Электрическое садоводство не за горами, поскольку фермеры ищут способы повысить производительность, не нанося вреда окружающей среде. Можем ли мы все скоро насладиться наэлектризованными овощами?
Полупрозрачные оранжевые кубики соблазнительно покачиваются под лампами для выращивания, выглядя во всем мире как экзотические кондитерские изделия, что-то среднее между мармеладными мишками и рахат-лукумом. Если бы не яркие зеленые листья, торчащие из маленьких воздушных туннелей, которые их продырявливают, у меня могло бы возникнуть искушение засунуть один в рот, когда Маддалена Сальвалайо не смотрит. Кажется, она читает мои мысли. «Нам часто приходится напоминать посетителям не есть их», — говорит она.
Кубики изготовлены из гидрогеля, материала с сетчатой структурой, который удерживает жидкость. Чаще всего его можно найти в медицинских устройствах и подгузниках. Но здесь, в Лаборатории морфогенеза растений в Имперском колледже Лондона, Сальвалайо, техник-исследователь, и Джованни Сена , главный исследователь, используют их, чтобы изменить будущее вертикального земледелия. Секретный соус в этом смелом новом подходе — электроды, расположенные по бокам каждого куба.
Эксперимент Сальвалайо и Сены является одним из растущей глобальной сети проектов, направленных на развитие сельского хозяйства с использованием различных электрических вмешательств. В последнее десятилетие или два появилось множество способов электрической стимуляции семян, сельскохозяйственных культур и полей: повышение урожайности под воздействием электрического поля; шокирование семян для ускорения прорастания; даже вытирая воду, которой они облиты. В США Национальный научный фонд (NSF) выделил миллионы долларов на исследования использования в сельском хозяйстве холодной плазмы — управляемой молнии, доставляемой при комнатной температуре.
В Китае правительство поддерживает сельскохозяйственные проекты, в которых используются гигантские буровые установки для подачи электроэнергии в почву для повышения урожайности . В Канаде коммерческий производитель экспериментировал с холодной плазмой для удобрения салата . Теперь на сцену выходят стартапы, такие как Vivent, швейцарская компания, чья «ЭЭГ» может подслушивать внутреннюю электрическую жизнь растений, и за ней активно ухаживает сельскохозяйственная промышленность. Даже влиятельное сообщество органического садоводства принюхивается к этой тенденции.
Распространение новых проектов может показаться очень знакомым тем, кто практикует странную навязчивую идею 19-го века: электрокультуру, в которой электричество широко применялось к растениям, чтобы заставить их производить лучшие цветы, листья и плоды или даже избавить их от вредителей — с явно смешанным Результаты.
Новое поколение исследователей избегает слова «электрокультура», отдавая предпочтение таким терминам, как «умное сельское хозяйство» или «четвертая сельскохозяйственная революция». Но основной механизм остается прежним, и сторонники едины в убеждении, что после столетий в пустыне электричество для растений наконец-то готово приносить плоды. Есть надежда, что эти футуристические системы можно будет использовать для борьбы с глобальным продовольственным кризисом, уменьшая экологические последствия массового сельского хозяйства.
Современное сельское хозяйство ставит множество экологических проблем. По оценке 2005 г. , во всем мире его различные составляющие могут вносить от 10 до 12% выбросов парниковых газов в год. Производство синтетических удобрений, созданных энергозатратным процессом Габера-Боша, который произвел революцию в сельском хозяйстве в начале 20-го века, теперь составляет сотни миллионов тонн углекислого газа (CO2) в год . Эрозия почвы из-за нерегулируемого землепользования добавляет еще больше .
Но эколог растений Нина Бухманн, которая руководит Центром мировой продовольственной системы в ETH Zurich, Швейцария, не терпит критики. «Иногда мне хочется спросить их: вы сегодня что-нибудь ели?» — сказала она участникам церемонии вручения наград в области агрономии, организованной инвестиционной компанией Vontobel. Сельскохозяйственным компаниям предлагается пройти трудную иглу: накормить быстрорастущее население, не загрязняя пестицидами или стоками удобрений, при этом снижая затраты на энергию, используя меньше земли и постоянно повышая урожайность во все более непредсказуемом, потеплевшем мире.
