علم النبات الفلكي

حافة الامتصاص الحمراء للنباتات (VRE) هي مؤشر حيوي لأطوال موجات الأشعة تحت الحمراء القريبة، ويمكن رصدها من خلال المراقبة التلسكوبية للأرض، وقد ازدادت قوتها مع تطور الحياة النباتية وازدياد تعقيدها. ^{[ 10 ]} على الأرض، تم رصد هذه الظاهرة من خلال تحليل ضوء القمر، الذي يُظهر طيف انعكاس يبلغ ذروته عند 700  نانومتر. ^{[ 10 ]} في مقال نُشر في مجلة Nature عام 1990، وصف ساغان وزملاؤه رصد غاليليو للأشعة تحت الحمراء المنبعثة من الأرض بأنه دليل على "نشاط بيولوجي واسع النطاق" ^{[ 11 ]} على الأرض، مع كون عملية التمثيل الضوئي عاملاً قوياً بشكل خاص.

تم تقييم ازدياد قوة البصمة الحيوية للإشعاع الأرضي المبكر من خلال نمذجة الإشعاع الأرضي المبكر. ^{[ 10 ]} تُنتج الطحالب والسرخسيات ، التي كانت سائدة على الأرض في العصرين الأوردوفيسي والكربوني ، ذروات إشعاع تحت أحمر قابلة للكشف أضعف عند 700 نانومتر مقارنةً بالنباتات الأرضية الحديثة. ^{[ 10 ]} ولذلك ، افترض علماء النباتات الفلكية المتخصصون في النباتات خارج الأرض أنه باستخدام هذه النماذج نفسها، يمكن قياس ما إذا كانت الكواكب الخارجية في مناطقها الصالحة للسكن تحتوي حاليًا على نباتات، ومن خلال مقارنة البصمات الحيوية للإشعاع الأرضي المبكر مع نماذج الإشعاع الأرضي التاريخي، يمكن تقدير مدى تعقيد هذه النباتات. ^{[ 12 ]} 

هناك عدد من العقبات التي تحول دون اكتشاف العناصر الأرضية النادرة خارج المجموعة الشمسية:

• تم تسهيل اكتشاف غاليليو لإشعاع الأرض المتفجر (VRE) من خلال قرب القمر الصناعي المادي من الأرض؛ وحتى إطلاق تلسكوب جيمس ويب الفضائي في ديسمبر 2021، لم تكن التكنولوجيا التلسكوبية متقدمة بما يكفي لاكتشاف الارتفاعات المميزة للإشعاع تحت الأحمر لإشعاع الأرض المتفجر في أنظمة الكواكب الخارجية البعيدة.
• لوحظ أن الغطاء السحابي الكثيف يعيق رصد إشعاعات VRE، إذ أن زيادة الغطاء السحابي تزيد من البياض الكلي ، مما يُصعّب رصد تنوع أطوال موجات الإشعاع. ^{[ 13 ]} إضافةً إلى ذلك، تُعيق السحب رصد سطح الكوكب، مما يُشير إلى أن الحد الأدنى المطلوب لرصد إشعاعات VRE الكوكبية الخارجية المرئية من التلسكوبات الأرضية هو وجود غطاء نباتي بنسبة 20% على الأقل وسطح خالٍ من السحب. ^{[ 14 ]}
• أظهرت بعض المعادن أطياف انعكاس حادة الحواف مشابهة لأطياف أصباغ التمثيل الضوئي التي تجمع الضوء. وهذا يعني أنه يجب استبعاد الأصل المعدني لتأثيرات مشابهة لظاهرة VRE قبل تأكيد وجود تفسير بيولوجي. ^{[ 13 ]} قد يكون من الصعب تحقيق ذلك من الأرض، حيث تُظهر المعادن الموجودة في جزيئات التربة السطحية الدقيقة خصائص انعكاس مختلفة عن تلك الموجودة في البلورات الكبيرة على سطح الأرض. أحد الاقتراحات التي قدمتها سارة سيجر وآخرون هو استخدام القياسات الجوية لتحديد مستوى الأكسجين في الغلاف الجوي، والذي إذا كان مرتفعًا، فإنه سيستبعد وفرة المعادن غير المؤكسدة على السطح. ^{[ 13 ]}

