دانشمندان درصدد پرورش گیاهان در تاریکی هستند

دلایل زیادی برای تشکر از فتوسنتز وجود دارد. اولین دلیل، وجود خودمان است. حدود سه میلیارد سال پیش، گروهی از میکروب‌ها به نام سیانوباکترها راهی برای تبدیل نور و آب به انرژی پیدا کردند و طی این فرایند اکسیژن آزاد می‌کردند. این میکروب‌ها درنهایت اکسیژن را وارد اتمسفر کردند و آن را از محیطی سمی که عمدتاً از نیتروژن و کربن‌دی‌اکسید تشکیل شده بود، به ترکیبی تبدیل کردند که می‌توانست از حیات حمایت کند.

همین فرایند در ابتدای هر چیزی که می‌خوریم، نیز وجود دارد. گیاهان از نور خورشید، آب و کربن‌دی‌اکسید استفاده می‌کنند تا رشد کنند و انسان‌ها گیاهان را به‌طور مستقیم مصرف می‌کنند یا پس از اینکه به بخشی از حیوان یا غذای دیگری تبدیل شد، به‌طور غیرمستقیم آن را مصرف می‌کنند. تمام انرژی که درنهایت به بدن ما می‌رسد، با نور خورشید که توسط گیاهان طی فرایند فتوسنتز گرفته می‌شود، آغاز می‌شود.

فقط مشکل کوچکی در این سیستم وجود دارد: گیاهان در تبدیل نور خورشید به رشد بازده بسیار پایینی دارند. طبق برخی از تخمین‌ها، گیاهان با بازدهی به پایینی یک درصد، نور خورشید و کربن‌دی‌اکسید را به زیست‌توده جدید تبدیل می‌کنند.

رابرت جینکرسون، استاد دانشگاه کالیفرنیا در ریورساید بازده پایین فتوسنتز را به‌عنوان مشکل مهندسی درنظر گرفت. اگر بتوانیم انرژی بیشتری از هر اینچ مربع نور خورشید بگیریم، می‌توانیم زمین موردنیاز برای رشد غذای خود را کاهش دهیم. جینکرسون می‌گوید: «هدف نهایی ما تغییر طرز فکر موجود درباره کشاورزی و نحوه تولید محصولات کشاورزی است. اگر بتوانیم ازنظر منطقه موردنیاز برای تولید غذای لازم برای انسان کارآمدتر عمل کنیم، می‌توانیم زمین‌های کشاورزی را به طبیعت برگردانیم.»

یکی از روش‌های انجام این کار ممکن است پرورش محصولات کشاورزی در تاریکی با استفاده از برقی باشد که توسط پنل‌های خورشیدی فراهم می‌شود. بازده پنل‌های خورشیدی در تبدیل نور خورشید به انرژی بسیار بالاتر از بازده گیاهان است.

در مقاله جدیدی که در مجله‌ی Nature Food منتشر شده است، جینکرسون و همکارانش استفاده از پنل‌های خورشیدی را برای تأمین انرژی فرایندی توصیف می‌کنند که الکتروکاتالیز نامیده می‌شود. طی این فرایند مایعی تولید می‌شود که جلبک‌ها، مخمرها و گیاهان می‌توانند به‌جای نور خورشید از آن برای رشد خود استفاده‌ کنند.

پژوهشگران از پنل‌های خورشیدی برای به کار انداختن دستگاهی استفاده کردند که کربن‌دی‌اکسید، برق و آب را به استات تبدیل می‌کرد. استات مولکولی است که می‌تواند در آب رقیق شود و برای تغذیه گیاهان استفاده شود. آن‌ها سپس این مخلوط را به جلبک، مخمر، قارچ خوراکی و برخی از محصولات متداول ازقبیل لوبیا چشم‌بلبلی، گوجه‌فرنگی، کلزا و برنج تغذیه کردند.

جلبک‌ها و مخمر در مخلوط استات به خوبی عمل کردند که چندان تعجب‌آور نبود، زیرا دانشمندان از قبل می‌دانستند که این گونه‌ها می‌توانند استات را مصرف کنند؛ نکته تعجب‌آور این بود که گیاهان نیز استات را مصرف کردند و حتی با اینکه در تاریکی کامل قرار داشتند، رشد کردند.

اما قبل از اینکه گیاهان گوجه فرنگی را در کابینت خود بگذارید، ادامه مطلب را بخوانید.

اما این فناوری می‌تواند موردتوجه مزارع عمودی باشد که از لامپ‌های LED برای تأمین انرژی موردنیاز فتوسنتز گیاهان خود استفاده می‌کنند که هزینه بسیار بالایی دارد.

جینکرسون فکر می‌کند اگر پژوهشگران بتوانند راهی برای رشد گیاهان گوجه‌فرنگی در محیط دارای استات پیدا کنند،‌ استفاده از برق برای تولید استات به‌جای تولید نور، می‌تواند روش پربازده‌تری ازنظر انرژی برای مزارع عمودی باشد.

