Электрическое садоводство уже на горизонте, поскольку фермеры ищут способы повысить производительность без ущерба окружающей среде. Скоро ли мы все сможем наслаждаться электрифицированными овощами?
Полупрозрачные оранжевые кубики соблазнительно покачиваются под огнями растений, глядя на весь мир, как экзотические кондитерские изделия, нечто среднее между клейкими мишками и лукумом. Если бы не яркие зеленые листья, торчащие из маленьких воздушных туннелей, которые их перфорируют, они могут показаться съедобными. «Нам часто приходится напоминать посетителям, чтобы они их не ели», — говорит техник-исследователь лаборатории морфогенеза растений Имперского колледжа Лондона Маддалена Сальвалайо.
Кубики изготовлены из гидрогеля, материала с сетевой структурой, содержащей жидкость. Его чаще можно найти в медицинских устройствах и подгузниках. Здесь же, в лаборатории морфогенеза растений Имперского колледжа Лондона, Салвалайо и Джованни Сена – главный исследователь – используют их, чтобы изменить будущее вертикального земледелия. Секретом этого смелого нового подхода электроды, расположенные по бокам каждого куба.
Эксперимент Сальвалайо и Сены является одним из растущей глобальной группы проектов, направленных на стимулирование сельского хозяйства посредством различных электрических вмешательств.
В последние десятилетия появились способы электрической стимуляции семян, посевов и полей. В США Национальный научный фонд (NSF) выделил миллионы долларов на исследование сельскохозяйственного использования холодной плазмы – по сути, управляемой молнии, подаваемой при комнатной температуре.
В Китае правительство поддерживает сельскохозяйственные проекты, которые используют гигантские буровые установки для забора электроэнергии в почву для повышения урожайности. В Канаде коммерческий производитель экспериментировал с холодной плазмой для удобрения салатов.
Сейчас на сцену выходят стартапы, например Vivent, швейцарская компания, чья технология может подслушивать внутреннюю электрическую жизнь растений, и за которой агрессивно ухаживает аграрная промышленность. Даже сообщество влиятельных людей по органическому садоводству принюхивается к этой тенденции.
Распространение новых проектов выглядело бы очень знакомо тем, кто занимался странной одержимостью 19 века: электрокультурой, при которой электричество щедро применяли к растениям, чтобы заставить их лучше цвести или даже избавить их от вредителей
Новая группа исследователей избегает слова «электрокультура», предпочитая такие термины, как «умное земледелие» или «четвертая сельскохозяйственная революция».
Но основной механизм остается неизменным, и поклонники единственны в убеждении, что электричество для растений наконец-то готово принести плоды. Есть надежда, что эти футуристические системы можно будет привлечь для борьбы с глобальным продовольственным кризисом и снизить экологические последствия массового сельского хозяйства.
Современное сельское хозяйство создает множество экологических проблем. Согласно оценке 2005 года, во всем мире разные его составляющие могут вызывать 10-12% выбросов парниковых газов ежегодно. Производство синтетических удобрений, созданных по энергозатратному процессу Хабера-Боша, совершившего революцию в сельском хозяйстве в начале 20-го века, сейчас составляет сотни миллионов тонн углекислого газа (CO2) в год. Эрозия почвы в результате нерегулируемого землепользования добавляет еще больше проблем.
Но растительный эколог Нина Бухманн, управляющая Всемирным центром продовольственной системы в ETH Zurich, Швейцария, не терпит критиков. «Иногда мне хочется спросить их: вы сегодня что-нибудь ели?», — говорит она присутствующим на церемонии награждения в области агрономии, организованной инвестиционной компанией Vontobel.
Сельскохозяйственные компании просят вонзить нить в сложную иглу: кормить быстро растущее население, но без пестицидов и загрязняющих удобрений, одновременно снижая затраты на энергию, используя меньше земли и постоянно увеличивая урожайность во все более непредсказуемом мире.
Многие исследователи по авангарду новой волны электрического сельского хозяйства считают, что это может сыграть определенную роль в улучшении каждого из этих аспектов производства пищи.
Электризирующая урожайность
Чтобы повысить урожайность, некоторые ученые возвращаются к изобретениям, вдохновленным «электроовощемером», изобретенным французским физиком в 1780-х годах – своего рода громоотводом, снабжавшим атмосферное электричество на культуре, часто с не очень желаемыми последствиями.
