الزراعة في الظلام.. كيف تتفوق الزراعة الكهربائية على عملية التمثيل الضوئي

يقترح المهندسون البيولوجيون “الزراعة الكهربائية”، وهي طريقة تحل محل التمثيل الضوئي من خلال تفاعل يعمل بالطاقة الشمسية يحول ثاني أكسيد الكربون إلى أسيتات، مما قد يقلل احتياجات الأراضي الزراعي بنسبة 94٪ ويدعم الزراعة الداخلية الخاضعة للرقابة.

وتركز التجارب الأولية على النباتات المعدلة وراثيا المستهلكة للأسيتات مثل الطماطم والخس، مع تطبيقات مستقبلية محتملة في الزراعة الفضائية.

الزراعة الكهربائية الثورية

إن عملية التمثيل الضوئي، وهي العملية الطبيعية التي تغذي أغلب أشكال الحياة على الأرض، غير فعّالة بشكل مدهش ــ فالنباتات لا تحول سوى نحو 1% من الضوء الذي تمتصه إلى طاقة كيميائية قابلة للاستخدام. والآن اقترح المهندسون البيولوجيون طريقة بديلة رائدة لإنتاج الغذاء أطلقوا عليها “الزراعة الكهربائية”.

في الثالث والعشرين من أكتوبر، نشرت مجلة جول بحثهم الذي يقترح طريقة تعمل بالطاقة الشمسية وتتخطى عملية التمثيل الضوئي تمامًا، وبدلاً من ذلك، تحول ثاني أكسيد الكربون مباشرة إلى جزيء عضوي غني بالمغذيات يمكن للنباتات المعدلة وراثيًا “استهلاكه” كغذاء.

ووفقًا للباحثين، إذا تم استخدام الزراعة الكهربائية لزراعة كل الطعام، فقد يؤدي ذلك إلى تقليل الأراضي اللازمة للزراعة بنسبة مذهلة تبلغ 94٪، وقد تمكن هذه التكنولوجيا حتى من إنتاج الغذاء في الفضاء.

الزراعة الداخلية: مستقبل الزراعة

ويوضح المؤلف المشارك والمهندس البيولوجي روبرت جينكرسون من جامعة كاليفورنيا في ريفرسايد: “إذا لم نعد في حاجة إلى زراعة النباتات في ضوء الشمس، فيمكننا فصل الزراعة عن البيئة وزراعة الغذاء في بيئات داخلية خاضعة للرقابة. أعتقد أننا بحاجة إلى نقل الزراعة إلى المرحلة التالية من التكنولوجيا، ويجب أن يكون إنتاجها بطريقة خاضعة للرقابة ومنفصلة عن الطبيعة هو الخطوة التالية”.

إن الزراعة الكهربائية تعني استبدال الحقول الزراعية بمباني متعددة الطوابق. حيث تمتص الألواح الشمسية الموجودة على المباني أو بالقرب منها أشعة الشمس، وستؤدي هذه الطاقة إلى تفاعل كيميائي بين ثاني أكسيد الكربون والماء لإنتاج الأسيتات – وهو جزيء مشابه لحمض الأسيتيك ، المكون الرئيسي في الخل.

ومن ثم يمكن استخدام الأسيتات لتغذية النباتات المزروعة مائيًا. ويمكن أيضًا استخدام هذه الطريقة لزراعة كائنات حية أخرى منتجة للغذاء، حيث تستخدم الفطر والخميرة والطحالب الأسيتات بشكل طبيعي.

هندسة النباتات آكلة الأسيتات

يقول المؤلف الرئيسي فينج جياو، وهو خبير في الكيمياء الكهربائية بجامعة واشنطن في سانت لويس: “الهدف الأساسي من هذه العملية الجديدة هو محاولة تعزيز كفاءة التمثيل الضوئي، في الوقت الحالي، نحن عند حوالي 4% من الكفاءة، وهو ما يزيد بالفعل عن أربعة أضعاف كفاءة التمثيل الضوئي، ولأن كل شيء أصبح أكثر كفاءة بهذه الطريقة، فإن بصمة ثاني أكسيد الكربون المرتبطة بإنتاج الغذاء أصبحت أصغر بكثير”.

ولإجراء هندسة وراثية للنباتات التي تتغذى على الأسيتات، يستغل الباحثون مساراً أيضياً تستخدمه النباتات النابتة لتحليل الغذاء المخزن في بذورها. ويتم إيقاف تشغيل هذا المسار بمجرد أن تصبح النباتات قادرة على التمثيل الضوئي، ولكن إعادة تشغيله من شأنه أن يمكنها من استخدام الأسيتات كمصدر للطاقة والكربون.

توسيع التطبيقات لتشمل المحاصيل التقليدية

يقول جينكرسون: “نحاول إعادة تشغيل هذا المسار في النباتات البالغة وإعادة إيقاظ قدرتها الفطرية على استخدام الأسيتات. إنه يشبه عدم تحمل اللاكتوز لدى البشر – عندما نكون أطفالًا، يمكننا هضم اللاكتوز في الحليب، ولكن بالنسبة للعديد من الناس، يتم إيقاف هذا المسار عندما يكبرون. إنها نفس الفكرة تقريبًا، ولكن للنباتات فقط”.

يركز الفريق أبحاثه الأولية على الطماطم والخس، لكنه يخطط للانتقال إلى المحاصيل الأساسية عالية السعرات الحرارية مثل الكسافا والبطاطا الحلوة ومحاصيل الحبوب في المستقبل.

وفي الوقت الحالي، تمكنوا من هندسة نباتات يمكنها استخدام الأسيتات بالإضافة إلى التمثيل الضوئي، لكنهم يهدفون في النهاية إلى هندسة نباتات يمكنها الحصول على كل طاقتها الضرورية من الأسيتات، مما يعني أنها لن تحتاج إلى أي ضوء بنفسها.

يقول جينكرسون: “بالنسبة للنباتات، ما زلنا في مرحلة البحث والتطوير لمحاولة جعلها تستفيد من الأسيتات كمصدر للكربون، لأن النباتات لم تتطور لتنمو بهذه الطريقة، لكننا نحرز تقدمًا، ومع ذلك، يمكن زراعة الفطر والخميرة والطحالب بهذه الطريقة اليوم، لذلك أعتقد أن هذه التطبيقات يمكن تسويقها أولاً، وستأتي النباتات لاحقًا”.

تعزيز الكفاءة من أجل الاستدامة المستقبلية

ويخطط الباحثون أيضًا لمواصلة تحسين طريقة إنتاج الأسيتات لجعل نظام تثبيت الكربون أكثر كفاءة.

ويقول جياو: “هذه مجرد الخطوة الأولى لهذا البحث، وأعتقد أن هناك أملاً في تحسين كفاءته وتكلفته بشكل كبير في المستقبل القريب”.