فناوریهای فضایی در خدمت علم زیستشناسی
تحقیقات فضایی در سطوح مختلف، از تحقیقات مولکولی گرفته تا مطالعه سلولها، بافت، موجود زنده، اکولوژی، تکوین و تکامل ادامه دارد. هدف از زیستشناسی فضایی تعیین اثرات جاذبه بر روی سلول، جانوران و گیاهان، تعیین اثرات ترکیبی بیوزنی و دیگر استرسهای محیط فضا (پرتوها و نبود سیکل روز و شب) بر روی سیستمهای زیستی، اصلاح کیفیت زندگی بر روی زمین از طریق استفاده از محیط فضا و همچنین افزایش دانش زیستشناسی است.
مطالعات زیست فضایی از چند دهه پیش شروع شده است. این مطالعات از دو جهت برای پژوهشگران ارزشمند است. در درجه اول برای فرستادن انسان به فضا و انجام ماموریتهای فضایی طولانیمدت، باید تاثیر و میزان تغییرات سیستمهای زیستی در فضا و مشکلاتی را که فضانوردان پس از بازگشت به زمین با آن مواجهه هستند شناخته شوند. از طرف دیگر مطالعات زیست فضایی موجب افزایش دانش و درک نحوه عملکرد زیستمندها و واکنشهای اساسی زیستشناسی میشود. در طول تکامل، حیات بر روی زمین در شرایط جاذبه g1 گسترش یافته است. تاثیر این نیرو و جبر آن بر حیات، تا به امروز بهدرستی مورد مطالعه واقع نشده است. نتایج حاصل از اینگونه مطالعات به دست میتوانند در بهبود کیفیت زندگی انسان بر روی زمین و سلامت آن موثر باشد. از طرفی، مطالعه روشهای پاسخ و واکنش گیاهان و جانوران و میکروارگانیزمها در اکوسیستمهای بسته، برای توسعه سیستمهای پیشرفته حمایتکننده حیات، هم در ماموریتهای طولانیمدت و هم برای استفاده بر روی زمین مفید خواهد بود.
فناوریهای فضایی موجب ارتقای کیفیت زندگی بر روی زمین در حوزههای مختلف پزشکی، بهداشت و سلامت و زیست محیطی شده است.
فناوری های فضایی و زیستشناسی
زیستشناسی فضا به مطالعه چگونگی پاسخ جانوران و گیاهان به بردار جاذبه و نحوه سازگار شدن آنها با سطوح مختلف جاذبه میپردازد. تحقیقات در این زمینه در سطوح مختلف، از تحقیقات مولکولی گرفته تا مطالعه سلول، بافت، موجود زنده، اکولوژی، تکوین و تکامل، تعیین اثرات پرتوها (زیستشناسی پرتوها) بر روی موجودات زنده و همچنین استفاده از سلولها برای تولید پروتئینها و مولکولهای باارزش (زیستفناوری) ادامه دارد. این مطالعات موجب افزایش دانش زیستشناسی و درک بهتر ما از واکنشهای اساسی زیستشناسی شده است. مطالعه پرتوهای کیهانی و تاثیر آن بر موجودات زنده، در مقابله با اثرات مخرب پرتویی و توسعه داروهای مناسب برای جلوگیری و یا کاهش اثرات پرتودرمانی موثر بوده است. بسیاری از داروهایی که امروزه برای کاهش اثرات پرتودرمانی بیماران سرطانی استفاده می شود در ابتدا برای محافظت فضانوردان در مقابل پرتوهای کیهانی و به منظور کاربردهای فضایی ساخته شد. این مطالعات در توسعه دوزیمترهای مناسب و همچنین تولید مواد محافظ و شیلدینگ های کارامد نیز تاثیر به سزایی داشته است.
امروزه علم زیست فناوری فضایی از جایگاه ویژه ای برخوردار است. زیستفناوری شاخهای از علم زیستشناسی و ترکیبی از علوم زیستشناسی، مهندسی و بیوشیمی جهت تولید مولکولهای زیستی ، سلولها، بافتها و سایر ترکیبات با هدف ارتقای سلامت و رفاه انسان است. از آنجا که محیط فضا با زمین از لحاظ نبود نیروی جاذبه (بی وزنی) متمایز است یک محیط منحصر به فرد برای مطالعه رشد سلول، بافت و مواد زیستی به حسآب میآید. تحقیقات فضایی در حوزه فناوری زیستی نیز موجب پیشرفتهای اساسی شده است. زیستفناوری فضا بر دو حیطه تاکید دارد. اولی کشت سلولها در فضا و دومی رشد کریستالهای پروتئینی در محیط فضا است.
دانشمندان از یک سو از محیطهای شبیهسازی بیوزنی برای فرآیندهای خالصسازی و تکنیکهای زیستی چون رشد کریستالهای پروتئینی استفاده می کنند؛ از سوی دیگر امروزه با استفاده از محیطهای شبیه ساز بی وزنی و یا محیطهای واقعی فضا سعی در تولید و کشت سلول به منظور تولید پروتئینهایی با ارزش دارویی و پزشکی چون مولکولهای سیستم ایمنی، هورمونها، انزیمها و واکسنها دارند.
