Novembre 28, 2022

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È possibile coltivare cibo al buio?

Il mondo della fantascienza ha immaginato persone del futuro che vivono in città sotterranee Marte, su asteroidi cavi e su stazioni spaziali fluttuanti lontane dal sole. Ma se gli esseri umani vogliono sopravvivere in uno di quegli ambienti alieni ostili, avranno bisogno di modi per coltivare cibo con risorse limitate, la fotosintesi, il processo di grande successo (ma non efficiente dal punto di vista energetico) mediante il quale le piante convertono la luce solare in zucchero, potrebbe non accadere. Essere abbastanza.

Alcuni scienziati ora si chiedono se il cibo possa essere prodotto in modo più efficiente bypassando la fotosintesi e coltivando piante al buio.

La magia della fotosintesi

Le piante convertono la luce solare in cibo da miliardi di anni. Anche con una luce solare minima, le piante possono crescere e generare vita sul nostro pianeta. Immagini dal nostro pianeta: One Strange Rock.

L’idea suona fantascientifica come le città di Marte. Ma un team di ricercatori ha fatto un primo passo per raggiungerlo con uno studio pubblicato su cibi naturali nel mese di giugno. La ricerca mostra che è possibile coltivare al buio alghe, lieviti commestibili e funghi produttori di funghi alimentandoli con un composto di carbonio chiamato acetato che non ha origine nelle piante, ma è stato prodotto utilizzando l’elettricità solare. Gli scienziati sperano che questo metodo, un tipo di “fotosintesi artificiale”, apra nuovi modi per produrre cibo utilizzando meno spazio fisico e meno energia rispetto all’agricoltura convenzionale, comprese, forse, colture che possono crescere al buio.

Sebbene altri esperti siano scettici sul fatto che la biologia vegetale possa essere radicalmente riprogettata, lo sono Appassionato di tecnologia Creato dai ricercatori e con l’idea innovativa del team su come rendere più efficiente la produzione alimentare.

“Dobbiamo trovare un modo per coltivare piante in modo più efficiente”, afferma il coautore dello studio Feng Jiao, professore di ingegneria chimica e biomolecolare all’Università del Delaware. “cosa o cosa [solución] Lui è il migliore? Penso che il bello della scienza sia che esploriamo tutte le possibilità”.

Più efficiente della natura

Con l’eccezione di alcuni ambienti difficili, come le sorgenti termali di acque profonde (che sono alimentate dall’energia chimica dell’idrogeno solforato che sale dalle crepe nel fondo del mare), tutta la vita sulla Terra è alimentata dall’energia solare. Anche i migliori predatori amano tigri S SqualiFanno parte di complesse reti alimentari che possono essere ricondotte alle piante e, negli oceani, a minuscole alghe verdi. Questi cosiddetti produttori primari possiedono un superpotere biologico: la capacità di produrre carbonio organico dall’anidride carbonica attraverso la fotosintesi, un processo biochimico alimentato dalla luce solare.

Fotografia di Robert Jenkinson

Ma mentre la fotosintesi è essenziale per la vita come la conosciamo, non è molto efficiente: solo l’1% della luce solare che colpisce le piante viene catturato e utilizzato per produrre carbonio organico. Questa inefficienza sarà una sfida se gli esseri umani vogliono stabilire un’esistenza autosufficiente nello spazio, dove sarà necessario produrre cibo utilizzando il minor numero di risorse possibile.

È anche un problema sulla Terra oggi, poiché la popolazione sta crescendo, facendo pressione sugli agricoltori per ottenere più calorie dalla stessa terra.

