اخترکشاورزی: چطور می توان به پرورش گیاهان خوراکی در خاک بی حاصل مریخ پرداخت؟

اگر قرار باشد که به ارسال انسان‌ها به مریخ و زنده نگه داشتن آن‌ها برای برهه‌های طولانی‌مدت امید ببندیم، لازم است آن‌ها را گرم، امن و سیر نگه داریم. و مورد آخر، چالشی بزرگ برای ماموریتی است که تنها می‌تواند به ارسال مقادیر محدودی از مواد غذایی به سیاره سرخ منجر شود. حتی اگر کنسروهای لوبیا را آنقدرها سنگین‌وزن به حساب نیاوریم، هیچ‌کس دلش نمی‌خواهد که در جریان یک ماموریت بسیار طولانی، فقط کنسرو لوبیا بخورد.

آینده ساکنین مریخ وابسته به میوه‌ها، سبزیجات و حبوبات تازه‌ای است که در خاک همین سیاره پرورش داده می‌شوند. اما چطور می‌توان به کشاورزی در سیاره‌ای سمی و مرده مانند مریخ پرداخت؟ برای رسیدن به پاسخ این سوال، خبرگزاری Digital Trends به گفتگو با سه متخصص مریخ در حوزه‌های بوم‌شناسی، زمین‌شناسی و زیست‌شیمی پرداخته است.

اصول بنیادین

گیاهان اساسا می‌تواند در شرایط بسیار سخت زنده بمانند، اما در هر صورت باید پیش‌نیازهایی ضروری را برای آن‌ها فراهم آورید. برای اینکه گیاهان به خوبی رشد کنند نیاز به گرما، فشار اتمسفری معقول و و محافظت در برابر تشعشعات آسیب‌رسان دارند. تامین چنین چیزهایی روی مریخ کاری چالش‌برانگیز خواهد بود، ولی باید این حقیقت را در نظر داشت که انسان‌ها هم دقیقا به شرایطی یکسان نیاز دارند.

ساده‌ترین راه حل اینست که هر زیستگاهی که برای گذران زندگی فضانوردان می‌سازیم، باید مشخصه‌های لازم را برای میزبانی گیاهان زراعی نیز داشته باشد. کافی است چند نور LED به محموله‌ها اضافه کنیم و فضانوردان می‌توانند به سادگی به گیاهان خود رسیدگی کنند. افزودن این نورها می‌تواند بخشی از اثرات ناشی از گرانش کمتر مریخ را نیز جبران کند، زیرا حتی در گرانش صفر، گیاهان معمولا ریشه‌هایشان را به دور از منابع نوری می‌دوانند. بسته بودن زیستگاه نیز مزایای خاصی با خود به همراه می‌آورد و فضانوردان می‌توانند شرایط حرارتی و رطوبتی را کنترل کنند.

ویگر ویملینک، بوم‌شناس دانشگاه ویگنینگن و کسی که از مدیریت تحقیقات مربوط به کشاورزی روی ماه و مریخ را برعهده دارد می‌گوید پرورش گیاهان در فضا، تا حد زیادی مشابه کشاورزی شهری است: کاری که به صورت معمول با ایجاد محیط‌های استریل در فضاهای سربسته و نورهای LED امکان‌پذیر می‌شود. او می‌گوید «چنین کاری را می‌توان در مریخ انجام داد. حتی اگر بخواهید در بیایان هم شدنی است، یا مثلا در یک شهر».

پرورش حیات در خاکی مرده

بزرگ‌ترین مانع در برابر پرورش گیاهان زراعی در مریخ، نبود چیزی ساده است: خاک حاصل‌خیز. خاک روی زمین پر شده از ارگانیسم‌های زنده و مواد معدنی خاص مانند فسفر و پتاسیم که گیاهان از آن‌ها تغذیه می‌کنند. مارس خاک ندارد. تمام آنچه در این سیاره می‌یابید، ماده‌ای مرده به نام رگولیث است که تمام سطح آن را پوشانده.

هنوز به صورت دقیق نمی‌دانیم که این رگولیث از چه موادی تشکیل شده و آیا امکانش وجود دارد که مواد تشکیل دهنده‌اش در مناطق مختلف فرق داشته باشد یا خیر. اما ایده‌ای کلی از آنچه درونش یافت می‌شود داریم و همین به ناسا اجازه داده که رگولیث را شبیه‌سازی کند. به عبارت دیگر، این سازمان فضایی به بازسازی خاک مریخ براساس دانشی که از سطح این سیاره به دست آورده‌ایم پرداخته است.