يُلقّب غافرييل أدريانوفيتش تيخوف بـ"مؤسس علم النباتات الفلكية"، ^{[ 1 ]} وقد صاغ هذا المصطلح عام 1945 لوصف المجال الناشئ الذي يدور حول البحث عن نباتات خارج كوكب الأرض. ونظرًا للعواصف التي تحدث على سطح المريخ والتي تُسبب تعتيمًا مرئيًا من الأرض، فقد اعتقد معاصرو تيخوف بوجود نباتات مريخية تُشابه التغيرات الموسمية في ألوان النباتات على الأرض. ^{[ 14 ] [ 1 ]} وانطلاقًا من الاستنتاجات التي توصل إليها من خلال فحص ضوء الأرض على سطح القمر عام 1914، اكتشف تيخوف عامي 1918 و1921، باستخدام مرشحات الألوان التلسكوبية، أن الكلوروفيل غير قابل للكشف على سطح المريخ، مما دفعه إلى افتراض أن طبيعة النباتات المريخية ستكون على الأرجح زرقاء اللون، وتتكون في الغالب من الطحالب والأشنات. ^{[ 1 ]} تطورت أبحاث تيخوف في علم النباتات الفضائية لاحقًا إلى أبحاث حول زراعة النباتات في الفضاء، أو إثبات إمكانية نمو النباتات في ظروف خارج كوكب الأرض (خاصةً بمقارنة مناخ المريخ وسيبيريا)، لكنه كان أول فلكي معروف يستخدم اللون لمحاولة قياس مستوى الغطاء النباتي على قمر صناعي خارج كوكب الأرض. ^{[ 1 ]}

بعد تحليق غاليليو عام 1990 الذي أظهر تأثير VRE على الأرض، ركز الاهتمام في علم النباتات الفضائية بشكل أساسي على دراسة جدوى اكتشاف VRE، ^{[ 10 ] [ 13 ] [ 15 ] [ 16 ]} وتم اقتراح عدد من المشاريع:

• تم الاستشهاد بمشروع داروين التابع لوكالة الفضاء الأوروبية ومشروع ناسا للبحث عن الكواكب الأرضية ^{[ 17 ]} كمشاريع كان من الممكن أن تحلل البصمات الحيوية للكواكب الخارجية قبل إلغائها في عامي 2007 و2011 على التوالي.
• كما تم الاستشهاد بتلسكوب ESO الكبير للغاية ، المقرر إطلاقه في عام 2028، ^{[ 18 ] [ 12 ] [ 19 ]} باعتباره تلسكوبًا آخر سيكون قادرًا على اكتشاف البصمات الحيوية للكواكب الخارجية.
• تم التخطيط لتلسكوبات الفضاء المستقبلية التابعة لناسا، مثل مهمة تصوير الكواكب الخارجية الصالحة للسكن ، لتكون قادرة على فحص المؤشرات الحيوية للكواكب الخارجية الصالحة للسكن. ^{[ 20 ]}

يُجري تلسكوب جيمس ويب الفضائي منذ عام 2021 مسحًا لنظام الكواكب الخارجية TRAPPIST-1 بحثًا عن دلائل على وجود نباتات خارج كوكب الأرض، وذلك من خلال جمع بيانات الغلاف الجوي، بما في ذلك البصمة الحيوية VRE، التي تظهر عند مرور كواكب TRAPPIST-1 الخارجية أمام النجم. وقد صنّفت وكالة ناسا ثلاثة من الكواكب الصخرية الخارجية التابعة لنظام TRAPPIST-1 ( 1e و 1f و 1g ) ضمن النطاق الصالح للسكن لوجود الماء السائل (وغيره من المواد البيولوجية، مثل النباتات). ^{[ 16 ] [ 21 ]}

إن الوصف الدقيق لخصائص الغطاء النباتي خارج الأرض هو أمر تخميني للغاية، ولكنه يتبع مبادئ "الفيزياء الصلبة والكيمياء الجوية"، وفقًا للبروفيسور جون ألبرت رافين من جامعة دندي . ^{[ 17 ]}

أحد العوامل التي تحدد طبيعة الغطاء النباتي خارج كوكب الأرض هو النجم الموجود في مركز النظام. الشمس نجم من النوع G ضمن نجوم التسلسل الرئيسي ، مما يوفر الظروف اللازمة لعملية التمثيل الضوئي للكلوروفيل ، ومستويات الإشعاع التي تتحكم في الظروف الجوية كالرياح، مما يؤثر على التطور. أما نظام TRAPPIST-1 فهو نجم قزم أحمر فائق البرودة ، يوفر ما يقارب نصف طاقة الشمس، مما دفع علماء النبات الفلكي إلى التكهن بأن الغطاء النباتي في نظام الكواكب الخارجية TRAPPIST-1 قد يكون أغمق بكثير، بل أسود اللون بالنسبة للعين البشرية. ^{[ 14 ]}

من ناحية أخرى، يُعتقد أن نجوم التسلسل الرئيسي من النوع F ، مثل سيجما بوتيس ، تشجع نمو النباتات خارج الأرض ذات اللون الأصفر ^{[ 17 ]} أو الأزرق ^{[ 14 ] [ 22 ]} داخل نظام الكواكب الخارجية الخاص بها، وذلك لعكس المستويات العالية من الفوتونات الزرقاء المنبعثة من نجوم من نوعها.

