في حين أن التوسع في إنتاج الطاقة النووية من شأنه أن يوفر طاقة خالية من الكربون ويمكن أن يساعد البلدان في جميع أنحاء العالم على تحقيق أهدافها المناخية، إلا أن الطاقة النووية يمكن أن تأتي أيضًا مع بعض المخاطر الكامنة. يدمر التلوث الإشعاعي البيئة، ويكاد يكون من المستحيل اكتشافه بدون معدات متخصصة. ولكن ماذا لو تمكنت النباتات التي تنمو في المنطقة المحيطة بالمنشأة من اكتشاف التلوث الإشعاعي؟
أجهزة الكشف عن الإشعاع الميكانيكية المستخدمة حاليًا، والتي تسمى مقاييس الجرعات، ليست موثوقة تمامًا – خلال الحوادث النووية السابقة مثل تشيرنوبيل، فشلت أو دُفنت تحت الأنقاض.
أراد فريقنا من علماء النبات في جامعة تينيسي اكتشاف بدائل لأجهزة استشعار الإشعاع الميكانيكية هذه للمساعدة في معالجة إخفاقاتها التاريخية، لذلك قررنا بناء مستشعر نباتي لإشعاع غاما. المستشعر، المسمى بالمستشعر النباتي، هو نبات بطاطس يتوهج باللون الأخضر الفلوريسنت عند تعرضه للإشعاع.
مشاكل الاستشعار التاريخية
يعتبر الإنتاج الحالي للطاقة النووية آمنًا من قبل الرابطة النووية العالمية. لكن فشل السلامة لا يزال يحدث، سواء كان ذلك بسبب خطأ بشري أو كوارث طبيعية مثل الزلازل التي تجعل أجهزة الاستشعار الميكانيكية غير متصلة بالإنترنت – وهنا يمكن أن تأتي أجهزة استشعار النباتات لدينا.
تحتاج معدات الكشف عن الإشعاع الميكانيكية إلى الطاقة الكهربائية والصيانة الدورية، وكلاهما يجعلها أقل موثوقية أثناء حالات الطوارئ. لن يتطلب المستشعر النباتي أيًا من هذين.
إن أنواع الكوارث التي تجعل أجهزة الاستشعار الميكانيكية غير متصلة بالإنترنت قد تلحق الضرر بأجهزة استشعار البطاطس ولكنها على الأرجح لن تقتل حقلاً مزروعًا بالكامل من البطاطس. وطالما أن بعض الخلايا النباتية لا تزال على قيد الحياة، يمكن للنبات أن يعمل كجهاز استشعار للإشعاع.
على الرغم من أن نباتات البطاطس قوية، إلا أن بعض الكوارث، مثل حرائق الغابات، من شأنها أن تلحق الضرر بأجهزة استشعار النباتات أكثر من أجهزة الاستشعار الميكانيكية. في حين أن أجهزة الاستشعار لدينا يمكن أن تكمل أجهزة الاستشعار الميكانيكية، إلا أنها لن تحل محل استخدامها بالكامل.
النباتات كأجهزة استشعار
وعلى عكس الثدييات، يمكن للنباتات أن تتحمل الكثير من الإشعاع قبل أن تموت. على سبيل المثال، يمكن لنباتات البطاطس أن تتحمل 10 أضعاف كمية الإشعاع التي يمكن أن تقتل الإنسان.
لقد اخترنا البطاطس ككائن استشعار لدينا لأن نباتات البطاطس يمكنها تحمل مستويات عالية من الإشعاع، كما أنها سهلة النمو باستخدام الدرنات ويمكنها البقاء على قيد الحياة في مجموعة متنوعة من البيئات في جميع أنحاء العالم.
يؤدي التعرض للإشعاع إلى إتلاف الحمض النووي داخل خلايا الكائن الحي. وعندما يحدث هذا في النباتات، فإنها تدخل في سيناريو “التنبيه الأحمر” وتقوم بتنشيط العديد من جينات إصلاح الحمض النووي لإصلاح المشكلة.
لقد اخترنا أنا وزملائي مسار الاستجابة لأضرار الحمض النووي في نباتات البطاطس، بحيث تنتج أوراق البطاطس، عند تعرضها للإشعاع، بروتينًا فلوريًا أخضر. يتسبب هذا البروتين الفلوري في إصدار محطات الاستشعار وهجًا فلوريًا أخضرًا فريدًا عند تعرضها لأشعة جاما.
في حين أن العين البشرية لا تستطيع رؤية التوقيع الأخضر، فإن الطائرات بدون طيار المستخدمة في المراقبة الزراعية والبيئية تستطيع ذلك. كلما زاد الفلور الأخضر الذي ينتجه النبات، زادت كثافة الإشعاع. لذلك يمكن لأجهزة الاستشعار أن تخبرك “نعم، هناك إشعاع”، بالإضافة إلى مقدار الإشعاع الموجود تقريبًا.
في اختباراتنا، أبلغت النباتات عن إشعاعها بعد ثماني ساعات من التعرض لها، ولكن كان ذلك أيضًا هو أقرب وقت تمكن فيه فريقنا من فحصها.
بناءً على اختباراتنا، يمكن لجهاز استشعار الإشعاع النباتي الحالي الإبلاغ عن جرعة إجمالية لا تقل عن 10 غراي من الإشعاع – وهي جرعة مميتة جدًا للإنسان. أبلغت أجهزة الاستشعار عن الإشعاع بعد ثماني ساعات من التعرض لها، واستمرت في القيام بذلك لمدة 10 أيام أو أكثر، اعتمادًا على الجرعة.
