آیا چوب تولیدشده در آزمایشگاه، جای چوب حاصل از درختان را خواهد گرفت؟ – دیجیتال مارک

در سال‌های متمادی، نحوه‌ی انسان‌ها در پرورش و استخراج مواد از جنگل‌ها و مزارع اساسا بدون تغییر مانده است. برای مثال، برای به‌دست‌آوردن الوار درختی می‌کاریم و اجازه می‌دهیم رشد کند و سپس آن را قطع می‌کنیم. چوب و دیگر مواد گیاهی ممکن است منابع تجدیدپذیری باشند؛ اما به‌دست‌آوردن اشکال کاربردی از آن‌ها معمولا به حمل‌و‌نقل و برش و فراوری نیاز دارد. گروهی از پژوهشگران مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT) امیدوار هستند این ناکارآمدی‌ها را تا حد زیادی اصلاح کنند.

به‌گزارش وایرد، پژوهشگران MIT بافت گیاهی چوب‌مانندی در آزمایشگاه پرورش دادند که اگر تولید آن افزایش مقیاس پیدا کند، شاید روزی به ساخت چوب و فیبر و دیگر مواد زیستی پرورش‌یافته در آزمایشگاه منجر شود که به کاهش آثار زیست‌محیطی ناشی از جنگلداری و کشاورزی کمک خواهد کرد. نتایج مطالعه‌ی پژوهشگران در مجله‌ی Journal of Cleaner Production منتشر شده است. اشلی بک‌ویت، نویسنده‌ی اصلی مطالعه می‌گوید:

امیدواریم این روش بتواند به فرایند توسعه‌یافته‌ای برای تولید مواد گیاهی تبدیل و از فشارهای وارده بر زمین‌های کشاورزی کاسته شود و با کاهش فشارها، فضای بیشتری برای حیات‌وحش و جنگل‌ها باقی بماند.

بک‌ویت در پژوهش‌های گذشته‌اش، استفاده از میکروسیالات چاپ سه‌بعدی‌شده را برای کاربردهای زیست‌پزشکی مانند تجزیه‌و‌تحلیل قطعات تومور بررسی کرده است؛ اما پس از اینکه زمانی را صرف مطالعه درباره‌ی مزارع ارگانیک کرد، به استفاده‌ی کارآمدتر از منابع کشاورزی و طبیعی علاقه‌مند شد.

مواد گیاهی که در آزمایشگاه پرورش داده می‌شوند، برای کشت به اقلیم یا آفت‌کش‌ها یا زمین‌های زراعی وابسته نیستند. علاوه‌بر‌این، در این روش فقط بخش‌های مفید گیاهان تولید و این امر موجب حذف اجزایی مانند پوست و برگ و دیگر موادی می‌شود که دور ریخته خواهد شد. لوییس فرناندو ولاسکوئز گارسیا، یکی از نویسندگان مطالعه می‌گوید: «ایده‌ی کامل‌تر درباره‌ی تولید کالاها در مکان و زمانی است که مورد‌نیاز هستند. درحال‌حاضر، معمولا کالاها را در مکان‌های معدودی تولید و سپس آن‌ها را توزیع می‌کنیم.»

پرورش بافت‌های گیاهی در آزمایشگاه با سلول‌ها آغاز می‌شود، نه بذر. پژوهشگران سلول‌های زنده را از برگ‌های گیاه آهار (Zinnia elegans) استخراج کردند. علت انتخاب این گیاه رشد سریع آن بود. گیاه مذکور ازنظر تمایز سلولی یعنی فرایندی که در آن سلول‌ها از نوعی به نوع دیگر تغییر پیدا می‌کنند، به‌خوبی مطالعه شده است. ابتدا سلول‌ها در محیط کشت مایعی قرار می‌گیرند تا تکثیر شوند و سپس به ژلی منتقل می‌شوند تا بیشتر رشد کنند. بک‌ویت معتقد است: «سلول‌ها درون این داربست ژلی معلق هستند و با گذشت زمان رشد می‌کنند تا حجم داربست را پر کنند و به انواع سلول‌های مدنظرمان تبدیل شوند.» داربست حاوی موادمغذی و هورمون‌های موردنیاز برای حفظ رشد سلول است؛ یعنی مواد مبتنی‌بر گیاه منفعلانه رشد می‌کنند و به نور خورشید یا خاک نیازی نیست.

