Управляемый фотосинтез как будущее сельского хозяйства

Содержание
[-]

Изобретатели урожая

Новые технологии меняют лицо сельского хозяйства: вертикальные фермы, роботы-косильщики, сенсоры, отслеживающие состояние растений,— это уже реальность. Ближайшая цель — раскрыть секреты фотосинтеза. Получится?

Небольшой робот едет вдоль кустов с томатами — в день этот неутомимый фермер может обработать около сотни рядов, примерно в два раза больше, чем человек. С помощью лазерных сенсоров он улавливает сигналы, поступающие от растений, и «видит» вредителей, болезни, замеряет температуру, степень освещенности и еще множество других параметров… IRIS! — так зовут робота — пример того, как будущее в сельском хозяйстве уже стало настоящим: недавно он оказался победителем престижной премии за «зеленые инновации» GreenTech Innovation Awards.

Но не одними роботами удивляют сегодня фермеры. Как насчет экспериментов с дополненной реальностью, которые проводятся на базе Вагенингенского университета и научно-исследовательского центра (WUR, Нидерланды)? А дроны уже используются, чтобы бороться с засухой или, допустим, распылять удобрения (исследования показывают, что скорость распыления с дронов в пять раз выше обычной). Эксперты уверены: новые технологии прямо сейчас меняют лицо сельского хозяйства. Убедиться в этом легко — достаточно посетить Нидерланды, считающиеся вторым мировым экспортером сельхозпродукции после США.

Голландское чудо

Парадокс: эта небольшая страна, известная своими тюльпанами,— сегодня один из ведущих производителей и экспортеров томатов, лука и картофеля на планете, причем местным фермерам удалось на 90 процентов снизить зависимость от воды, а в животноводстве уменьшить использование антибиотиков на 60 процентов… А вот и вовсе неожиданное достижение: эксперты того же WUR получили первый урожай бананов, выращенных на специальном субстрате!

— Сегодня мировому производству бананов угрожают болезни, передаваемые через почву, и цель проводимых исследований — выведение устойчивых к ним растений. Но снизить риски может и выращивание этих растений на субстрате (например, на минеральной вате или почвосмеси). Так вот в наших исследовательских теплицах действительно были получены бананы высокого качества, без болезней и химикатов,— рассказывает в интервью «Огоньку» профессор Лео Марселис из WUR.

Какие технологии эксперт считает передовыми? Ну, к примеру, светодиодное ассимиляционное освещение. Или автономные теплицы, где люди скоро уступят место всевозможным сенсорам и системам сбора и анализа больших данных (привет искусственному интеллекту).

Еще одна прорывная технология выращивания (кстати, уже хорошо известная в России) — вертикальные фермы. По сути, это фермы, которые можно устроить внутри любого здания (внешне такая ферма напоминает подсвеченные полки с той или иной культурой) и не зависеть ни от погоды на улице, ни от типа почвы. Настоящая находка для ресторанов: с грядки — сразу на стол. При этом, как отмечает профессор Марселис, качество и количество продукции можно предсказать с абсолютной точностью. Из минусов — большой расход электричества и относительно высокая стоимость такой продукции, но и технический прогресс не стоит на месте. Подешевеет.

Впрочем, кто в результате победит, обыкновенные фермы или вертикальные, вопрос пока подвешен: передовое оборудование установлено и там, и тут.

Свет всему голова

Представьте себе идиллический голландский уголок: низенькие кирпичные домики с черепичной крышей, лошади, пасущиеся за загонами из деревянных слег… Здесь, под Эйндховеном, в муниципалитете Сомерен, находится хозяйство известного фермера Вима Петерса. Вим — представитель целой фермерской династии, он еще с дедом начинал выращивать томаты (о чем свидетельствует большая черно-белая фотография прямо на стене офиса) и собирается передать эстафету дальше — своему сыну. Несколько лет назад все здесь было уничтожено мощным градом, но Вим обновил хозяйство и вновь вышел на хорошие мощности: как поясняет сам фермер, новейшее светодиодное освещение позволяет получать более здоровый урожай, а это сразу влияет и на качество, и на количество произведенного. Как свет связан с качеством? Разберемся.