Более развитую версию можно найти в Пекине, где исследователи установили установку, напоминающую оригинальное устройство для наполнения растений электричеством. В отличие от своих предшественников, они сообщили о замечательных результатах, в частности по зеленой фасоли в 2022 году.
В США ряд учреждений пытаются возродить другой подход: искусственную молнию. Издавна считалось, что молния оживляет растения и даже грибы. Много веков назад старые электрокультуристы впервые попытались использовать преимущества молнии, но искусственная версия молнии могла потерять растение так же, как оживить его.
Но в 20 веке появилась возможность подавать молнию точнее. В природе молния генерирует плазму – перегретое вещество, как правило, несколько миллионов градусов, которое превратилось в своеобразный ионизированный газ. Современные инструменты эры микрочипов позволили работать с ними при комнатной температуре.
Этот подход к сельскому хозяйству, известный как холодная плазма, является «чрезвычайно активной сферой сейчас», — говорит Хосе Лопес, профессор Университета Сетон-Холл, недавно завершивший свою должность директора программы по физике плазмы в Национальном научном фонде США.
Он и Александр Волков, биохимик из Университета Оуквуд в Алабаме, являются одними из тех, кто принял растущую сельскохозяйственную тенденцию возделывания молодых семян холодной плазмой во многих формах.
В своих экспериментах Волков наблюдал увеличение урожая на 20-75% в зависимости от растения. Обработка семян в плазме менее минуты привела к увеличению урожая картофеля на 40%.
«Одна капустная ферма позволила нам поэкспериментировать, получить статистику, – говорит Волков. – Мы увеличили производство капусты на 75%. Она также стала лучше». По его словам, вкус был слаще.
Волков был не один. Несколько исследований посева показали целый ряд преимуществ, от помощи растениям расти быстрее и сопротивления вредителям.
«Насколько нам известно, плазма пробуждает семена», — объясняет Лопес. Когда семена впервые прорастают, именно тогда новое растение является наиболее уязвимым к широкому спектру факторов внешней среды. Как следствие, семена отказываются открываться, пока они не будут удовлетворены своей средой.
Ускорение процесса развития семян являлось стандартной практикой в ??сельском хозяйстве в течение длительного времени, и обычно это достигалось с помощью химических средств, таких как кислоты.
Кажется, плазма делает то же, но гораздо эффективнее. «Она перфорирует семенную стенку, и когда вы сажаете эти семена, они лучше впитывают воду и почву, — говорит Лопес. — После того, как вы обработаете их всего несколько секунд, это растение растет быстрее, чем необработанные семена».
Кажется, плазма даже оживляет уже выращенные растения, говорит Лопес, чья собственная группа в NSF использовала точный инструмент под названием плазменный карандаш для точечной обработки растений сладкого базилика. Плазма стимулировала более мощный и здоровый рост, обеспечивая 20% увеличения не только высоты, но и общей массы растения.
«Результаты отличные, — говорит Лопес, — Хотя есть незначительная вещь, в которой мы все еще не совсем уверены, как все это работает, особенно когда речь идет о взаимодействии электричества с целыми растениями». Волков ищет молекулярные механизмы, ответственные за усиление семян.
Закрадываются сомнения
Эта неопределенность механизма воздействия электричества на растения в определенной степени объясняет, почему электроэнергия в сельском хозяйстве все еще является сомнительной технологией.
Через 200 лет после того, как первые викторианцы добились ненаучного успеха в своих многолетних исследованиях, все еще плохо понятно, как электричество взаимодействует с биологией растений. Такое же движение назад и вперед появлялось всякий раз, когда электрокультура возвращалась в моду с 1700-х годов.
«Мы десятилетиями знали, что электрические поля усиливают рост растений», — говорит Сена. Проблема состоит в том, что эти данные никогда не были полностью воспроизведены; эксперименты проводились в разных условиях. И после того, как 200 лет нам говорили: «Мы избавились от вещей, и они выросли еще больше», — говорит Сена, людям можно простить немного нетерпения. – Конечно, они выросли больше! Но вы понимаете почему?».
Чтобы превратить это электрическое вмешательство в технологически надежный метод, следует понять фундаментальную науку. Раскрытие молекулярного механизма реакции растения на электрическое поле есть суть работы, проводимой группой Сены.
Среди прочего они стали сосредотачиваться на недооцененном аспекте этой реакции: собственных внутренних электрических сигналах растения. Растения посылают их множество на каждой стадии роста и каждой части своей анатомии.
