Без світла й фотосинтезу: як виростити врожай у космічній темряві

Перегляди: 374
13.09.2022
Без світла й фотосинтезу: як виростити врожай у космічній темряві

Науковці запропонували унікальну технологію вирощування рослин без світла. Експерименти вже дали обнадійливі результати.


Щоб нормально розвиватися, рослинам необхідне світло – це аксіома. Адже саме під його дією відбувається процес фотосінтеза, в результаті якого рослинний організм синтезує органічні речовини з неорганічних. Звісно, вирощувати врожаї без сонячних променів люди навчилися вже давно, замінивши справжнє світило електричними лампами. Але ж було б чудово, якщо рослини змогли обходитися зовсім без світла й розвиватися у темряві. Тривалий час такі мрії залишалися звичайною фантастикою, та нині науковці вже зробили крок до їх втілення у реальність.


Нещодавно у виданні Nature Food було опубліковане повідомлення групи дослідників Делаверского університету (США). У ньому описаний процес, який може замінити фотосинтез під час вирощування рослин, а отже – зробити світло необов’язковим для отримання сільськогосподарської продукції.


Цікаво, що розробляти новий метод взялися не агрономи чи ботаніки: керівник групи дослідників – науковець у галузі електрохімії Фен Цзяо. Він експериментував з виробництвом ацетату (C2H3O2-) з вуглекислого газу (CO2). Розроблений вченим процес передбачає два етапи з використанням електролізу. На першому етапі він застосовує електрику для того, щоб відняти атом кисню від углекислого газу, й отримує монооксид вуглецю (CO). На другому етапі одержаний СО використовує для виробництва ацетату.


Сама по собі ідея виробництва ацетату з вуглекислого газу за допомогою електрохімічних реакцій не нова. Але попередні варіанти перетворення були менш ефективними, ніж двохетапний процес, запропонований Феном Цзяо. Крім того, його технологія дозволяє отримувати в основному саме цей продукт, тоді як в інших одержують багато домішок інших вуглецевих сполук.


Про свій метод Фен Цзяо розповів під час одного семінару, на якому були, зокрема, й біологи. Вони зацікавилися технологією й підказали електрохіміку, що вона може замінити фотосинтез. Сам Цзяо до того не думав про таке використання своїх напрацювань.


– Зазвичай рослини не використовують їжу, яку не виробляють самі, – пояснює фахівчиня в галузі рослинництва з Каліфорнійського університету Елізабет Ханн. – Але є винятки, і ацетат – один із них. Відомо, що водорості використовують ацетат як поживну речовину, коли немає сонячного світла. Рослини теж так можуть.


Ацетат є будівельним матеріалом для біосинтезу, наприклад, жирних кислот. Таким чином, електричний струм заміняє світло, а сам процес, розроблений Феном Цзяо, стає альтернативою фотосинтезу в отриманні речовин, необхідних для життєдіяльності рослин.


Щоб перевірити, чи спрацює ідея заміни фотосинтезу новою технологією, науковці різних галузей об’єдналися в дослідницьку групу. Насамперед, вони вирішили дізнатися, чи використовуватимуть живі організми ацетат, виготовлений у лабораторії. Вони згодовували його водорослям і рослинам, які утримували в повній темряві. В таких умовах фотосинтез був неможливий. Отже, якщо піддослідні організми все ж демонструватимуть зростання, спричинити його зможе лише поглинання й перетворення ацетату.


Водорості в сосудах чотири дні провели в темряві, але зразок праворуч отримував ацетат, а зразок ліворуч - ні


Результати експерименту з водоростями виявилися позитивними. Ці організми помістили у два сосуди. В один додавали ацетат, а в іншому була контрольна популяція, яку залишили без такої підкормки. У повній темряві обидва зразки провели чотири дні. Водорості, яких годували ацетатом, були яскраво зеленими і утворили щільну спільноту, хоча процес фотосинтеза і не відбувався. Тож очевидно, що вони змогли виживати й розвиватися за рахунок ацетату. Більше того, в таких умовах ці організми нарощували свою масу в чотири рази ефективніше, ніж маючи доступ до світла. Водночас, водорості з контролю були блідими й не росли у темряві.


