Ученые предложили уникальную технологию выращивания растений без света. Эксперименты уже дали обнадеживающие результаты.
Чтобы нормально развиваться, растениям необходим свет – это аксиома. Ведь именно под его воздействием происходит процесс фотосинтеза, в результате которого растительный организм синтезирует органические вещества из неорганических. Конечно, выращивать урожаи без солнечных лучей люди научились уже давно, заменив настоящее светило электрическими лампами. Но ведь было бы здорово, если растения смогли обходиться совсем без света и развиваться в темноте. Долгое время такие мечты оставались обычной фантастикой, но сейчас ученые уже сделали шаг к их воплощению в реальность.
Недавно в издании Nature Food было опубликовано сообщение группы исследователей Делаверского университета (США). В нем описан процесс, который может заменить фотосинтез при выращивании растений, а значит сделать свет необязательным для получения сельскохозяйственной продукции.
Интересно, что разрабатывать новый метод взялись не агрономы или ботаники: руководитель группы исследователей – ученый в области электрохимии Фэн Цзяо. Он экспериментировал с производством ацетата (C2H3O2-) из углекислого газа (CO2). Разработанный учёным процесс предполагает два этапа с использованием электролиза. На первом этапе он применяет электричество для того, чтобы отнять атом кислорода от углекислого газа, и получает монооксид углерода (CO). На втором этапе полученный СО используется для производства ацетата.
Сама по себе идея производства ацетата из углекислого газа с помощью электрохимических реакций не нова. Но предыдущие варианты превращения были менее эффективными, чем двухэтапный процесс, предложенный Фэном Цзяо. Кроме того, его технология позволяет получать в основном именно ацетат, в то время как в результате других появляется также много примесей других углеродных соединений.
О своем методе Фэн Цзяо рассказал на одном семинаре, где присутствовали, в том числе, и биологи. Они заинтересовались технологией и подсказали электрохимику, что она может заменить фотосинтез. Сам Цзяо до того не думал о таком использовании своей разработки.
– Обычно растения не используют пищу, которую не производят сами, – объясняет специалист в области растениеводства из Калифорнийского университета Элизабет Ханн. – Но есть исключения, и ацетат – одно из них. Известно, что водоросли используют ацетат в качестве питательного вещества, когда нет солнечного света. Растения тоже так могут.
Ацетат является строительным материалом для биосинтеза, например, жирных кислот. Таким образом, электрический ток заменяет свет, а сам процесс, разработанный Фэном Цзяо, становится альтернативой фотосинтезу в получении веществ, необходимых для жизнедеятельности растений.
Чтобы проверить, сработает ли идея замены фотосинтеза новой технологией, ученые разных направлений объединились в исследовательскую группу. Прежде всего, решили узнать, будут ли живые организмы использовать ацетат, изготовленный в лаборатории. Они скармливали его водорослям и растениям, содержавшимся в полной темноте. В таких условиях фотосинтез был невозможен. Следовательно, если испытуемые организмы все же будут демонстрировать рост, вызвать его сможет только поглощение и превращение ацетата.
Результаты эксперимента с водорослями оказались положительными. Их поместили в два сосуда. В один добавляли ацетат, а в другом была контрольная популяция, оставленная без такой подкормки. В полной темноте оба образца провели четыре дня. Водоросли, которые подкармливали ацетатом, были ярко зелеными и образовали плотное сообщество, хотя процесс фотосинтеза и не происходил. Очевидно, что они смогли выживать и развиваться за счет ацетата. Более того, в таких условиях наращивали свою массу в четыре раза более эффективно, чем имея доступ к свету. В то же время водоросли из контрольной популяции были бледными и не росли в темноте.
Также вполне успешно удалось вырастить на ацетате дрожжи и грибы. Впрочем, эти организмы и так не нуждаются в свете для своего развития.
Не так все просто оказалось с высшими растениями. Эксперименты провел Маркус Харланд-Данауэй из Калифорнийского университета. Он держал рассаду салата в темноте на смеси ацетата и сахара. Растения не погибли, но и не выросли. Однако ацетат был мечен изотопами углерода, что давало возможность проследить его путь в организме растений. Оказалось, что он стал частью растительных клеток.
– Салат поглощал ацетат и превращал его в аминокислоты и сахара, – заключает Маркус Харланд-Данауэй. – Аминокислоты являются строительными блоками белков, а сахар – топливом для растений. Следовательно, растения могут питаться ацетатом, хотя обычно этого не делают. Таким образом, может потребоваться некоторая «настройка», чтобы заставить растения использовать данный путь вместо фотосинтеза.
В чем же практическое значение исследований? Ведь солнечного света на Земле достаточно. А если появляется необходимость в выращивании растений во время морозной зимы, за полярным кругом, в подвале или в затемненной комнате, солнце уверенно заменяют фитолампы. Однако количество людей на планете все увеличивается, растет и потребность в пище. И любые методы могут оказаться полезными в будущем.
Но наиболее востребованной, по мнению ученых, новая технология может стать при освоении космоса, особенно других планет. Когда астронавты долго находятся на борту космической станции, они вынуждены питаться особым образом обработанной пищей. Конечно, о свежих овощах и фруктах речь не идет. А они нужны, как с точки зрения разнообразия рациона, так и для более естественного пополнения в организме запаса витаминов, минералов и других необходимых веществ. Поэтому эксперименты по культивированию растений в космосе проводятся давно.
Астронавтам уже даже удавалось попробовать зелень, выращенную собственноручно во время полета. Испытаны и варианты употребления в пищу водорослей, вырастить которые проще, чем растения. Но ацетатный способ может дать дополнительные возможности для успешного космического земледелия, ведь в перспективе обещает быть более энергоэффективным, чем традиционный с применением фитоламп.
– Новый процесс может найти применение даже на поверхности Марса, – считает Фэн Цзяо. – Даже в космосе астронавты будут иметь доступ к электричеству. Возможно, у них на борту космического корабля будет ядерный реактор, который станет его производить. Электричество, а не свет сможет однажды обеспечить рост растений, что станет особым благом для космических миссий.
Но производство продуктов – не единственная проблема, которую сможет решить новая технология. Она еще и будет способствовать очищению воздуха на борту или в космическом поселении.
– Слишком много СО2 – одна из проблем, с которой столкнутся космические путешественники, – говорит специалист NASA по растениям в Космическом центре Кеннеди на мысе Канаверал Мэтью Ромейн. – Углекислый газ выходит с каждым выдохом космонавтов. Его концентрация в космическом корабле может достигать нездорового уровня. Прекрасно, если у кого-либо есть способ эффективного использования углекислого газа, чтобы сделать из него что-то действительно полезное.
Технология, разработанная Фэном Цзяо, не только удаляет СО2, но и позволяет после определенных превращений получить кислород и растительную пищу. Мэтью Ромейн убежден, что в этом состоит большое преимущество метода.
Ученые планируют и дальше продолжать свои эксперименты. И, возможно, они станут основой для земледелия будущего – как на Земле, так и в космической темноте.
Поділитись в соцмережах:
