Στη δημιουργία τεχνητού, ηλεκτρονικού χώματος, το επονομαζόμενο eSoil, για καλλιέργειες χωρίς… χώμα, στο πλαίσιο της υδροπονίας, προχώρησε η ερευνητική ομάδα «Ηλεκτρονικά Φυτά» (ePlants) του Εργαστηρίου Οργανικών Ηλεκτρονικών του πανεπιστημίου του Λινσέπινγκ (Linköping), στη Σουηδία, της οποίας ηγείται η αναπληρώτρια καθηγήτρια Ελένη Σταυρινίδου.
Ειδικότερα, το καινοτόμο «βιο-ηλεκτρονικό χώμα», που ανέπτυξε η ομάδα της Ελληνοκύπριας φυσικού και είναι προσαρμοσμένο στην υδροπονική καλλιέργεια, ενίσχυσε κατά 50% την ανάπτυξη των καλλιεργειών κριθαριού σε διάστημα 15 ημερών, όταν οι ρίζες τους διεγέρθηκαν ηλεκτρικά.
«Ο παγκόσμιος πληθυσμός αυξάνεται και αυτό σε συνδυασμό με την κλιματική αλλαγή δείχνει ξεκάθαρα ότι δεν θα μπορέσουμε να καλύψουμε τις διατροφικές απαιτήσεις του πλανήτη μόνο με τις υπάρχουσες γεωργικές μεθόδους», υπογράμμισε η δρ. Σταυρινίδου. «Με την υδροπονία, μπορούμε να καλλιεργήσουμε τρόφιμα και σε αστικά περιβάλλοντα, σε πολύ ελεγχόμενες συνθήκες».
Η υδροπονική καλλιέργεια σημαίνει ότι τα φυτά αναπτύσσονται χωρίς χώμα, χρειάζονται μόνο νερό, θρεπτικά συστατικά και κάτι στο οποίο μπορούν να προσκολληθούν οι ρίζες τους – ένα υπόστρωμα. Είναι ένα κλειστό σύστημα που επιτρέπει την ανακυκλοφορία του νερού, έτσι ώστε κάθε δενδρύλλιο να παίρνει ακριβώς τα θρεπτικά συστατικά που χρειάζεται. Επομένως, απαιτείται πολύ λίγο νερό και όλα τα θρεπτικά συστατικά παραμένουν στο σύστημα, κάτι που δεν είναι δυνατό στην παραδοσιακή καλλιέργεια.
Από τις οθόνες OLED, στο eSoil
Σύμφωνα με τη μελέτη που δημοσιεύτηκε λίγο πριν την εκπνοή του 2023 στο Proceedings of the National Academy of Sciences, το eSoil αποτελείται από οργανικές ουσίες που αναμιγνύονται με ένα αγώγιμο πολυμερές που ονομάζεται PEDOT, το οποίο συναντάται σε συνήθη αντικείμενα όπως αισθητήρες και οθόνες OLED.
Οι ερευνητές μελέτησαν την επίδραση του ηλεκτρισμού σε φυτά κριθαριού για 15 ημέρες πριν από τη συγκομιδή τους και διαπίστωσαν πως η εφαρμογή μιας μικρής τάσης από το eSoil διεγείρει ηλεκτρικά τις ρίζες τους, οδηγώντας σε αύξηση της βιομάζας των ηλεκτρικά διεγερμένων φυτών κατά 50% σε σύγκριση με τα μη διεγερμένα.
Οι ερευνητές παρατήρησαν επίσης, ότι το άζωτο, ένα από τα κύρια θρεπτικά συστατικά που εμπλέκονται στην ανάπτυξη των φυτών, υφίσταται, μέσω της διέγερσης, μια πιο αποτελεσματική επεξεργασία από το φυτό. «Με αυτόν τον τρόπο, μπορούμε να κάνουμε τα σπορόφυτα να μεγαλώσουν πιο γρήγορα με λιγότερους πόρους και χαμηλή ενέργεια. Δεν γνωρίζουμε ακόμη πώς λειτουργεί στην πραγματικότητα, ποιοι βιολογικοί μηχανισμοί εμπλέκονται», συμπλήρωσε η επιστήμονας, τονίζοντας ότι σε αυτό πρόκειται να εστιάσουν οι μελλοντικές μελέτες.
Σύμφωνα με την ίδια, το eSoil δεν είναι μόνο φιλικό προς το περιβάλλον, αφού προέρχεται από κυτταρίνη και από το αγώγιμο πολυμερές, αλλά λειτουργεί με χαμηλή τάση, αποτελώντας μια ασφαλή εναλλακτική λύση σε προηγούμενες μεθόδους που απαιτούσαν υψηλή τάση και μη βιοαποδομήσιμα υλικά.
Η μελέτη υπογραμμίζει επίσης ότι αυτή η τεχνική θα μπορούσε να ελαχιστοποιήσει τη χρήση των λιπασμάτων στη γεωργία.
«Δεν μπορούμε να πούμε ότι η υδροπονία θα λύσει το πρόβλημα της επισιτιστικής ασφάλειας. Αλλά σίγουρα μπορεί να βοηθήσει ιδιαίτερα σε περιοχές με λίγη καλλιεργήσιμη γη και με σκληρές περιβαλλοντικές συνθήκες» τόνισε η δρ. Σταυρινίδου.
Από τριαντάφυλλο, τρανζίστορ
Με σπουδές στο Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης και στην Ecole Nationale Supérieure des Mines de Saint Étienne στη Γαλλία και εξειδίκευση στη νανοτεχνολογία και τη βιοηλεκτρονική, η δρ. Ελένη Σταυρινίδου σήμερα διδάσκει και διενεργεί έρευνα στο Πανεπιστήμιο του Λινσέπινγκ, στον τομέα εφαρμογής της βιοηλεκτρονικής στα φυτά.
Ως μεταδιδακτορική ερευνήτρια, μερικά χρόνια πριν, η δρ. Σταυρινίδου μαζί με τον καθηγητή Μάγκνους Μπέργκρεν πρωτοπόρησαν στην ανάπτυξη ηλεκτρονικών διατάξεων μέσα σε φυτά. Και το έκαναν με τέτοιο τρόπο που μετέτρεψαν τελικά τα ίδια τα φυτά σε «ηλεκτρονικές συσκευές», δημιουργώντας ένα πρότυπο υβρίδιο μεταξύ βιολογίας και ηλεκτρονικής.
Σε αυτή τη μελέτη, οι επιστήμονες είχαν καταφέρει να μετατρέψουν ζωντανά τριαντάφυλλα σε ηλεκτροχημικά τρανζίστορ με μια απλή διαδικασία.
Τα τριαντάφυλλα απορρόφησαν το αγώγιμο πολυμερές PEDOT, το οποίο κυκλοφορώντας στο αγγειακό σύστημά τους σχημάτισε οργανικά αυτοσυναρμολογούμενα σύρματα μέσα στα κοτσάνια τους. Όταν αυτά τα σύρματα συνδέθηκαν με μια εξωτερική πηγή ηλεκτρισμού, μετέφεραν ηλεκτρικό ρεύμα στο εσωτερικό του φυτού.
Το 2017, οι ερευνητές το πήγαν ακόμη παραπέρα βελτιώνοντας το πολυμερές υλικό, έτσι ώστε, εκτός από το βλαστό, να σχηματίζονται σύρματα στα φύλλα και στα πέταλα του «ηλεκτρονικού» τριαντάφυλλου. Κατάφεραν να αλλάξουν το χρώμα των φύλλων από πράσινο σε μπλε-πράσινο, αλλά το σημαντικό ήταν ότι μακροπρόθεσμα, ενδεχομένως να καταστεί δυνατό να «πείσουν» τα φυτά να παράγουν νέα υλικά, να χρησιμοποιήσουν τη φωτοσύνθεση για την παραγωγή ενέργειας και να δημιουργήσουν εξευγενισμένα είδη, χωρίς να χρειάζεται να τροποποιηθούν γενετικά.
Συνδυάζοντας τα οργανικά σύρματα με έναν ηλεκτρολύτη, η Δρ. Σταυρινίδου δημιούργησε ένα υπερ-πυκνωτή που μπορεί να αποθηκεύει ηλεκτρικά φορτία και να φορτίζεται και να εκφορτίζεται εκατοντάδες φορές. «Καταφέραμε να φορτίσουμε εκατοντάδες φορές το τριαντάφυλλο, χωρίς καμία απώλεια στην απόδοσή του. Τα επίπεδα ενεργειακής αποθήκευσης που πετύχαμε, είναι της ίδιας τάξης μεγέθους με εκείνα των υπερπυκνωτών» θυμάται η ίδια.
Οι ερευνητές πιστεύουν ότι η δημιουργία ηλεκτρονικών φυτών μπορεί να βρει πολλές εφαρμογές μελλοντικά στο πεδίο των βιοηλεκτρονικών. Η προσθήκη ηλεκτρονικών στοιχείων στα φυτά άνοιξε τον δρόμο για τον συνδυασμό των ηλεκτρονικών σημάτων με τις βιοχημικές διαδικασίες του φυτού. «Με αυτό τον τρόπο, μπορεί στο μέλλον να υπάρξουν κυψέλες καυσίμου μέσα στα ίδια τα φυτά οι οποίες θα λειτουργούν με φωτοσύνθεση μετατρέποντας τα σάκχαρα των φυτών σε ηλεκτρισμό. Τα ίδια τα φυτά δεν αποκλείεται κάποτε να μετατραπούν σε ζωντανές πηγές ηλεκτρισμού ή αποθήκες ενέργειας!», εκτίμησε η δρ. Σταυρινίδου.
