Електричне садівництво вже на горизонті, оскільки фермери шукають способи підвищити продуктивність без шкоди для навколишнього середовища. Чи скоро ми всі зможемо насолоджуватися електрифікованими овочами?
Напівпрозорі помаранчеві кубики спокусливо похитуються під вогнями рослин, дивлячись на весь світ, як екзотичні кондитерські вироби, щось середнє між клейкими ведмедиками та лукумом. Якби не яскраве зелене листя, що стирчить із маленьких повітряних тунелів, які їх перфорують, вони можуть здатися їстівними. «Нам часто доводиться нагадувати відвідувачам, щоб вони їх не їли», — каже технік-дослідник лабораторії морфогенезу рослин Імперського коледжу Лондона Маддалена Сальвалайо.
Кубики виготовлені з гідрогелю, матеріалу з мережевою структурою, який утримує рідину. Його частіше можна знайти в медичних пристроях і підгузках. Але тут, у лабораторії морфогенезу рослин Імперського коледжу Лондона, Салвалайо і Джованні Сена – головний дослідник – використовують їх, щоб змінити майбутнє вертикального землеробства. Секретом цього сміливого нового підходу є електроди, розташовані з боків кожного куба.
Експеримент Сальвалайо та Сени є одним із зростаючої глобальної групи проектів, спрямованих на стимулювання сільського господарства за допомогою різноманітних електричних втручань.
За останні десятиліття з’явилися способи електричної стимуляції насіння, посівів і полів. У США Національний науковий фонд (NSF) виділив мільйони доларів на дослідження сільськогосподарського використання холодної плазми – по суті, керованої блискавки, що подається при кімнатній температурі.
У Китаї уряд підтримує сільськогосподарські проекти, які використовують гігантські бурові установки для забору електроенергії в ґрунт для підвищення врожайності. У Канаді комерційний виробник експериментував із холодною плазмою для удобрення своїх салатів.
Зараз на сцену виходять стартапи, наприклад Vivent, швейцарська компанія, чия технологія може підслуховувати внутрішнє електричне життя рослин, і до якої агресивно залицяється аграрна промисловість. Навіть спільнота впливових людей з органічного садівництва принюхується до цієї тенденції.
Поширення нових проектів виглядало б дуже знайомим для тих, хто займався дивною одержимістю 19 століття: електрокультурою, за якої електрику щедро застосовували до рослин, щоб змусити їх краще цвісти або навіть позбавити їх від шкідників
Нова група дослідників уникає слова «електрокультура», віддаючи перевагу таким термінам, як «розумне землеробство» або «четверта сільськогосподарська революція».
Але основний механізм залишається незмінним, і прихильники єдині в переконанні, що електрика для рослин нарешті готова принести плоди. Є надія, що ці футуристичні системи можна буде залучити для боротьби з глобальною продовольчою кризою і зменшити екологічні наслідки масового сільського господарства.
Сучасне сільське господарство створює багато екологічних проблем. Згідно з оцінкою 2005 року, у всьому світі різні його складові можуть спричиняти 10-12% викидів парникових газів щороку. Виробництво синтетичних добрив, створених за енерговитратним процесом Хабера-Боша, який зробив революцію у сільському господарстві на початку 20-го століття, зараз становить сотні мільйонів тонн вуглекислого газу (CO2) на рік. Ерозія ґрунту внаслідок нерегульованого землекористування додає ще більше проблем.
Але рослинний еколог Ніна Бухманн, яка керує Всесвітнім центром продовольчої системи в ETH Zurich, Швейцарія, не терпить критиків. «Іноді мені хочеться запитати їх: ви сьогодні щось їли?», – каже вона присутнім на церемонії нагородження в галузі агрономії, організованій інвестиційною компанією Vontobel.
Сільськогосподарські компанії просять встромити нитку в складну голку: годувати населення, яке швидко зростає, але без пестицидів і добрив, що забруднюють, одночасно знижуючи витрати на енергію, використовуючи менше землі та постійно збільшуючи врожайність у все більш непередбачуваному світі.
Багато дослідників з авангарду нової хвилі електричного сільського господарства вважають, що це може зіграти певну роль у покращенні кожного з цих аспектів виробництва їжі.
Електризуюча врожайність
Щоб підвищити врожайність, деякі вчені повертаються до винаходів, натхненних «електро-овочеміром», винайденим французьким фізиком у 1780-х роках – свого роду громовідводом, який постачав атмосферну електрику на культури, часто з не дуже бажаними наслідками.
Більш просунуту версію можна знайти в Пекіні, де дослідники встановили установку, яка нагадує оригінальний пристрій для наповнення рослин електрикою. На відміну від своїх попередників, вони повідомили про чудові результати, зокрема щодо зеленої квасолі у 2022 році.