Давно известно, что свет один из основных стимулирующих факторов для роста растений. Однако, оказывается, нужен не просто свет, а правильный свет. Опытным путем, после долгих экспериментов, специалистам удалось установить идеальные «рецепты» для освещения теплиц.

— Необходимо понимать, какой спектр света нужен для той или иной культуры, с какой интенсивностью и сколько часов требуется досвечивать растение, где именно расположить светильник,— перечисляет Вим Стигс из компании Signify (она же — бывшая Philips Lighting), мирового лидера в ассимиляционном освещении. — Когда 30 лет назад я заканчивал университет, мой профессор уверял меня, что выращивание растений при искусственном освещении в теплицах невозможно. Однако с каждым годом эффективность такого освещения росла и с тех пор удвоилась, а с появлением светодиодов процесс пошел еще быстрее. В 2012 году нам удалось вырастить первые томаты на искусственном освещении, в 2015-м к ним прибавились розы, салат…

Нюансов здесь — тысячи. Как отмечает Вим, томаты, к примеру, можно досвечивать максимум 18 часов, если добавить больше — растение будет «работать на износ», а ведь ему тоже требуется отдых. Но вот загадка: розам при этом отдых как раз не нужен — их можно досвечивать без перерыва. Почему — настоящий научный детектив, и до разгадки еще далеко. Да что там розы: еще лет десять назад специалисты толком не знали, какой спектр освещения подходит для растений в целом. Установить это удалось лишь практическим путем, вот он — секретный рецепт: нужно 80–90 процентов красного и примерно 10–20 процентов света синего спектра. Например, когда для освещения томатов использовали только красный спектр, они разрастались в разные стороны, а листья становились неправильной формы. Революцию совершили светодиоды — они позволили наконец «смешать палитру». Теперь радуются специалисты: перспективы искусственного освещения в сельском хозяйстве — головокружительные.

На кону — фотосинтез

Впрочем, наиболее интригующее направление поисков в этой сфере сегодня связано с другой амбициозной целью — фотосинтезом. Напомним, что фотосинтез — самый крупный фотохимический процесс на Земле, благодаря которому растения получают органические вещества (такие как сахар и крахмал), необходимые для роста. Сами эти вещества вырабатываются в клетках, содержащих хлоропласты (структуры, где и происходит фотосинтез), из углекислого газа и воды на свету. Так вот ученые хотят научиться управлять фотосинтезом.

«Огонек» обратился к директору Ботанического сада МГУ Владимиру Чубу, чтобы понять, насколько эта задача амбициозна.

— Поскольку все мы в той или иной форме нуждаемся в энергии, она должна откуда-то поступать. Для биосферы Земли основной источник энергии — Солнце, а фотосинтез —единственный процесс, преобразующий эту энергию,— объясняет эксперт.— Напомню, что именно в процессе фотосинтеза образуется кислород, который мы используем для дыхания. Не менее важно, что кислородная атмосфера создает на планете определенный температурный режим, комфортный для жизни. И, наконец, не забывайте про озоновый слой — это наша защита от космических излучений. Так что значение кислорода и фотосинтеза трудно переоценить.

Теперь о сельском хозяйстве. Растения используют фотосинтез для производства своего рода строительного материала: из целлюлозы строится тело растения, а сахароза и крахмал откладываются как запасы питательных веществ. Так вот идея специалистов в том, чтобы заставить растения улавливать больше углекислого газа и, соответственно, накапливать больше крахмала и сахара, а также в ускорении этого процесса. Реально?

