Оказалось, что промышленная революция с ее механизацией, удобрениями и научным подходом к ведению хозяйства позволяет повышать производительность быстрее, чем увеличивается население. Технологии, применяемые сейчас, способны обеспечить пищей более 10 млрд человек. Однако и эксплуатация ресурсов планеты со времен Мальтуса усилилась на порядки.
Светлое или темное будущее: когда электроземледелие начнет обеспечивать людей едой
Электроземледелие — новая технология, которая обещает обеспечить пищей население более чем в 100 млрд человек, выращивая растения без грунта и в темноте.
Shutterstock.com
В конце XVIII века Томас Мальтус сделал абсолютно надежное — и невероятно мрачное — предсказание. Подсчитав, что население Земли растет в геометрической прогрессии, он осознал, что рано или поздно планета не сможет прокормить всех и цивилизация погрузится в глобальную холодную войну. Однако пугающий призрак «мальтузианской ловушки» рассеялся уже в XIX веке.
По данным Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН (FAO), сегодня около 37% доступной суши отдано под производство еды. Примерно две трети этих территорий используются для животноводства, остальное — для растений. На полив полей уходит львиная доля пресной воды, их засыпают удобрениями и пестицидами, большая часть которых смывается без всякой пользы. Да и 10-миллиардный предел уже близко, а значит, человечеству нужно продолжать свой бег наперегонки с голодом.
Уже появились капельные системы орошения, которые резко снижают расход воды и химикатов. Вертикальные фермы, которым не нужны бескрайние поля. Гидропоника и аэропоника, позволяющие обойтись без почвы. Но в последние годы возникло решение по-настоящему грандиозное, обещающее революцию в жизни и питании (и снова в численности) всего населения Земли.
Ключевая статья об электроземледелии (electro-agriculture) появилась в журнале Joule в 2023 году и привлекла большое внимание экспертов, в том числе и в FAO. Технология требует полностью изменить традиционное растениеводство, в разы повысив его продуктивность и уменьшив расходы. Заявлено, что с ее помощью удастся обеспечить пищей более 130 млрд человек на Земле — и столько, сколько понадобится за ее пределами. Для этого нужно просто отказаться от... фотосинтеза.
Без фотосинтеза
Казалось бы, это суперсила флоры — улавливать солнечный свет и производить все, что требуется, из воды и воздуха. Растения оттачивали процесс миллиарды лет, создав сложнейшие ансамбли химических реакций и ферментов, которые их катализируют. Но все равно фотосинтез остается крайне неэффективным: всего 1% энергии излучения, уловленного растением, преобразуется в химические связи. Обычные солнечные батареи демонстрируют в разы большие КПД в получении электричества — и если использовать их вместо листьев, скорость накопления биомассы можно резко повысить. Но сначала придется разобрать фотосинтез на отдельные шаги и части, выбросить лишние и заменить их более продуктив ными искусственными.
В ходе фотосинтеза из углекислого газа и воды образуются молекулы глюкозы, которые растения могут использовать для получения других сахаров, жиров, аминокислот, пигментов и т.д. Этот процесс проходит в два этапа. В световой фазе фотосинтеза с помощью солнечного света идет расщепление воды с получением высокоэнергетических соединений, таких как АТФ и НАДФ (и выделением свободного кислорода).
В темновой фазе, не требующей освещения, эти молекулы восстанавливают углекислый газ до глюкозы. Именно первую, малоэффективную световую фазу собираются заменить методы электроземледелия и солнечные батареи. Напрямую производить таким способом сложные и нестабильные молекулы — носители энергии было бы слишком затратно.
Но если питать солнечной энергией электролиз углекислого газа, можно получить целый набор полезных соединений, от метана, этилена и спирта до ацетата, иона уксусной кислоты. Большинство из них не подходят для питания растений, но вот ацетат — уже почти то что нужно. На ранних этапах развития, когда росток активно поглощает запасенные в семени вещества, он способен утилизировать и ацетат. По мере роста эти механизмы отключаются, подобно тому как большинство людей, взрослея, перестают усваивать молоко. Но систему можно «перезапустить».
Растительная пища
Генная модификация позволяет заново активировать ранние метаболические пути, позволяющие растению преобразовывать ацетат, а затем использовать его для получения всех нужных высокоэнергетических молекул, включая АТФ и НАДФ для темновой фазы фотосинтеза. Останется лишь отключить механизмы световой фазы и активно подкармливать растение ацетатом, дожидаясь урожая. И результаты выглядят весьма вдохновляюще. Эксперименты, проводящиеся с 2022 года, показывают, что растущая в лаборатории ГМ-флора не нуждается в освещении и при этом накапливает биомассу вчетверо быстрее обычного.
По оценкам ученых, уже сегодня эффективность использования солнечной энергии при электроземледелии составляет 4% (против неизменного 1% у фотосинтеза). А в будущем, с появлением более производительных солнечных батарей, с созданием методов электролиза СО2, дающих больший выход ацетата, и более продуктивных ГМ-линий растений эта цифра легко достигнет 10–18%, на порядок превысив обычные показатели урожайности.
Более того, с некоторыми другими источниками пищи, такими как определенные водоросли, дрожжи и грибы, даже генной модификации не потребуется: они и без того питаются гетеротрофно и могут усваивать ацетат независимо от возраста. Однако ключевым прорывом электроземледелия должна стать генная модификация важнейших растений, которые обеспечивают человечество львиной долей калорий: пшеницы, риса, кукурузы, картофеля и т.д. Их производство с полей переместится в большие промышленные комплексы высотой (как описывают эксперты) от трех до семи этажей. Панели солнечных батарей на крыше смогут питать электролизеры, расположенные на самом верху. Оттуда насыщенный ацетатом питательный раствор будет поступать ниже, где в полумраке грибы и растения станут бурно набирать биомассу. Никаких пашен — все эти огромные территории можно будет вернуть дикой природе.
Непростые перспективы
Прежде чем технологии электроземледелия достигнут зрелости, потребуется вложить еще немало усилий, финансов и времени. Однако в результате удастся полностью разорвать зависимость урожая от качества почвы, капризов погоды, перемены сезонов и даже местного климата. Все нужное можно будет выращивать по соседству с местом потребления, снижая логистические издержки. Замкнутая система с закрытым водоснабжением позволит сэкономить воду и удобрения. Она не потребует особого освещения и теоретически будет с тем же успехом работать за пределами Земли, обеспечивая локальное производство свежей пищи на лунных и марсианских базах.
Недаром команда Nolux, которая прорабатывает такой проект, успешно справилась с первым и вторым этапами конкурса NASA Deep Space Food Challenge, став одним из трех финалистов. На третьем этапе ей предстоит продемонстрировать уже действующий прототип установки, рассчитанный на питание команды космонавтов из четырех человек. Тем временем благотворительный Фонд Билла и Мелинды Гейтс и корпорация Novo Nordisk спонсируют международный «Ацетатный консорциум», направленный на развитие и коммерциализацию технологий электроземледелия. Даже американское оборонное агентство DARPA поддерживает их в рамках программы Cornucopia — для создания новых решений по обеспечению армии продовольствием.
Но если реализация отдельных экспериментальных проектов в обозримом будущем кажется вполне достижимой, иное дело с превращением электроземледелия в индустрию, способную вытеснить традиционное сельское хозяйство. В глобальных масштабах фотосинтез растений улавливает в восемь раз больше энергии, чем все текущее потребление человечества.
Подсчитано, что США для выработки соответствующего количества энергии потребуется впятеро повысить ее производство. Причем совершить такой прорыв придется, опираясь исключительно на солнечные батареи и другие зеленые источники, с модернизацией всей инфраструктуры. Пока ход этих процессов не позволяет понять, каков будет итог. Кроме того, для заполнения электролизеров понадобятся огромные количества углекислого газа, а значит, глобальные ресурсы для его улавливания из промышленных выбросов и воздуха, производство из биомассы и других источников.
Наконец, неясно, как подобные преобразования повлияют на экосистемы и биосферу в целом. И на человеческое общество. Полный отрыв сельского хозяйства от традиционного растениеводства с окончательным превращением его в промышленную индустрию грозит еще большей концентрацией власти. Не останется места фермерству и знакомой, любимой многими сельской идиллии — лишь крупные корпорации, производящие растения в темноте, чтобы питать все более многочисленное население. Такой вариант будущего беспокоит немало экспертов и действительно выглядит не настолько светлым, каким кажется поначалу.