این یعنی اکنون قادر به آزمون و خطا با «خاک» مریخ، همین‌جا روی زمین هستیم. اگرچه این ماده شبیه‌سازی شده ارزان نیست، اما برای مقاصد تحقیقاتی در دسترس قرار گرفته و می‌توان به خریداری آن پرداخت. حدودا یک دهه پیش، ویملینگ به طرح این پرسش پرداخت که از این ماده شبیه‌سازی شده می‌توان برای پرورش گیاهان استفاده کرد و به بررسی ابعاد مختلف موضوع پرداخت. خودش می‌گوید «آنچه باعث غافلگیری‌ام شد این بود که هیچکس هیچوقت چنین کاری را امتحان نکرده بود».

بنابراین او به کاشت دانه در خاک‌های مریخ، ماه و زمین پرداخت تا روند پرورش آن‌ها را با یکدیگر مقایسه کند. در نخستین آزمون و خطایش، ویملینگ انتظار داشت که گیاهان با مشکلات فراوان در رگولیث مریخ مواجه شوند. او توضیح می‌دهد که: «این خاکی بسیار فقیر و عاری از مواد مغذی است». در رگولیث هیچ ماده ارگانیکی نمی‌یابید و فلزات سنگین موجود در آن هم می‌توانند از رویش گیاهان جلوگیری کنند. «انتظارات من بسیار پایین بود».

تیم او به کاشت ۴۲۰۰ دانه از ۱۴ گونه مختلف پرداخت و انتظار داشت اکثر آن‌ها نابود شوند. اما نتیجه کار بسیار متفاوت از آن‌چیزی بود که محققان پیش‌بینی‌اش می‌کردند. تقریبا تمام دانه‌ها پرورش یافتند - برخی از آن‌ها در برهه کوتاه ۲۴ ساعته. ویملینک با خنده می‌گوید که این موضوع خود به مشکلی دیگر تبدیل شد، زیرا تیم محققان به ناگاه باید به مزرعه‌ای حاوی بیش از ۴ هزار گیاه رسیدگی می‌کرد!

گیاهان نیازمند آب‌دهی دقیق بودند، زیرا رگولیث در واقع هیدروفوب است و یعنی رطوبت چندانی به خود جذب نمی‌کند. بنابراین کشاورزان مریخی نیازمند انبوهی از آب هستند تا گیاهان را سالم و در حال رشد باقی نگه دارند.

کودرسانی به خاک

یک موضوع کلیدی اینست که تا جایی که به گیاهان زراعی مربوط می‌شود، هیچ ماده ارگانیکی در خاک مریخ نمی‌یابید. مواد ارگانیک از آن لحاظ اهمیت دارند که بعد از پردازش توسط باکتری‌ها، به منبعی غنی از مواد مغذی تبدیل می‌شوند. این یعنی برای مناطقی که قرار است به کشاورزی در آن‌ها بپردازیم، نیازمند افزودن باکتری هم هستیم.

خوشبختانه به عنوان یک کلونی بزرگ از میکروب‌های ناطق، انسان‌ها میزبان انبوهی باکتری هستند. بنابراین گرچه با مفهومی ناخوشایند طرف هستیم، اما راهی برای به دست آوردن باکتری وجود دارد. بهینه‌ترین متد این خواهد بود که ادرار و مدفوع فضانوردان را در تمام جریان سفرشان به مریخ نگه داریم و آن‌ها را به رگولیث اضافه کنیم تا باکتری به دست آید. اگر فیلم سینمایی The Martian را دیده باشید، می‌دانید که مارک واتنی، فضانوردی که به تنهایی در مریخ گذران زندگی می‌کند با همین روش و با استفاده از مدفوع خودش و دیگر فضانوردان، به پرورش سیب‌زمینی در خاک مریخ می‌پردازد. اما برای اینکه بتوان تمام خدمه را سالم نگه داشت، باید گام‌های خاصی برای از بین بردن هرگونه پاتوژنی که از طریق مدفوع انسان منتقل می‌شود برداشت.

با استفاده از کرم‌ها می‌توان به پروسه هضم مواد ارگانیک و بازیافت‌شان در قالب خاک کمک کرد. حتی در مریخ هم کرم‌های خاکی بهترین دوست باغبانان به حساب می‌آیند، چرا که به هضم مواد ارگانیک می‌پردازند و ضمن تولید کود، تونل‌هایی در خاک ایجاد می‌کنند که برای رسیدن هوا و آب به ریشه‌های گیاهان حیاتی هستند. ویملینک می‌گوید: «به نظرم کرم‌ها برای ایجاد یک سامانه خوب ضروری هستند». افزون بر این، تخم کرم‌ها را می‌توان برای مدت‌زمانی بسیار طولانی نگه داشت و بنابراین امکان انتقال آن‌ها به مریخ هم وجود دارد.

