Κάθε χρόνο, οι αμερικανοί αγρότες χάνουν έως και 12% των καλλιεργειών τους σε ασθένειες και άλλα 12% σε παράσιτα. Τα αδύναμα φυτά αντιπροσωπεύουν δισεκατομμύρια δολάρια σε χαμένο κέρδος στη γεωργική βιομηχανία.
Το πρόβλημα είναι ότι οι ασθένειες των φυτών είναι δύσκολο να εντοπιστούν πριν είναι πολύ αργά. Με το πέρασμα του χρόνου υπάρχουν ορατά συμπτώματα - φύλλα με πρήξιμο, για παράδειγμα, ή αποχρωματισμός - η ασθένεια έχει προχωρήσει αρκετά ώστε να είναι ανυπόφορη.
Αλλά τα φυτά αφήνουν το περιβάλλον τους να ξέρει όταν είναι άρρωστοι ή υπό επίθεση, απλά δεν με τρόπο που ποτέ δεν καταφέραμε να καταλάβουμε σε πραγματικό χρόνο - μέχρι τώρα. Μια ομάδα μηχανικών με επικεφαλής τον Gary McMurray, επικεφαλής τμήματος για την τεχνολογία επεξεργασίας τροφίμων στο Γεωργιακό Ινστιτούτο Τεχνολογίας (Georgia Tech), έχει αναπτύξει μια μέθοδο για την παρακολούθηση και αποκωδικοποίηση αυτών των μηνυμάτων, ώστε να επιτρέπουν στους αγρότες να εντοπίζουν και να θεραπεύουν ασθένειες προτού να ριζωθούν. Το όραμά του: ρομποτικά όπλα που συλλαμβάνουν και αναγνωρίζουν τα φυσικά σήματα των φυτών κατά τη διάρκεια της πτήσης.
Όλα τα φυτά παράγουν φυσικά σήματα, με τη μορφή πτητικών οργανικών ενώσεων (ΠΟΕ), για να προειδοποιήσουν τα περίχωρα όσων τους επιτίθενται. Το σύστημα McMurray συλλαμβάνει αυτές τις ενώσεις χρησιμοποιώντας μια μικρογραφία εκδοχή ενός αέριου χρωματογράφου (που ονομάζεται micro GC). Οι συσκευές, οι οποίες αναπτύχθηκαν αρχικά γύρω στις αρχές του 20ου αιώνα, χρησιμοποιούνται για να διαχωρίζουν τα χημικά μέσα σε πολύπλοκα δείγματα - στην περίπτωση του McMurray, τα αέρια που εκπέμπει ένα φυτό. Καθώς το αέριο θερμαίνεται και διέρχεται από μια στήλη, και ένας ηλεκτρονικός αισθητήρας ανιχνεύει τις ενώσεις που περιέχει το δείγμα.
Δεν υπάρχει τσίμπημα ή σκασίρισμα των δειγμάτων και εκτέλεσή τους πίσω στο εργαστήριο για ανάλυση - μια διαδικασία που μπορεί να πάρει μέρες ή εβδομάδες για να ολοκληρωθεί. Όλες οι πληροφορίες που χρειάζεται το μικρο GC είναι στον αέρα, δηλαδή η θεραπεία ασθενειών ή η αποθήκευση φυτών από αυτά, θα μπορούσε να γίνει πολύ πιο γρήγορα.
Οι εφαρμογές για αέρια χρωματογραφία τείνουν πολύ πέρα από τις καλλιέργειες. Το Υπουργείο Εσωτερικής Ασφάλειας, για παράδειγμα, τα χρησιμοποιεί για την ανίχνευση ορισμένων τύπων αερίων και επικίνδυνων χημικών ουσιών. Και οι ερευνητές τους χρησιμοποιούν επίσης για να ελέγξουν για ορισμένους τύπους πεπτικών ασθενειών στους ανθρώπους.
Παραδοσιακά, οι χρωματογράφοι ήταν μεγάλες συσκευές οπουδήποτε μήκους από 3 έως 10 μέτρα. οι εξελίξεις στα νανοϋλικά και την κατασκευή επέτρεψαν στον McMurray να δημιουργήσει ένα που είναι το μέγεθος μίας μπαταρίας 8 βολτ.
"Δεν θα μπορούσαμε ποτέ να χτίσουμε αυτό. ακόμη και πριν από πέντε χρόνια δεν θα ήταν εφικτό ", λέει.