يمكن لأجهزة الاستشعار الميكانيكية اكتشاف مستويات إشعاع أقل بكثير في الوقت الفعلي، بدلاً من اكتشافها كجرعة تراكمية مثل أجهزة الاستشعار النباتية. وهذا يجعل أجهزة الاستشعار الميكانيكية مثالية للمراقبة اليومية للإشعاع الخطير داخل محطة توليد الطاقة، في حين أن أجهزة الاستشعار النباتية مناسبة بشكل أفضل لمراقبة المساحات الأكبر من الأرض المحيطة بمحطة توليد الطاقة.
يمكن لجهاز الاستشعار الحالي مراقبة مستويات الإشعاع لعامة الناس في سيناريو الطوارئ حيث يمكن أن تكون المواد المشعة في أي مكان داخل منطقة كارثة كبيرة. وقد لوثت تشيرنوبيل منطقة بحجم ولاية نبراسكا، في حين لوثت فوكوشيما منطقة بحجم ولاية نيوجيرسي. وكانت معظم هذه المنطقة تعاني من مستوى منخفض من التلوث، مع وجود بعض النقاط الساخنة.
بالمقارنة مع أجهزة الاستشعار الميكانيكية، فإن أجهزة الاستشعار النباتية أبطأ وأقل حساسية، لذلك لن تنقذ أي شخص يعمل داخل محطة الطاقة، حتى لو تم زراعته داخل المنزل. يمكن لجهاز الاستشعار الحالي أن يخبر المستجيبين الأوائل بالمناطق الأكثر سخونة أثناء وقوع كارثة واسعة النطاق. وبعد وقوع الكارثة، يمكنها إبلاغ المنظمين بالأماكن الآمنة التي يمكن للعمال، وفي نهاية المطاف للعامة، العودة إليها.
قمنا باختبار المستشعر باستخدام ليزر وكاميرا في المختبر، وهي أجهزة منخفضة الطاقة ومنخفضة الدقة. ومن المرجح أن تكون الطائرات بدون طيار الفعلية المزودة بأنظمة كشف متخصصة قادرة على اكتشاف عتبات إشعاع أقل.
بالإضافة إلى عمله بشكل مشابه لأجهزة استشعار الإشعاع الميكانيكية، فإن جهاز استشعار الإشعاع النباتي الموجود في البطاطس هو كائن حي ومتنامي يحصل على طاقته من ضوء الشمس. وهذا يعني أن جهاز الاستشعار النباتي يقوم بالإصلاح الذاتي والتكاثر الذاتي والطاقة الذاتية، على عكس أجهزة الاستشعار الميكانيكية. نظرًا لأن البطاطس تنمو من الدرنات، فهي لا تحتاج إلى إعادة زراعتها كل عام.
أحد الجوانب السلبية الواضحة للمستشعر الحالي هو أن نباتات البطاطس تموت في الشتاء، لذلك ستفقد المستشعر خلال هذا الموسم. من المحتمل أن يتم وضع جين المستشعر الخاص بنا في أنواع دائمة الخضرة مثل شجرة الصنوبر، ولكن يجب إعادة اختبار هذا المستشعر لفهم الحد الأدنى من اكتشافه وأدائه بمرور الوقت.
التطبيقات المحتملة
عند استخدامه مع أجهزة استشعار ميكانيكية أكثر حساسية، يمكن لجهاز الاستشعار النباتي الحالي للإشعاع أن يكون بمثابة أداة آمنة من الفشل في حالة وقوع كارثة مشابهة لكارثة فوكوشيما دايتشي.
في حين أن هناك العديد من الاحتمالات لدمج أجهزة الاستشعار النباتية في أنظمة المراقبة الحالية لدينا، إلا أن فريقنا لا يزال يواجه عقبات يجب تجاوزها قبل أن يتم نشر النباتات في الميدان.
أولاً، يتعين على الهيئات التنظيمية النووية أن تحدد ما إذا كانت هذه التكنولوجيا آمنة ومفيدة، نظراً لتوقعاتها فيما يتعلق بمعدات مراقبة الإشعاع. بعد ذلك، سيخضع مستشعر النبات لتقييم صارم من قبل وزارة الزراعة الأمريكية لتحديد ما إذا كانت أجهزة الاستشعار النباتية ستؤثر سلبًا على النظم البيئية إذا تم إطلاقها.
سيتطلب التغلب على هذه العقبات المزيد من الأبحاث، الأمر الذي قد يستغرق أشهرًا نظرًا لوقت نمو النباتات. وعلى الرغم من العمل الذي ينتظرنا، يمكن لأجهزة الاستشعار النباتية الإشعاعية أن تساعد في حماية الناس والبيئة في المستقبل مع استمرار البلدان في إنتاج الطاقة النووية.
تم إعادة نشر هذا المقال من The Conversation، وهي منظمة إخبارية مستقلة غير ربحية تقدم لك حقائق وتحليلات جديرة بالثقة لمساعدتك على فهم عالمنا المعقد. كتب بواسطة: روبرت سيرز، جامعة تينيسي ونيل ستيوارت، جامعة تينيسي
اقرأ أكثر:
يتلقى نيل ستيوارت التمويل من المنظمات الفيدرالية. تم تمويل هذا العمل من قبل وكالة مشاريع الأبحاث الدفاعية المتقدمة. نيل ستيوارت هو مخترع في مجال التكنولوجيا الحيوية النباتية، على الرغم من عدم حصول أي من التقنيات الموضحة في مقالة المحادثة على براءة اختراع.
لا يعمل روبرت سيرز لدى أي شركة أو مؤسسة أو يستشيرها أو يمتلك أسهمًا فيها أو يتلقى تمويلًا منها قد تستفيد من هذه المقالة، ولم يكشف عن أي انتماءات ذات صلة بعد تعيينه الأكاديمي.