Alcuni studiosi ritengono che la soluzione sia Ingegneria genetica delle colture Per eseguire la fotosintesi in modo più efficiente. Nel nuovo studio, i ricercatori hanno proposto qualcosa di ancora più strano: sostituire la fotosintesi biologica con un processo parzialmente artificiale di conversione della luce solare in cibo. Il loro processo è una versione della fotosintesi artificiale, un termine che esiste da anni e include diversi modi di convertire la luce solare, l’acqua e l’anidride carbonica.Due In combustibili liquidi e sostanze chimiche come formiato, metanolo e idrogeno. I ricercatori dietro il nuovo studio affermano che il loro lavoro rappresenta la prima volta che un sistema di fotosintesi artificiale è stato combinato con un tentativo di coltivare organismi produttori di cibo.

Il suo sistema si basa sull’elettrolisi, ovvero sull’uso della corrente elettrica per guidare reazioni chimiche all’interno di un dispositivo chiamato elettrolizzatore. Nel loro ultimo studio, i ricercatori hanno creato un sistema elettrico a energia solare in due fasi che converte l’anidride carbonica e l’acqua in ossigeno e acetato, un semplice composto a base di carbonio.

Gli autori hanno alimentato questo acetato Chlamydomonas Reinhardti, alghe verdi fotosintetiche. Hanno anche nutrito l’acetato con lievito alimentare e funghi che producono funghi, che non si fotosintetizzano da soli ma normalmente hanno bisogno di carbonio organico dalle piante per crescere.

Un tipo di alga chiamata Chlamydomonas, che normalmente ha bisogno della luce solare per...

Fotografia di Elizabeth Han

Un tipo di alga chiamata Clamidomona, che normalmente necessitano della luce solare per la fotosintesi, è cresciuto bene al buio utilizzando una fiala contenente acetato (a destra). Il pallone di controllo (a sinistra) non contiene acetato.

Tutti questi organismi sono stati in grado di assorbire l’acetato e crescere al buio, indipendentemente dalla luce solare o dal carbonio della fotosintesi.

Rispetto alla fotosintesi, il processo è stato sorprendentemente efficiente. Utilizzando la fotosintesi artificiale, le alghe verdi sono state in grado di convertire l’energia solare in biomassa quattro volte in modo più efficiente rispetto alle colture utilizzando la fotosintesi biologica. I lieviti coltivati ​​​​con questo processo erano circa 18 volte più efficienti dal punto di vista energetico rispetto alle colture.

“Questo è uno dei principali vantaggi dell’utilizzo di percorsi sintetici su strade naturali”, afferma Jiao.

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Ritaglia al buio?

Gli scienziati conoscono già quel muschio C.reinhardtii può crescere con acetato al buio; L’organismo è un mangime misto, il che significa che può alternare tra produrre il proprio cibo attraverso la fotosintesi e consumare il carbonio organico prodotto da altre piante. Ma secondo l’autore principale dello studio, Robert Jenkinsondell’Università della California a Riverside (USA), è la prima volta C.reinhardtii Cresce con acetato che non proviene dalla moderna fotosintesi o da prodotti petroliferi ed è i resti fossili dell’antica fotosintesi. questo è importante.

“Questa è la prima volta che un organismo fotosintetico, come un’alga o una pianta, è cresciuto indipendentemente dalla fotosintesi da quando si è evoluto”, afferma Jenkerson. “È completamente distaccato.”

Una volta che le alghe sono state coltivate senza fotosintesi, i ricercatori hanno posto una domanda più difficile: possono coltivare anche piante coltivate?

Le piante di lattuga possono beneficiare dell'acetato, ma solo in una certa misura.

Fotografia di Marcus Harland Dunaway

Le piante di lattuga possono beneficiare dell’acetato, ma solo in una certa misura. Hanno ancora bisogno della luce solare per crescere. Lo sviluppo di colture che possono crescere al buio rimane una grande sfida tecnica che potrebbe richiedere l’ingegneria genetica.

I suoi primi risultati furono incoraggianti. Al buio, i ricercatori hanno coltivato del tessuto di lattuga in una sospensione liquida contenente acetato, confermando la sua capacità di assorbire e metabolizzare una fonte di carbonio esterna.