کشت سلول ها در فضا
شامل مطالعه نحوه پاسخ سلول به محیط، نحوه فعالیت مولکولهای زیستی و نحوه تشکیل بافت است. بی وزنی بر روی شکل سلول، انتقال سیگنال و پیام، تکثیر و رشد سلولی، بیان ژنها، مرگ سلول، سنتز و جهت گیری مولکولها در ماتریکس بین سلولی و خارج سلولی تاثیرگذار است. نتایج این مطالعات در افزایش دانش ما در مورد سلول و همچنین توسعه روشهای جدید برای درمان بیماریها به ویژه در مسافرتهای فضایی موثر است. نتایج این مطالعات، همچنین برای سیستمهای زمینی نیز سودمند است. به طور نمونه مطالعه سیستمهای زیستی در شرایط بی وزنی، پنجرهای جدید رو به کنترل فیزیولوژی در شرایط حذف نیروهای مکانیکی و جریان های همرفت باز میکند. چنین مطالعاتی روشن میسازد که چگونه سلولها به دستکاریهای شیمیایی و مکانیکی پاسخ میدهند و این امکان را برای ما فراهم میکنند تا بیوسنسورهایی با رزولوشن و کارایی بالاتر طراحی کنیم.
هسته، اسکلت سلولی و ماتریس خارج سلولی، مهمترین بخشهای سلول هستند که در شرایط بی وزنی، در ساختمان و عمل آنها اختلال ایجاد میشود. سازمانیابی ژنها و پروتئینهای تنظیمی در هسته، سازمانیابی اسیدهای نوکلئیک و پروتئینهای سیگنالی در سیتوپلاسم و اسکلت سلولی و همچنین سازمان یابی ماکرومولکولهای تنظیمی در ماتریس خارج سلولی، همه در بیان صحیح ژنها و پاسخهای فیزیولوژیک صحیح موثر است. پیشتر مطالعه سلولها در شرایط بی وزنی مشخص ساخت که بین ساختار سلول و عملکرد آن چون بیان ژن ها ارتباطی موجود است.
همچنین مطالعات نشان داده است که میکروگراویتی، یک محیط منحصر به فرد برای کشت سریع و ساده پاتوژنها و ویروسها چون ویروس آنفولانزا، ویروسهای سیستم تنفسی، ویروسهای سیستم گوارشی و ویروس نورواک است. کشت بافت در فضا و شرایط بی وزنی در مقایسه با زمین، منجر به ایجاد میزان بیشتر و بافتهای بزرگتر میشود که این امر نیز در زیست فناوری برای تولید مواد در مقیاس صنعتی از اهمیت ویژه ای برخوردار است.
رشد کریستالهای پروتئینی در محیط فضا
مطالعه اصول و قوانین فیزیک و شیمی در تشکیل کریستالهای مولکولهای زیستی در محیط بی وزنی نیز از شاخههای بیوتکنولوژی فضایی است. مطالعات نشان داده است که تشکیل کریستال برخی از مولکولهای زیستی در محیط بی وزنی با کیفیت بهتری صورت می گیرد و کریستالهای ایجادی دارای اندازه بزرگتر و رزولوشن بالاتری هستند به گونهای که مطالعه روی آنها و تعیین ساختمان اتمی آنها سادهتر است. بسیاری از داروهای موجود، ابتدا در سطح مولکولی و سپس در سطح بالینی تست میشوند. این کار بسیار هزینه بر است، در حالی که با داشتن ساختار سه بعدی، میتوان تعداد دفعات تست دارو را کاهش داد. همچنین با دانستن ساختار سه بعدی و مولکولی دقیق میتوان داروهایی طراحی کرد که به طور اختصاصی به یک ماکرومولکول ویژه متصل شوند و روی سایر مولکولها تاثیری نداشته باشند. در نتیجه عوارض جانبی دارو حذف شده و یا به حداقل میرسد. به طور مثال کریستالهای هورمون انسولین که در محیط بیوزنی ایجاد شدهاند در مقایسه با نمونههای ایجاد شده در ازمایشگاه زمینی بزرگتر و بدون عیب و نقص هستند که به این صورت امکان مطالعه دقیقتر ساختمان انسولین و توسعه روشهای درمانی موثرتر را برای بیماران دیابتی را فراهم نموده است. مطالعاتی مشابه بر روی کریستال پروتئینی فاکتور D (برای بیماران قلبی)، پروتئین آنتی ترومبین خون، پروتئینهای ویروس ایدز (جهت تولید دارو برای درمان ایدز)، پروتئین های ویروس آنفولانزا، آنزیم لیزوزیم، ساختار ویروس ماهوارهای موزائیک توتون، ساختار هسته نوکلئوزوم، گیرنده فاکتور رشد اپیدرمی، کمپلکس ویروس اشرشیاکولی با DNA و … نیز در محیط فضا و بیوزنی صورت گرفته است. هدف از این مطالعات بیوتکنولوژی، طراحی مولکولهای فعال زیستی جهت استفاده و ارتقای بهداشت و سلامت انسان، حیوانات و یا کشاورزی برای تولید غذا و فیبر است.