به محض اینکه رگولیث مریخی شما با مواد مغذی، مواد ارگانیک، باکتری و کرم‌ها غنی شد، می‌توانید به کاشت دانه‌ها بپردازید. دانه‌ها را می‌توان از زمین به مریخ منتقل کرد و به خاطر وزن و ابعاد بسیار کوچک‌شان، هیچ چالشی از این نظر وجود نخواهد داشت.

مسافران آتی مریخ می‌توانند رژیمی بسیار متنوع‌تر از آنچه ممکن است تصور کنید داشته باشند. ویملینک می‌گویند همه‌جور گیاه خوراکی را می‌توان در رگولیث شبیه‌سازی شده مریخ پرورش داد. بنابراین اگرچه سیستم‌های آبکشتی که در جاهایی مانند ایستگاه فضایی بین‌المللی استفاده می‌شوند -و گیاهان نه در خاک و بلکه درون محلول‌های مغذی رشد می‌یابند- برای پرورش گیاهان برگ‌دار بهتر هستند، اما عملا می‌توان هرچیزی را درون خاک پرورش داد. شبیه‌ساز رگولیث مریخ تا به امروز برای پرورش سیب‌زمینی، لوبیا سبز، گوجه فرنگی، هویج، شلغم، گندم، چاودار و غیره استفاده شده است.

خلاص شدن از آلودگی‌ها

یکی از نگرانی‌های اصلی راجع به امنیت استفاده از خاک مریخ، به وجود فلزات سنگین خطرناک در آن بازمی‌گردد. ویملینک می‌گوید: «در این خاک نه‌تنها زینک می‌یابید که به مقادیر بسیار ناچیزی از آن نیاز داریم، بلکه کادمیوم، سرب و جیوه هم در آن یافت می‌شود - تمام چیزهایی که دلتان نمی‌خواهد داخل غذایتان باشد».

اما این لزوما مشکلی آنقدرها بزرگ نیست. او اشاره می‌کند که «شرایط آنقدرها با زمین متفاوت نیست» و فلزات سنگین را می‌توان در خاک زمینی ما نیز یافت. چالش اینست که آیا این فلزات سنگین آنقدر به وفور در خاک یافت می‌شوند که امکان جدا کردن‌شان از خاک وجود ندارد و به شکلی اجتناب‌ناپذیر جذب گیاهان می‌شوند یا خیر.

خبر خوب اینست که بعد از آنالیز گیاهان پرورش داده شده در خاک شبیه‌سازی شده، مشخص شد که امکان خوردن آن‌ها وجود دارد. مقادیر فلزات سنگین موجود در تمام مواد غذایی در سطوح پایین‌تر از مقادیر خطرناک بود و حتی در مواردی، آلودگی‌های موجود در گیاهان پرورش‌یافته در خاک عادی زمین بیشتر از آلودگی موجود در گیاهان پرورش‌یافته در رگولیث بوده است: احتمالا به خاطر اینکه در زمین، آلودگی‌هایی مانند دود خودروها در نهایت سر از خاک در می‌آورند.

بعد به این نگرانی می‌رسیم که خاک ماه و مریخ چقدر اسیدی است و چقدر دسترسی گیاهان به یک مولکول حیاتی دیگر، یعنی فسفات را محدود می‌کند. اکنون محققان در حال بررسی ابعاد این موضوع هستند که آیا با افزودن انوع خاصی از قارچ‌ها به رگولیث می‌توان بر این مشکل نیز فائق آمد یا خیر.

ویملینک می‌گوید: «ما می‌توانیم قارچ‌هایی را با خودمان به مریخ ببریم که درون سنگ‌ها رشد و فسفات آزاد می‌کنند. این قارچ‌ها می‌توانند با ریشه‌های گیاهان به هم‌زیستی برسند».

مشکل پرکلرات

احتمالا بزرگ‌ترین مانع در برابر پرورش امن غذا در مریخ، مربوط به مشکلات پرکلرات باشد: ماده شیمیایی خطرناکی که درون رگولیث یافت می‌شود و هم برای انسان‌ها و هم برای گیاهان سمی است. پرکلرات آنقدر خطرناک است که به دلایل سلامتی، حتی درون نمونه‌های شبیه‌سازی شده از خاک مریخ هم قرار نگرفته است.