В недавнем обзоре Элеонора Моратто, докторантка Сенной лаборатории, перечислила широкий спектр таких сигналов. Рассада показывает всплеск электрического тока до появления корней. Выращенные растения посылают электрические сигналы как в ответ на хищничество, так и для того, чтобы идентифицировать себя друзьям. Характерная форма электрического поля цветов может идентифицировать их в качестве любимых опылителей. Но, как обнаружил Моратто, биоэлектрические характеристики корней также могут сделать растения соблазнительными мишенями для вредных микробов.
Хотя распространились инструменты, способные прослушивать и расшифровывать эту какофонию электрических сигналов растений, в 2021 году в обзоре самых современных биоэлектронных имплантированных устройств для растений Елены Ставринида и ее соавторы из Линчепингского университета отметили, что они все еще недостаточно используются, даже если они были бы чрезвычайно полезны. мониторинг и модулирование биологии сельскохозяйственных культур.
В этом году Всемирный экономический форум назвал растительные переносные устройства 10 лучшими технологиями 2023 за их потенциал для улучшения сельского хозяйства. Это именно то, для чего некоторые коммерческие производители и стартапы пытаются использовать их.
Носимые гаджеты для растений
Мало где так серьезно относятся к посевам, как Нидерланды. Их теплицы больше напоминают заводы по изготовлению микрочипов, чем садовые центры. Это точно касается Tomatoworld, высокотехнологичной научно-исследовательской теплицы площадью 8000 кв.
«Если бы вы могли увидеть, как мы сейчас выращиваем помидоры…», – говорит Аб ван Марревик, 47 лет зарабатывавший на жизнь выращиванием помидоров. Это может быть трудной задачей в больших масштабах: помидоры нуждаются в определенных температурах, и чтобы вырасти в полную силу, им нужно избегать стрессов.
Tomatoworld испытывает передовую технологию, своего рода электроэнцефалограмму для томатов. Технология под названием PhytlSigns, разработанная компанией Vivent, занимающейся производством растительных технологий в Швейцарии, использует эквивалент имплантированного мозгового электрода для прослушивания сигналов в стебле.
Вместе с алгоритмами глубокого обучения, обученными на литературе по электрическим сигналам растений, эта система формирует основу своеобразного переводчика с растений на английский. Смысл состоит в том, чтобы предоставить операторам теплиц доступ к собственным системам раннего предупреждения, которые указывают на жажду растений или заражение вредителями до того, как явления станут настолько плохими, что потребуют серьезного разрушительного вмешательства. Tomatoworld разместил первые из своих экспериментальных датчиков в 2021 году, а уже в следующем году они стали видеть результаты.
Интерфейс PhytlSigns, немного похожий на сердечный монитор, кодирует электрическую активность растения в три легко понятные полосы. Зеленое означает, что растение помидоров имеет обычный день – приятная температура, поглощает достаточное количество воды и принимает нормальное количество CO2. Желтая указывает на какой-то стресс. Если оператор видит оранжевый цвет, каждый должен прекратить то, что они делают и понять, что пошло не так.
Этот розетский камень, как надеется ван Марревийк, поможет производителям понять, как молодые помидоры относятся к технологическим вмешательствам, заселившим сельскохозяйственное будущее.
По крайней мере, для ван Марревийка, томатная ЭЭГ, кажется, работает. Однажды субботним утром в 5:30 утра температура в теплице опустилась до 12C из установленных постоянных 15-16C. Более поздний просмотр показателей PhytlSigns показал, что когда температура в теплице опускалась ниже зоны комфорта растений, амплитуда и частота их электрических сигналов постоянно возрастала от счастливого зеленого до тревожно желтого.
Первые датчики были грубым способом подслушивания сигналов растений, говорит Найджел Уолбридж, главный научный сотрудник Vivent. «Это похоже на то, чтобы слушать футбольную толпу, а не отдельный разговор», — говорит он.
Два года спустя, обновленные версии распространились за пределы помидоров и в свет за пределами теплиц. «Сейчас мы гораздо больше проводим на свежем воздухе, – говорит Волбридж. — Сахарная свекла, картофель, мы даже слушаем сигналы в семенах». Ряд новых партнеров использовали датчики PhytlSigns для своих полевых испытаний в Италии, Германии, Франции, Великобритании, Нидерландах и Швеции. Среди них и агрогигант Bayer.
Одним из самых приятных новых сигналов является реакция растения на плесень, которая может быть разрушительной. «Когда вы видите плесень, ваш урожай уже исчез», — говорит Волбридж. После попадания споры нужно всего несколько дней, чтобы перейти к неизлечимой болезни, после чего вам придется уничтожить весь урожай. Болезни можно только предотвратить, но никогда не вылечить.
