Изобретатели урожая
Управляемый фотосинтез как будущее сельского хозяйства
Новые технологии меняют лицо сельского хозяйства: вертикальные фермы, роботы-косильщики, сенсоры, отслеживающие состояние растений,— это уже реальность. Ближайшая цель — раскрыть секреты фотосинтеза. Получится?
Современные тепличные комплексы от времени года не зависят (на фото — ассимиляционное освещение для выращивания томатов, Нидерланды)
Фото: Signify
Современные тепличные комплексы от времени года не зависят (на фото — ассимиляционное освещение для выращивания томатов, Нидерланды)
Фото: Signify
Но не одними роботами удивляют сегодня фермеры. Как насчет экспериментов с дополненной реальностью, которые проводятся на базе Вагенингенского университета и научно-исследовательского центра (WUR, Нидерланды)? А дроны уже используются, чтобы бороться с засухой или, допустим, распылять удобрения (исследования показывают, что скорость распыления с дронов в пять раз выше обычной). Эксперты уверены: новые технологии прямо сейчас меняют лицо сельского хозяйства. Убедиться в этом легко — достаточно посетить Нидерланды, считающиеся вторым мировым экспортером сельхозпродукции после США.
Голландское чудо
Парадокс: эта небольшая страна, известная своими тюльпанами,— сегодня один из ведущих производителей и экспортеров томатов, лука и картофеля на планете, причем местным фермерам удалось на 90 процентов снизить зависимость от воды, а в животноводстве уменьшить использование антибиотиков на 60 процентов… А вот и вовсе неожиданное достижение: эксперты того же WUR получили первый урожай бананов, выращенных на специальном субстрате!
— Сегодня мировому производству бананов угрожают болезни, передаваемые через почву, и цель проводимых исследований — выведение устойчивых к ним растений. Но снизить риски может и выращивание этих растений на субстрате (например, на минеральной вате или почвосмеси). Так вот в наших исследовательских теплицах действительно были получены бананы высокого качества, без болезней и химикатов,— рассказывает в интервью «Огоньку» профессор Лео Марселис из WUR.
Какие технологии эксперт считает передовыми? Ну, к примеру, светодиодное ассимиляционное освещение. Или автономные теплицы, где люди скоро уступят место всевозможным сенсорам и системам сбора и анализа больших данных (привет искусственному интеллекту).
Еще одна прорывная технология выращивания (кстати, уже хорошо известная в России) — вертикальные фермы. По сути, это фермы, которые можно устроить внутри любого здания (внешне такая ферма напоминает подсвеченные полки с той или иной культурой) и не зависеть ни от погоды на улице, ни от типа почвы. Настоящая находка для ресторанов: с грядки — сразу на стол. При этом, как отмечает профессор Марселис, качество и количество продукции можно предсказать с абсолютной точностью. Из минусов — большой расход электричества и относительно высокая стоимость такой продукции, но и технический прогресс не стоит на месте. Подешевеет.
Впрочем, кто в результате победит, обыкновенные фермы или вертикальные, вопрос пока подвешен: передовое оборудование установлено и там, и тут.
Свет всему голова
Представьте себе идиллический голландский уголок: низенькие кирпичные домики с черепичной крышей, лошади, пасущиеся за загонами из деревянных слег… Здесь, под Эйндховеном, в муниципалитете Сомерен, находится хозяйство известного фермера Вима Петерса. Вим — представитель целой фермерской династии, он еще с дедом начинал выращивать томаты (о чем свидетельствует большая черно-белая фотография прямо на стене офиса) и собирается передать эстафету дальше — своему сыну. Несколько лет назад все здесь было уничтожено мощным градом, но Вим обновил хозяйство и вновь вышел на хорошие мощности: как поясняет сам фермер, новейшее светодиодное освещение позволяет получать более здоровый урожай, а это сразу влияет и на качество, и на количество произведенного. Как свет связан с качеством? Разберемся.
Давно известно, что свет один из основных стимулирующих факторов для роста растений. Однако, оказывается, нужен не просто свет, а правильный свет. Опытным путем, после долгих экспериментов, специалистам удалось установить идеальные «рецепты» для освещения теплиц.
— Необходимо понимать, какой спектр света нужен для той или иной культуры, с какой интенсивностью и сколько часов требуется досвечивать растение, где именно расположить светильник,— перечисляет Вим Стигс из компании Signify (она же — бывшая Philips Lighting), мирового лидера в ассимиляционном освещении. — Когда 30 лет назад я заканчивал университет, мой профессор уверял меня, что выращивание растений при искусственном освещении в теплицах невозможно. Однако с каждым годом эффективность такого освещения росла и с тех пор удвоилась, а с появлением светодиодов процесс пошел еще быстрее. В 2012 году нам удалось вырастить первые томаты на искусственном освещении, в 2015-м к ним прибавились розы, салат…
Нюансов здесь — тысячи. Как отмечает Вим, томаты, к примеру, можно досвечивать максимум 18 часов, если добавить больше — растение будет «работать на износ», а ведь ему тоже требуется отдых. Но вот загадка: розам при этом отдых как раз не нужен — их можно досвечивать без перерыва. Почему — настоящий научный детектив, и до разгадки еще далеко.