كانت أولى الكائنات الحية في الفضاء عبارة عن "سلالات مُطوَّرة خصيصًا من البذور" أُطلقت إلى ارتفاع 134 كيلومترًا (83 ميلًا) في 9 يوليو 1946 على متن صاروخ V-2 أمريكي . لم تُسترد هذه العينات. أما أولى البذور التي أُطلقت إلى الفضاء واستُردت بنجاح فكانت بذور الذرة التي أُطلقت في 30 يوليو 1946، والتي تبعتها بذور الجاودار والقطن . أُجريت هذه التجارب البيولوجية المبكرة دون المدارية من قِبل جامعة هارفارد ومختبر الأبحاث البحرية ، وكانت تُعنى بدراسة تأثير الإشعاع على الأنسجة الحية. ^{[ 26 ]} في عام 1971، أُطلقت 500 بذرة من الأشجار ( صنوبر لوبلولي ، وجميز ، وعلكة حلوة ، وخشب أحمر ، وتنوب دوغلاس ) حول القمر على متن أبولو 14. زُرعت هذه الأشجار القمرية ونمت مع وجود عينات ضابطة على الأرض، حيث لم تُلاحظ أي تغييرات.  

في عام 1982، أجرى طاقم محطة الفضاء السوفيتية ساليوت 7 تجربةً أعدّها علماء ليتوانيون ( ألفونساس ميركيس وآخرون)، حيث زرعوا بعض نباتات الأرابيدوبسيس باستخدام جهاز فيتون-3 التجريبي للبيوت الزجاجية الصغيرة، ليصبحوا بذلك أول نباتات تُزهر وتُنتج بذورًا في الفضاء. ^{[ 27 ] [ 28 ]} ودرست تجربةٌ على متن محطة سكايلاب تأثيرات الجاذبية والضوء على نباتات الأرز . ^{[ 29 ] [ 30 ]} ونجح البيت الزجاجي الفضائي SVET-2 في تحقيق نمو النباتات من البذرة إلى البذرة في عام 1997 على متن محطة الفضاء مير . [ 4 ^{] وحملت المركبة} الفضائية بيون 5 نبات الجزر ( Daucus carota ) ، بينما حملت المركبة بيون 7 الذرة.

استمرت أبحاث النباتات على متن محطة الفضاء الدولية . استُخدم نظام إنتاج الكتلة الحيوية في البعثة الرابعة لمحطة الفضاء الدولية . لاحقًا، استُخدم نظام إنتاج الخضراوات (Veggie) على متن المحطة . ^{[ 31 ]} شملت النباتات التي جُرِّبت في نظام Veggie قبل إرسالها إلى الفضاء الخس، والسلق السويسري، والفجل، والملفوف الصيني، والبازلاء. ^{[ 32 ]} زُرِعَ خس الرومين الأحمر في الفضاء خلال البعثة الأربعين ، حيث حُصِدَ عند نضجه، وجُمِّد، ثم أُعيد اختباره على الأرض. أصبح أعضاء البعثة الرابعة والأربعون أول رواد فضاء أمريكيين يتناولون نباتات مزروعة في الفضاء في 10 أغسطس 2015، عندما حُصِدَ محصولهم من خس الرومين الأحمر. ^{[ 33 ]} منذ عام 2003، يتناول رواد الفضاء الروس نصف محصولهم، بينما يُخصَّص النصف الآخر لمزيد من الأبحاث. ^{[ 34 ]} في عام 2012، أزهرت زهرة دوار الشمس على متن محطة الفضاء الدولية تحت رعاية رائد الفضاء التابع لوكالة ناسا، دونالد بيتيت . ^{[ 35 ]} في يناير 2016، أعلن رواد الفضاء الأمريكيون أن زهرة الزينيا قد تفتحت على متن محطة الفضاء الدولية. ^{[ 36 ]}

في عام 2018 ، تم اختبار تجربة Veggie- 3 باستخدام وسائد نباتية وحصائر جذرية. ^{[ 37 ]} أحد أهدافها هو زراعة الغذاء لاستهلاك الطاقم. ^{[ 37 ]} تشمل المحاصيل التي تم اختبارها في ذلك الوقت الملفوف والخس والميزونا . ^{[ 37 ]}

تشمل النباتات التي تمت زراعتها في الفضاء ما يلي:

• Arabidopsis (Thale cress) ^{[ 38 ] [ 39 ]}
• بوك تشوي (طوكيو بيكانا) ( الملفوف الصيني ) ^{[ 40 ]}
• زهور التوليب ^{[ 39 ]}
• كالانتشو ^{[ 39 ]}
• الكتان ^{[ 39 ]}
• البصل ، والبازلاء ، والفجل ، والخس ، والقمح ، والثوم ، والخيار ، والبقدونس ، والبطاطس ، والشبت ^{[ 39 ]}
• الريحان والقرفة ^{[ 41 ]}
• الملفوف ^{[ 42 ]}
• الزينية الهجينة ('غزارة' فار.) ^{[ 43 ]}
• الخس الروماني الأحمر (صنف "Outredgeous") ^{[ 44 ]}
• عباد الشمس ^{[ 45 ]}
• سيراتوبتيريس ريتشاردي ^{[ 46 ]}
• Brachypodium distachyon ^{[ 47 ]}

بعض النباتات، مثل التبغ وزهرة الصباح، لم تُزرع مباشرة في الفضاء، بل تعرضت لبيئات الفضاء ثم نبتت ونمت على الأرض. ^{[ 48 ]}

كانت الطحالب أول مرشح لأنظمة دعم الحياة المشتركة بين الإنسان والنبات. استخدمت الأبحاث الأولية في خمسينيات وستينيات القرن الماضي أنواعًا من الطحالب مثل الكلوريلا، والأناسيستيس، والسينيكوسيستيس، والسينيدسموس، والسينيكوكوس، والسبيرولينا _لدراسة كيفية استخدام الكائنات الحية الضوئية في دورة الأكسجين _وثاني أكسيد الكربون في أنظمة مغلقة. ^{[ 49 ]} وفي وقت لاحق، بحثت أبحاث من خلال برنامج BIOS الروسي وبرنامج CELSS الأمريكي استخدام النباتات الراقية للقيام بأدوار منظمات الغلاف الجوي، ومعيدة تدوير النفايات، ومُؤمِّنة للغذاء في المهمات المستدامة. تشمل المحاصيل الأكثر شيوعًا في الدراسات محاصيل النشا مثل القمح والبطاطس والأرز ؛ والمحاصيل الغنية بالبروتين مثل فول الصويا والفول السوداني والفاصوليا؛ ومجموعة من المحاصيل الأخرى المُحسِّنة للقيمة الغذائية مثل الخس والفراولة والكرنب . ^{[ 50 ]} تطلبت الاختبارات الخاصة بظروف النمو المثلى في الأنظمة المغلقة إجراء بحوث في كل من المعايير البيئية اللازمة لمحاصيل معينة (مثل فترات الإضاءة المختلفة لمحاصيل النهار القصير مقابل محاصيل النهار الطويل) والأصناف التي تناسب نمو نظام دعم الحياة.

تُعدّ اختبارات أنظمة دعم الحياة البشرية النباتية في الفضاء قليلة نسبيًا مقارنةً بالاختبارات المماثلة التي أُجريت على الأرض واختبارات انعدام الجاذبية لدراسة نمو النباتات في الفضاء. شملت أولى اختبارات أنظمة دعم الحياة التي أُجريت في الفضاء تجارب تبادل الغازات باستخدام القمح والبطاطا ونبات عدس الماء العملاق ( Spyrodela polyrhiza ). استُخدمت مشاريع أصغر حجمًا، يُشار إليها أحيانًا باسم "آلات السلطة"، لتوفير منتجات طازجة لرواد الفضاء كمكمل غذائي. ^{[ 49 ]} وقد خُطط لدراسات مستقبلية للتحقق من تأثير زراعة النباتات على الصحة النفسية للإنسان في البيئات المغلقة. ^{[ 51 ]}

ركزت الأبحاث الحديثة على تعميم أنظمة دعم الحياة هذه على كواكب أخرى، ولا سيما القواعد المريخية. وقد تم تصميم نماذج أولية لأنظمة مغلقة مترابطة تُسمى "المحيطات الحيوية المعيارية" لدعم طواقم مكونة من أربعة إلى خمسة أفراد على سطح المريخ. ^{[ 52 ]} صُممت هذه المعسكرات على شكل بيوت زجاجية وقواعد قابلة للنفخ. ^{[ 53 ]} ومن المتوقع أن تستخدم تربة المريخ كركيزة للنمو ومعالجة مياه الصرف الصحي، بالإضافة إلى أصناف محاصيل طُوّرت خصيصًا للحياة خارج كوكب الأرض. ^{[ 54 ]} كما نوقش استخدام قمر المريخ فوبوس كقاعدة للموارد، مع إمكانية استخراج المياه المتجمدة وثاني أكسيد الكربون من سطحه، واستخدام الفوهات الجوفية في نهاية المطاف لإنشاء غرف نمو ذاتية التشغيل يمكن استخراجها خلال مهمات التعدين. ^{[ 53 ]}