В начале XX века химики Фриц Габер и Карл Бош нашли дешёвый способ получения аммиака из атмосферного азота. Это положило начало производству синтетических удобрений, которые дали возможность выращивать достаточное количество продовольствия для растущего населения Земли. Без процесса Габера — Боша мы производили бы только около двух третей того количества пищи, которое производим сегодня.
Глобальное влияние этой технологии невозможно переоценить. В 1900 году фермерам требовалось почти в четыре раза больше земли, чем в 2000 году, чтобы вырастить такой же урожай. Этот резкий рост эффективности считается одним из величайших прорывов современной эпохи.
Но есть одна загвоздка. Процесс Габера — Боша требует большого количества энергии, а его продукт — синтетические азотные удобрения — печально известны загрязняющим воздействием на водные пути и выбросами парниковых газов. По некоторым оценкам, на сельское хозяйство приходится 25% всех мировых выбросов парниковых газов.
Очевидно, что пришло время снова стать лучше. XX век был временем больших инноваций, а XXI век должен превзойти его, потому что сегодня перед нами стоят не менее сложные и важные задачи.
Изменение климата постоянно уменьшает количество пахотных земель, а согласно недавнему исследованию, в условиях изменения климата глобальный дефицит воды для сельского хозяйства будет ощущаться на 84% пахотных земель. При этом потеря водоснабжения приведёт к сильному ухудшению плодородия на 60% сельхозугодий, а на 16% посевных площадей повлияет изменение режима дождей. Правда, не везде глобальное изменение климата приведёт к уменьшению количества осадков. Прогнозируется, что в Северо-Восточном Китае и в африканских саваннах дождей станет больше.
Изменение климата и увеличение населения планеты до 10 млрд к 2050 году ставят невыполнимую на первый взгляд задачу: как фермеры смогут выращивать больше еды на меньшей площади, сводя к минимуму свою зависимость от климатических изменений?
Хорошая новость заключается в том, что с новейшими технологическими инструментами в нашем распоряжении незаметно начинается ещё одна трансформация в сельском хозяйстве. Вот три тенденции, благодаря которым сельское хозяйство изменится в течение следующих десятилетий.
Появление новых и улучшенных культур
Использование редактирования генов в сельском хозяйстве будет становиться всё более распространённым из-за его быстроты и обеспечения развития желаемых свойств сельскохозяйственных культур.
Вместо использования гена из другого вида — например, гена бактерии, внесённого в кукурузу для защиты от обычного вредителя, биологи теперь могут изменять непосредственно ДНК культуры, подавляя или настраивая определённые гены, чтобы создавать версии растений, которые более устойчивы к жаре, засухе, вредителям или имеют лучший вкус.
Традиционная селекция сельскохозяйственных культур занимает несколько десятилетий, но с помощью новых биотехнологических инструментов, дополненных быстро развивающимися цифровыми возможностями, такими как искусственный интеллект, время разработки может сократиться до нескольких месяцев.
— Технология CRISPR/Cas 9 — это то, что действительно изменило подход к созданию генетически модифицированных культур, потому что теперь можно делать вещи, которые раньше были практически невозможными или очень сложными, — говорит Роберт Джинкерсон, доцент кафедры ботаники и науки о растениях в Калифорнийском университете в Риверсайде. — Таким образом сроки создания новых свойств или новых сортов стремительно сокращаются, и это позволяет нам представить новые свойства, а также комбинировать новые свойства из других сортов в более коммерчески значимые сорта.
CRISPR/Cas9 — самый совершенный из существующих сегодня инструментов редактирования генома. Технология позволяет удалять ненужные гены из ДНК любых организмов и вставлять на их место другие. Эта технология редактирования геномов высших организмов базируется на иммунной системе бактерий. В основе этой системы — особые участки бактериальной ДНК, короткие палиндромные кластерные повторы, или CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats).
США и Бразилия имеют относительно благоприятную нормативно-правовую базу для поощрения такого рода инноваций, а ЕС недавно объявил, что ослабит свои строгие правила в отношении культур с отредактированными генами, признавая тот факт, что такие прямые изменения в геноме растений могли бы произойти и с помощью обычной селекции сельскохозяйственных культур.
В то время как многие биологи экспериментируют со способами улучшения сельскохозяйственных культур с помощью редактирования генов, Роберт Джинкерсон работает над совершенно футуристическим проектом: отделить рост растений и производство продуктов питания от самого фотосинтеза. Но зачем? Как объясняет Джинкерсон, растения очень неэффективны в преобразовании солнечного света в растительную биомассу. Такая культура, как рис, может использовать только 1% солнечной энергии и преобразовывать её в биомассу. Кукуруза или сахарный тростник берут около 1,5%.
Лаборатория Джинкерсона, которая финансируется NASA, разрабатывает новый подход с использованием искусственного фотосинтеза для производства пищи. Солнечная панель улавливает солнечный свет и преобразует его в электричество для использования в процессе, называемом электролизом CO2. В ходе этого процесса углекислый газ преобразуется в такие соединения, как ацетат, которые учёные затем в темноте «скармливают» производящим пищу организмам. Они уже продемонстрировали, что этот подход работает для выращивания дрожжей, водорослей и грибов, а теперь в лаборатории работают с растениями. Но растения не приспособлены для роста без света, поэтому его лаборатория использует генную инженерию, чтобы заставить их расти более эффективно в темноте.