Многие исследователи, находящиеся в авангарде новой волны электрического сельского хозяйства, считают, что оно может сыграть роль в улучшении каждого из этих аспектов производства продуктов питания.
Используя кубики гидрогеля и небольшие дозы электричества, Маддалена Сальвалайо надеется стимулировать растения к развитию корней, которые растут в стороны (Фото: Маддалена Сальвалайо)
Невероятная урожайность
Чтобы повысить урожайность, некоторые ученые возвращаются к изобретениям, вдохновленным «электровегетометром», изобретенным французским физиком в 1780-х годах — своего рода громоотводом, который доставлял атмосферное электричество к посевам, часто с нежелательными последствиями. . Более продвинутую версию можно найти в Пекине, где исследователи установили установку, напоминающую оригинальное устройство, для подпитки растений электричеством. В отличие от своих предшественников, они сообщили об отличных результатах, особенно по зеленой фасоли в 2022 году.
В США ряд учреждений пытаются возродить другой подход: искусственное освещение. Долгое время считалось, что молния оживляет растения и даже грибы. Однако, когда старые электрокультуристы впервые попытались использовать преимущества молнии несколько столетий назад, сомнительные анекдотические результаты были единственным подходом, который мог порекомендовать это. Искусственная версия скорее поразила растение, чем оживила его.
Но в 20 веке появилась возможность доставлять молнии более точно. В природе молния генерирует плазму — перегретое вещество, обычно на несколько миллионов градусов, которое превратилось в своего рода ионизированный газ. Передовые инструменты эпохи микрочипов позволили использовать материал при комнатной температуре. Этот подход к сельскому хозяйству, известный как холодная плазма, «в настоящее время является чрезвычайно активной областью», — говорит Хосе Лопес, профессор Университета Сетон-Холл, который недавно завершил свой срок в качестве директора программы физики плазмы в Национальном научном фонде США. Он и Александр Волков, биохимик из Университета Оуквуд в Алабаме, входят в число тех, кто подхватил растущую сельскохозяйственную тенденцию к обработке молодых семян холодной плазмой во многих формах.
В своих экспериментах Волков наблюдал увеличение урожая на 20-75 % , в зависимости от растения . Обработка семян плазмой менее минуты привела к увеличению урожая картофеля на 40%. «Одна капустная ферма давайте поэкспериментируем, получим статистику», — говорит Волков. «Мы увеличили производство капусты на 75%. Она стала вкуснее». Вкус, по его словам, стал слаще.
Волков был не один. Небольшое количество исследований посевного материала выявило целый ряд преимуществ: от помощи растениям расти быстрее и крупнее до защиты от вредителей.
«Насколько нам известно, плазма пробуждает семя», — объясняет Лопес. Когда семена впервые прорастают, новое растение наиболее уязвимо для широкого спектра факторов стресса окружающей среды. Как следствие, семя отказывается открываться, пока не будет удовлетворено своей средой. Ускорение этого процесса долгое время было стандартной практикой в сельском хозяйстве, хотя чаще всего это осуществлялось с помощью химических средств, таких как кислоты. Плазма делает то же самое, но намного эффективнее . «Он пробивает семенную стенку, и когда вы сажаете это семя, оно лучше впитывает воду и почву», — говорит Лопес. «После того, как вы обработаете их всего несколько секунд, это растение будет расти быстрее, чем необработанные семена».
Плазма, по-видимому, даже оживляет уже выращенные растения, говорит Лопес, чья собственная группа в NSF использовала точный инструмент, называемый плазменным карандашом , для точечной обработки растений сладкого базилика. Плазма стимулировала более сильный и здоровый рост, обеспечив 20-процентное увеличение не только высоты, но и общей массы растения.
