Naučno – fantastične priče zamišljale su buduće ljude koji žive u podzemnim gradovima na Marsu, u izdubljenim asteroidima i u slobodno lebdećim svemirskim postajama daleko od Sunca. Ali ako ljudi ikad žele preživjeti u bilo kojem od tih surovih i stranih okruženja, trebat će im načini za uzgoj hrane koristeći ograničene resurse – a fotosinteza, izuzetno uspješan, ali energetski neučinkovit proces kojim biljke pretvaraju sunčevu svjetlost u šećer, možda ga neće spriječiti.
Sada se neki znanstvenici pitaju je li moguće učinkovitije proizvoditi hranu potpunim preskakanjem fotosinteze i uzgojem biljaka u mraku.
Ideja zvuči naučno – fantastično poput gradova na Marsu. Ali tim istraživača poduzeo je prvi korak prema tome sa studijom objavljenom u časopisu Nature Food u junu. Istraživanje pokazuje da je moguće uzgajati alge, jestivi kvasac i gljive hraneći ih spojem na bazi ugljika zvanim acetat koji ne potječe iz biljaka, već je umjesto toga proizveden pomoću solarne energije. Znanstvenici se nadaju da bi ova metoda, vrsta “umjetne fotosinteze”, mogla otključati nove načine proizvodnje hrane koristeći manje fizičkog prostora i energije nego tradicionalna poljoprivreda – uključujući, možda, usjeve koji mogu rasti u mraku.
Dok su drugi stručnjaci skeptični da će ikada biti moguće tako radikalno redizajnirati biljnu biologiju, uzbuđeni su tehnologijom koju su istraživači izmislili i idejom tima o tome kako proizvodnju hrane učiniti učinkovitijom.
“Moramo pronaći načine za učinkovitiji uzgoj biljaka”, kaže koautor studije Feng Jiao, profesor hemijskog i biomolekularnog inženjerstva na Sveučilištu Delaware. “Koje je rješenje najbolje? Mislim da je ljepota znanosti u tome što istražujemo sve mogućnosti.”
Učinkovitiji od prirode
Uz iznimku nekoliko ekstremnih okruženja kao što su dubokomorski topli izvori—koji se održavaju kemijskom energijom sumpor-vodika koji izbija iz pukotina na morskom dnu—sav život na Zemlji pokreće Sunce. Čak su i vrhunski grabežljivci poput tigrova i morskih pasa dio složenih hranidbenih mreža koje sežu do biljaka, a u oceanima i sićušnih zelenih algi. Ti takozvani primarni proizvođači imaju biološku supermoć: sposobnost stvaranja organskog ugljika iz ugljičnog dioksida fotosintezom, biokemijskim procesom koji pokreće sunčeva svjetlost.
No iako je fotosinteza ključna za život kakvog poznajemo, nije pretjerano učinkovita: samo oko jedan posto sunčeve svjetlosti koja pada na biljke zapravo se uhvati i koristi za stvaranje organskog ugljika. Ta će neučinkovitost predstavljati izazov ako ljudi ikada požele uspostaviti samoodrživu prisutnost u svemiru, gdje će biti vitalno proizvoditi hranu koristeći što je moguće manje resursa.
To je također problem na Zemlji danas jer ljudska populacija raste, što vrši pritisak na poljoprivrednike da istisnu više kalorija iz iste zemlje.
Neki znanstvenici vjeruju da je rješenje genetski inženjering usjeva za učinkovitiju fotosintezu. Istraživači koji stoje iza nove studije predlažu nešto neobičnije: zamjenu biološke fotosinteze djelomično umjetnim procesom pretvaranja sunčeve svjetlosti u hranu. Njihov je proces verzija umjetne fotosinteze, izraza koji postoji već godinama i obuhvaća različite pristupe pretvaranju sunčeve svjetlosti, vode i CO2 u tekuća goriva i hemikalije poput formata, metanola i vodika. Istraživači koji stoje iza nove studije kažu da njihov rad predstavlja po prvi put da je sustav umjetne fotosinteze uparen s pokušajem uzgoja uobičajenih organizama za proizvodnju hrane.
Njihov sustav temelji se na elektrolizi ili korištenju električne struje za pokretanje hemijskih reakcija unutar uređaja koji se zove elektrolizer. U svojoj nedavnoj studiji, istraživači su stvorili dvostupanjski sustav elektrolizatora na solarni pogon koji pretvara ugljični dioksid i vodu u kisik i acetat, jednostavan spoj na bazi ugljika.
Autori su zatim ovim acetatom hranili Chlamydomonas reinhardtii, fotosintetičku zelenu algu. Također su hranili acetatom prehrambeni kvasac i gljive koje proizvode gljive—koje same ne fotosintetiziraju, već im je za rast obično potreban organski ugljik koji proizvode biljke.
Svi ovi organizmi mogli su preuzeti acetat i rasti u mraku – neovisno o sunčevoj svjetlosti ili fotosintetski dobivenom ugljiku.
U usporedbi s fotosintezom, proces je bio iznenađujuće učinkovit. Koristeći umjetnu fotosintezu, zelene alge mogle bi solarnu energiju pretvoriti u biomasu oko četiri puta učinkovitije nego što to čine usjevi biološkom fotosintezom. Kvasac uzgojen ovim postupkom bio je gotovo 18 puta energetski učinkovitiji od usjeva.