У США низка установ намагається відродити інший підхід: штучну блискавку. Здавна вважалося, що блискавка оживляє рослини і навіть гриби. Багато століть тому старі електрокультуристи вперше спробували використати переваги блискавки, але штучна версія блискавки могла згубити рослину так само, як і оживити її.
Але в 20 столітті з’явилася можливість подавати блискавку точніше. У природі блискавка генерує плазму – перегріту речовину, як правило, кілька мільйонів градусів, яка перетворилася на своєрідний іонізований газ. Сучасні інструменти епохи мікрочипів дозволили працювати з ними при кімнатній температурі.
Цей підхід до сільського господарства, відомий як холодна плазма, є «надзвичайно активною сферою зараз», — каже Хосе Лопес, професор Університету Сетон-Холл, який нещодавно завершив свою посаду директора програми з фізики плазми в Національному науковому фонді США.
Він і Олександр Волков, біохімік з Університету Оуквуд в Алабамі, є одними з тих, хто прийняв зростаючу сільськогосподарську тенденцію оброблення молодого насіння холодною плазмою в багатьох формах.
У своїх експериментах Волков спостерігав збільшення врожаю на 20-75% , залежно від рослини. Обробка насіння в плазмі менше хвилини призвела до збільшення врожаю картоплі на 40%.
«Одна капустяна ферма дозволила нам поекспериментувати, отримати статистику, — каже Волков. – Ми збільшили виробництво капусти на 75%. Вона також стала кращою». За його словами, смак був солодший.
Волков був не один. Кілька досліджень посіву засвідчили цілу низку переваг, від допомоги рослинам рости швидше та опору шкідникам.
«Наскільки нам відомо, плазма пробуджує насіння», — пояснює Лопес. Коли насіння вперше проростає, саме тоді нова рослина є найбільш вразливою до широкого спектру факторів зовнішнього середовища. Як наслідок, насіння відмовляється відкриватися, доки воно не буде задоволене своїм середовищем.
Прискорення процесу розвитку насіння було стандартною практикою в сільському господарстві протягом тривалого часу, і зазвичай це досягалося за допомогою хімічних засобів, таких як кислоти.
Здається, плазма робить те саме, але набагато ефективніше. «Вона перфорує насіннєву стінку, і коли ви садите це насіння, воно краще вбирає воду та ґрунт, — каже Лопес. – Після того, як ви обробите їх лише кілька секунд, ця рослина росте швидше, ніж необроблене насіння».
Здається, плазма навіть оживляє вже вирощені рослини, каже Лопес, чия власна група в NSF використовувала точний інструмент під назвою плазмовий олівець для точкової обробки рослин солодкого базиліка. Плазма стимулювала більш потужний і здоровий ріст, забезпечуючи 20% збільшення не тільки висоти, але й загальної маси рослини .
«Результати чудові, — каже Лопес, — Хоча є незначна річ, у якій ми все ще не зовсім впевнені, як усе це працює, особливо коли мова йде про взаємодію електрики з цілими рослинами». Волков шукає молекулярні механізми, відповідальні за посилення насіння.
Закрадаються сумніви
Ця невизначеність механізму впливу електрики на рослини певною мірою пояснює, чому електроенергія в сільському господарстві все ще є сумнівною технологією.
Через 200 років після того, як перші вікторіанці досягли ненаукового успіху у своїх багаторічних дослідженнях, все ще погано зрозуміло, як саме електрика взаємодіє з біологією рослин. Такий самий рух назад і вперед з’являвся кожного разу, коли електрокультура поверталася в моду з 1700-х років.
«Ми десятиліттями знали, що електричні поля посилюють ріст рослин», — каже Сена. Проблема полягає в тому, що ці дані ніколи не були повністю відтворені; експерименти проводилися в різних умовах. І після того, як 200 років нам казали: «Ми позбулися речей, і вони виросли ще більше», – каже Сена, людям можна пробачити трохи нетерпіння. – Звичайно, вони виросли більше! Але ви розумієте, чому?».
Щоб перетворити це електричне втручання на технологічно надійний метод, потрібно зрозуміти фундаментальну науку. Розкриття молекулярного механізму реакції рослини на електричне поле є суть роботи, яку проводить група Сени.
Серед іншого, вони почали зосереджуватися на недооціненому аспекті цієї реакції: власних внутрішніх електричних сигналах рослини. Рослини посилають їх безліч на кожній стадії росту та в кожній частині своєї анатомії.