— Вопрос сложный, поскольку фотосинтез — многоэтапный процесс, и непонятно, что именно ускорять,— говорит Владимир Чуб.— Грубо говоря, если на конвейерном производстве вы ускоряете все этапы, кроме самого медленного, то суммарный эффект будет едва заметен. Так и в фотосинтезе — здесь есть «узкие места». Возьмите, к примеру, процесс фиксации углекислого газа. Специальный фермент рубиско, отвечающий за это, работает со скоростью три молекулы в секунду (для сравнения: скорость фермента каталаза, с которой он способен разложить перекись водорода,— 10 млн молекул в секунду). Как ускорить фиксацию углекислого газа? Мы этого пока не знаем.

Другая проблема, требующая решения,— перераспределение продуктов фотосинтеза. Как поясняет эксперт, нам выгоднее всего, чтобы перераспределение шло в пользу того, что мы едим — крахмала, сахара… Но само растение может решить по-другому. Чтобы большая доля продуктов фотосинтеза распределялась в пользу урожая (например, в пользу зерна, а не соломины у пшеницы), селекционеры получают карликовые сорта.

— Если мы хотим удвоить урожаи в следующие 35 лет, нам нужно найти ответ на этот сложнейший вопрос,— говорит Эрик Шранц, профессор биосистематики WUR (его цитирует Successful farming). В этом университете запущен целый проект, посвященный изучению фотосинтеза.

На помощь призвана и генетика. Вот свежее исследование, проведенное в Университете Шеффилда (Великобритания): там продолжают изучать структуру белкового цитохром-b6f-комплекса, который влияет на рост растений через фотосинтез. Воздействуя на этот комплекс, возможно, удастся вырастить растения, которые будут больше и лучше. А там уже и до повышенной урожайности рукой подать. Другой пример — от ученых из Университета Уотерлу (Канада). Здесь и вовсе создали искусственный лист, который имитирует естественный процесс фотосинтеза. Прорыв? Едва ли.

— Успехи науки пока что довольно скромны,— считает Владимир Чуб.— Каждый год открывают что-то новое. Перспективное направление исследований — экология фотосинтеза. Сегодня известно, что при определенных условиях растения способны переключаться на разные типы фотосинтеза, а ведь раньше это считалось невозможным! Только представьте: мы пытаемся управлять этим процессом, но вдруг «включается» механизм, о котором мы даже не подозревали, и многое в наших представлениях приходится пересматривать. Загадок, связанных с фотосинтезом, все еще достаточно.

Удивительно, но для приручения фотосинтеза могут пригодиться и световые технологии. Сегодня, к примеру, проводятся эксперименты по воздействию на растения световой пульсации: идея в том, чтобы с ее помощью подстегнуть фотосинтез и рост «подопытных». Эксперты, которых «Огонек» попросил прокомментировать эти эксперименты, осторожничают: все может быть. Но в целом смотрят в будущее с надеждой: в силу света здесь верит каждый.

Автор: Кирилл Журенков, Эйндховен — Москва

https://www.kommersant.ru/doc/4179357

***

Приложение. «Именно наука — двигатель сельскохозяйственной технологии»

Компания Bayer совместно с российскими специалистами откроет Центр растительных биотехнологий. Он займется в частности вопросами селекции семян. Немецкая компания также намерена повышать локализацию производства в России, передавать некоторые свои технологии и обучать новых специалистов. Об этом в интервью «Ъ FM» рассказал руководитель подразделения по управлению портфелем средств защиты растений, дивизиона Crop Science компании Bayer AG Хартмут ван Ленгерих. С ним, а также с руководителем дивизиона Crop Science) компании Bayer в Восточной Европе Ивом Пике беседовал Марат Кашин.

«Ъ FM»:Первый вопрос у меня к Хартмуту о технологиях в сельском хозяйстве. В России у общества довольно неоднозначное отношение к ним. Является ли это неким барьером на пути к тому, чтобы обеспечить продовольствием растущее население Земли?