نانوبیوتکنولوژی فضایی نیز شاخه جدیدی از علوم زیستی است که شامل استفاده از تکنولوژی در علوم زیستی فضایی در سطوح ریز و نانو است. تحقیقات آینده ناسا سعی دارد تا ماشینهای کوچک با قابلیتهای بیشتر بسازد. به گونهای که از قوانین حاکم در طبیعت برای ساخت آنها بهره ببرد، به عنوان مثال رباتهایی که مانند سیستمهای زیستی، قابلیت ترمیم و بهبود آسیبهای وارد بر خود را داشته باشند و یا مانند مولکول زیستی DNA، بخشهای مختلف آن بتواند خود را تکثیر و یا مضاعف کند.
فناوریهای فضایی و محیط زیست
امروزه یکی از کاربردهای مهم دادههای ماهوارهای، سنجش از دور است که یک روش کسب داده و اطلاعات از اجسام، بدون تماس فیزیکی با آنها به شمار میآید. سهل الوصول بودن دادهها، دسترسی سریع به نقاط دور افتاده و دقت بالای آنها از امتیازات خاص این روش محسوب میشود. سنجش از دور در بسیاری از زمینههای علمی و تحقیقاتی چون زمین شناسی، آب شناسی، معدن، شیلات، جغرافیا، مطالعات زیستشناسی، مطالعات زیستمحیطی، سیستمهای اطلاعات جغرافیایی، هواشناسی، کشاورزی، جنگلداری، توسعه اراضی و به طورکلی مدیریت منابع زمینی و غیره کاربرد دارد و از آن می توان برای بررسی تغییرات دورهای پدیدههای سطح زمین، بررسی تغییر مسیر رودخانهها، تغییر حد و مرز پیکرههای آبی، تغییر مورفولوژی سطح زمین، تعیین حد و مرز پدیدههای زمینی اعم از مرز انواع خاکها، گیاهان، محصولات کشاورزی گوناگون، پیش بینی وضع هوا و اندازهگیری میزان خسارت ناشی ازبلایای طبیعی،کشف آلودگی آبها و لکههای نفتی در سطح دریا، اکتشافات معدنی استفاده کرد.
مطالعه تغییرات دوره ای
برخی از پدیدهها و عوارض سطح زمین در طی دوره زمانی تغییر میکند. علت این تغییرات میتواند عوامل طبیعی مانند تغییرات آب و هوایی، یا عوامل مصنوعی مانند دخالت انسان در محیط زیست باشد. برای مثال تغییر سطح آب دریای خزر در طی یک دوره ۱۰ تا ۲۰ ساله، تغییر میزان سطح پوشش و جنگلها درشمال کشور و تغییر پوشش گیاهی نخل در جنوب کشور و میزان آاسیب آنها در دوران جنگ را می توان با استفاده از دادههای ماهوارهای با دقت بسیار زیادی مطالعه کرد.
مطالعات کشاورزی و جنگلی
تشخیص وتمایز گونههای گیاهی مختلف، محاسبه سطح زیر کشت محصولات کشاورزی، مطالعه مناطق آسیب دیده کشاورزی براثرکم آبی یا حمله آفتهای مختلف به آنها، مطالعه میزان انهدام جنگلها و یا میزان پیشرفت جنگل کاری از جمله مهمترین کاربردهای دادههای ماهوارهای هستند. تهیه نقشه جامع پوشش گیاهی هر منطقه، تهیه نقشه آبراههها و ارتباط آنها با مناطق مستعد کشت و برآورد میزان محصول زیر کشت از کاربردهای دیگر چنین اطلاعاتی به شمار میآیند. لازم به ذکر است که وزارت بازرگانی و کشاورزی کشور ایالات متحده آمریکا از ابتدای تکوین تکنولوژی سنجش از دور همه ساله محصول کشاورزی کشور امریکا و تمام کشورهای جهان را با استفاده ازتصاویر ماهوارهای برآورد میکند تا برنامهریزی بازار و تولید اطلاعات مفید و لازم را به دست آورد.
مطالعات منابع آب
مطالعه آبهای سطحی منطقه و تهیه نقشه آبراههها، بررسی تغییر مسیر رودخانهها بر اثر عوامل طبیعی یا مصنوعی، تخمین میزان آب سطحی هر منطقه از جمله جالبترین کاربرد دادههای ماهوارهای است. کشور ما از جمله کشورهایی است که با وجود داشتن منابع آب های سطحی در بسیاری مناطق از مشکل کم آبی رنج میبرد، که استفاده از تکنولوژی نوین و به دست آوردن اطلاعات دقیق میتواند راه گشای استفاده بهتر از منابع آب کشور باشد.
مطالعه بلایای طبیعی
امروزه برآورد میزان خسارت ناشی از بلایای طبیعی از قبیل سیل، زلزله، آتشفشان، طوفان و غیره با استفاده از دادههای ماهوارهای بسیار متداول است. تعیین راهبرد مناسب برای جلوگیری و کاهش خسارت بلایای طبیعی از جمله دیگر کاربردهای دادههای ماهوارهای به شمار میآید.