ترکیب سلول‌های گیاهی و ژل بدون انجام برخی تغییرات به ماده‌ی چندان مفیدی تبدیل نخواهد شد، بنابراین، پژوهشگران آزمایش کردند که چگونه دست‌کاری عواملی مانند غلظت‌های هورمون محیط ژل و pH و تراکم اولیه‌ی سلول روی رشد اثر می‌گذارد و می‌تواند ویژگی‌های بافت‌های گیاهی حاصل را مشخص کند. ولاسکوئز گارسیا می‌گوید: «اگر سرنخ مناسب را به سلول‌های گیاهی بدهید، آن‌ها می‌توانند به سلول‌های مختلف تبدیل شوند. می‌توانید سلول‌ها را ترغیب کنید تا کار دلخواهتان را انجام دهند و سپس ویژگی‌های مدنظرتان را به شما خواهند داد.»

پژوهشگران برای دستیابی به مواد شبیه چوب مجبور شدند سلول‌های گیاهی را تحریک کنند تا به سلول‌های نوع آوندی تبدیل شوند که آب و موادمعدنی را حمل می‌کنند و بافت چوبی را تشکیل می‌دهند. با تکامل سلول‌ها، آن‌ها دیواره‌ی سلولی ثانویه‌ی ضخیمی تشکیل می‌دهند که با لیگنین تقویت و سخت‌تر می‌شود. لیگنین پلیمری است که موجب استحکام می‌شود.

پژوهشگران با استفاده از میکروسکوپ فلوئورسانس برای تجزیه‌و‌تحلیل بافت‌ها توانستند مشاهده کنند که کدام سلول‌ها به چوب تبدیل می‌شوند. همچنین، آن‌ها بزرگی و طول آن‌ها را ارزیابی کردند. وقتی زمان چاپ فرا‌رسید، گرم‌کردن و سپس چاپ سه‌بُعدی ژل باعث شد تا ماده‌ی حاصل پس از سرد و جامد شدن تقریبا به هر شکلی درآید. بافت سبز تیره‌ای که پژوهشگران تولید کردند، بسیار محکم است، اما ازنظر ساختاری، برای بیشتر اهداف ساختمانی به‌قدر کافی قوی نیست. بک‌ویت می‌گوید درحال‌حاضر، ساختارهای نازک و مستطیلی چاپ‌شده فقط چند سانتی‌متر طول دارند و درحال‌حاضر، روی آن‌ها آزمایش‌های مکانیکی و مشخصه‌یابی انجام می‌شود؛ اگرچه چاپ نسخه‌های بزرگ‌تر نیز ممکن است.

_{پروژه‌ی گیاه آهار اثبات مفهومی برای نشان‌دادن تکنیک‌های پرورش بود. در مرحله‌ی بعد، پژوهشگران این فرایند را در گونه‌های گیاهی دیگری آزمایش می‌کنند که ممکن است مواد محکم‌تر با خصوصیات مفیدتری تولید کنند}

بک‌ویت می‌گوید در ابتدا این مواد می‌تواند از محصولات گیاهی معمول گران‌تر باشد؛ اما درنهایت حذف مراحل برداشت و فراوری و ساخت می‌تواند هزینه‌ها را کاهش دهد. پژوهشگران آینده‌ای را تجسم می‌کنند که بتوان اشیای موردنیاز مثلا مبلمان را کاملا چاپ کرد؛ ولی حتی تولید بلوک‌ها یا تیرهای آماده از مواد چوب‌مانند می‌تواند انرژی موردنیاز برای بریدن و تبدیل الوار به اشکال کاربردی را کاهش دهد. مصرف آب برای آماده‌کردن محیط ژل می‌تواند دقیقا کنترل شود و میزان رواناب را کاهش دهد. به‌گفته‌ی بک‌ویت، پرورش بافت‌های گیاهی در آزمایشگاه چند ماه طول می‌کشد؛ ولی این سرعت بسیار بیشتر از آن است که مثلا بیست سال منتظر بمانیم تا درختان صنوبر به‌حدی رشد کنند که به مقدار سودآوری از الوار دست پیدا کنیم.