Також цілком успішно вдалося виростити на ацетаті дріжджі й гриби. Утім, ці організми й так не потребують світла для свого розвитку.


Не так все просто виявилося з вищими рослинами. Експерименти з ними провів Маркус Гарланд-Данавей з Каліфорнійського університету. Він тримав розсаду салату в темряві на суміші ацетату й цукру. Рослинки не загинули, але й не виросли. Проте, ацетат був мічений ізотопами вуглецю, що давало можливість простежити його шлях в організмі рослин. Виявилося, що він зрештою став частиною рослинних клітин.


– Салат поглинав ацетат і перетворював його на амінокислоти й цукри, – робить висновок Маркус Гарланд-Данавей. – Амінокислоти є будівельними блоками білків, а цукор – пальним для рослин. Отже, рослини можуть харчуватися ацетатом, хоча зазвичай цього не роблять. Таким чином, може знадобитися деяке «налаштуваня», щоб змусити рослини використати цей шлях замість фотосинтезу.


У чому ж полягає практичне значення досліджень? Адже сонячного світла на Землі вдосталь. А якщо з’являється необхідність у вирощуванні рослин під час морозної зими, за полярним колом, у підвалі чи в затемненій кімнаті, сонце цілком впевнено заміняють фітолампи. Однак кількість людей на планеті все збільшується, росте й потреба в їжі. Тому будь-які методи можуть виявитися корисними в майбутньому.


Рослинки салату вижили в темряві, отримуючи ацетат


Та найбільш затребуваною, на думку науковців, нова технологія може стати під час освоєння космосу, особливо – інших планет. Коли астронавти тривалий час перебувають на борту космічної станції, вони змушені харчуватися особливим чином обробленою їжею. Звісно, про свіжі овочі й фрукти не йдеться. А вони потрібні – як з точки зору урізноманітнення раціону, так і для більш природнього поповнення в організмі запасу вітамінів, мінералів та інших необхідних речовин. Тому експерименти з культивуванням рослин у космосі проходять давно.


Астронавтам уже навіть вдавалося скуштувати зелень, вирощену власноруч під час польоту. Випробувані й варіанти вживання в їжу водоростей, виростити які простіше, ніж рослини. Але «ацетатний» спосіб може дати додаткові можливості для успішного «космічного землеробства», адже в перспективі обіцяє бути більш енергоефективним, ніж традиційний із застосуванням фітоламп.


– Новий процес може знайти застосування навіть на поверхні Марсу, – вважає Фен Цзяо. – Навіть у космосі астронавти матимуть доступ до електрики. Можливо, в них на борту космічного корабля буде ядерний реактор, який її вироблятиме. Електрика, а не світло зможе одного разу забезпечити зростання рослин – і це стане особливим благом для космічних місій.


Але виробництво продуктів – не єдина проблема, яку зможе вирішити нова технологія. Вона ще й сприятиме очищенню повітря на борту чи в космічному поселенні.


– Занадо багато СО2 – це одна з проблем, з якою стикнуться космічні мандрівники, – говорить спецаліст NASA по рослинах в Космічному центрі Кеннеді на мисі Канаверал Метью Ромейн. – Цей газ виходить з кожним видихом космонавтів. Його концентрація в космічному кораблі може досягати нездорового рівня. Якщо в будь-кого є спосіб ефективного використання вуглекислого газу, щоб зробити з нього щось дійсно корисне, це чудово.


Технологія, розроблена Феном Цзяо, не лише видаляє СО2, а й дає змогу після певних перетворень отримати кисень і рослинну їжу. Метью Ромейн переконаний, що в цьому полягає велика перевага методу.


Науковці налаштовані й далі продовжувати свої експерименти. І, можливо, вони стануть основою для землеробства майбутнього – як на Землі, так і в космічній темряві.


Поділитись в соцмережах:

Текст повідомлення*
Защита от автоматических сообщений