Ρυθμίζοντας την ανάπτυξη των φυτών
Ανάμεσα στις προοπτικές που άνοιξε η έρευνα της δρ. Σταυρινίδου και της ομάδας ePlants το 2015 ήταν η δημιουργία βιο-αισθητήρων που καταγράφουν τα επίπεδα βιομορίων των φυτών, καθώς και άλλες συσκευές που ρυθμίζουν εκ των έσω την ανάπτυξη και άλλες λειτουργίες των φυτών. Σύμφωνα με την ίδια, κάτι τέτοιο θα μπορούσε να βελτιώσει τα φυτά με φαρμακευτικές ιδιότητες και να επιταχύνει την ανάπτυξη νέων φαρμάκων. Επίσης, θα μπορούσε να επιτρέψει μελλοντικά στους παραγωγούς να καθοδηγούν την ανθοφορία και την ωρίμανση των φυτών (π.χ. να καθυστερούν αν επικρατεί παγωνιά στο περιβάλλον).
Σύμφωνα με τους ερευνητές, οι μηχανισμοί με τους οποίους ρυθμίζεται ο μεταβολισμός των φυτών και ο τρόπος που οι αλλαγές στα επίπεδα σακχάρου επηρεάζουν την ανάπτυξή τους είναι ακόμα σχετικά άγνωστοι.
Ο βιο-αισθητήρας της ομάδας ePlant δίνει πληροφορίες χωρίς να καταστρέφει τα φυτά και μπορεί να αποκαλύψει άγνωστα κομμάτια του παζλ για τη λειτουργία του μεταβολισμού τους.
Πέφτοντας στη μυγοπαγίδα
Τι να συμβαίνει άραγε μέσα στο σαρκοφάγο φυτό Venus Flytrap όταν αιχμαλωτίζει ένα έντομο; Η εργασία της δρ. Σταυρινίδου έχει οδηγήσει σε ανακαλύψεις και για την ηλεκτρική σηματοδότηση που προκαλεί το κλείσιμο της παγίδας του σαρκοφάγου φυτού.
Τα φυτά, όπως και οι άνθρωποι, παρόλο που δεν διαθέτουν νευρικό σύστημα, παράγουν ηλεκτρικά σήματα ανταποκρινόμενα στην αφή και στο στρες.
Σε αντίθεση με τα ζώα που μπορούν να μετακινηθούν, τα φυτά πρέπει να παραμείνουν και να αντιμετωπίσουν τους στρεσογόνους παράγοντες όπως π.χ. πληγές από φυτοφάγα ζώα ή προσβολές στις ρίζες τους.
«Υπάρχει σήμερα μεγάλη ανάγκη για την ανάπτυξη ανθεκτικότερων φυτών στις περιβαλλοντικές προκλήσεις, για να μπορέσουμε να καλλιεργήσουμε τροφή και να διατηρήσουμε τα δάση υγιή στο μέλλον. Γι’ αυτό είναι σημαντικό να κατανοήσουμε τον τρόπο που τα φυτά ανταποκρίνονται στο στρες και νομίζω ότι αυτή η νέα τεχνολογία μπορεί να συμβάλει σε αυτό» σημείωσε η φυσικός.
Ως μοντέλο για γρήγορη ηλεκτρική σηματοδότηση στα φυτά, οι ερευνητές χρησιμοποιούν το σαρκοφάγο φυτό Venus Flytrap, η φυσική παγίδα του οποίου φέρει στην εσωτερική πλευρά μικρές αισθητήριες τρίχες που με ένα απλό άγγιγμα μπορεί να κλείσει. Τα έντομα που παγιδεύονται, διασπώνται από ένα ένζυμο και τα θρεπτικά συστατικά τους απορροφώνται από το φυτό, αλλά για να κλείσει η παγίδα, οι τρίχες πρέπει να αγγιχτούν δύο φορές μέσα σε περίπου 30 δευτερόλεπτα. Με το να μη κλείνει γρήγορα κάθε φορά που μια τρίχα διεγείρεται από άλλες αιτίες, το φυτό εξοικονομεί ενέργεια.
Η ηλεκτρική σηματοδότηση σε ζωντανούς οργανισμούς βασίζεται στη διαφορά τάσης μεταξύ του εσωτερικού και του εξωτερικού περιβάλλοντος των κυττάρων εξαιτίας της μετακίνησης ηλεκτρικά φορτισμένων ατόμων. Όταν π.χ. ενεργοποιείται ένα σήμα εξαιτίας μιας αισθητήριας τρίχας, τα ιόντα ρέουν πολύ γρήγορα μέσα από την κυτταρική μεμβράνη και αυτή η ταχεία αλλαγή της τάσης προκαλεί μια ώθηση που διαδίδεται.
Στη μελέτη τους, που δημοσιεύτηκε στο Science Advances οι ερευνητές επιδεικνύουν μια τεχνολογία συστοιχίας πολλαπλών ηλεκτροδίων που χρησιμοποιείται για τη μελέτη της εμφάνισης και διάδοσης του ηλεκτρικού σήματος σε ένα Venus Flytrap.
«Μπορούμε τώρα να πούμε με βεβαιότητα ότι το ηλεκτρικό σήμα προέρχεται από τις αισθητήριες τρίχες του φυτού, αλλά και ότι εξαπλώνεται κυρίως ακτινωτά, χωρίς καμία σαφή κατεύθυνση», κατέληξε η δρ. Ελένη Σταυρινίδου.
Πηγές: dnews.gr/Βασιλική Μιχοπούλου, liu.se