E quando hanno coltivato piante di lattuga intere alla luce (oltre a riso, colza, pomodori e altri tipi di colture) e hanno dato loro da mangiare acetato supplementare, hanno scoperto che le piante incorporavano acetato nei loro tessuti. L’acetato descritto può essere ricondotto a un isotopo pesante del carbonio, chiamato carbonio 13, sia agli amminoacidi che agli zuccheri, suggerendo che le piante possono usarli per supportare una varietà di processi metabolici.

Tuttavia, lo studio non ha mostrato che piante intere possono essere coltivate su acetato senza accesso alla luce solare. In effetti, gli esperimenti dei ricercatori con la lattuga hanno indicato che troppo acetato inibisce la crescita delle piante. Jenkerson afferma che il suo laboratorio sta attualmente lavorando sull’ingegneria genetica e migliorando le piante per essere più tolleranti all’acetato. Ciò sarà essenziale affinché il metodo di fotosintesi artificiale del team contribuisca in modo significativo alla crescita delle piante e alla produzione di cibo.

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Emma KovacAnalista agroalimentare istituto di hacker, afferma che i risultati degli autori rappresentano un “primo passo verso il potenziale utilizzo dell’acetato per aiutare a nutrire le piante per la produzione endogena”. Ciò può ridurre l’energia necessaria per far funzionare le fattorie indoor se gli agricoltori possono abbassare i livelli di illuminazione interna. “Saranno necessari enormi progressi” per consentire alle piante di crescere vigorosamente con l’acetato anche in condizioni di scarsa illuminazione, afferma Kovac.

Evan GroverUno studente di dottorato in biologia sintetica presso l’Università della California, Berkeley, la cui ricerca si concentra sulle piante geneticamente per migliorare la fotosintesi, è d’accordo. Grover afferma che lo studio “mostra che le piante possono assorbire l’acetato, ma ciò non mostra che siano effettivamente in grado di crescere su di esso o di produrre sostanzialmente cibo, carburante o medicine”. Il raggiungimento di quest’ultimo, aggiunge, richiede “una riprogrammazione completa degli impianti”.

Nel frattempo, Grover dice che trova l’articolo degli autori “stimolante”.

“Ci mostra i modi in cui potremmo essere in grado di catturare luce e carbonio in ambienti esotici e non terrestri, o in ambienti in cui non è possibile fare agricoltura convenzionale”, afferma.

cibo dello spazio profondo

La tecnologia dei ricercatori potrebbe essere applicata per la prima volta in un ambiente extraterrestre. I ricercatori hanno presentato il loro concetto di fotosintesi artificiale a Sfida alimentare nello spazio profondo della NASA, che assegna denaro e riconoscimenti a gruppi con idee innovative per fornire agli astronauti missioni spaziali a lungo termine. Lo scorso autunno, il concetto di squadra è stato nominato Uno dei 18 progetti vincitori della Fase 1 negli Stati Uniti. Nella seconda fase, questa differenza Dovrebbero Costruire un prototipo che produce effettivamente cibo. Vincitori Sarà annunciato il prossimo anno.

Vincere il concorso non garantisce che una nuova tecnologia di produzione alimentare volerà in una futura missione spaziale. Dice che prima dovranno essere elaborati molti dettagli tecnici Lynn Rothschild, uno scienziato ricercatore presso l’Ames Research Center della NASA che non è stato coinvolto nel nuovo studio. Il peso è una considerazione importante e la fotosintesi artificiale richiederà probabilmente il trasporto di nuove apparecchiature nello spazio, come pannelli solari ed elettrolizzatori aggiuntivi.

Ma Rothschild dice che vale la pena mantenere una mente aperta su come qualsiasi sforzo per riprogettare un processo biologico di base come la fotosintesi, nello spazio o sulla Terra, potrebbe essere applicato: “Il risultato potrebbe essere qualcosa che non abbiamo ancora immaginato”. / nationalgeographic.com