Klinostat Nedir? Uzayda Bitki Yetiştirmek Mümkün Mü?

Bu yazımızda ise sizlere bitkilerin yerçekimini nasıl algıladıklarını ve ne gibi tepkiler verdiğine değineceğiz. Uzayda bitki yetiştirmek uzay araştırmaları için oldukça önemli bir yere sahiptir. Bu yüzden uzayda şimdiye kadar yetiştirilen veya yetiştirilmesi planlanan bitkiler için bilim insanları tarafından yapılan bir nevi astronot olmaya aday olan bitkilerin, uzay koşullarında yaşamsal fonksiyonlarının olası etkilere karşı dünyadayken test eden cihazlardan, klinostat cihazından bahsedeceğiz.

Kısaltmalar

• Revolutions Per Minute (RPM), Rotating Wall Wessel (RWV), Photomultipler (PMT), Root Cap Cells (LRC), Columella Stem Cells (CSC), Columella (CC)

Bitkiler Yerçekimini Nasıl Algılar?

Hepimiz bitki yetiştirmişizdir. Bitkilere çok su verdiğimizde ya da güneşe fazla maruz bıraktığımızda zamanla yapraklarının sarardığını ve en sonunda kuruyarak öldüğünü biliyoruz. Bitkilerde görülen bu olay aslında çevre şartlarına karşı verdikleri bir stres yanıtıdır. Günlük yaşamda yerçekimi etkisine maruz kalan bitkinin verdiği yanıta Gravitropizma denir. Bitkinin yerçekimi yönüne bağlı olarak verdiği yanıtı ifade eder. Bu yanıt, bitki dokularının büyümesi sonucu elde edilen bir yönelimdir. Tipik bir bitki büyüme ve gelişimi, bitki gövdesi yukarı doğru büyürken, kökler aşağı doğru büyür. Uzay ortamında değişen yerçekimi etkisi bitkilerde farklı mekanizmaların sonucu farklı stres yanıtları vermelerine sebep olur. Yapılan araştırmalar, bir mikro yerçekimi ortamında büyüme yönünün düzensiz olduğunu göstermiştir (Resim. 1)[5]. 

Yerçekimindeki değişimi bitkiler köklerindeki çeşitli yapılar aracılığıyla algılarlar. Kök gravitropizmi olarakta anılan bu olay aslında, yerçekiminin kök uçlarında bulunan, kolumela adı verilen kök şapka hücreleri tarafından algılanması olayına dayanır. Kolumela hücreleri, nişasta içerikli amiloplast taneleridir [2]. Bu nişasta tanecikleri yerçekimi nedeniyle yer değiştirir ve bitki büyüme hormonu (oksin)’nun da değişikliğe neden olur.

Mikro yerçekiminde, amiloplastlar belli bir bölgede toplanmaz, bu nedenle yerçekimi bitki tarafından algılanmaz ya da çok az algılanması sonucu düzensiz büyüme hormonunun dağılımı görülür(Resim.2). Bu nedenle, büyüme yönü uzayda belli doğrultulardan farklı olarak gerçekleşir. Mikro yerçekimi sonucu anormal bitki gelişimi görülür. Bununla birlikte yapılan araştırmalarda tam olarak yer çekiminin oksin taşınımını nasıl düzenlediği bilinmemektedir. Bu mekanizma anlaşıldığında, sadece yeryüzündeki bitki üretimini iyileştirmekle kalmayacak, aynı zamanda uzayda bitki yetiştiriciliğine de yardımcı olacağı öngörülen arasında yer alıyor. Bu nedenle, bitki büyüme ve gelişme mekanizmalarını açıklığa kavuşturacak deneylerin yapılması çok önemlidir.

Klinostat Nedir?

Bilim insanları yerçekimsiz ortamlarda bitki davranışlarını simüle temek için klinostat adı verilen cihazları kullanırlar. Bu cihazları, “bitkilerin mikro yerçekimi taklitçileri” olarak ta düşünebiliriz. İlk olarak 1879’dan Alman botanikçi Julius von Sachs, ışık ve yer çekiminin büyüyen bitkilerin hareketi üzerindeki etkilerini ölçmek için klinostadı icat etmiş olsa da günümüzde bir çok alanda kullanılıyor.

Bu yazıda ele aldığımız konu bitkiler olduğu için klinostatları bitki büyüme mekanizmalarının yer çekimini algılamalarını önlemek için bitkileri döndüren hareketli platformlar olarak ele aldık. Grafik.1 açısal dönme limitlerini göstermektedir. Dönme ekseninin yatay olduğunu varsayarak, çizgiler, yarıçapın bir fonksiyonu olan açısal hızının indüklediği merkezcil ivmenin sınırları gösterilmiştir. Yarıçap arttıkça merkezcil ivme artar ve sistemin büyüklüğü sınırlayıcı bir faktör haline gelir. Tepki süresi minimum dönme hızını (açısal hızı) belirler. Bitkiler için yanıt süresi yaklaşık 1-2 dakikadır.

