Cây “hồi sinh” và bài toán trồng thực phẩm ngoài Trái Đất

Một số loài thực vật có thể chịu được điều kiện khô cực độ, đến mức chúng được gọi là “cây hồi sinh”. NASA quan tâm đến nhóm cây này vì khả năng chống chịu tự nhiên có thể giúp các nhà khoa học hiểu thêm cách xây dựng hệ thống sinh học bền bỉ cho những chuyến bay xa. Đây mới là hướng nghiên cứu, chưa phải giải pháp trồng cây đã sẵn sàng trên Mặt Trăng hay sao Hỏa. [1]

Trong sáu đề xuất về sản xuất thực phẩm ngoài Trái Đất, NASA không chỉ xem xét cây lương thực. Các nhóm còn nghiên cứu cây chịu khô, tảo và những cộng đồng vi sinh vật sống cùng cây. Câu hỏi vì thế không dừng ở việc hạt giống có nảy mầm hay không, mà mở rộng thành: cả hệ thống gồm cây, vật liệu trồng, nước và sinh vật đi kèm sẽ phản ứng thế nào trong môi trường không gian? [1]

“Cây hồi sinh” cung cấp manh mối gì?

Resurrection plants, có thể gọi là cây chịu khô hoặc cây “hồi sinh”, là nhóm thực vật được nghiên cứu vì khả năng chịu những điều kiện khô hạn cực độ. Đề xuất do Robert VanBuren tại Michigan State University phụ trách nhằm tìm hiểu các cơ chế tạo nên sức chống chịu tự nhiên này. Trọng tâm là đặc điểm sinh học của cây, không phải thử nghiệm trực tiếp một giống cây lương thực cho căn cứ ngoài Trái Đất. [1]

Với nông nghiệp không gian, giá trị của hướng nghiên cứu nằm ở kiến thức có thể rút ra về khả năng chịu căng thẳng. Nếu biết cây phản ứng ra sao khi nước khan hiếm hoặc điều kiện trở nên bất lợi, các nhà khoa học có thêm cơ sở để lựa chọn giống và thiết kế thí nghiệm phù hợp. Tuy nhiên, khả năng chịu khô không tự động biến một loài cây thành nguồn thực phẩm dùng được trong không gian. [1]

Vì sao cây phải được nghiên cứu cùng vi sinh vật?

Một cây trồng không tồn tại tách rời môi trường sinh học. Đề xuất của Jannell Bazurto tại University of Minnesota tập trung vào mối tương tác giữa cây và vi sinh vật trong nông nghiệp không gian. Miranda Haus tại Michigan State University lại nghiên cứu luân canh cây họ đậu và tương tác vi sinh vật trong vật liệu mô phỏng regolith, tức vật liệu đại diện cho lớp bề mặt của thiên thể trong thí nghiệm. [1]

Cách tiếp cận này thay đổi câu hỏi về một khu vườn ngoài Trái Đất. Ngoài việc chọn cây cho năng suất, nhà nghiên cứu còn phải xem xét mối quan hệ giữa cây, môi trường trồng và các vi sinh vật liên quan. Ví dụ, nếu thay đổi vật liệu trồng mà không giữ được điều kiện phù hợp cho vi sinh vật, kết quả của cả hệ thống có thể khác với khi chỉ thử cây trong môi trường quen thuộc. Đây là hướng khảo sát, chưa phải kết luận về một tổ hợp đã vận hành thành công. [1]

Tảo có thể đóng góp gì cho hệ thống sống?

Tảo mở rộng nghiên cứu sang một nhóm sinh vật khác với cây trồng trên cạn. Andrew Settles tại NASA Ames Research Center sẽ nghiên cứu Chlamydomonas, một chi tảo, để tìm hiểu tác động của các yếu tố gây căng thẳng trong chuyến bay vũ trụ. Đề xuất này tiếp nối các nghiên cứu trước đó trên Trạm Vũ trụ Quốc tế và tập trung vào chức năng của những gene liên quan đến khả năng sống sót của tảo. [1]

Các gene này có thể thay đổi cách biểu hiện khi tảo bay vào không gian. Việc tìm hiểu sự thay đổi đó giúp NASA đánh giá những giải pháp dựa trên sinh học cho hệ thống hỗ trợ sự sống trong tương lai. Nguồn mô tả hướng nghiên cứu, không cho biết tảo đã tạo ra bao nhiêu thực phẩm, thay thế thiết bị nào hay hoạt động hiệu quả trong một căn cứ ngoài Trái Đất. [1]

Những điều kiện nào được đưa vào thử nghiệm?

Các đề xuất không coi “môi trường không gian” là một điều kiện duy nhất. Christopher Taylor tại Ohio State University sẽ nghiên cứu các vi sinh vật liên quan đến nước và cây trong môi trường thủy canh có lượng carbon thấp và mức bức xạ cao, đồng thời tìm những yếu tố di truyền ảnh hưởng đến khả năng sống sót của chúng trong môi trường ngoài Trái Đất. Một hướng khác sử dụng vật liệu mô phỏng regolith để khảo sát tương tác giữa cây và vi sinh vật. [1]

Việc tách riêng từng điều kiện giúp câu hỏi trở nên cụ thể hơn: sinh vật phản ứng thế nào với vật liệu trồng, nước và các tác nhân gây căng thẳng khác nhau? Một cây có thể chịu được một yếu tố nhưng không nhất thiết chịu được toàn bộ tổ hợp điều kiện. Vì vậy, các đề xuất hiện cho thấy những vấn đề NASA muốn khảo sát, chứ chưa xác nhận cây, tảo hay vi sinh vật nào đã thích nghi với toàn bộ môi trường trên Mặt Trăng hoặc sao Hỏa. [1]

Cà chua lùn đứng ở đâu trong bức tranh này?

Trong sáu đề xuất về cây trồng, Shuyang Zhen tại Texas A&M AgriLife Research sẽ nghiên cứu cách tối ưu môi trường và lựa chọn giống để cải thiện khả năng sinh trưởng, chịu căng thẳng của cà chua lùn. Đây là hướng gần với mục tiêu thực phẩm hơn so với nghiên cứu cây chịu khô hay gene của tảo, nhưng vẫn tập trung vào việc xác định cây phản ứng ra sao trong điều kiện nông nghiệp không gian. [1]

Nhìn chung, NASA đang ghép nhiều mảnh của cùng một bài toán: cây ăn được cần điều kiện nào, vi sinh vật đi kèm hoạt động ra sao, tảo chịu chuyến bay thế nào và cây chịu khô có thể tiết lộ cơ chế chống chịu nào. “Cây hồi sinh” vì thế không phải lời giải hoàn chỉnh cho nông nghiệp liên hành tinh. Nó là một mẫu tự nhiên giúp mở rộng hiểu biết về cách các hệ thống sống có thể đối phó với môi trường khắc nghiệt. [1]