Ученым удалось усовершенствовать природный процесс фотосинтеза, не только выращивая растения более эффективно, но и делая это в условиях полной темноты. Новая технология может оказаться весьма полезной для развития сельскохозяйственных культур в регионах, не получающих достаточного количества солнечной энергии, и возможно, даже позволит обеспечить питанием будущих покорителей космического пространства.
Образцы культур, культивируемых в условиях абсолютной темноты за счет использования ацетатного раствора. Marcus Harland-Dunaway/UCR
Если обратиться к урокам биологии средней школы, фотосинтез - это совокупность процессов, при которых растения поглощают солнечную энергию и преобразовывают в необходимые питательные вещества, в том числе из двуокиси углерода и воды. На протяжении миллиардов лет этот процесс помогал растениям (и, соответственно, всей жизни на Земле) благополучно развиваться, однако это вовсе не означает, что он отличается высокой эффективностью. В действительности, лишь от двух до семи процентов солнечной энергии поступает к растениям.
Поэтому исследователи уже долгое время пытаются разработать искусственный фотосинтеза, который будет гораздо более эффективным, чем естественный процесс. Так, например, из так называемых искусственных листьев можно изготавливать самые разные продукты, включая водород, синтез-газ, спирты, экологичные пластмассы и даже лекарственные препараты.
В новом эксперименте основным источником исследования стал ацетат - основной компонент уксусной кислоты (CH3COOH). Это вещество подавалось растениям в качестве источника углерода, по сути, в обход естественного фотосинтеза. Участники проекта протестировали новую методику на целой серии культурных растений и пищевых микроорганизмов, включающих дрожжи, зеленые водоросли, мицелий грибов, капусту, паслёны, табак, рис и горох.
Выращивая растения в условиях полной темноты, ученые смогут обеспечить питанием участников космических миссий. Marcus Harland-Dunaway/UCR
Применение искусственного фотосинтеза в производстве пищевой продукции могло бы полностью изменить наше представление о способах пропитания людей.
Как показали результаты экспериментов, практически все из исследуемых растительных организмов могут выращиваться в ацетатной среде в условиях полной темноты, при этом даже более эффективно, чем при солнечном свете. В частности, культивирование водорослей было в четыре раза более эффективным, а рост дрожжей увеличился более чем в восемнадцать раз.
"Нам удалось обнаружить, что огромное количество культурных растений могли использовать предложенный ацетат и превращать его в необходимые для развития организма молекулярные строительные блоки", - рассказывает Маркус Харланд-Дунавей, ведущий аналитик проекта. " Благодаря некоторым селекционным и инженерным разработкам, над которыми мы сейчас работаем, мы сможем выращивать сельхозкультуры с ацетатом в качестве вспомогательного источника энергии для повышения урожайности".
Высвобождая сельское хозяйство от необходимости использования прямого солнечного света, эта технология позволит выращивать продукты питания в регионах с менее благоприятным климатом, расходуя при этом меньшие территории. Такие сельхозкультуры можно будет успешно возделывать в городах и даже в космосе или других планетах, - именно эта концепция обеспечила проекту победу в рамках первого этапа конкурса NASA "Deep Space Food Challenge".
"Применение технологии искусственного фотосинтеза в производстве пищевых продуктов может изменить привычную парадигму питания человека", - считает Роберт Джанкерсон, соавтор проекта. " За счет более эффективного использования сельскохозяйственных технологий требуется меньшее количество почвы, а значит, сокращается воздействие на экологию. Что касается выращивания сельскохозяйственной продукции в нестандартных средах, например, в космическом пространстве, то повышение энергоэффективности позволит прокормить большее количество астронавтов при меньшем объеме затрат".
Результаты данного эксперимента были зарегистрированы в международном научном издании "Nature Food".
Источники: University of California, Riverside, journal Nature Food, Википедиа
(https://ru.wikipedia.org/wiki/Фотосинтез)
(https://www.nature.com/articles/s43016-022-00530-x)
(https://news.ucr.edu/articles/2022/06/23/artificial-photosynthesis-can-produce-food-without-sunshine)