Tipik (yavaş dönen) klinostatlar, 1 ila 2 rpm hızında döner. Bitkinin fiziksel boyutu (örneğin yaprak uzunluğu) Grafik.1’de belirlenmiş aralıktan az olmalıdır. Buna karşılık, hızlı dönen klinostatlar 30 ila 150 rpm hızında çalışır ancak çapları sınırlıdır (pembe taralı alan). Bu klinostatlar, genellikle sedimantasyonun (çökelme) daha hızlı dönüşle telafi edildiği sıvı sistemlerde (alg süspansiyonları) kullanılır.

Mikroyerçekimi etkisini bitkilere hissetirmek için üç farklı dönme ekseninde hareket ederler. Dönüş hızının ve dönme düzleminin eğiminin ayarlanması, bitkileri çok çeşitli yer çekimi azaltılmış yoğunluk seviyelerini simüle eden koşullara maruz bırakır. Yaygın kullanılan klinostat çeşitleri, döndürme eksenine göre 3 tiptir;

Döner Duvar Gemisi (DDG) klinostat

Kültür ortamı için hazneler, dingil etrafında dönerek hazneyi sürekli serbest düşmeye maruz bırakır. Dönüş hızı düşüş hızını düzenler.

Klinostat 2D cihazı

Farklı olarak dönüşlerini yerçekimi kuvveti vektörüne dik bir aks etrafında gerçekleştirir. RWV’nin aksine, mikro yerçekimi etkisi, yerçekimi kuvvet vektörünün vektör ortalamasından elde edilir ve klinostat yeterince hızlı döndüğünde (40-100 rpm), bitki yerçekimini 1 g’nin altında hisseder. Kültür hazneleri, klinostatın ortasına yerleştirilir. (Resim.3)

Rastgele Konumlandırma Makinesi (RKM)

RKM’nin temel prensibi, birbirinden bağımsız olarak rastgele yönde dönen bir iç ve bir dış çerçeveden oluşmasıdır. Makinenin ortasındaki hazne, yerçekimi vektörünün zamanla sıfıra getirilmesiyle bitki, mikro yerçekimini hisseder.[4]

Şema.1’de DLR Alman Havacılık ve Uzay Merkezi’nden Jens Hauslage ve arkadaşları tarafından yapılan “Pyrocystis noctiluca , mikro yerçekimi simülatörlerinde (klinostat ve rastgele konumlandırma makinesi) indüklenen kesme kuvvetleri için mükemmel bir biyo – tahlili[1]” adlı çalışmaya ait tasarlanmış olan klinostatın fonksiyonel kurulum şeması verilmiştir.

Bir çok farklı malzemeler kullanılarak üretilen klinostatlar, son zamanlarda daha ucuza mal etme ve daha fonksiyonel olarak kullanmak için trendlerden de faydalanarak 3D yazıcı kullanılıyor.(Resim.4).

Son olarak klinostat her ne kadar icat edilirken uzayda bitki yetiştirmek amacı güdülmese de  Astrobotani dalının vazgeçilmez bir laboratuvar ekipmanı haline geldi. Her geçen gün yapılan deneylerden doğan ihtiyaçlara yönelik teknolojik imkanlarla da desteklenen multidisipliner bir alan olan Astrobotani’nin temel unsurlarından, klinostatlardan bahsettik.

Kaynak

1. Çevik, Hauslage, 2017, Pyrocystis noctiluca represents an excellent bioassay for shear forces induced in ground-based microgravity simulators (clinostat and random positioning machine)
   (https://www.researchgate.net/publication/316440738_Pyrocystis_noctiluca_represents_an_excellent_bioassay_for_shear_forces_induced_in_groundbased_microgravity_simulators_Clinostat_and_random_positioning_machine )
2. Baylor College of Medicine, 2012, How Does Microgravity Affect Plant Growth?
3. 2D Clinostat for Simulated Microgravity Experiments with Arabidopsis Seedlings
   ( https://www.researchgate.net/publication/286763993_2-D_Clinostat_for_Simulated_Microgravity_Experiments with_Arabidopsis_Seedlings )
4. Dr. Med, Grimm, 2003, Japan Aerospace Exploration Agency, Overview of the Different Devices and Techniques for Simulated Microgravity
   (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4241976/ )
5. Clinostat are systems that attempt to negate the effect of gravity (or light) on biological systems
   (http://www.ucs.louisiana.edu/~khh6430/clinostats.html )