У нещодавньому огляді Елеонора Моратто, докторантка лабораторії Сени, перерахувала широкий спектр таких сигналів. Розсада демонструє сплеск електричного струму до появи коренів. Вирощені рослини надсилають електричні сигнали як у відповідь на хижацтво, так і для того, щоб ідентифікувати себе друзям. Характерна форма електричного поля квітів може ідентифікувати їх як улюблених у запилювачів. Але, як також виявив Моратто, біоелектричні характеристики коренів також можуть зробити рослини спокусливими мішенями для шкідливих мікробів.
Хоча поширилися інструменти, здатні прослуховувати та розшифровувати цю какофонію електричних сигналів рослин, у 2021 році в огляді найсучасніших біоелектронних імплантованих пристроїв для рослин Елені Ставрініду та її співавтори з Лінчепінгського університету зазначили, що вони все ще недостатньо використовуються, навіть якщо вони були б надзвичайно корисними для моніторингу та модулювання біології сільськогосподарських культур.
Цього року Всесвітній економічний форум назвав рослинні переносні пристрої 10 найкращими технологіями 2023 року за їх потенціал для покращення сільського господарства. Це саме те, для чого деякі комерційні виробники та стартапи намагаються їх використовувати.
Носимі гаджети для рослин
Мало де так серйозно ставляться до посівів, як Нідерланди. Їхні теплиці більше нагадують заводи з виготовлення мікрочіпив, ніж садові центри. Це точно стосується Tomatoworld, високотехнологічної науково-дослідної теплиці площею 8000 кв.м.
«Якби ви могли побачити, як ми зараз вирощуємо помідори…», – каже Аб ван Маррєвік, який 47 років заробляв на життя вирощуванням помідорів. Це може бути важким завданням у великих масштабах: помідори потребують певних температур, і щоб вирости на повну силу, їм потрібно уникати стресів.
Tomatoworld випробовує передову технологію, свого роду «електроенцефалограму для томатів». Технологія під назвою PhytlSigns, розроблена компанією Vivent, що займається виробництвом рослинних технологій у Швейцарії, використовує рослинний еквівалент імплантованого мозкового електрода для прослуховування сигналів у стеблі.
Разом із алгоритмами глибокого навчання, навченими на літературі з електричних сигналів рослин, ця система формує основу своєрідного перекладача з рослин на англійську. Сенс полягає в тому, щоб надати операторам теплиць доступ до власних систем раннього попередження, які вказують на спрагу рослин чи зараження шкідниками до того, як явища стануть настільки поганими, що вимагатимуть серйозного руйнівного втручання. Tomatoworld розмістив перші зі своїх експериментальних датчиків у 2021 році, а вже наступного року вони почали бачити результати.
Інтерфейс PhytlSigns, який трохи схожий на серцевий монітор, кодує електричну активність рослини у три легко зрозумілі смуги. Зелена означає, що рослина помідорів має звичайний день – приємна температура, поглинає достатню кількість води та приймає нормальну кількість CO2. Жовта вказує на якийсь стрес. Якщо оператор бачить помаранчевий колір, кожен повинен припинити те, що вони роблять, і зрозуміти, що пішло не так.
Цей розетський камінь, як сподівається ван Марревійк, допоможе виробникам зрозуміти, як молоді помідори ставляться до технологічних втручань, які мають заселити сільськогосподарське майбутнє.
Принаймні для ван Марревійка, томатна ЕЕГ, здається, працює. Одного суботнього ранку о 5:30 ранку температура в теплиці опустилася до 12C із встановлених постійних 15-16C. Пізніший перегляд показників PhytlSigns показав, що коли температура в теплиці опускалася нижче зони комфорту рослин, амплітуда та частота їхніх електричних сигналів постійно зростала від щасливого зеленого до тривожно жовтого.
Перші датчики були грубим способом підслуховування сигналів рослин, каже Найджел Волбрідж, головний науковий співробітник Vivent. «Це схоже на те, щоб слухати футбольний натовп, а не окрему розмову», — каже він.
Два роки потому, оновлені версії поширилися за межі помідорів і в світ за межами теплиць. «Зараз ми набагато більше проводимо на свіжому повітрі, — каже Волбрідж. – Цукровий буряк, картопля, ми навіть слухаємо сигнали в насінні». Ряд нових партнерів використали датчики PhytlSigns для власних польових випробувань в Італії, Німеччині, Франції, Великобританії, Нідерландах і Швеції. Серед них і агрогігант Bayer .
Одним із найприємніших нових сигналів є реакція рослини на цвіль, яка може бути руйнівною. «Коли ви бачите цвіль, ваш урожай уже зник», — каже Волбрідж. Після потрапляння спори потрібно лише кілька днів, щоб перейти до невиліковної хвороби, після чого вам доведеться знищити весь урожай. Хворобі можна лише запобігти, але ніколи не вилікувати.
