مزارع المستقبل ستزرع الغذاء مع الحفاظ على البيئة

8.025 مليار إنسان، هذا هو عددنا اليوم بفضل ابتكار ربما لم يسمع به كثير من الناس قط : عملية هابر بوش.

في أوائل القرن العشرين، نجح الكيميائيان فريتز هابر وكارل بوش في اكتشاف طريقة رخيصة لتحويل النيتروجين الجوي إلى الأمونيا، وهو مركب غني بالنيتروجين يمكن للنباتات استخدامه للنمو، مما فتح الباب أمام طريقة جديدة قوية لمساعدة المحاصيل على الوصول إلى أقصى إنتاجية ممكنة.

لا يمكن المبالغة في تقدير التأثير العميق لهذه التكنولوجيا الفردية، ففي عام 1900 كانت المزارع تحتاج إلى ما يقرب من أربعة أمثال مساحة الأرض التي كانت تحتاج إليها في عام 2000 لزراعة نفس متوسط إنتاج المحاصيل.

ويُعد هذا التحسن الهائل في الكفاءة على مدى العقود الماضية، كما هو موضح أدناه، أحد أعظم قصص الاختراق في العصر الحديث، ولكن هناك مشكلة.

تتطلب عملية هابر بوش كميات كبيرة من الطاقة، كما أن ناتجها المتمثل في الأسمدة النيتروجينية الصناعية معروف بتأثيره الملوث على المجاري المائية وانبعاثاته من الغازات المسببة للاحتباس الحراري العالمي.

ووفقاً لبعض التقديرات، فإن الزراعة مسؤولة عن 25% من الغازات المسببة للاحتباس الحراري العالمي، وتمثل هابر بوش وحدها 3% من هذه الغازات.

من الواضح أن الوقت قد حان للقيام بعمل أفضل مرة أخرى.

وإذا كان القرن العشرين قد شهد نجاحاً كبيراً في مجال الابتكار، فلابد وأن يتفوق عليه القرن الحادي والعشرون، ذلك أن التحديات التي نواجهها اليوم لا تقل صعوبة عن ذلك.

تغير المناخ يضيق الخناق على الأراضي الصالحة للزراعة ويهدد سبل عيش العديد من المزارعين بالفعل، في حين من المقرر أن يصل عدد سكاننا المتزايد إلى 10 مليارات بحلول عام 2050.

وإذا جمعنا كل هذا معًا، فسوف يبدو الأمر وكأنه مهمة مستحيلة، كيف سيتمكن المزارعون من زراعة المزيد من الغذاء، مع مساحة أقل من الأرض، وتقليل اعتمادهم على الوضع الراهن، بينما يواجهون المزيد من موجات الجفاف وموجات الحر والفيضانات ؟

الجديد أنه بفضل أحدث الأدوات التكنولوجية المتاحة لنا، بدأ تحول آخر في الزراعة بهدوء.

وفيما يلي ثلاث طرق يتوقع أن تتغير بها الزراعة على مدى العقود القليلة القادمة.

1- المحاصيل الجديدة والمحسنة

سيصبح استخدام تحرير الجينات في الزراعة شائعًا بشكل متزايد بسبب سرعته وخصوصيته في تطوير السمات المرغوبة للمحاصيل.

وبدلاً من استخدام جين من نوع مختلف ــ مثل جين البكتيريا الذي يتم زرعه في الذرة لحمايتها من آفة شائعة ــ يستطيع علماء الأحياء الآن هندسة التغييرات مباشرة في الحمض النووي للمحصول نفسه، وإسكات أو تعديل بعض جيناته الخاصة لصنع إصدارات من المحصول أكثر مقاومة للحرارة، ومقاومة للآفات، وأفضل طعماً، أو أكثر تحملاً للجفاف، على سبيل المثال.

تستغرق عملية تربية المحاصيل التقليدية ما يزيد عن عقد من الزمان، ولكن مع أدواتنا التكنولوجية الحيوية الجديدة، التي تعززها أدواتنا الرقمية سريعة التطور مثل الذكاء الاصطناعي، يمكن تقصير الإطار الزمني للتطوير إلى بضعة أشهر فقط.

يقول روبرت جينكرسون، الأستاذ المساعد في قسم الهندسة الكيميائية والبيئية في جامعة كاليفورنيا، ريفرسايد: “إن تقنية كريسبر-كاس 9 هي شيء غيّر حقًا الطريقة التي تمكن بها علماء الأحياء النباتية من التعامل مع المحاصيل الهندسية، لأنه يمكنك الآن القيام بأشياء كانت مستحيلة في الأساس أو صعبة للغاية في السابق”.

