؛ اما آنها نيز در مقابل استرس آسيب‌پذيرند و به شيوه‌اي مشابه با آن رو در رو مي‌شوند. آنها سيگنال شيميايي ( سوپر اكسيد O2-) توليد مي‌كنند كه به ساير قسمتهاي گياه اعلام خطر مي‌كند. اما سوپراكسيد يك ماده سمي است؛ مقدار زياد از حد آن باعث آسيب ديدن گياه مي‌شود.

اين مسئله مي‌تواند در مريخ مشكل‌ساز باشد. بر اساس چشم‌انداز اكتشاف فضا، انسان‌ها در دهه‌هاي آينده به مريخ خواهند رفت و در آنجا به كاوش خواهند پرداخت. شرايط سفر به مريخ و بعد مسافت دانشمندان مهاجر را ناگزير مي‌نمايد گياهان را نيز با خود ببرند. گياهان غذا و اكسيژن توليد مي‌كنند و همدم و يادگاري سبز از خانه هستند.
شرايط موجود در مريخ، مانند سرماي شديد، خشكي، فشار كم هوا، و خصوصيات متفاوت خاك، گياهان را با استرس زيادي مواجه مي‌كند. اما وندي باس، متخصص فيزيولوژي گياهي، و امي گروندن، ميكروب ‌شناس از دانشگاه كاروليناي شمالي بر اين باورند كه گياهاني را پرورش داده‌اند كه قادر به زندگي در اين شرايط سخت مي‌باشند

راه‌حل عبارت است از مديريت استرس: شايد از شنيدن اين نكته تعجب كنيد كه در حال حاضر موجوداتي در زمين وجود دارند كه در شرايطي شبيه مريخ زندگي مي‌كنند. البته آنها گياه نيستند بلكه نمونه‌هايي از ابتدايي‌ترين اشكال حيات در زمين هستند؛ ميكروب‌هايي كهن كه در اعماق اقيانوسها، يا زير يخهاي قطبي زندگي مي‌كنند. باس و گروندن اميدوارند تا با قرض‌گرفتن برخي ژنها از اين ميكروب‌هاي سخت‌زي، بتوانند گياهاني با قابليت زندگي در مريخ توليد كنند. اولين ژنهايي كه آنها استخراج كردند، ژنهايي هستند كه توانايي گياهان در مقابله با استرس را افزايش مي‌دهند.
گياهان معمولي غالباً روشهايي را براي خنثي كردن سوپراكسيد دارا هستند، اما پژوهشگران بر اين باورند كه روشي كه ميكروبي به نام پيروكوكوس فوريوسوس بكار مي‌برد، ممكن است كارايي بيشتري داشته باشد. اين ميكروب در دهانه‌هاي آتشفشاني بسيار داغ در اعماق اقيانوس زندگي ميكند. اما به صورت متناوب با فوران‌ها به آبهاي سرد دريايي وارد مي‌شود. بنابراين بر خلاف سيستم خنثي سازي گياهان، اين سيستم در پيروكوكوس در محدوده خارق‌العاده 100 درجه سانتيگراد اختلاف حرارت عمل مي‌كند. اين نوسان مشابه چيزي است كه گياهان در يك گلخانه مريخي با آن روبرو مي‌شوند.

در حال حاضر پژوهشگران ژن پيروكوكوس را داخل گياهي كوچك و با رشد سريع به نام آرابيدوپسيس نموده‌اند. باس مي‌گويد " حالا ما اولين جوانه را داريم. ما آنها را پرورش مي‌دهيم و دانه‌ها را استخراج مي‌كنيم تا نسل‌هاي دوم و سوم را توليد كنيم." در يكسال و نيم تا دو سال آينده آنها اميدوارند كه گياهاني را با دو نسخه از ژن جديد داشته باشند. در آن هنگام بررسي عملكرد ژنها امكان‌پذير مي‌شود: آيا آنها آنزيمهايي خاص با وظايف مشخص را مي‌سازند، آيا آنها واقعاً به بقاي گياه كمك مي‌كنند، و يا حتي موجب آسيب رساندن به آن مي‌شوند. در ادامه، آنها اميدوارند كه ژنهاي ديگري را نيز از ميكروب‌هاي سخت‌زي استخراج كنند؛ ژنهايي كه گياه را در مقابل خشكي، سرما، فشار هواي كم، و امثالهم مقاوم مي‌سازند. مطمئناً هدف تنها توليد گياهاني با توانايي بقا در مريخ نيست. موفقيت اصلي اين است كه اين گياهان به رشد و نمو خود ادامه دهند يعني محصول توليد كنند، در فرآيند بازيابي پسماندها نقش داشته باشند و به توليد اكسيژن در خانه جديد كمك كنند.


به قول باس "چيزي كه ما از يك گلخانه در مريخ مي‌خواهيم پرورش و تقويت گياهان در يك محيط با شرايط مرزي است." گروندن عقيده دارد كه اين شرايط حقيقتاً پرتنش هستند. اغلب گياهان تا حدودي غير فعال مي‌شوند، يعني رشد و توليد مثل متوقف مي‌شوند و تمام فعاليت‌هاي گياه تنها بر ادامه بقا متمركز مي‌شوند. باس و گروندن اميدوارند كه با وارد كردن ژنهاي ميكروبي به گياهان بتوانند وضعيت را تغيير دهند.
گروندن مي‌گويد "با استفاده از اين ژنها، ما در حقيقت گياه را فريب مي‌دهيم زيرا گياه قادر نيست كه اين ژنها را مانند ژنهاي خودش تنظيم كند. ما اميدواريم كه از اين راه توانايي گياه در خاموش كردن بعضي فعاليتها را دور بزنيم."
اگر باس و گروندن موفق شوند، كار آنها زندگي بسياري از افرادي كه روي زمين و در محيط‌هاي با شرايط سخت ساكن هستند، را نيز تغيير خواهد داد.

باس مي‌گويد " در بسياري از كشورهاي جهان سوم، اگر هنگامي كه خشكسالي فرا مي‌رسد تنها يك تا دو هفته ديگر بتوانيد درو را عقب بياندازيد،به اين معنا خواهد بود كه ميزان محصول لازم براي گذراندن زمستان را خواهيد داشت. اگر ما بتوانيم مقاومت به خشكي يا سرما را افزايش بدهيم، دوره محصل‌دهي طولاني‌تر مي‌شود و اين موضوع بر زندگي انسان‌هاي بيشماري تأثير خواهد گذاشت."
اين دو دانشمند تأكيد دارند كه پروژه طولاني در پيش دارند. "يكسال و نيم به طول خواهد انجاميد تا ما بتوانيم گياهاني حاوي ژن داشته باشيم كه بتوانيم روي آنها آزمايش انجام دهيم." مدت زمان طولاني‌تري لازم خواهد بود تا مثلاً گياه گوجه‌فرنگي سرمازي و خشكي‌زي در مريخ و يا حتي صحراي داكوتا داشته باشيم.


اما گروندن و باس معتقدند كه اين كاري است كه سرانجام به نتيجه خواهد رسيد. گروندن مي‌گويد " گنجينه غني از ميكروب‌هاي سخت‌زي وجود دارد. بنابراين اگر يكي مؤثر واقع نشد، مي‌توانيد به سراغ ديگري برويد تا در نهايت به آنچه مورد نظرتان است برسيد."امي هم با باس هم عقيده است "اين گنجينه واقعاً بسيار غني و همچنين بسيار هيجان‌انگيز است ."