«Результаты замечательны», — говорит Лопес, хотя есть небольшой вопрос, почему мы до сих пор не совсем уверены, как все это работает , особенно когда речь идет о взаимодействии электричества с целыми растениями. Волков ищет молекулярные механизмы, ответственные за сид-бусты. В 2017 году NSF предоставил группе из нескольких университетов, в которую входил Волков, грант в размере 20 миллионов долларов (15,7 миллиона фунтов стерлингов) на ее разработку. В 2022 году он добавил еще 20 миллионов долларов.
Закрадывающиеся сомнения
Эта неопределенность в какой-то степени объясняет, почему электричество в сельском хозяйстве все еще имеет свою долю сомневающихся. Скептики возражают, что через 200 лет после того, как первые викторианцы добились ненаучного успеха, до сих пор плохо понимают, как именно электричество взаимодействует с биологией растений. Такое же движение вперед и назад возникало каждый раз, когда электрокультура возвращалась в моду с 1700-х годов, возвращая ее в бесполезное забвение.
Сегодня многие коммерческие овощеводы используют политуннели или теплицы. Тщательный мониторинг посевов в этих условиях может помочь повысить производительность (Фото: Getty Images)
«Мы десятилетиями знали, что электрические поля усиливают рост растений», — говорит Сена. Проблема в том, что эти данные никогда не воспроизводились полностью; эксперименты проводились в разных условиях. И после 200 лет, когда нам говорили, что «мы уничтожили вещи, и они выросли еще больше», говорит Сена, людям можно простить немного нетерпения. "Конечно, они выросли больше! Но вы понимаете, почему?" он говорит.
Но чтобы превратить это вмешательство в технологически обоснованный метод, нужно понять фундаментальную науку.
Выявление молекулярного механизма реакции растения на электрическое поле — суть работы, которую группа Сены выполняет в Imperial. Среди прочего, они начали сосредотачиваться на недооцененном аспекте этой реакции: собственных внутренних электрических сигналах растения. Растения посылают их несметное количество на каждой стадии роста и в каждой части своей анатомии. В недавнем обзоре Элеонора Моратто, докторант лаборатории Сены, перечислила широкий спектр их. Проростки показывают всплеск электрического тока до появления корней. Взрослые растения посылают электрические сигналы как в ответ на хищничество, так и для того, чтобы идентифицировать себя с друзьями. Отличительная форма электрического поля цветка может идентифицировать его для предпочтительных опылителей, но, как также обнаружил Моратто, биоэлектрические характеристики его корней также могут сделать их заманчивыми мишенями для вредоносных микробов.
Инструментов, способных прослушивать и расшифровывать эту какофонию сигналов, становится все больше. Тем не менее, в обзоре современного состояния биоэлектронных имплантируемых устройств для растений в 2021 году Элени Ставриниду и ее соавторы из Университета Линчепинга в Швеции указали, что они остаются малоиспользуемыми, хотя они были бы чрезвычайно полезны в мониторинг и модулирование биологии урожая. В этом году Всемирный экономический форум назвал носимые растения 10 лучшими технологиями 2023 года за их потенциал для улучшения сельского хозяйства. Именно для этого их пытаются использовать некоторые коммерческие производители и стартапы.
Носимые вещи для растений
Немногие места относятся к урожаю более серьезно, чем Нидерланды . Их теплицы могут больше походить на заводы по производству микрочипов, чем на садовые центры. Это, безусловно, относится к Tomatoworld, 8000 кв. м (86 000 кв. футов), высокотехнологичной исследовательской теплице в Хонселерсдейке, Голландия, где садовники носят лабораторные халаты. "Если бы вы видели, как мы сейчас выращиваем помидоры..." — говорит Аб ван Марревик, который уже 47 лет зарабатывает на жизнь выращиванием томатов. В больших масштабах это может оказаться непростой задачей: томатам требуются определенные температуры, а для полного раскрытия своего потенциала им необходимо избегать стрессов.