“لذا فإن الجداول الزمنية لإنشاء سمات أو أصناف جديدة تتناقص بسرعة وهذا يسمح لنا بتخيل سمات جديدة وأيضًا تجميع السمات الجديدة المعروفة من أصناف أخرى في أصناف أكثر ملاءمة تجاريًا”.

وتتمتع الولايات المتحدة والبرازيل بأجواء تنظيمية مواتية نسبيا لتشجيع هذا النوع من الابتكار، كما أعلن الاتحاد الأوروبي، في تراجع مرحب به، أنه سيخفف قواعده الصارمة على المحاصيل المعدلة جينيا، وذلك اعترافا بحقيقة مفادها أن مثل هذه التعديلات المباشرة على جينوم النبات ربما حدثت من خلال تربية المحاصيل التقليدية.

في حين يجرب العديد من علماء الأحياء النباتية طرقًا لتحسين المحاصيل من خلال تعديل الجينات، يعمل جينكرسون على مشروع مستقبلي بشكل خاص: فصل نمو النبات وإنتاج الغذاء عن عملية التمثيل الضوئي نفسها.

لماذا؟ لأن النباتات، كما يوضح جينكرسون، غير فعّالة للغاية في تحويل ضوء الشمس إلى كتلة حيوية نباتية: أو بعبارة أخرى، النمو.

لا يمكن لمحصول مثل الأرز أن يأخذ سوى 1٪ من طاقته الشمسية ويحولها إلى كتلة حيوية.

يأخذ الذرة أو قصب السكر حوالي 1.5٪. على النقيض من ذلك، تبلغ كفاءة الألواح الشمسية 22٪. لكن هذا لا ينتج سوى الكهرباء، والتي لا يمكننا تناولها.

ويعمل مختبر جينكرسون، الذي تموله وكالة ناسا، على تطوير نهج جديد باستخدام التمثيل الضوئي الاصطناعي لإنتاج الغذاء.

حيث تلتقط لوحة شمسية ضوء الشمس وتحوله إلى كهرباء لاستخدامه في عملية تسمى التحليل الكهربائي لثاني أكسيد الكربون. وتأخذ هذه العملية ثاني أكسيد الكربون وتحوله إلى مركبات مثل الأسيتات، والتي يقوم العلماء بعد ذلك بإطعامها للكائنات الحية المنتجة للغذاء في الظلام.

وقد أثبتوا بالفعل أن هذا النهج يعمل على زراعة الخميرة والطحالب والفطر، والآن يعملون على النباتات.

ولكن النباتات لم تتطور لتنمو بدون ضوء، لذلك يستخدم مختبره هندسة الجينوم لمحاولة جعلها تنمو بكفاءة أكبر في الظلام.

وبعيدا عن التطبيقات المباشرة في مجال السفر إلى الفضاء، فإن نهجهم من شأنه أن يسمح بزراعة المزيد من الغذاء مع مساحة أصغر من الأرض.

ويقول: “إنها ستكون النسخة التالية من الزراعة العمودية”، موضحًا أنه من الناحية النظرية يمكنك إنتاج المزيد من الغذاء باستخدام التمثيل الضوئي الاصطناعي في الداخل مقارنة بالاعتماد على العمليات غير الفعّالة للنباتات للنمو في الخارج تحت أشعة الشمس. “لقد أجرينا الحسابات لبعض الأراضي في إلينوي.

إذا كان لديك فدان من الأرض، فيمكنك إما زراعة الذرة هناك أو وضع الألواح الشمسية هناك وزراعة أربعة أضعاف كمية الغذاء”.

ويضيف: “من الناحية المثالية، من خلال نهجنا، يمكننا إعادة الأراضي الزراعية إلى طبيعتها من خلال زيادة هذه الكفاءة.

وبالتالي، يمكننا أن نأخذ ربع الأراضي المستخدمة الآن ونضع عليها ألواحًا شمسية وننتج الغذاء، ثم نأخذ ¾ الأرض الأخرى ونعيدها إلى الغابات أو المراعي مرة أخرى”.

