Радикально новый метод в сельском хозяйстве может заменить естественный фотосинтез растений

Новый источник энергии для растений — альтернатива Солнцу

Понятие «фермерство» вызывает в воображении картины пышных зеленых полей под голубым небом, колышущейся на ветру кукурузы или величественных рисовых плантаций на склонах гор. Сельское хозяйство изменило общество и наши пищевые привычки примерно 12 000 лет назад, когда люди перешли от кочевого образа жизни охотников-собирателей к более оседлым поселениям.

В последние столетия инновационное сельскохозяйственное оборудование и синтетические химические удобрения позволили увеличить производство продуктов питания, что дало возможность прокормить все большее количество людей. Но, как известно любому садоводу на приусадебном участке, выращивание растительных продуктов — салата, помидоров, зелени, зерновых, тыквы — по-прежнему основывается на традиционном методе: посадите семена в питательную почву, обеспечьте их хорошим увлажнением и достаточным количеством солнечного света и подождите, пока они прорастут.

У этой стратегии есть и недостатки. Сельское хозяйство использует около половины пригодных для жизни земель на планете, и на его долю приходится до трети выбросов парниковых газов, производимых человеком, — пишут Фэн Цзяо из Вашингтонского университета в Сент-Луисе и его команда в недавнем исследовании.

В чем причина? В то время как солнечные регионы обеспечивают достаточное количество света для выращивания сельскохозяйственных культур, территории с более холодными зимами часто нуждаются в дополнительном освещении и теплицах. Это увеличивает потребление энергии, проблемы с логистикой и, в конечном итоге, расходы на продукты питания.

В своей статье Цзяо и его коллеги приводят аргументы в пользу нового метода, который может кардинально изменить способы ведения сельского хозяйства, а также позволит сократить землепользование и выбросы парниковых газов.

Этот подход, получивший название “электрокультурное земледелие”, основан на использовании солнечных батарей для запуска химической реакции, которая превращает окружающий углекислый газ в источник энергии, называемый ацетатом. Этим веществом питаются некоторые грибы, дрожжи и водоросли. Если внести небольшие генетические изменения в такие распространенные растительные продукты, как зерновые, помидоры или салат-латук, то они также смогут потреблять ацетат.

«Это могло бы стать революцией в сельском хозяйстве», — говорят исследователи.

Согласно некоторым данным, если бы США полностью перешли на электрокультурное земледелие, это сократило бы использование сельскохозяйственных земель почти на 90 процентов. Подобная система могла бы также обеспечить более эффективное выращивание сельскохозяйственных культур в условиях космических полетов, где ключевую роль играет производительность в небольших пространствах. При проведении дальнейших исследований, возможно, ученым даже удастся обойти традиционный фотосинтез с помощью ацетата и выращивать растения в темноте.

«Весь смысл этого нового метода заключается в том, чтобы попытаться повысить эффективность фотосинтеза, — говорит Цзяо в пресс-релизе. — Прямо сейчас мы достигли примерно четырехпроцентной эффективности, что уже в четыре раза выше, чем при естественном фотосинтезе, и поскольку этот метод позволяет оптимизировать производство, выбросы CO₂, связанные с выращиванием продуктов питания, становятся намного меньше».

Революция в сельском хозяйстве

Сельское хозяйство является одной из самых сложных областей в плане сокращения выбросов углерода. По мере увеличения населения планеты его воздействие на окружающую среду, скорее всего, будет расти.

«Существует острая необходимость в переосмыслении глобальной продовольственной системы для поддержания пригодной для жизни планеты», — пишет команда ученых.

Фотосинтез лежит в основе сельского хозяйства. В растениях и некоторых бактериях молекулярные механизмы зеленого цвета, называемые хлоропластами, поглощают солнечный свет и перерабатывают его в энергию. Неслучайно большинство ферм расположены в залитых солнцем районах.

Фермеры и ученые пытаются сократить масштабы сельскохозяйственного производства с помощью вертикального земледелия. Вертикальные фермы позволяют выращивать урожай на стеллажах, а не на больших горизонтальных полях. Этот метод обычно основан на гидропонике, при которой растения поглощают питательные вещества из системы на водной основе, а не из почвы, по аналогии с «умным горшком», только в промышленных масштабах.