اما حتی اگر بتوانیم گیاهان گوجه‌فرنگی بیشتری را به فضاهای بسته بیاوریم، لزوما زمین زیادی برای بازگشت طبیعت آزاد نخواهد شد.‌ بیشتر اراضی کشاورزی به منظور چرای دام‌ها یا کشت غذای آن‌ها استفاده می‌شود. بخش زیادی از زمین‌های باقیمانده برای پرورش محصولاتی نظیر گندم، سویا یا ذرت استفاده می‌شود و تنها بخش نسبتاً کمی از زمین‌ها برای پرورش میوه‌ها و سبزیجات استفاده می‌شود. پرورش این نوع محصولات در فضای بیرون ارزان است، بنابراین سرمایه‌گذاری مقدار زیادی وقت و هزینه برای پرورش آن‌ها در فضاهای بسته چندان منطقی به‌نظر نمی‌رسد.

پرورش گیاهان در تاریکی ممکن است در مکان‌هایی که در آن کمبود انرژی و فضا وجود دارد (مثلاً در مأموریت‌های فضایی) مفید باشد، اما برای بیشتر محصولات کشاورزی روی زمین مناسب نیست (پروژه جینکرسون همچنین یکی از برندگان مرحله اول مسابقه «چالش غذای اعماق فضا» بود که ناسا آن را برگزار می‌کند. برای مرحله دوم، تیم نمونه آزمایشی از دستگاه پرورش‌دهنده غذا را می‌سازد و دراختیار ناسا قرار می‌دهد).

الیزابت کارمو سیلوا، استاد فیزیولوژی گیاهان در دانشگاه لنکستر بریتانیا می‌گوید، روش‌های زیادی برای استفاده کارآمدتر از زمین‌های زراعی وجود دارد. کاهش ضایعات غذایی، خوردن گوشت کمتر و مصرف محصولات کمتر برای تولید سوخت زیستی به ما کمک می‌کند تا به ازای هر هکتار زمین، کالری خوراکی بیشتری به دست آوریم. علاوه‌بر‌این دلایل دیگری وجود دارد که نباید فتوسنتز را متوقف کنیم.

کارمو سیلوا می‌گوید: «چیز دیگری نداریم که اکسیژن و غذا را با هزینه بسیار پایینی برای ما فراهم کند.» او درحال کار روی پروژه‌ای برای افزایش بازده فتوسنتز گیاه لوبیا چشم‌بلبلی است که در آفریقا و آسیا محصول مهمی محسوب می‌شود. او می‌گوید: «اگر می‌خواهیم با چالش امنیت غذایی مقابله کنیم و در همه جای جهان امنیت غذایی داشته باشیم، باید با استفاده از چندین راه‌حل این مشکل را رفع کنیم.»

تیم او درحال بررسی این موضوع است که آیا می‌تواند از تلاقی‌گری یا ویرایش ژن برای تولید نسخه‌هایی از لوبیا چشم‌بلبلی استفاده کند که بازده فتوسنتز آن‌ها ۲۰ درصد بالاتر باشد.

آماندا کاوانا، دانشمند علوم گیاهی از دانشگاه اسکس بریتانیا معتقد است که پیدا کردن راه‌هایی برای بهبود فتوسنتز به جای دور زدن آن ممکن است درنهایت تأثیر بیشتری بر جهان داشته باشد. او می‌گوید: «برای محصولاتی نظیر سویا، ذرت یا گندم، فتوسنتز ناکارآمد احتمالاً هنوز بهترین چیزی است که می‌توانیم روی آن کار کنیم تا به تولید بیشتری برسیم.»

اما کار جینکرسون همچنین سؤالات پیچیده‌ای را درمورد انوع غذاهایی که مردم قبول خواهند کرد، ایجاد می‌کند. بخش عمده‌ای از کار روی بهبود فتوسنتز شامل ویرایش ژن گیاهان است که هنوز در بخش‌هایی از جهان خصوصاً در اتحادیه اروپا فناوری بحث‌برانگیزی محسوب می‌شود.

کدام‌یک طبیعی‌تر است: گیاهی که ازنظر ژنتیکی ویرایش شده یا گیاهی که هرگز نور خورشید را ندیده است؟ کاوانا می‌گوید، اگر روزی موفق شویم گوجه‌فرنگی‌ را در تاریکی پرورش دهیم، آیا هنوز طعم آن‌ها مانند گوجه‌فرنگی‌هایی است که در هوای آزاد پرورش پیدا می‌کنند؟

اگر دستگاه آزمایشی جینکرسون طبق برنامه‌ریزی‌های انجام‌شده، کار کند، فضانوردان ناسا ممکن است اولین افرادی باشند که پاسخ این سؤال را پیدا می‌کنند.