تحقیقات اخیر نشان داده‌اند که وجود پرکلرات در رگولیث احتمالا مشکلی بزرگ‌تر از آن چیزی باشد که پیشتر تصورش را می‌کردیم. وقتی محققان به سراغ شبیه‌ساز رگولیث رفتند و مقادیر مشابهی از کلسیم پرکلرات یافته شده در مریخ را به آن افزودند، حتی با تزریق مواد مغذی اضافه هم گیاهان قادر به رشد نبودند.

البته این بدان معنا نیست که باید از رویای پروش مواد خوراکی در مریخ دست بکشیم. اندرو پالمر از انستیوی تکنولوژی فلوریدا می‌گوید اگرچه وجود پرکلرات در مریخ به چالشی برای تولید غذا تبدیل خواهد شد، اما «منجر به از دست رفتن تمام امیدها نمی‌شوند». احتمالا بتوانیم ریزارگانیسم‌ها یا گیاهان خاصی را وارد اکوسیستم کنیم که از طریق پروسه‌ای به نام «زیست پالایی»، قادر به پاک کردن مواد سمی از رگولیث هستند. «چنین موادی به وفور در اکوسیستم ما روی زمین هم استفاده می‌شوند. بنابراین دلیلی وجود ندارد که پتانسیل آن‌ها برای کمک به اکوسیستمی که برای کلونیست‌های مریخی می‌سازیم را نادیده بگیریم».

یک محقق دیگر که به پژوهش روی زیست‌پذیری رگولیث و امکان پرورش گیاهان زراعی در آن می‌پردازد، لارا فاکرل از دانشگاه جرجیا است. او می‌گوید پرکلرات چالشی بزرگ است، اما این‌طور نیست که نتوانیم آن را برطرف کنیم. او عقیده دارد که با استفاده از باکتری‌ها می‌توان رگولیث را از پرکلرات پاک کرد، چرا که چندین گونه باکتری داریم که قادر به مصرف پرکلرات هستند و از برخی از آن‌ها برای پاکسازی آب‌های آلوده روی زمین استفاده می‌شود.

اما در این حوزه هم چالش‌هایی وجود دارد. واکنش باکتری‌ها به پرکلرات منجر به آزادسازی اکسیژن و کلر می‌شود - و گرچه کلر غیر سمی است و می‌تواند به رشد گیاهان کمک کند، اما مقادیر زیاد آن می‌تواند به گیاهان آسیب رسانده یا آن‌ها را نابود کند. بنابراین برای بررسی اثرات این باکتری‌ها بر حیات گیاهی در مریخ نیازمند پژوهش‌های هرچه بیشتر هستیم. فاکرل می‌گوید: «به داده کافی دسترسی نداریم که بگوییم این پروسه باعث آسیب رسیدن به گیاهان می‌شود، اما به احتمال زیاد چنین اتفاقی خواهد افتاد».

یک راه حل بالقوه دیگر اینست که به معنای واقعی کلمه، رگولیث را از پرکلرات شستشو دهیم. پرکلرات یک جور نمک است و در آب حل می‌شود، بنابراین با آبشویی رگولیت می‌توان پرکلرات را از آن حذف کرد. فاکرل هشدار می‌دهد که «البته با این کار ممکن است دیگر مواد مغذی مانند نیترات را هم از خاک حذف کنیم». و نیازی به اشاره نیست که با مقادیر محدود آب در مریخ، چنین کاری به معنای اسراف ماده‌ای بسیار ارزشمند خواهد بود.

البته وجود پرکلرات در خاک مریخ خبری کاملا بد به حساب نمی‌آید. فاکرل اشاره می‌کند که در صورت مصرف شدن پرکلرات توسط باکتری‌ها با هدف تمیز کردن خاک، محصولاتی کارآمد مانند اکسیژن به دست می‌آیند که می‌توانند به ساخت سیستم پایدار مورد نیاز فضانوردان کمک کنند. «پرکلرات چالشی واقعی را پیش روی ما می‌گذارد. اما در عین حال فرصتی برای به دست آوردن منابعی مانند اکسیژن است».

راه‌اندازی یک سیستم

محققان اکنون به راه حل‌های کوتاه‌مدت فکر نمی‌کنند و می‌خواهند کشاورزی در مریخ شکلی طولانی‌مدت به خود بگیرد. هدف صرفا پرورش مقادیر محدودی از گیاهان زراعی نیست و می‌خواهیم سیستمی پایدار بسازیم.