ژوجون پن، استاد گروه مهندسی سیستم‌های زیستی در دانشگاه ویسکانسین‌، بیان می‌کند علاوه‌بر امکان وسوسه‌انگیز پرورش مبلمان کامل، مواد گیاهی می‌توانند به تولید مواد شیمیایی و سوخت کمک کنند. او می‌گوید: «لازم نیست قطعه‌ی چوب محکمی پرورش دهید. اگر بتوانید زیست‌توده‌ای تولید کنید، برای مثال به‌عنوان ماده‌ی خام آینده برای صنعت زیستی که قدرت رقابت و بازده‌ی فراوانی داشته باشد، می‌تواند جذاب باشد.»

جفری بورنشتاین، از نویسندگان مطالعه، می‌گوید پژوهش اولیه‌ی آن‌ها با مواد آلی چاپ‌شدنی ممکن است بینشی درباره‌ی تولید مواد و دستگاه‌های پیشرفته فراهم کند که در ساخت آن‌ها از سلول‌های زنده استفاده می‌شود و دربرابر دما می‌توانند واکنش نشان دهند یا قدرت ترمیم داشته باشند. در گیاهان، سلول‌های زنده می‌توانند محرک را احساس کنند و دربرابر تغییرات محیطی واکنش نشان دهند. اگر این قابلیت بتواند درون مواد گنجانده شود، تحول‌آفرین خواهد بود. بورنشتاین می‌گوید: «ماده‌ای که بتواند رشد کند یا دربرابر محیط پاسخ دهد یا خود را ترمیم کند، قدرت زیادی خواهد داشت.»

پژوهشگران می‌گویند چاپ زیستی سلول‌های گیاهی به‌طورگسترده بررسی نشده است و احتمالا کار درزمینه‌ی پرورش انتخابی بافت‌های گیاهی تنظیم‌پذیر در ساختارهای چاپ‌شده اولین‌بار است که انجام می‌شود. البته حتی سبزترین آرزوها نیز باید با نگاه انتقادی ارزیابی شوند.

اگرچه هر آنچه موجب حفظ درختان شوند، همچون پیروزی به‌نظر می‌رسد، پیش‌بینی پیامدهای آینده‌ی صنعت چوب پرورش‌یافته در آزمایشگاه دشوار است. برای مثال، گوشت کشت‌یافته در آزمایشگاه را در نظر بگیرید که می‌خواهد هزینه‌های زیست‌محیطی تولید گوشت، خصوصا گوشت گاو را کاهش دهد. گوشت کشت‌یافته در آزمایشگاه درمقایسه‌با مواد گیاهی پرورش‌داده‌شده در آزمایشگاه پیشرفت بسیار بیشتری کرده است؛ اما همچنان تأثیر چنین صنعتی روی کاهش انتشارات مبهم است. برای مثال، تعویض انتشارات متان ناشی از گاوها با انتشارات کربن‌دی‌اکسید حاصل از برق موردنیاز برای فعالیت تأسیسات موردنیاز برای کشت گوشت، داد‌و‌ستدی نامطمئن است. همچنین، هنوز مشخص نیست فرایند صنعتی تولید گوشت آزمایشگاهی درمقایسه‌با دامداری به چه میزان آب نیاز خواهد داشت.

افزایش مقیاس تولید مواد گیاهی پرورش داده‌شده در آزمایشگاه و استانداردسازی این فرایند‌ به درک عمیق‌تری از عوامل اثرگذار روی رشد سلول مانند سطوح هورمون‌ها و pH و نیروهای مکانیکی درون داربست ژل و سیگنال‌دهی بیوشیمیایی میان سلول‌ها نیاز دارد و باید مطالعات بسیاری انجام شود. ولاسکوئز گارسیا می‌گوید انتقال روش‌های استفاده‌شده برای رشد گیاه آهار به گونه‌های دیگر می‌تواند دشوار باشد و برای بررسی کامل این ایده ممکن است به افراد بیشتری با تخصص بسیار بیشتری نیاز باشد. بااین‌حال، او معتقد است ارائه‌ی راه‌حل‌های پایدارتر به ایده‌های جسورانه نیاز دارد و گاهی اوقات آنچه در آزمایشگاه تولید می‌شود، بر آنچه در طبیعت ساخته می‌شود، برتری پیدا می‌کند.