كيف يمكن للأشنة المزروعة في المختبر أن تساعدنا في بناء مساكن على المريخ

عندما أقوم عادة بفحص الأشنات، أكون في الغابة، وأنظر إلى النموات المكشكشة على أغصان الأشجار باستخدام عدسة يدي. أو على الصخور المكشوفة في أعالي جبال الألب، أو شواهد القبور القديمة، أو شاطئ البحر الصخري، في المنطقة التي تتوقف فيها الأعشاب البحرية عن النمو ولكن قبل أن تتولى النباتات الأرضية الأكبر حجمًا. لقد كنت أبحث في الكثير من الأشنات أثناء البحث عن كتاب عن التكافل، ولكن لم أرها من قبل في قارورة مختبرية تدور في حاضنة. وبينما أفكر كثيرًا فيما تخبرنا به الأشنات عن الماضي، لم أفكر حتى وقت قريب فيما تخبرنا به عن المستقبل.

إن السائل الأخضر المعكر الذي أنظر إليه في الحاضنة ليس على الإطلاق ما نعتقده كأشنة، وهي شراكة تكافلية بين الفطر والطحالب. يقول رودريجو ليديسما أمارو، مدير مركز بيزوس للبروتين المستدام هنا في إمبريال كوليدج لندن: “هذا لأن هذا نبات حزاز اصطناعي”. السائل عبارة عن مزرعة مشتركة لنوعين، الفطريات (الخميرة) والبكتيريا الزرقاء. مثل الأشنة الطبيعية، يوفر الفطر سقالة، وهو هيكل مضيف للبكتيريا، وتصنع البكتيريا السكريات من خلال عملية التمثيل الضوئي باستخدام الضوء والماء وثاني أكسيد الكربون، وتغذيها للفطر.

لماذا بحق السماء تريد أن تصنع مثل هذه الجرعة؟ لأنه، كما أخبرني ليديسما أمارو، يمكننا تعديل جينات الخميرة لجعلها تنتج جميع أنواع المنتجات المفيدة – الغذاء والوقود والمواد الكيميائية والمواد والأدوية – وإذا تمكنا من دفع هذا الإنتاج من خلال عملية التمثيل الضوئي، فيمكننا صنع هذه الأشياء بشكل مستدام. ولهذا السبب، تثير الأشنات الاصطناعية الإثارة ليس فقط في صناعة التكنولوجيا الحيوية، بل أيضًا خارجها. اتضح أنه يمكن تسخير الأشنات لإصلاح المباني، ومكافحة أزمة المناخ، وحتى بناء مساكن على المريخ.

يقول ليديسما أمارو: “إن الأشنات الاصطناعية تعيد خلق التعايش بين الأشنات الطبيعية، ولكنها تنمو بشكل أسرع بكثير، واستخدام الخميرة كشريك يسمح لنا بإنتاج مجموعة كاملة من المركبات عالية القيمة بشكل مستدام”. الخميرة هي كائن صناعي معروف و”قابل للبرمجة” ويمكن زراعته بسهولة على نطاق واسع. في الأشنة الاصطناعية التي أرى، يستخدم ليديسما أمارو وفريقه الخميرة المُهندسة وراثيًا لتصنيع الكاريوفيلين، وهو مركب له تطبيقات في الصناعات الدوائية ومستحضرات التجميل والوقود. ويتوقع في المستقبل القريب ظهور مجموعة من المنتجات المفيدة: المضادات الحيوية، والوقود الحيوي، وزيت النخيل الاصطناعي. قد يتم تصميم شكل آخر من أشكال الأشنة الاصطناعية لالتقاط وتخزين ثاني أكسيد الكربون. يرى علماء آخرون أنه يتم نشر الأشنات لإصلاح الهياكل الخرسانية القديمة حول العالم. إن الطموحات المتعلقة بالأشنات كبيرة، حتى أنها تصل إلى ما هو أبعد من كوكبنا. على القمر والمريخ، تخطط وكالة ناسا وشركات الفضاء الخاصة لاستخدام الأشنة الفضائية الاصطناعية – المعروفة بأنها مادة حية هندسية – للنمو على الثرى وصنع المواد اللازمة لبناء المباني والأثاث.

العيش معًا

الأشنات، متواضعة المظهر وبطيئة النمو، هي الدليل النموذجي للتكافل، وهو ما يعني “العيش معًا” ويشير إلى التعايش بين نوعين مختلفين. في حالة الأشنة، فإن التفسير الكتابي هو أن شريكًا فطريًا يستضيف فردًا من نوع آخر، يُعرف باسم photobiont. عادةً ما تكون هذه الطحالب طحالبًا، ولكنها في بعض الأحيان بكتيرية، وتصنع الطعام من خلال عملية التمثيل الضوئي وتشاركه مع مضيفها. يوفر الشريك الفطري، من بين أمور أخرى، حماية رائعة من العناصر، بحيث يمكن للأشنة البقاء على قيد الحياة في الظروف القاسية حيث لا يمكن لأي شيء آخر أن يكسب لقمة عيشه. وهذا هو السبب وراء قيام بعض العلماء بإعادة استخدام الأشنات وصنع نسخ اصطناعية خاصة بهم.

الأشنات لها صفتان لصالحها. أولاً، باعتباره كائنًا تكافليًا، فإن الكل أكبر من مجموع أجزائه. وبعبارة أخرى، يمكن لكل حزاز أن يفعل أشياء لا يستطيع الفطر وحده أو الفوتوبيونيت القيام بها بمفرده. من بعيد، قد تكون الأشنات متواضعة المظهر، ولكن عن قرب، فهي كائنات معقدة ومترفّة وجذابة. تعتبر الأشنات الطبيعية أيضًا أكثر بكثير من مجرد شراكة بين نوعين من الفطريات والطحالب. في كثير من الأحيان، يوجد هذين الكائنين، بالإضافة إلى فطر ثانوي على شكل خميرة وأنواع بكتيرية إضافية، مما يجعل مجتمعًا مكونًا من أربعة. لكن حتى هذا يعتبر أقل من الواقع. يقول أرجون كاكار، عالم الأحياء الذي يصنع الأشنات الاصطناعية في جامعة ولاية كولورادو: “في الطبيعة، ما نسميه “الأشنة” بالعامية هو في الواقع مجتمع يضم العديد – عشرات إلى مئات – من الميكروبات المختلفة”. “إن اثنين من الأشنات التي تبدو متطابقة ومجاورة لبعضها البعض يمكن أن تحتوي على أعضاء مختلفة إلى حد كبير.” وقد وجدت تحليلات مختلفة لأنسجة الأشنة الطازجة أنها تحتوي على ما بين مليون و100 مليون بكتيريا لكل جرام.

الشيء الثاني الذي تفعله الأشنات بالنسبة لهم هو أنها قوية. يمكنهم العيش والقيام بعملية التمثيل الضوئي في أقسى الظروف. يوجد في سفالبارد، بعيدًا داخل الدائرة القطبية الشمالية، حوالي 700 نوع من الأشنة. إنهم يتعاملون مع درجات الحرارة المنخفضة والجفاف والأشعة فوق البنفسجية العالية. وعلى شاطئ البحر، تتحمل هذه النباتات الغمر المتكرر في المياه المالحة، وهي تجربة لا تستطيع معظم النباتات البرية الأخرى التعامل معها. تنمو بعض الأنواع داخل الصخور (الأشنة “المتجانسة” والتي تعني حرفيًا “داخل الصخر”). إنه سؤال مفتوح حول ما هو الجانب البيولوجي الذي يسمح لهم بالتعامل مع الجفاف ودرجات الحرارة القصوى.