Помимо непосредственного применения в космических путешествиях, этот подход позволит выращивать больше продуктов питания на меньшей площади на Земле.
— По сути, это будет следующая версия вертикального земледелия, — говорит Джинкерсон, объясняя, что теоретически вы можете производить больше пищи с помощью искусственного фотосинтеза в помещении. — Мы могли бы превратить сельскохозяйственные земли обратно в естественные. Мы могли бы взять четверть той земли, которая сейчас используется, и поставить там солнечные батареи и производить еду, а остальные три четверти земли снова превратить в леса или прерии.
Сельское хозяйство начнёт помогать, а не вредить окружающей среде
Джоан Чори — ещё один влиятельный учёный-растениевод, работающая над инновационным развитием сельскохозяйственных культур. Она сосредоточена на разработке растений, которые были бы более устойчивыми к различным видам экологических потрясений, таким как ливни, наводнения и пожары, которые, как она ожидает, будут более распространены в будущем.
Джоан Чори возглавляет Инициативу использования растений Института Солк (HPI) — инновационный, масштабируемый и смелый подход к борьбе с изменением климата путём оптимизации естественной способности растений захватывать и сохранять углерод, а также адаптироваться к различным климатическим условиям. Чори и команда HPI стремятся помочь растениям развивать более крупные и крепкие корневые системы, способные поглощать больше углерода, внося его в землю в виде суберина, натурального углеродосодержащего вещества. Команда HPI будет использовать передовые генетические и геномные техники для разработки идеальных растений .
Чори уже более 30 лет использует Arabidopsis thaliana, небольшое цветущее растение из семейства крестоцветных, в качестве модели роста растений. Она стала пионером в использовании молекулярной генетики для изучения того, как растения меняют свой размер, форму и структуру, чтобы оптимизировать рост и фотосинтез в определённых условиях. Используя генетику растений в сочетании с биохимическими исследованиями, она выявила одну из самых сложных сигнальных сетей, которая контролирует рост и развитие в ответ на изменение окружающей среды.
Чори предполагает, что избыточное выражение суберина будет иметь положительное влияние на растения, позволяя им лучше выдерживать наводнения и засухи. Её лаборатория работает над созданием основных сельскохозяйственных культур, таких как кукуруза, пшеница и рис, с этим признаком. Она оценивает, что половина обрабатываемой земли в мире — от 500 до 800 млн гектаров — должна быть засажена этим видом культур для удержания достаточного количества углерода и достижения нулевого баланса.
— Сельское хозяйство способствует проблеме выбросов парниковых газов, — говорит Джоан Чори. — Но сельское хозяйство также может способствовать уменьшению количества углерода, которое уже находится в атмосфере, потому что растения действительно хороши в поглощении CO2. Мы считаем, что растения делают это лучше, дешевле и могут воспользоваться преимуществами масштабируемости сельского хозяйства.
Данные с ферм обеспечат здоровье окружающей среды
В наши дни адаптация цифровых технологий для помощи сельскому хозяйству уже идёт полным ходом. Например, вместо того чтобы опрыскивать всё поле пестицидами, фермеры начинают использовать дроны, различные датчики и лабораторные данные для точечного применения средств защиты растений. Это позволяет фермерам быть более разумными в своих действиях и ограничивать воздействие различных средств защиты растений на окружающую среду.
Понимание здоровья почвы — ещё одна область, которая трансформируется с помощью технологий. Единственный точный способ получить представление о питательных веществах в почве прямо сейчас — взять образец, отправить его в лабораторию и дождаться результата — процесс, который может занять от нескольких дней до нескольких месяцев. Также нерентабельно делать это очень часто на большом поле. Эти проблемы являются препятствиями для точного принятия решений о том, когда и где использовать удобрения. Например, некоторым частям поля может потребоваться больше азота, в то время как другим частям нужно больше фосфора, и единственный способ узнать это — взять несколько образцов почвы с течением времени.
ChrysaLabs, стартап из Монреаля, разработал «лабораторию на палочке» для получения данных о почве в режиме реального времени, включая информацию о питательных веществах и углероде, с меньшими затратами на акр, чем традиционный отбор проб почвы. Он уже используется на 2 млн акров в США и Канаде.
Углеродные кредиты — это ещё один способ, с помощью которого фермеры смогут монетизировать свою землю, внедряя методы или продукты, способные удерживать углерод, а затем продавать эти кредиты организациям, которые хотят компенсировать своё использование углерода. Однако рынок углеродных кредитов страдает от проблем, включая обвинения в мошенничестве. Точный научный метод для измерения углерода является крайне необходимым.
Гийом Бретон-Менар, главный операционный директор ChrysaLabs, отмечает, что некоторые землевладельцы ждали 1,5 года, прежде чем лаборатория проанализировала их уровень углерода. По его словам, их почвенный зонд делает это за 20 секунд.
— Если в будущем появится неправительственная организация или кто-то, кто захочет проанализировать ваши расчёты, вы рискуете осознать, что ваша количественная оценка была недостаточно надёжной, — говорит он. — Поэтому мы хотим вывести на рынок более надёжную методологию, снижающую репутационный риск.
Эксперты предсказывают, что при использовании более устойчивых культур, более точных данных и более выгодных практик ферма будущего станет эффективной интегрированной системой, которая приносит пользу как фермерам и потребителям, так и планете.