2- الزراعة سوف تساعد البيئة، ولن تضرها

جوان خوري هي عالمة نبات أخرى مؤثرة تعمل على تطوير المحاصيل المبتكرة، بصفتها مديرة مختبر علم الأحياء الجزيئي والخلوي النباتي في معهد سالك للعلوم البيولوجية، فهي تركز على هندسة النباتات لتكون أكثر قدرة على الصمود في مواجهة الصدمات البيئية التي تتوقع أن تكون أكثر انتشارًا في المستقبل، مثل الأمطار والفيضانات والحرائق.

سياق عملها هو أنه في نصف الكرة الشمالي، تموت معظم المحاصيل التي نزرعها في نهاية الموسم، و”كل العمل الذي قاموا به لتثبيت ثاني أكسيد الكربون في كتلة حيوية قد ذهب، لأنه يتم إعادة إطلاقه بالكامل في الغلاف الجوي”.

ومع ذلك، فإن عزل الكربون في التربة أمر مهم للحد من عدم استقرار المناخ.

وبدلاً من ترك الطبيعة تأخذ مجراها، ترى خوري فرصة لاستخدام التحرير الجيني لدفع النباتات إلى الإفراط في التعبير عن السوبرين في جذورها، وهو بوليمر طبيعي يعمل كمادة مانعة للتسرب.

وتشرح قائلة: “إذا قمت بإنتاج المزيد من السوبرين، فستحصل على المزيد من الكربون المقاوم الذي لا يمكن تحلله بواسطة الميكروبات”.

وبالتالي، فإن المزيد من الكربون في النبات لديه القدرة على الانتهاء في الكتلة الحيوية للجذور أو في التربة في نهاية الموسم، وقد يظل معزولًا هناك لسنوات عديدة إذا كان المزارع يمارس الزراعة بدون حرث.

وتفترض خوري أيضًا أن الإفراط في التعبير عن السوبرين من شأنه أن يكون له تأثير إيجابي على النباتات، مما يسمح لها بمقاومة الفيضانات والجفاف بشكل أفضل.

وتعمل مختبراتها على هندسة المحاصيل الأساسية الرئيسية مثل الذرة والقمح والأرز لتكون لديها هذه السمة.

وتقدر أن نصف الأراضي الصالحة للزراعة في العالم – ما بين 500 و800 مليون هكتار – ستحتاج إلى إعادة زراعتها بهذا النوع من المحاصيل لاحتجاز ما يكفي من الكربون للوصول إلى الصفر الصافي.

وتقول: “إن الزراعة تساهم في مشكلة انبعاثات الغازات المسببة للانحباس الحراري العالمي، ولكن الزراعة يمكن أن تساهم أيضاً في خفض الكربون الموجود في الغلاف الجوي بالفعل… لأن النباتات بارعة حقاً في امتصاص ثاني أكسيد الكربون.

ولا نحتاج إلى القيام بعملية احتجاز ثاني أكسيد الكربون بشكل مباشر في عالم الأحياء النباتية لأننا نعتقد أن النباتات تقوم بذلك بشكل أفضل على أي حال، وبتكلفة أقل، ويمكنها الاستفادة من قابلية التوسع في الزراعة”.

وحتى تنتشر المحاصيل التي تخزن الكربون على نطاق واسع، فإننا نملك بالفعل الوسائل اللازمة اليوم للاستفادة من قدرة الزراعة على التوسع في خفض انبعاثات الكربون.

وتتلخص إحدى الطرق في وضع الميكروبات على التربة أثناء عملية زراعة المحاصيل التي تحول ثاني أكسيد الكربون إلى معادن دائمة .

التحرك نحو استخدام المزيد من المنتجات والعمليات البيولوجية، بدلاً من المواد الكيميائية، هو الطريق إلى المستقبل.

ويشكل تثبيت النيتروجين هدفاً آخر من هذه الأهداف. فقد تطورت بعض المحاصيل، مثل البقوليات، إلى علاقة تكافلية مع بعض الميكروبات التي تعيش في عقيدات في جذورها.

وقد طورت هذه الميكروبات القدرة على أخذ النيتروجين من الغلاف الجوي (الذي يشكل 78% من الهواء) وتوصيله إلى النباتات لتنمو، مثل الأسمدة الطبيعية. ولكن بعض أهم المحاصيل الأساسية لدينا لم تتطور مع هذا التفاعل الميكروبي الخاص.

وبالتالي، فإنها تعتمد بشكل كبير على الأسمدة النيتروجينية الاصطناعية لإنتاج ما يكفي.

