Představte si zeleninu, která nikdy neviděla sluneční paprsek, a přesto roste rychleji než ta na poli. Zní to jako scifi, ale tým bioinženýrů právě představil metodu zvanou elektrozemědělství, která obchází miliony let starý proces fotosyntézy a krmí rostliny přímo molekulou podobnou octu. Výsledkem by mohla být revoluce, která zachrání lesy, uvolní půdu pro přírodu a umožní pěstovat jídlo klidně i ve vesmíru.
Když příroda plýtvá energií
Fotosyntéza je základem veškerého života na Zemi. Bez ní bychom tu nebyli. Má ale jeden zásadní nedostatek: její účinnost při přeměně světelné energie na chemickou dosahuje pouhého 1 %. Většina slunečního záření, které dopadá na list, se tak jednoduše ztratí. Právě tato neefektivita přivedla vědce k otázce, zda existuje lepší cesta, jak rostliny živit.
Co je elektrozemědělství
Odpověď se jmenuje elektrozemědělství. Princip je jednoduchý, i když jeho realizace vyžadovala roky výzkumu. Sluneční panely zachytí sluneční záření a pohání chemickou reakci, při které se oxid uhličitý a voda přemění na acetát, molekulu velmi podobnou té, která tvoří hlavní složku octa. Tento acetát pak slouží jako potrava pro rostliny pěstované hydroponicky, tedy bez půdy.
Genetickou úpravou lze u rostlin znovu aktivovat metabolickou dráhu, kterou běžně využívají pouze klíčící semenáčky k rozkladu zásobních látek. Tuto schopnost pak vědci probouzí i u dospělých rostlin, aby dokázaly acetát trávit jako zdroj energie.
„Snažíme se tuto dráhu znovu zapnout u dospělých rostlin a probudit jejich přirozenou schopnost využívat acetát,“ vysvětluje jeden z autorů výzkumu, biologický inženýr Robert Jinkerson. „Je to podobné jako nesnášenlivost laktózy u lidí. Jako miminka umíme trávit mléčný cukr, ale u mnoha lidí se tato schopnost v dospělosti vypne. U rostlin je to podobný princip.“
Čtyřikrát účinnější než sluneční paprsky
Za celým konceptem stojí spolupráce mezi biologem Robertem Jinkersonem a elektrochemikem Fengem Jiaem. Podle jejich odhadů dosahuje nový proces účinnosti přibližně 4 %, tedy zhruba čtyřnásobek toho, čeho dokáže dosáhnout klasická fotosyntéza. Vědci navíc nepočítají jen s rostlinami. Acetát totiž přirozeně konzumují i další organismy produkující potraviny, jako jsou houby, kvasinky nebo řasy.
O 94 % méně půdy
Nejzajímavější je ovšem představa, jak by tato technologie mohla proměnit zemědělskou krajinu. Pokud by se veškerá produkce potravin ve Spojených státech přesunula na elektrozemědělství, mohlo by to snížit potřebu zemědělské půdy až o 94 %. Místo rozlehlých polí bychom se mohli dočkat vícepatrových budov, kde rostliny rostou zcela bez závislosti na slunečním svitu a počasí.
Taková nezávislost na přírodním prostředí by mohla vyřešit i jeden z nejtěžších oříšků budoucí kolonizace vesmíru, tedy jak pěstovat jídlo tam, kde slunce buď chybí, nebo je jeho intenzita nevhodná.
Dopad na planetu
Přechod od klasického zemědělství k elektrozemědělství není jen otázkou efektivity. Nese s sebou i výrazný potenciál pro životní prostředí. Konvenční zemědělství je totiž jedním z hlavních hnacích motorů odlesňování, které přispívá ke ztrátě biodiverzity a ke klimatické změně.
Díky drastickému omezení plochy potřebné pro pěstování plodin by elektrozemědělství mohlo pomoci zvrátit část škod způsobených odlesňováním kvůli zemědělské půdě. Menší závislost na hnojivech a pesticidech, které často znečišťují vodní toky a poškozují vodní ekosystémy, navíc otevírá cestu k udržitelnější produkci potravin. Díky tomu by se mohla postupně obnovovat přirozená stanoviště, což by podpořilo biodiverzitu a odolnost celé planety.
Cesta plná překážek
Navzdory obrovskému potenciálu čeká elektrozemědělství ještě dlouhá cesta. Jednou z hlavních překážek jsou počáteční náklady na výstavbu a údržbu solárních chemických reaktorů i infrastruktury potřebné pro rozsáhlé indoorové farmy.
Vědci navíc potřebují lépe pochopit dlouhodobé dopady na fyziologii rostlin, pokud se jejich hlavním zdrojem energie stane právě acetát. Genetické úpravy rostlin, které mají obnovit dávno vypnuté metabolické dráhy, navíc mohou narazit na regulační překážky a nedůvěru veřejnosti. A přestože současná účinnost už překonává tradiční fotosyntézu, prostor pro další zlepšování rozhodně existuje.
Od rajčat k obilí
Výzkum se zatím soustředí především na rajčata a salát, tedy plodiny, u kterých je experimentování jednodušší. Do budoucna však vědci plánují rozšířit metodu i na klíčové vysokokalorické plodiny, jako jsou sladké brambory, kasava nebo obiloviny. Zatím se jim podařilo vyšlechtit rostliny, které dokážou kombinovat využití acetátu s klasickou fotosyntézou.
„U rostlin jsme stále ve fázi výzkumu a vývoje, snažíme se je naučit využívat acetát jako zdroj uhlíku, protože se přirozeně takto vyvíjet nenaučily. Ale postupujeme kupředu,“ říká Jinkerson. „Houby, kvasinky a řasy se ale takto pěstovat dají už dnes, takže si myslím, že tyto aplikace by mohly být komerčně dostupné jako první, rostliny přijdou na řadu později.“
Co bude dál
Vědci se nyní soustředí na zdokonalování metody výroby acetátu, aby byl celý proces zachytávání uhlíku ještě účinnější. „Toto je teprve první krok tohoto výzkumu. Věřím, že se jeho účinnost i náklady v blízké budoucnosti výrazně zlepší,“ dodává Jiao.
Elektrozemědělství tak představuje jednu z nejzajímavějších hranic v technologiích produkce potravin. Pokud se podaří překonat současné technické i regulační výzvy, mohlo by jít o šetrnou a prostorově úspornou metodu, která zásadně promění způsob, jakým lidstvo chápe pojem jídlo. Jinkerson i Jiao zůstávají optimističtí a zdůrazňují, že klíčem k úspěchu bude především další mezioborová spolupráce.
Zdroje pro hlubší bádání
Cell Press, Joule: Electro-agriculture research
Earth.com: Arctic microalgae show photosynthesis is possible in near darkness
Earth.com: Climate and agriculture are locked in a destructive feedback loop
University of California
Washington University in St. Louis
Earth.com: Reducing carbon footprint, urban farms and agricul