Хартмут ван Ленгерих: — Действительно, в мире происходит рост населения: оно увеличивается на 80 млн человек ежегодно. К 2050 году этот прирост составит 2 млрд человек. Тем временем, сельскохозяйственные угодья у нас ограничены, и мы должны обеспечивать продовольствием всех людей, учитывая ограниченность земель. Конечно, в данном случае мы полагаемся на исследования, которые помогают гарантировать устойчивое развитие сельского хозяйства, и именно наука здесь — двигатель сельскохозяйственной технологии. И, конечно, нам необходимо знать, как донести информацию о происходящем прогрессе до общества, чтобы люди понимали, что происходит.

— Тогда давайте сейчас и объясним, что происходит, и каким образом Bayer участвует в развитии АПК в России. Это вопрос уже к господину Пике.

— В России наша основная цель — обеспечить аграриев технологиями для устойчивого развития сельского хозяйства, именно этим идеям мы привержены. И, конечно, здесь нам в значительной степени помогают инновации. У нас есть вторая цель, на которую мы ориентируемся, — это развитие компетенцией. Аграриям необходимо знать, как пользоваться передовыми технологиями. И еще один момент — это локализация производства. На данный момент мы локализовали 40% портфеля средств защиты растений от общего объема продаж в России.В наших планах к 2023 году увеличить долю локализованной продукции до 75%. И то же касается семян — на данный момент локализовано производство 20%; в наших планах увеличить долю семян, произведённых в России, до 50%.

— Следующий вопрос вновь к господину ван Ленгериху. Я знаю, что российский регулятор предписал Bayer передать некие технологии здесь, в России, организовать их трансфер. Что это за технологии и как этот проект развивается?

— Прежде всего, я хотел бы отметить, что это беспрецедентный пример сотрудничества государства, бизнеса и научного сообщества. Трансфер технологий будет осуществляться в области селекции семян. Одно из направлений работы - создание специального центра — центра биотехнологии растений, — там как раз наши эксперты поделятся с российскими коллегами отдельными технологиями, которые у нас есть.

В целом, трансфер технологий будет организован по четырем направлениям. Это трансфер гермоплазм по ключевым сельскохозяйственным культурам для России. Далее, это трансфер молекулярных средств селекции. Следующее направление — это образование и наука, создание центра биотехнологии растений. И четвертый момент заключается в том, что мы поделимся данными, которые у нас существуют в сфере цифровых технологий в сельском хозяйстве.

— Я прошу тогда Ива дополнить этот ответ. На его взгляд, что дадут эти технологии российским селекционерам, какую пользу России принесут?

— Я думаю, что преимущество, на самом деле, очень серьезное. Прежде всего, мы обладаем знаниями по современным методам селекции семян с улучшенными свойствами, и именно этими знаниями мы бы хотели поделиться с российскими селекционерами, таким образом, чтобы они вышли на новый уровень своих исследований.

— Я хотел задать вопрос вам еще один, не относящийся к теме, которую мы сейчас обсуждаем. В России есть традиция проводить «Прямые линии» с президентом Путиным. Уже в 17-й раз она пройдет в этом году. И к вам вопрос, какой бы вопрос вы адресовали российскому президенту?

— Я бы задал следующий вопрос — что может сделать мировое сообщество, и в том числе Россия, представленная господином Путиным, чтобы внести свой вклад в развитие свободной торговли? И от этого развития выиграют все страны, равно как и Россия.

Беседовал Марат Кашин

https://www.kommersant.ru/doc/3997263


Об авторе
[-]

Автор: Кирилл Журенков, Марат Кашин

Источник: kommersant.ru

Добавил:   venjamin.tolstonog


Дата публикации: 11.12.2019. Просмотров: 107

Комментарии
[-]
ava
Гость | 14.12.2019, 11:49 #
feliz año nuevo 2020 Hi, great to see your website. I like the content and the research done behind every aspect of your blog. It looks great and very knowledgeable. Keep it up the good work.
 ritcha | 15.12.2019, 09:02 #
thank you for information It's a very interesting read blog>>slotxo
Ваши данные: *  
Имя:

Комментарий: *  
Прикрепить файл  
 


zagluwka
advanced
Отправить
На главную
Beta