Эти системы работают в помещении, поэтому растения могут выращиваться круглый год. Но их сильная зависимость от искусственного освещения приводит к высокому расходу энергии, что ограничивает масштабируемость такого производства.

Отчасти проблема заключается в оптимизации ресурсов. “Значительная часть электроэнергии, подаваемой на светодиодные лампы для выращивания растений в традиционном вертикальном земледелии, теряется из-за перегрева”, — объяснили специалисты.

Электросельскохозяйственная технология обходит эти проблемы. Система захватывает окружающий углекислый газ из воздуха и использует воду и электричество для преобразования газа в различные молекулы, включая этанол и ацетат, которые являются пищей для некоторых видов растений.

Ацетат — это уксусоподобное химическое вещество, лежащее в основе многих биологических реакций. Недавнее исследование показало, что ацетат, полученный из углекислого газа, может использоваться для выращивания дрожжей, грибов и одного из видов зеленых водорослей в полной темноте без необходимости естественного фотосинтеза. При небольшом количестве солнечного света химикат увеличил рост в четыре раза у девяти различных типов сельскохозяйственных культур по сравнению с традиционными методами земледелия.

Эти предварительные результаты заставили ученых задуматься, можем ли мы использовать только ацетат для замены фотосинтеза?

На самом деле, не совсем. Большинству взрослых культурных растений естественным образом требуется фотосинтез для увеличения своего веса и размера. Культурам, выращенным с использованием электросельскохозяйственной технологии, необходимо изменить свой метаболизм, чтобы потреблять ацетат, который большинству взрослых растений трудно перерабатывать в качестве основного источника пищи.

Но растения могут использовать это вещество для получения энергии, когда они только прорастают из семян. Это напоминает людей, которые в детстве пили молоко, но позже у них развилась непереносимость лактозы. Однако генетическое кодирование все еще существует, его просто нужно активировать. Вот тут-то и вступает в действие генная инженерия.

Изменив гены, участвующие в метаболизме ацетата, возможно, удастся пробудить естественную способность растений переваривать эти молекулы. Метод еще не был протестирован напрямую. Тем не менее у бактерий усиление гена, участвующего в метаболизме ацетата, повысило их способность употреблять его в пищу.

По мнению ученых, разработка оборудования, использующего ацетат, является решающим шагом на пути к электрокультурному земледелию.

Такая система будет представлять собой вертикальную конструкцию, которая позволит сократить использование земли, что-то вроде холодильника с тремя секциями. Первая секция — крыша — будет покрыта солнечными батареями для сбора энергии. Средняя секция использует эту энергию для расщепления углекислого газа и получения ацетата для питания растений, размещенных в нижней секции. В зависимости от типа культуры, в этой секции может быть от трех до семи “этажей” растений, расположенных друг на друге, как лотки в холодильнике.

В дикую природу

Электросельскохозяйственная технология может принести пользу окружающей среде, сократив общее использование земли для сельского хозяйства примерно на 88 процентов только в США. Это высвободит более миллиарда акров земли, которые можно будет восстановить для естественных экосистем, таких как густые леса. Технология также может помочь стабилизировать цены на продовольствие. Поскольку погода становится все более непредсказуемой из-за изменения климата, развивающиеся страны часто страдают сильнее всего. Электрокультурное земледелие может помочь снизить рост цен на растительную сельхозпродукцию.

Но сколько все это будет стоить, пока неизвестно. Исследования в этой области все еще находятся на очень ранней стадии. В настоящее время ученые совершенствуют гены томатов и салата-латука, чтобы повысить их способность использовать ацетат в пищу. Следующими в списке идут высококалорийные зерновые культуры, такие как картофель, кукуруза, рис и пшеница. Помимо растений, аналогичная технология теоретически может быть использована для выращивания молочных продуктов и мяса на растительной основе, хотя эта идея еще не была опробована.

«Это только первый шаг в исследовании, и я думаю, есть надежда, что его эффективность и значимость будут значительно повышены в ближайшем будущем», — заключил Цзяо.