في كولورادو، يقترح كاكار أن مرونة الأشنات تأتي من الجزيئات الحيوية التي ينتجها الفطر الخيطي، والتي تحمي المجتمع بأكمله في الأشنة. ويقول: “إن الجزيئات الفريدة التي يمكنها صنعها ترجع على الأرجح إلى قدرة الأشنات على الاستفادة من الكيمياء الحيوية البكتيرية والفطرية من خلال توزيع المهام عبر المجتمع”. على سبيل المثال، يمكن للمكونات الموجودة في الخلايا الضوئية أن تصنع أصباغًا مختلفة باستخدام الكلوروفيل، ويمكن للفطر أن يصنع واقيًا من الشمس عن طريق تصنيع مركبات مثل الكاروتينات (الأصباغ الموجودة في الجزر والطماطم الناضجة وأوراق الخريف) والميلانين (التي تلون بشرتنا). معًا، يتمتع مجتمع الأشنة التكافلية بإمكانية الوصول إلى مجموعة أكبر من المركبات مما يمكن لكائن حي واحد أن يأمل في إنتاجه، وهذا يطلق العنان للقوة العظمى للأشنة. ومن الناحية الجسدية أيضًا، يساعد المكون الفطري في حماية المجتمع من التقلبات في درجات الحرارة والرطوبة. ثم هناك نموها البطيء، مما يسمح لها بالعيش بأقل قدر من الموارد.

الأشنات في الفضاء

وكانت هذه السمات كافية لإثارة حماس ناسا. يمكن للأشنات أن تنجو من التعرض لظروف الفضاء المحاكاة والحقيقية. ابتداءً من عام 2014، ظهر نوع من الأشنة يسمى سيرسيناريا الجيروسا عاش – أو على الأقل لم يمت – على رف على السطح الخارجي لمحطة الفضاء الدولية لمدة 18 شهرًا. وعندما تم إعادته إلى الداخل وإعطائه الماء، بدأ في النمو. حقيقة أن الأشنات يمكن أن تنمو داخل الصخور وتتحمل ظروف الفضاء تثير أنصار lithopanspermia، وهي فكرة أن الميكروبات يمكن أن تنتقل بين الكواكب في الكويكبات.

بدأ كونغروي جين، وهو مهندس متخصص في المواد الحية في جامعة تكساس إيه آند إم، بالتفكير في إمكانات الأشنات لمشروع ناسا ذو التفكير المستقبلي الذي يهدف إلى إيجاد طرق فعالة لبناء أماكن للعيش والعمل على المريخ – عندما نصل إلى هناك في النهاية. تعتمد بعض المقترحات الخاصة بالمساكن خارج الكوكب على هياكل قابلة للنفخ، والفكرة هي أن هناك حاجة إلى مواد أقل لصنع مساكن مملوءة بالهواء. لكن كل قطعة من المواد الجاهزة التي يتم نقلها إلى هناك بالصواريخ لا تزال باهظة الثمن. البديل الأرخص لرفع مثل هذه العناصر من الأرض هو إيجاد طريقة لإنتاج مواد البناء من الثرى الموجود بالفعل على الكوكب. بالنسبة لجين، الأشنات هي الحل الأمثل. لكن الأنواع التي تحدث بشكل طبيعي قد لا تعمل بالضرورة.

وتقول: “نريد إقران الفطريات ببعض الأنواع التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي مثل البكتيريا الزرقاء. يمكنها تحويل ضوء الشمس والماء إلى مغذيات عضوية وترسيب كربونات الكالسيوم”. “إنه بمثابة غراء لربط جزيئات التربة على المريخ في بنية متماسكة.” ويمكن بعد ذلك استخدام هذه المادة الحيوية في طابعة ثلاثية الأبعاد لإنتاج مواد البناء – الأرضيات، والفواصل، والجدران، والأثاث، وما إلى ذلك. إن الجزء الأكبر مما تحتاجه، سواء كان ضوء الشمس أو ثاني أكسيد الكربون أو الماء أو العناصر الغذائية أو الإمدادات الهائلة من الصخور البازلتية، موجود بالفعل على المريخ.

وقد أظهر عمل جين مؤخرًا أن الأشنات مرشحة واعدة لتحويل ثرى المريخ إلى مواد بناء وإنتاج معادن حيوية وبوليمرات حيوية أخرى. الأشنات قوية، ويعتبرها بعض المستقبليين المتحمسين مرشحين جيدين للمساعدة في إعادة تأهيل الكوكب الأحمر. ولكن حتى لو لم تكن هناك تدابير حماية كوكبية يجب الالتزام بها، فلا يمكن أن تنمو الأشنات على سطح المريخ، معرضة للعوامل الجوية. لا يوجد لدى المريخ مجال مغناطيسي، وأي حياة على السطح تحتاج إلى الحماية من الإشعاع القاسي. لذا، تتصور جين أن الأشنات المريخية الخاصة بها تنمو في الملاجئ.

