Могат ли растителните култури да се развиват на тъмно? Първата стъпка е факт

Наука • •

Нови експерименти предполагат, че може да стане възможно отглеждането на растения без фотосинтеза. В бъдеще това може да помогне за изхранването на астронавтите и пренаселената планета.

Разсадът на рапица може да поеме ацетат - просто органично въглеродно съединение, което изследователите са направили от въглероден диоксид и вода, изп...

Разсадът на рапица може да поеме ацетат - просто органично въглеродно съединение, което изследователите са направили от въглероден диоксид и вода, използвайки изкуствена фотосинтеза.

© Маркус Харленд Дануей

Научнофантастичните истории представят хората на бъдещето, които живеят в подземни градове на Марс, във вътрешността на астероиди и в космически станции, далеч от Слънцето. Но ако хората искат наистина да могат да оцеляват в някоя от тези сурови, извънземни среди, те ще се нуждаят от начини да отглеждат храна, използвайки ограничени ресурси. И фотосинтезата, изключително успешният, но енергийно неефективен процес, чрез който растенията превръщат слънчевата светлина в захар, може да не е проблем.

И така, възможно ли е да се произвежда храна, като напълно се прескочи фотосинтезата, а растенията се развиват на тъмно?

Идеята звучи толкова фантастично, колкото и градове на Марс. Но сега екип от изследователи направи първа стъпка към нейното реализиране с проучване, публикувано в Nature Food през юни. Изследването показва, че е възможно да се отглеждат водорасли, ядливи дрожди и гъби на тъмно, като се подхранват с въглеродно съединение, наречено ацетат. Ацетатът не се произвежда от растенията, а чрез слънчево електричество. Учените се надяват, че този метод, който представлява вид изкуствена фотосинтеза, може да отключи нови начини за производство на храна, използвайки по-малко пространство и енергия в сравнение с традиционното земеделие. Включително, може би, култури, които могат да растат на тъмно.

Въпреки че други експерти са скептични, че някога ще бъде възможно да се промени биологията на растенията толкова радикално, те също са развълнувани от технологията, разработена от изследователите, и от концепцията на екипа за това как производството на храни да стане по-ефективно.

„Трябва да намерим начини за по-ефективно отглеждане на растения“, казва съавторът на изследването Фън Джиао, професор по химическо и биомолекулярно инженерство в Университета на Делауеър. „Кое [решение] е най-доброто? Мисля, че красотата на науката е, че изследваме всички възможности.“

“По-ефективен от природата”

С изключение на няколко екстремни среди като дълбоководни горещи извори, поддържани от химическата енергия на сероводорода, извиращ от пукнатини в морското дъно, целият живот на Земята се захранва от Слънцето. Дори върхови хищници като тигрите и акулите са част от сложни хранителни вериги, които ги връщат към растенията, а в океаните - към малките зелени водорасли. Тези така наречени първични производители имат биологична суперсила: способността да създават органичен въглерод от въглероден диоксид чрез фотосинтеза - биохимичен процес, захранван от слънчева светлина.

Изследователите откриха, че няколко вида гъби (белите в тези изображения), могат да растат, използвайки ацетат от слънчевия електролизер като единстве...

Изследователите откриха, че няколко вида гъби (белите в тези изображения), могат да растат, използвайки ацетат от слънчевия електролизер като единствен източник на въглерод и енергия.

© Робърт Джинкерсън

Но докато фотосинтезата е от съществено значение за живота такъв, какъвто го познаваме, тя не е особено ефективна: само около 1% от слънчевата светлина, която пада върху растенията, се улавя и използва за производството на органичен въглерод. Тази неефективност е предизвикателство, ако хората поискат да изградят самоподдържащо се присъствие в Космоса, където ще бъде жизненоважно да се произвежда храна с възможно най-малко ресурси.

А днес това вече е проблем и на Земята, тъй като човешката популация се увеличава, а земята е изтощена от земеделието.