Профилактические мероприятия включают еженедельное опрыскивание токсичными химикатами независимо от того, есть признаки заражения или нет. Волбридж говорит, что возможность подключиться к защитным сигналам растения вместо того, чтобы полагаться на видимые доказательства, изменяет ситуацию. «Это открывает путь для лечения, не предусматривающего постоянного превентивного опрыскивания», – говорит он.
Vivent также делится своими данными с университетами, что дает еще большее понимание как все работает. Когда Кафе Сай и его коллеги из Национального технологического института Джаландхара в Пенджабе подробно исследовали сигналы, полученные PhytlSigns, они смогли выявить и классифицировать дефицит конкретных питательных веществ с высокой точностью.
«Растения оставляют свидетельство своего основного физического состояния в своих электрофизиологических данных», — пишут авторы, раскрывая такую ??же специфическую информацию, как дефицит железа и марганца.
Уолбридж считает, что именно поэтому гаджеты на растениях будут играть столь решающую роль в будущей электрической революции в сельском хозяйстве.
«У нас есть беспилотники, спутники и датчики почвы, но ни один из них не дает вам доступа к внутреннему состоянию растения», — говорит он.
Прослушивание этих данных является мощным, поскольку позволяет использовать меньше удобрений, ядов и т.д. Устранение дефицита конкретных питательных веществ позволяет использовать меньше удобрений, что означает меньшее вымывание нитратов в грунтовые воды.
«Вы можете начать использовать нужное количество, если точно знаете, что действительно нужно растениям и когда им это нужно», — говорит он, будь то вода, борьба с вредителями, еда — даже земля.
Веред в небо
В отличие от других потребностей растений нельзя просто сделать больше земли. Долгое время лучшим ответом на эту проблему была перспектива вертикального земледелия, позволяющего выращивать культуры на любой поверхности.
Есть только одна проблема, говорит Сена. То, что мы называем вертикальным земледелием, несколько неправильно. Мы не выращиваем растения вертикально. Мы только вертикально укладываем узкие ящики, ставя их друг на друга. Растения в этих ящиках растут традиционно – горизонтально.
Это потому, что корни не являются вертикальными. Корни подчиняются закону тяготения. Они ищут воду и ищут «вниз». Потому, кстати, выращивать растения с большим количеством корней в космосе очень сложно. Без силы тяжести корни бродят повсюду, что усложняет материально-техническое обеспечение их адекватного питания.
Что, если бы вертикальное земледелие буквально делало то, что написано? Что, если бы можно было выращивать культуры и деревья, корни которых простирались вдоль, а не вниз?
Корни растут вниз, потому что живой организм чувствует силу гравитационного поля и присутствие воды и координирует свою ткань, чтобы следовать питательным веществам.
Однако это не все, что корни могут ощутить. Они также могут ощущать электрические поля. Более того, это чувство может перечеркнуть другие. За последние 100 лет ученые поняли, что под действием электрического поля во что бы то ни стало ползет к катоду. Это явление, которое все больше используется в медицине для заживления ран, теперь стало горячей темой и в исследованиях растений: Электрическое поле может пересилить эволюционное стремление растений расти вдоль гравитации.
В прошлом году Сальвалайо и Сена впервые показали в точных молекулярных деталях, как использовать дозы электричества, чтобы заставить растение Arabidopsis изменить направление роста корней. Иными словами, они вынудили ее расти так, как они хотели.
Салвалайо и Сена сотрудничали со Школой проектирования Дайсона в Лондоне, чтобы разработать специальные гидрогелевые кубы с узорами, напечатанными на 3D-принтере, в которых можно разместить растущие растения арабидопсиса, а также электроды, направляющие рост их корней в боковое положение. Ярко-зеленые листья свидетельствуют о том, что аэрационные тоннели доказали питательную среду. Их корни густо извиваются змейкой.
Салвалайо планирует начать электротерапию позже этим летом. Если все пойдет хорошо, сказать «небо есть предел» было бы умалением.
«Возможность контролировать направление роста корней означала бы, что мы могли бы выращивать деревья как с потолка, так и со стены», — говорит Сена. Благодаря этому новому электрическому прорыву стало возможным даже выращивать деревья в условиях невесомости. Возможно, в скором времени появятся деревья на Международной космической станции (МКС) или леса на Луне.
По материалам: BBC