مستقبل البناء

ومع ذلك، فإن استعمار الكواكب الأخرى أمر بعيد المنال، وأدركت جين أن الأشنات الخاصة بها لها دور أكثر إلحاحًا على الأرض. هناك العديد من المناسبات التي يكون من المفيد فيها ربط الأنقاض معًا وصنع مواد بناء قابلة للاستخدام. فكر في المباني المدمرة التي خلفتها الكوارث الطبيعية والكوارث التي من صنع الإنسان. بالإضافة إلى ذلك، فإن إيجاد طريقة لعزل الكربون أثناء عملية صنع الخرسانة من شأنه أن يساعد في تخفيف بصمتها الكربونية الضخمة. وماذا لو تمكنا من إنتاج خرسانة ذاتية الشفاء؟ ستكون المباني والهياكل أرخص في الصيانة وسيكون لها عمر أطول أيضًا. وقد تعثرت المحاولات السابقة لاستخدام الميكروبات لأداء هذه الوظائف لأن الخرسانة مكان غير مضياف للعيش فيه. ولكن إذا كانت الأشنات قادرة على التعامل مع الفضاء، فمن المؤكد أنها تستطيع التعامل مع الخرسانة.

أظهرت جين وزملاؤها أن النهج القائم على الأشنة، والذي يجمع بين الفطريات والبكتيريا الزرقاء، يؤدي إلى إنشاء ثقافة مشتركة يمكن أن تنمو على الخرسانة. ليس هذا فحسب، بل إن الأشنة الاصطناعية الخاصة بها تعمل على ترسيب كربونات الكالسيوم – المعدن الذي يشكل الطباشير والحجر الجيري والرخام – مما يعالج الشقوق في الهيكل. “لقد جربنا الفطريات الخيطية والبكتيريا الزرقاء ووجدنا أن لديهم قدرة أفضل على البقاء [than other microbes] “تقول: “في ظل الظروف الجافة والفقيرة بالمغذيات في الخرسانة”. “إنهم ينسجمون مع بعضهم البعض وتكون العملية مستقلة، ولديهم أيضًا [a] قدرة جيدة جدًا على ترسيب كربونات الكالسيوم.” وعلى عكس نهج النوع الواحد، فإن الاستزراع المشترك لا يتطلب إضافة مواد مغذية خارجية، لأن الأشنة الاصطناعية تستخرج النيتروجين من الهواء وتصنع الأسمدة الخاصة بها.

ويحاول كاكار أيضًا إنتاج الأشنة سريعة النمو عن طريق اختيار الميكروبات التي تنمو بسرعة بالفعل، قبل تعديلها وإقرانها لتصبح شبيهة بالأشنة. لقد صنع مختبره، الذي يشبه عمل جين، حزازًا اصطناعيًا يتم فيه تمعدن المكون الفطري. ويقول: “تتغذى الفطريات الخيطية عن طريق البكتيريا الزرقاء الموجودة فيها، وتنمو أفطورة تحتوي على هيكل خارجي حجري”. “وفي المستقبل، سيمكن هذا من التصنيع الحيوي المستدام لمواد البناء.” وهو يطلق على المنتج الهندسي اسم mycomaterials.

لقد أدت أبحاثي حول التعايش إلى تعميق تقديري للأشنات باعتبارها أنظمة بيئية صغيرة ديناميكية، ودرسًا حيًا في واقع الاعتماد المتبادل، كما هو الحال بالنسبة لفهم إمكانات الخيال العلمي الخاصة بها في صياغة مواد الغد. لذا، في المرة القادمة التي ترى فيها تلك الزوائد المزخرفة على شجرة، أو شاهد قبر، أو مقعد قديم، ربما توقف للحظة – وفكر في أعجوبة تشكيل المستقبل التي تراها.