Το Micro GC της McMurray θα μπορούσε να τοποθετηθεί σε ρομποτικό βραχίονα σε υπάρχοντα αγροτικό εξοπλισμό, όπως τρακτέρ ή άροτρο. Ο βραχίονας θα κρατά τη συσκευή πάνω από τα φυτικά φύλλα και θα συλλέγει δείγματα αέρα. Ένας μικρός υπολογιστής, όχι πιο ισχυρός από έναν βασικό φορητό υπολογιστή ή iPhone, μπορεί στη συνέχεια να επεξεργαστεί δεδομένα από τα δείγματα για τον εντοπισμό παθογόνων παραγόντων. ένα γρήγορο ξέπλυμα ηλίου προετοιμάζει τον αισθητήρα για να αξιολογήσει το επόμενο δείγμα του.
Επειδή είναι τόσο μικροί, "[μπορούμε] να κατασκευάσουμε πολλαπλές GCs σε ένα ρομπότ", λέει ο McMurray. "Μπορώ να έχω 10, 20, ακόμα και 100 από αυτούς σε ένα μόνο τρακτέρ".
Αυτό σημαίνει ότι ένας ελκυστήρας θα μπορούσε να συγκεντρώνει δείγματα από μίσχους, ρίζες και μπουμπούκια ταυτόχρονα.
Το σύστημα Micro GC θα μπορούσε επίσης να χρησιμοποιηθεί για την εξέταση όλων των τροφίμων μας - από φρούτα σε λαχανικά και σπόρους - για ασθένειες.
"Τα φρέσκα προϊόντα που αποστέλλονται γύρω από τον κόσμο μπορεί να φέρουν διάφορα παράσιτα ή ασθένειες. Αν έχετε κάποιο είδος αισθητήρα που μπορεί να αναπτυχθεί στον τομέα ή κινητό, θα μπορούσατε να ανιχνεύσετε τις ΠΟΕ που προέρχονται από τα φυτά ", αξίζει ο McMurray. "Θα μπορούσε να λύσει μερικά πολύ μεγάλα προβλήματα."
Η ομάδα ολοκληρώνει επί του παρόντος τις εργαστηριακές δοκιμές για το μικρο GC για να βεβαιωθεί ότι τα αποτελέσματά της είναι συνεπή με εκείνα των μεγαλύτερων χρωματογράφων. Τον Αύγουστο ή τον Σεπτέμβριο, θα πραγματοποιήσουν την πρώτη δοκιμή πεδίου, στην οποία ένας ερευνητής θα περπατήσει ένα μικρο GC μέσω πεδίων ροδακινιάς για να δοκιμάσει το Peachtree Root Rot.
Ενώ αυτή η αρχική εξέταση θα επικεντρωθεί σε μια συγκεκριμένη ασθένεια, η αέρια χρωματογραφία μπορεί να διαβάσει για δεκάδες παθογόνους παράγοντες ταυτόχρονα, γεγονός που το διακρίνει και από άλλες προσεγγίσεις, λέει ο McMurray.
Ακόμη και με την τεχνολογία, οι παθολογοανατόμοι των φυτών θα χρειαστεί να χαρτογραφήσουν τις εκπομπές πτητικών οργανικών ενώσεων που συνδέονται με ορισμένα σχέδια και ορισμένες ασθένειες.
Τα φυτά των οποίων οι εκπομπές πτητικών οργανικών ενώσεων είναι ήδη καλά τεκμηριωμένες θα έχουν ένα πόδι-up όταν μικροσκοπική εξέταση GC γίνεται σε εξέλιξη? άλλοι θα απαιτήσουν περισσότερο χρόνο και έρευνα για τη διάγνωση και τη θεραπεία. "Το παθογόνο που επιλέξαμε, κανείς δεν ξέρει τίποτα", λέει ο McMurray, "αλλά, για παράδειγμα, υπάρχουν πολλά γνωστά για ορισμένους μύκητες".
Αλλά το Georgia Tech micro GC είναι ένα σημαντικό σημείο καμπής στη χρηστικότητα και την επεκτασιμότητα, λέει ο McMurray.
"Αυτό που πιστεύουμε ότι είναι μοναδικό", λέει ο McMurray, "αυτές οι νέες διαδικασίες κατασκευής ανοίγουν μια νέα εποχή αισθητήρων".
