Более эффективным способом использования солнечной энергии для производства пищи может быть питание растений солнечными батареями вместо фотосинтеза. Но это не все хорошие новости.
НАМ ЕСТЬ ЗА что благодарить фотосинтез. Для начала, все наше существование. Около 3 миллиардов лет назад группа микробов, называемых цианобактериями, разработала способ превращать свет и воду в энергию, выделяя при этом кислород. Эти микробы в конечном итоге наполнят нашу атмосферу кислородом, превратив ее из токсичных миазмов, состоящих в основном из азота и углекислого газа, в жизнеобеспечивающую смесь, которую мы имеем сегодня. Все это — растения, люди, собаки, Netflix, мороженое — началось с фотосинтеза, более или менее.
Тот же процесс лежит в основе всего, что мы едим. Растения используют солнечный свет, воду и углекислый газ для роста, а затем люди либо едят эти растения непосредственно, либо после того, как они стали частью животного, гриба или чего-то еще, что мы любим жевать. Вся энергия, которая попадает в наш организм, поступает от солнечного света, улавливаемого растениями в процессе фотосинтеза. В этой системе есть лишь небольшая загвоздка — растения на самом деле довольно плохо превращают солнечный свет в рост. По некоторым оценкам, растения преобразуют солнечный свет и углекислый газ в новую биомассу с эффективностью всего 1 процент.
Роберт Джинкерсон, профессор Калифорнийского университета в Риверсайде, посмотрел на низкую эффективность фотосинтеза и увидел инженерную проблему. Если мы сможем выжимать больше энергии из каждого квадратного дюйма солнечного света, то сможем сократить общее количество земли, необходимое нам для выращивания продуктов питания. “Наша конечная цель - изменить то, как мы думаем о том, как выращивать урожай и вести сельское хозяйство”, - говорит Джинкерсон. “Если мы сможем более эффективно использовать площадь, необходимую для производства продуктов питания, необходимых человечеству, тогда мы сможем превратить сельскохозяйственные угодья обратно в естественные земли”.
Один из способов сделать это - выращивать урожай в темноте, используя электричество, вырабатываемое солнечными батареями, которые во много раз эффективнее растений превращают солнечный свет в энергию. В новой научной статье, опубликованной в журнале Nature Food, Джинкерсон и его коллеги описывают использование солнечных батарей для питания процесса, называемого электрокатализом, который создает жидкость, которую водоросли, дрожжи и растения могут использовать для выращивания вместо солнечного света.
Исследователи использовали солнечные батареи для запуска машины, которая преобразует углекислый газ, электричество и воду в ацетат — молекулу, которую можно растворить в воде и использовать для питания растений. Затем они скормили эту смесь водорослям, дрожжам, грибам и ряду обычно выращиваемых растений, включая коровий горох, помидоры, рапс и рис. И водоросли, и дрожжи довольно эффективно росли на ацетатной смеси, что неудивительно, поскольку ученые уже знают, что эти виды могут есть ацетат. Что было более удивительно, так это то, что культурные растения также потребляли ацетат и росли, хотя они росли в полной темноте.
Но прежде чем вы уберете свои помидоры в шкаф, хочу предупредить. Джинкерсон и его коллеги знали, что растения поедают ацетат, только потому, что они растворили их после того, как они немного подросли, и проанализировали их, чтобы увидеть, содержат ли они какие-либо молекулы углерода из ацетата. Но если дать растениям достаточно ацетата для роста, они окажутся токсичными для них, поэтому, хотя технически растения могут расти на ацетате, они не совсем процветают на нем.
Это означает, что мы далеки от возможности выращивать любые обычные коммерческие культуры в темноте. Но эта технология может представлять интерес для вертикальных ферм, которые уже оплачивают огромные счета за электроэнергию из-за светодиодных ламп, которые обеспечивают фотосинтез для своих растений. Джинкерсон считает, что если исследователи смогут найти способ выращивания томатов, которые действительно процветают на ацетате, это может стать гораздо более энергоэффективным способом для вертикальных ферм перенаправлять электроэнергию на производство ацетата вместо освещения.
Но даже если бы мы могли посадить больше помидоров в помещении, это не обязательно освободило бы много земли для возвращения к природе. Большая часть сельскохозяйственных угодий используется под пастбища для выпаса животных или для выращивания корма для животных. Большая часть оставшейся земли используется для выращивания товарных культур, таких как пшеница, соя или кукуруза, и лишь относительно небольшое количество земли используется для выращивания фруктов и овощей. Эти товарные культуры чрезвычайно дешевы для выращивания на открытом воздухе, поэтому тратить много времени и денег на их выращивание в помещении не имеет большого смысла. Выращивание растений в темноте может быть полезным в местах, где не хватает энергии и места, например, при космическом полете на Марс, но это не подходит для большинства культур на Земле. (Проект Джинкерсона также был одним из победителей первого этапа конкурса NASA Deep Space Food Challenge. На следующем этапе команда создаст прототип устройства для выращивания продуктов питания, чтобы поделиться им с космическим агентством.)
Уже существует множество способов более эффективного использования пахотных земель, отмечает Элизабете Кармо-Сильва, профессор физиологии сельскохозяйственных культур в Университете Ланкастера в Великобритании. Сокращение пищевых отходов, потребление меньшего количества мяса и сжигание меньшего количества урожая для производства биотоплива - все это помогает нам получать больше съедобных калорий с каждого гектара земли. И мы пока не должны списывать фотосинтез со счетов.
“У нас нет ничего другого, что могло бы обеспечить нас кислородом и пищей практически без особых затрат”, - говорит Кармо-Сильва. В настоящее время она работает над проектом по повышению эффективности фотосинтеза коровьего гороха — важной культуры в Африке и Азии. “Если мы действительно хотим решить проблему продовольственной безопасности и обеспечить продовольственную безопасность во всем мире, нам нужно решить ее с помощью нескольких решений”, - говорит она. Ее команда изучает, возможно ли использовать селекцию или редактирование генов, чтобы создать версии коровьего гороха, которые на 20 процентов эффективнее, когда дело доходит до фотосинтеза.
Поиск способов улучшить фотосинтез, а не обходить его совсем, может в конечном итоге оказать большее влияние на мир, говорит Аманда Кавана, специалист по растениям из Университета Эссекса в Великобритании. “Для таких продуктов, как соя, кукуруза или пшеница, наш неэффективный фотосинтез, вероятно, все еще будет нашим лучшим выбором для получения прибыли от этих культур”.
Но работа Джинкерсона также поднимает некоторые сложные вопросы о том, какую пищу люди будут принимать. Большая часть работы по улучшению фотосинтеза связана с генным редактированием растений, что все еще является спорной технологией в некоторых частях мира, особенно в ЕС. Что естественнее: отредактированное генами растение или то, которое никогда не видело солнечного света? И если однажды нам удастся вырастить помидоры в темноте, говорит Кавана, будут ли они такими же вкусными, как те, что выращены на открытом воздухе? Если прототип устройства для выращивания продуктов питания Джинкерсона будет работать так, как планировалось, астронавты НАСА могут первыми получить ответ.