Да что там розы: еще лет десять назад специалисты толком не знали, какой спектр освещения подходит для растений в целом. Установить это удалось лишь практическим путем, вот он — секретный рецепт: нужно 80–90 процентов красного и примерно 10–20 процентов света синего спектра. Например, когда для освещения томатов использовали только красный спектр, они разрастались в разные стороны, а листья становились неправильной формы. Революцию совершили светодиоды — они позволили наконец «смешать палитру». Теперь радуются специалисты: перспективы искусственного освещения в сельском хозяйстве — головокружительные.
На кону — фотосинтез
Еще недавно специалисты не знали, какой спектр освещения подходит для тех или иных растений. Установить это удалось лишь на практике
Фото: Getty Images
Еще недавно специалисты не знали, какой спектр освещения подходит для тех или иных растений. Установить это удалось лишь на практике
Фото: Getty Images
Впрочем, наиболее интригующее направление поисков в этой сфере сегодня связано с другой амбициозной целью — фотосинтезом. Напомним, что фотосинтез — самый крупный фотохимический процесс на Земле, благодаря которому растения получают органические вещества (такие как сахар и крахмал), необходимые для роста. Сами эти вещества вырабатываются в клетках, содержащих хлоропласты (структуры, где и происходит фотосинтез), из углекислого газа и воды на свету. Так вот ученые хотят научиться управлять фотосинтезом.
«Огонек» обратился к директору Ботанического сада МГУ Владимиру Чубу, чтобы понять, насколько эта задача амбициозна.
— Поскольку все мы в той или иной форме нуждаемся в энергии, она должна откуда-то поступать. Для биосферы Земли основной источник энергии — Солнце, а фотосинтез —единственный процесс, преобразующий эту энергию,— объясняет эксперт.— Напомню, что именно в процессе фотосинтеза образуется кислород, который мы используем для дыхания. Не менее важно, что кислородная атмосфера создает на планете определенный температурный режим, комфортный для жизни. И, наконец, не забывайте про озоновый слой — это наша защита от космических излучений. Так что значение кислорода и фотосинтеза трудно переоценить.
Теперь о сельском хозяйстве. Растения используют фотосинтез для производства своего рода строительного материала: из целлюлозы строится тело растения, а сахароза и крахмал откладываются как запасы питательных веществ. Так вот идея специалистов в том, чтобы заставить растения улавливать больше углекислого газа и, соответственно, накапливать больше крахмала и сахара, а также в ускорении этого процесса. Реально?
— Вопрос сложный, поскольку фотосинтез — многоэтапный процесс, и непонятно, что именно ускорять,— говорит Владимир Чуб.— Грубо говоря, если на конвейерном производстве вы ускоряете все этапы, кроме самого медленного, то суммарный эффект будет едва заметен. Так и в фотосинтезе — здесь есть «узкие места». Возьмите, к примеру, процесс фиксации углекислого газа. Специальный фермент рубиско, отвечающий за это, работает со скоростью три молекулы в секунду (для сравнения: скорость фермента каталаза, с которой он способен разложить перекись водорода,— 10 млн молекул в секунду). Как ускорить фиксацию углекислого газа? Мы этого пока не знаем.
Другая проблема, требующая решения,— перераспределение продуктов фотосинтеза. Как поясняет эксперт, нам выгоднее всего, чтобы перераспределение шло в пользу того, что мы едим — крахмала, сахара… Но само растение может решить по-другому. Чтобы большая доля продуктов фотосинтеза распределялась в пользу урожая (например, в пользу зерна, а не соломины у пшеницы), селекционеры получают карликовые сорта.
— Если мы хотим удвоить урожаи в следующие 35 лет, нам нужно найти ответ на этот сложнейший вопрос,— говорит Эрик Шранц, профессор биосистематики WUR (его цитирует Successful farming). В этом университете запущен целый проект, посвященный изучению фотосинтеза.
На помощь призвана и генетика. Вот свежее исследование, проведенное в Университете Шеффилда (Великобритания): там продолжают изучать структуру белкового цитохром-b6f-комплекса, который влияет на рост растений через фотосинтез. Воздействуя на этот комплекс, возможно, удастся вырастить растения, которые будут больше и лучше. А там уже и до повышенной урожайности рукой подать. Другой пример — от ученых из Университета Уотерлу (Канада). Здесь и вовсе создали искусственный лист, который имитирует естественный процесс фотосинтеза. Прорыв? Едва ли.
— Успехи науки пока что довольно скромны,— считает Владимир Чуб.— Каждый год открывают что-то новое. Перспективное направление исследований — экология фотосинтеза. Сегодня известно, что при определенных условиях растения способны переключаться на разные типы фотосинтеза, а ведь раньше это считалось невозможным! Только представьте: мы пытаемся управлять этим процессом, но вдруг «включается» механизм, о котором мы даже не подозревали, и многое в наших представлениях приходится пересматривать. Загадок, связанных с фотосинтезом, все еще достаточно.
Удивительно, но для приручения фотосинтеза могут пригодиться и световые технологии. Сегодня, к примеру, проводятся эксперименты по воздействию на растения световой пульсации: идея в том, чтобы с ее помощью подстегнуть фотосинтез и рост «подопытных». Эксперты, которых «Огонек» попросил прокомментировать эти эксперименты, осторожничают: все может быть. Но в целом смотрят в будущее с надеждой: в силу света здесь верит каждый.