“Ovo je jedna od ključnih prednosti korištenja umjetnih putova naspram prirodnih”, kaže Jiao.
Uzgoj usjeva u mraku?
Znanstvenici su već znali da alga C. reinhardtii može rasti na acetatu u mraku – organizam je miksotrof, što znači da se može prebacivati naprijed-natrag između stvaranja vlastite hrane fotosintetskim putem ili jedenja organskog ugljika proizvedenog od drugih biljaka. Ali prema autoru studije Robertu Jinkersonu sa Sveučilišta Kalifornija, Riverside, ovo je prvi put da je C. reinhardtii uzgojena na acetatu koji nije nastao nedavnom fotosintezom ili naftnim proizvodima, koji su fosilni ostaci drevne fotosinteze. To je značajno.
“Ovo je prvi put da je bilo koji fotosintetski organizam, poput algi ili biljke, rastao neovisno o fotosintezi otkako je evoluirao”, kaže Jinkerson. “Potpuno je odvojeno.”
Nakon uzgoja algi bez fotosinteze, istraživači su se okrenuli težem pitanju: mogu li također uzgajati usjeve?
Njihovi početni rezultati bili su ohrabrujući. U mraku, istraživači su uzgajali tkivo salate u tekućoj suspenziji koja je sadržavala acetat, potvrđujući da ono može preuzeti i metabolizirati vanjski izvor ugljika.
I kada su uzgajali cijele biljke salate na svjetlu (kao i rižu, repicu, paradajz i nekoliko drugih vrsta usjeva), ali su ih hranili dodatnim acetatom, otkrili su da su biljke inkorporirale acetat u svoje tkivo. Acetat obilježen teškim izotopom ugljika, nazvanim ugljik-13, mogao bi se pronaći u aminokiselinama i šećerima, što sugerira da ga biljke mogu koristiti za podržavanje raznih metaboličkih procesa.
Međutim, studija nije pokazala da se cijele biljke mogu u potpunosti uzgajati na acetatu bez pristupa sunčevoj svjetlosti – zapravo, eksperimenti istraživača sa salatom pokazali su da previše acetata zapravo inhibira rast biljaka. Jinkerson kaže da njegov laboratorij trenutno radi na genetskom inženjeringu i uzgoju biljaka kako bi bile tolerantnije na acetat. To će biti neophodno kako bi timska metoda umjetne fotosinteze u značajnoj mjeri podržala rast biljaka i proizvodnju hrane.
Emma Kovak, analitičarka za hranu i poljoprivredu na Breakthrough Institute, kaže da rezultati autora predstavljaju “prvi korak prema potencijalnoj upotrebi acetata za pomoć u ishrani biljaka za proizvodnju u zatvorenom prostoru”. To bi moglo smanjiti energiju potrebnu za rad zatvorenih farmi ako uzgajivačima omogući smanjenje razine unutarnjeg svjetla. Ali “ogromni napredak bi bio neophodan”, kaže Kovak, kako bi se biljkama omogućio snažan rast pomoću acetata čak i u uvjetima slabog osvjetljenja.
Evan Groover, doktorant sintetičke biologije na Sveučilištu Berkeley u Kaliforniji, čije se istraživanje fokusira na genetski inženjering biljaka za poboljšanje fotosinteze, slaže se. Studija “pokazuje da biljke mogu apsorbirati acetat, ali to nije dokaz da mogu stvarno napredovati na tome ili smisleno sintetizirati hranu, gorivo ili lijek”, kaže Groover. Postizanje potonjeg, kaže, zahtijevalo bi “potpuno reprogramiranje postrojenja”.
U isto vrijeme, Groover kaže da smatra da je rad autora “uzbudljiv”.
“Pokazuje nam načine na koje bismo mogli uhvatiti svjetlost i ugljik u čudnim, nezemaljskim okruženjima ili okruženjima u kojima se ne možete baviti tradicionalnom poljoprivredom”, kaže.
Hrana za duboki svemir
Izvanzemaljsko okruženje moglo bi biti mjesto gdje je tehnologija istraživača prvi put primijenjena. Istraživači su predali svoj koncept umjetne fotosinteze NASA-inom Deep Space Food Challengeu, koji dodjeljuje novčane nagrade i priznanja skupinama s inovativnim idejama za hranjenje astronauta u dugoročnim svemirskim misijama. Prošle jeseni, koncept tima proglašen je jednim od 18 američkih pobjednika prve faze. U fazi 2, ti timovi moraju izraditi prototip koji zapravo proizvodi hranu. Pobjednici će biti objavljeni sljedeće godine.
Pobjeda na takmičenju nije jamstvo da će nova tehnologija za proizvodnju hrane letjeti u buduću svemirsku misiju. Prvo bi trebalo razraditi mnoge tehničke detalje, kaže Lynn Rothschild, viša znanstvenica u NASA-inom istraživačkom centru Ames koja nije bila uključena u novu studiju.
Težina je ključna stvar, a umjetna fotosinteza bi vjerojatno zahtjevala dovlačenje nove opreme, uključujući dodatne solarne ploče i elektrolizere, u svemir.
Ali Rothschild kaže da vrijedi imati otvoren um o tome kako bi se mogli primijeniti pokušaji redizajna temeljnog biološkog procesa poput fotosinteze, u svemiru ili na Zemlji.
Preuzeto sa: www.nationalgeographic.com
Autorica: Madeleine Stone
Prilagodio: Dejan Filipović