Профілактичні заходи включають щотижневе обприскування токсичними хімікатами незалежно від того, є ознаки зараження чи ні. Волбрідж каже, що можливість підключитися до захисних сигналів рослини замість того, щоб покладатися на видимі докази, змінює ситуацію. «Це відкриває шлях для лікування, яке не передбачає постійного превентивного обприскування», – каже він.
Vivent також ділиться своїми даними з університетами, що дає ще більше розуміння як все працює. Коли Кав’я Сай та її колеги з Національного технологічного інституту Джаландхара в Пенджабі детально дослідили сигнали, отримані PhytlSigns, вони змогли виявити та класифікувати дефіцит конкретних поживних речовин з високою точністю.
«Рослини залишають свідчення свого основного фізичного стану в своїх електрофізіологічних даних», — пишуть автори, розкриваючи таку ж специфічну інформацію, як дефіцит заліза та марганцю.
Уолбрідж вважає, що саме тому гаджети на рослинах відіграватимуть таку вирішальну роль у майбутній електричній революції в сільському господарстві.
«У нас є безпілотники, супутники та датчики ґрунту, але жоден із них не дає вам доступу до внутрішнього стану рослини», — каже він.
Прослуховування цих даних є потужним, оскільки дає можливість використовувати менше добрив, ядів тощо. Усунення дефіциту конкретних поживних речовин дозволяє використовувати менше добрив, що означатиме менше вимивання нітратів у ґрунтові води.
«Ви можете почати використовувати потрібну кількість, якщо точно знаєте, що насправді потрібно рослинам і коли їм це потрібно», — говорить він, будь то вода, боротьба зі шкідниками, їжа — навіть земля.
Веред у небо
На відміну від інших потреб рослин, не можна просто зробити більше землі. Довгий час найкращою відповіддю на цю проблему була перспектива вертикального землеробства, яке дозволило б вирощувати культури на будь-якій поверхні.
Є лише одна проблема, каже Сена. Те, що ми називаємо вертикальним землеробством, є дещо неправильним. Ми не вирощуємо рослини вертикально. Ми лише вертикально укладаємо вузькі ящики, ставлячи їх один на одного. Рослини в цих ящиках ростуть традиційно – горизонтально.
Це тому, що коріння не є вертикальними. Коріння підкоряється закону тяжіння. Вони шукають воду і шукають «вниз». Тому, до речі, вирощувати рослини з великою кількістю коренів у космосі дуже складно. Без сили тяжіння коріння блукають повсюди, що ускладнює матеріально-технічне забезпечення їх адекватного живлення.
Що, якби вертикальне землеробство буквально робило те, що написано? Що, якби можна було вирощувати культури та дерева, коріння яких простягалося вздовж, а не вниз?
Коріння росте вниз, тому що живий організм відчуває силу гравітаційного поля та присутність води та координує свою тканину, щоб слідувати за поживними речовинами.
Однак це не все, що корені можуть відчути. Вони також можуть відчувати електричні поля. Більше того, це почуття може перекреслити інші. За останні 100 років вчені зрозуміли, що під дією електричного поля будь-що повзе до катода. Це явище, яке все більше викорситовується в медицині для загоєння ран, тепер стало гарячою темою і в дослідженнях рослин: Електричне поле може пересилити еволюційне прагнення рослин рости уздовж гравітації.
Минулого року Сальвалайо та Сена вперше показали в точних молекулярних деталях, як використовувати певні дози електрики, щоб змусити рослину Arabidopsis змінити напрямок росту коренів. Іншими словами, вони змусили її рости так, як вони хотіли.
Салвалайо та Сена співпрацювали зі Школою проектування Дайсона в Лондоні, щоб розробити спеціальні гідрогелеві куби з візерунками, надруковані на 3D-принтері, у яких можна розмістити зростаючі рослини арабідопсису, а також електроди, які спрямовуватимуть ріст їхніх коренів у бокове положення. Яскраво-зелене листя свідчить про те, що аераційні тунелі довели живильне середовище. Їхнє коріння густо звивається змійкою.
Салвалайо планує розпочати електротерапію пізніше цього літа. Якщо все піде добре, сказати «небо є межею» було б применшенням.
«Можливість контролювати напрямок росту коренів означала б, що ми могли б вирощувати дерева як зі стелі, так і зі стіни», — каже Сена. Завдяки цьому новому електричному прориву стало б можливим навіть вирощувати дерева в умовах невагомості. Можливо, незабаром з’являться дерева на Міжнародній космічній станції (МКС) або ліси на Місяці.
За матеріалами: BBC