ولكن ماذا لو تمكنا من اكتشاف حزمة التعليمات الكيميائية الموجودة في ميكروبات البقوليات والتي تسمح لها بتثبيت النيتروجين من الهواء، ووضع هذه التعليمات في الميكروبات التي تعيش بالفعل على الذرة أو الأرز أو القمح؟

من الناحية النظرية، سنكون قادرين على نشر الكائنات الحية للقيام بالمهمة التي نحتاج إليها، بدلاً من المواد الكيميائية التي تطلق الغازات المسببة للانحباس الحراري العالمي.

وحتى الآن، كانت النتائج الأولية لمثل هذه التجارب الميدانية مخيبة للآمال، ولكن الطريق إلى نموذج جديد نادراً ما يكون خطياً. وعلى ثقة من أننا سنحقق الاختراقات اللازمة لتحقيق هذه الرؤية.

3- المزارع سوف تنتج الغذاء والبيانات

في الوقت الحاضر، بدأ التكيف مع التكنولوجيات الرقمية لمساعدة الزراعة على قدم وساق. فبدلاً من رش حقل كامل بالمبيدات الحشرية، على سبيل المثال، بدأ المزارعون يعتمدون على الطائرات بدون طيار وأجهزة الاستشعار وبيانات المختبرات لإعلامهم بكيفية استخدام منتجات وقاية المحاصيل.

وهذا من شأنه أن يسمح لهم بأن يكونوا أكثر حكمة في ممارساتهم، فضلاً عن الحد من الآثار البيئية للرش.

فهم صحة التربة هو مجال آخر يتحول بفضل التكنولوجيا. والطريقة الدقيقة الوحيدة للحصول على فكرة عن العناصر الغذائية الموجودة في التربة في الوقت الحالي هي أخذ عينة وإرسالها إلى المختبر وانتظار تقريره – وهي عملية يمكن أن تستغرق من عدة أيام إلى عدة أشهر.

كما أن القيام بذلك بشكل متكرر على حقل كبير ليس مجديًا من حيث التكلفة. وتشكل هذه القضايا حواجز أمام اتخاذ القرارات الدقيقة بشأن متى وأين تستخدم الأسمدة.

قد تتطلب بعض أجزاء الحقل المزيد من النيتروجين، على سبيل المثال، في حين تحتاج أجزاء أخرى إلى المزيد من الفوسفور – والطريقة الوحيدة لمعرفة ذلك هي أخذ عينات متعددة من التربة بمرور الوقت.

طورت شركة كريسالابس، وهي شركة ناشئة مقرها مونتريال، “مختبرًا على عصا” لتوليد بيانات التربة في الوقت الفعلي بما في ذلك رؤى المغذيات والكربون، بتكلفة أقل لكل فدان من أخذ عينات التربة التقليدية.

يتم استخدام هذه التقنية بالفعل على مليوني فدان في الولايات المتحدة وكندا. (استثمرت ليبس في كريسالابس).

اعتمادات الكربون هي وسيلة أخرى يمكن للمزارعين من خلالها تحقيق دخل أكبر من أراضيهم، وذلك من خلال تبني ممارسات أو منتجات تعمل على عزل الكربون، وبيع هذه الاعتمادات للمنظمات التي ترغب في تعويض استخدامها للكربون.

ولكن سوق اعتمادات الكربون تعاني من مشاكل عديدة، بما في ذلك اتهامات بالاحتيال .

وهناك حاجة ماسة إلى طريقة دقيقة لقياس الكربون علمياً.

ويشير جيوم بريتون مينارد، مدير العمليات في شركة كريسا لابس، إلى أن بعض أصحاب الأراضي انتظروا 1.5 سنة لتحليل مستويات الكربون في مزارعهم بواسطة أحد المختبرات.

ويقول إن مسبار التربة الذي يستخدمونه يقوم بهذه المهمة في 20 ثانية، مضيفا “إذا كانت هناك منظمة غير حكومية أو شخص ما في المستقبل يرغب في تحليل حساباتك، فقد تكون معرضًا لخطر إدراك أن تقديرك الكمي لم يكن قويًا بما يكفي”، كما يقول، “لذا نريد أن نطرح في السوق منهجية أقوى تقلل من مخاطر السمعة”.

من المحاصيل الأكثر مرونة والبيانات الأفضل إلى الممارسات الأكثر فائدة، يتوقع أن تكون مزرعة المستقبل نظامًا فعالًا ومتكاملًا يعود بالنفع على المزارعين والمستهلكين والكوكب على حد سواء.