Uprawy roślin bez światła? Badacze opracowali nową metodę produkcji żywności

Fotosynteza jest fundamentalną reakcją chemiczną na naszej planecie. Bez niej nie byłoby życia. Nie tylko nie byłoby roślin, ale i zwierząt. Energia niezbędna do podtrzymywania życia pochodzi z promieniowania słonecznego. Jej wykorzystanie możliwe jest dzięki fotosyntezie. Organizmy fotosyntetyzujące potrafią przekształcać światło słoneczne w energię chemiczną. To dzięki niej rośliny potrafią zamieniać światło i CO2 na energię, wytwarzając przy tym tlen. Fotosynteza sprawiła, że możemy oddychać, a rośliny dzięki niej dostarczają nam pożywienie.

Jednak, jak wskazują naukowcy, fotosynteza jest mało efektywna w wychwytywaniu energii. Zaledwie około jednego procenta energii świetlnej jest przekształcane przez rośliny w energię chemiczną. W niedawno opublikowanych analizach, których wyniki oraz opis ukazał się na łamach pisma "Joule" (DOI: 10.1016/j.joule.2024.09.011), naukowcy kierowani przez badaczy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Riverside zaproponowali alternatywne rozwiązanie. Ich nowa metoda produkcji żywności, określana elektro-rolnictwem, nie wymaga światła słonecznego i jest bardziej efektywna od fotosyntezy.

– Jeśli nie będziemy już musieli uprawiać roślin przy użyciu światła słonecznego, możemy oddzielić rolnictwo od środowiska i uprawiać żywność w kontrolowanych warunkach w pomieszczeniach – mówi Robert Jinkerson z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Riverside. – Myślę, że musimy przenieść rolnictwo na następny poziom technologiczny, a kolejnym krokiem musi być produkcja w sposób kontrolowany, oddzielony od natury – dodaje.

Dalsza część artykułu pod materiałem wideo

Elektro-rolnictwo, zgodnie z wizją kalifornijskich badaczy, oznaczałoby zastąpienie pól uprawnych wielopiętrowymi budynkami, w których uprawiane byłyby rośliny. Panele słoneczne na budynkach lub w ich pobliżu pochłaniałyby promieniowanie słoneczne, a ta energia napędzałaby reakcję chemiczną między CO2 a wodą, w wyniku której powstawałby octan — cząsteczka podobna do kwasu octowego, głównego składnika octu.

Octan byłby następnie podawany genetycznie zmodyfikowanym roślinom, które byłyby uprawiane hydroponicznie. Jak wskazują badacze, metodę tę można by również wykorzystać do uprawy innych organizmów produkujących żywność, bo octan jest naturalnie wykorzystywany przez grzyby, drożdże i algi.

Kiełkowanie roślin następuje bez udziału światła. Jednak ta zdolność zanika, gdy rośliny stają się zdolne do fotosyntezy. Odblokowując szlak metaboliczny, którego rośliny kiełkujące używają do rozkładu pokarmu przechowywanego w ich nasionach, umożliwiłoby im wykorzystanie octanu jako źródła energii.

– Próbujemy ponownie włączyć ten szlak u dorosłych roślin i obudzić ich naturalną zdolność do wykorzystywania octanu. To jest analogiczne do nietolerancji laktozy u ludzi. Jako niemowlęta możemy trawić laktozę z mleka, ale u wielu osób ta ścieżka zostaje wyłączona, gdy dorastają. To w zasadzie ten sam pomysł, tylko dla roślin – wyjaśnia Jinkerson.

– Cały sens tego nowego procesu polega na próbie zwiększenia wydajności fotosyntezy – mówi Feng Jiao z Washington University w St. Louis, współautor badań. – W tej chwili mamy wydajność około 4 proc., co jest już cztery razy więcej niż w przypadku fotosyntezy, a ponieważ wszystko jest bardziej wydajne dzięki tej metodzie, ślad węglowy związany z produkcją żywności staje się znacznie mniejszy – podkreśla.

Naukowcy zmodyfikowali genetycznie rośliny tak, by mogły wykorzystywać octan wraz z fotosyntezą. Jednak ich ostatecznym celem jest stworzenie roślin, które mogą uzyskać całą niezbędną energię z octanu, omijając w ten sposób fotosyntezę. W taki przypadku rośliny nie będą potrzebować światła. Obecnie badacze eksperymentują z pomidorami i sałatą, ale wkrótce zamierzają przejść na wysokokaloryczne uprawy, takie jak maniok, słodkie ziemniaki i zboża.

– W przypadku roślin nadal jesteśmy w fazie badań i rozwoju, próbując sprawić, by wykorzystywały octan jako źródło węgla. Rośliny nie ewoluowały, aby rosnąć w ten sposób, ale robimy postępy. Grzyby, drożdże i algi można uprawiać w ten sposób już dziś, więc myślę, że te zastosowania mogłyby zostać skomercjalizowane w pierwszej kolejności, a rośliny później – wskazuje Jinkerson.

Naukowcy planują również dalsze udoskonalanie metody produkcji octanu, aby uczynić system wiązania węgla jeszcze bardziej wydajnym. Szacują, że gdyby cała żywność w USA była produkowana przy użyciu elektro-rolnictwa, zmniejszyłoby to ilość ziemi potrzebnej do uprawy o 94 proc. Metodę tę można by również wykorzystać do uprawy żywności w kosmosie.

Źródło: Cell Press, Popular Science, fot. Feng Jiao/ CC BY-SA