نخستین برداشت، سخت‌ترین بخش کار خواهد بود. به محض اینکه برداشت نخست انجام شود و باکتری‌ها شکلی باثبات به خود بگیرند، هرگونه مواد باقی مانده از گیاهان کاشت و برداشت شده قبلی را می‌توان مجددا به خاک افزود که هم باعث فزونی مواد مغذی می‌شود و هم به بقای آب در خاک کمک می‌کند. بنابراین به مرور زمان، خاک شکلی حاصلخیزتر به خود می‌گیرد و بهتر از گیاهان مراقبت می‌کند.

این بدان معناست که دلایل زیادی وجود دارد برای اینکه انسان‌ها به محض رسیدن به مریخ، شروع به پرورش گیاهان کنند. ویملینک می‌گوید: «به نظرم از نخستین باری که به مریخ می‌رویم باید شروع به پرورش غذای خودمان کنیم. در غیر این صورت، احتمالا چنین کاری اصلا امکان‌ناپذیر نباشد». نخستین مسافران مریخ مقداری غذا نیز با خود به سیاره سرخ می‌برند و بنابراین در صورتی که پرورش گیاهان با مشکل روبه‌رو شود، حیات‌شان به خطر نخواهد افتاد. اما پروسه ساخت خاک حاصلخیز در هر صورت باید آغاز شود.

از سوی دیگر، مادامی که به هوا، نور و گرما دسترسی باشد، می‌توان خاک را میان ماموریت‌های مختلف قابل بهره‌برداری باقی نگه داشت. برای مثال می‌توان گیاهان زراعی خاص مانند کاهوهای غیر خوراکی را برداشت کرد و درون خاک قرار داد تا زمانی که کسی قادر به رسیدگی خاک نیست، حاصلخیزی از دست نرود. ویملینک می‌گوید که کشاورزان کشور مادری‌اش، هلند، دقیقا از همین قاعده ساده برای بهبود وضعیت خاک در فصل زمستان پیروی می‌کنند.

یک ملاحظه دیگر اینست که چطور باید به گرده‌افشانی پرداخت، هم برای اینکه خاک به شکلی سخاوتمندانه‌تر عمل کند و هم دانه لازم برای گیاهان آتی به دست آید. بسیاری از گونه‌های گیاهی از باد برای حمل گردهای خود به اطراف استفاده می‌کنند. اما این یعنی که باید در زیستگاه مریخی جریان هوا به وجود آورد که کاری آسان نیست. اما یک راه دیگر هم وجود دارد: استفاده از زنبورها.

زنبورها گرده‌افشانانی بی‌نظیر هستند و می‌توان آن‌ها را از زمین به زیستگاه مریخی برد. ملکه‌های زنبور عسل می‌توانند در طول سفر به مریخ به خواب زمستانی برده شوند و سپس برای کمک به روند گرده‌افشانی، بیدار و رها شوند. مگس‌ها هم گزینه‌ای دیگر هستند و مزایای دیگر با خود به همراه می‌آورند. لاروهای مگس می‌تواند خوراکی باشد و گرچه احتمالا بسیاری از افراد به خوردن آن‌ها تن ندهند، اما لاروها منبعی مهم از پروتئین برای رژیمی که عمدتا از سبزیجات تشکیل شده به حساب می‌آیند.

هرآنچه لازم داریم

علی‌رغم پیچیدگی‌های گسترده پرورش غذا در مریخ، چنین کاری در تئوری امکان‌پذیر است. باید به جزییات بسیار زیادی رسیدگی کرد، اما در صورتی که فضانوردان مواد درست را با خود به سیاره سرخ ببرند، می‌توان به شکلی قاعده‌مند به پرورش گیاهان زراعی پرداخت.

یکی از محدودیت‌هایی که ویملینک به آن اشاره می‌کند اینست که تمام پژوهش‌های کنونی با استفاده از خاک شبیه‌سازی شده مریخ صورت گرفته‌اند و بنابراین نتایج ممکن است در قیاس با رگولیث مریخ آنقدرها دقیق نباشد. مشکل پرکلرات و تاثیرش بر گیاهان و انسان‌ها همچنان به صورت کامل حل نشده و ماموریت‌های آتی مانند ماموریت «بازگردانی نمونه مریخی» به ما کمک خواهند کرد که تصویری دقیق‌تر از وضعیت محیط زیست مریخ برای خودمان ترسیم کنیم.

هیچ‌کدام از این کارها آسان نخواهند بود، اما در عوض فضانوردان می‌توانند یک روز از گیاهان تازه و پرورش‌یافته در مریخ به عنوان بخشی از رژیم روزانه خود تغذیه کنند. ویملینک در نهایت می‌گوید که: «کارهای زیادی باید انجام داد تا این پروسه آغاز شود. اما ما می‌دانیم که باید چه کنیم».