Някои учени смятат, че културите биха могли да фотосинтезират по-ефективно чрез генно инженерство. Изследователите зад новото проучване предлагат нещо по-необичайно - замяна на биологичната фотосинтеза с частично изкуствен процес за превръщане на слънчевата светлина в храна. Техният процес е версия на изкуствена фотосинтеза, термин, който съществува от години и обхваща различни подходи за превръщане на слънчева светлина, вода и CO2 в течни горива и химикали като формиат, метанол и водород. Изследователите зад новото проучване казват, че тяхната работа е първият път, когато система за изкуствена фотосинтеза е съчетана с опит за отглеждане на обикновени организми, произвеждащи храна.

Системата им се основава на електролиза - използване на електрически ток за задвижване на химични реакции в устройство, наречено електролизатор. Изследователите създават двустепенна електролизна система, захранвана от слънчева енергия, която превръща въглеродния диоксид и водата в кислород и ацетат (просто съединение на основата на въглерод).

След това те подават този ацетат на Chlamydomonas reinhardtii - фотосинтезиращо зелено водорасло. Изследователите захранват с ацетат и хранителни дрожди, произвеждащи гъби, които не фотосинтезират сами, а изискват органичен въглерод, произвеждан от растенията, за да се развиват.

Всички тези организми са в състояние да поемат ацетата и да растат на тъмно, независимо от слънчевата светлина или фотосинтетично извлечения въглерод.

Вид водорасли, наречени Chlamydomonas, се развиват добре на тъмно в колба, съдържаща ацетат (вдясно). Контролната колба (вляво) не съдържа ацетат.

Вид водорасли, наречени Chlamydomonas, се развиват добре на тъмно в колба, съдържаща ацетат (вдясно). Контролната колба (вляво) не съдържа ацетат.

© Елизабет Хан

В сравнение с фотосинтезата, процесът е изненадващо ефективен. Използвайки изкуствена фотосинтеза, зелените водорасли могат да преобразуват слънчевата енергия в биомаса около четири пъти по-ефективно, отколкото културите, използващи биологична фотосинтеза. Дрождите, отглеждани чрез този процес, са почти 18 пъти по-енергийно ефективни от културите.

„Това е едно от ключовите предимства на използването на изкуствени пътища в сравнение с пътищата на природата“, казва Дзяо.

Възможно ли е да отглеждам растителни култури на тъмно

Учените вече знаят, че водораслото C. reinhardtii може да расте чрез ацетат на тъмно, но според водещия автор на изследването Робърт Джинкерсън от Калифорнийския университет, това е първият път, когато C. reinhardtii е отгледан чрез ацетат, който не идва от фотосинтеза или от фосилни останки от древна фотосинтеза. И това е съществено.

„Това е първият път, когато някой фотосинтетичен организъм, като водорасло или растение, израства независимо от фотосинтезата, откакто еволюира“, казва Джинкерсън.

След като отглеждат водорасли без фотосинтеза, изследователите се обръщат към по-сложен въпрос: Могат ли да отглеждат културни растения?

Марулята използва ацетата, но само до известна степен. Растенията все пак се нуждаят от слънчева светлина, за да растат. Разработването на култури, ко...

Марулята използва ацетата, но само до известна степен. Растенията все пак се нуждаят от слънчева светлина, за да растат. Разработването на култури, които могат да растат на тъмно, остава голямо техническо предизвикателство, което вероятно ще изисква генно инженерство.

© Маркус Харленд Дануей

Първоначалните им резултати са обнадеждаващи. На тъмно изследователите отглеждат тъкан от маруля в течна суспензия, съдържаща ацетат, потвърждавайки, че тя може да поеме и метаболизира въглероден източник, доставен отвън.

А когато отглеждат цели растения маруля на светлина (както и ориз, рапица, домати и няколко други видове култури), но ги хранят с допълнителен ацетат, те откриват, че растенията включват ацетат в тъканта си. Ацетатът, може да бъде проследен както в аминокиселини, така и в захари, което предполага, че растенията могат да го използват за поддържане на различни метаболитни процеси.

Проучването обаче не показва, че цели растения могат да се отглеждат изцяло чрез ацетат, без достъп до слънчева светлина. Експериментите с маруля показват, че твърде много ацетат всъщност потиска растежа им. В момента екипът на Джинкерсън работи в лабораторията, за да направи растенията по-толерантни към ацетата. Това ще бъде необходимо, за да може методът на екипа за изкуствена фотосинтеза да подпомогне съществено растежа на растенията и производството на храна.