Tomatoworld тестирует передовую технологию, своего рода «ЭЭГ» для томатов. Технология под названием PhytlSigns, созданная компанией Vivent, расположенной в Швейцарии, использует растительный эквивалент имплантированного мозгового электрода для прослушивания сигналов в стебле. Вместе с алгоритмами глубокого обучения, обученными на литературе по электрическим сигналам, эта система образует основу своего рода переводчика с английского на завод. Смысл этого в том, чтобы дать операторам теплиц доступ к собственным системам раннего предупреждения, которые указывают на жажду или заражение вредителями, прежде чем они станут настолько опасными, что потребуются серьезные разрушительные вмешательства. Tomatoworld разместил первый из своих экспериментальных датчиков в 2021 году, а в следующем году, по его словам, он начал видеть результаты.
Интерфейс PhytlSigns, который немного похож на кардиомонитор, кодирует извилистую электрическую активность растения тремя легко понятными полосами: зеленый означает, что у томата обычный день: температура приятная, он поглощает достаточное количество воды и потребляет нормальное количество воды. СО 2. Желтый указывает на какой-то стресс. Если вы видите оранжевый цвет, все должны прекратить свои действия и выяснить, что пошло не так.
Ван Марревийк надеется, что этот розеттский камень поможет таким производителям, как он, понять, как его молодые сливовые помидоры относятся к технологическим вмешательствам, которые должны заселить сельское хозяйство будущего.
По крайней мере, для ван Марревийка томатная ЭЭГ работает. Однажды субботним утром в 5:30 температура в теплице упала до 12°C (56°F) с предписанной постоянной 15-16°C (59-43°F). Более поздний обзор показаний PhytlSigns показал, что по мере того, как температура в теплице падала ниже комфортной для растений зоны, амплитуда и частота их электрических сигналов неуклонно возрастала от счастливого зеленого до тревожно-желтого.
Обработка семян капусты плазмой может увеличить урожайность до 75% (Фото: Getty Images)
Первые датчики были грубым способом прослушивания сигналов растений, говорит Найджел Уоллбридж, главный научный сотрудник Vivent. «Это больше похоже на то, как слушают футбольную толпу, чем на индивидуальную беседу», — говорит он. Однако два года спустя, пока датчики остаются на своих постах прослушивания в Tomatoworld, модернизированные версии распространились не только на помидоры, но и в мир за пределами теплиц. «Теперь мы проводим гораздо больше времени на открытом воздухе, — говорит Уоллбридж. «Сахарная свекла, картофель, мы даже слушаем сигналы в семенах». Ряд новых партнеров задействовали датчики PhytlSigns в собственных полевых испытаниях в Италии, Германии, Франции, Великобритании, Нидерландах и Швеции. Сельскохозяйственный гигант Bayer входит в их число.
Одним из самых желанных новых сигналов является реакция растения на плесень , которая может иметь разрушительные последствия. «Как только вы это увидите, ваш урожай уже пропал», — говорит Уоллбридж. После того, как переносимая по воздуху спора приземляется, требуется всего несколько дней, чтобы перейти в неизлечимую болезнь, после чего вы должны уничтожить весь урожай. «Вы можете только предотвратить это, но никогда не вылечить». Профилактические меры включают опрыскивание токсичными химическими веществами каждую неделю, независимо от того, есть ли признаки заражения или нет. По словам Уоллбриджа, возможность использовать собственные защитные сигналы станции вместо того, чтобы полагаться на видимые доказательства, меняет правила игры. «Это открывает путь для лечения, которое не требует постоянного превентивного опрыскивания».
Vivent также делится своими данными с университетами, что дает еще больше информации. Когда Кавья Сай и ее коллеги из Национального технологического института Джаландхара в Пенджабе углубились в сигналы, полученные с помощью PhytlSigns, они смогли с высокой точностью обнаружить и классифицировать конкретные дефициты питательных веществ . «Растения оставляют свидетельства своего основного физического состояния в своих электрофизиологических данных», — пишут авторы, раскрывая такую конкретную информацию, как дефицит железа и марганца.
Уоллбридж считает, что именно поэтому носимые технологии для растений будут играть такую важную роль в грядущей электрической революции в сельском хозяйстве. «У нас есть дроны, спутники и датчики почвы, но ни один из них не дает вам доступа к внутреннему состоянию растения», — говорит он. Подслушивание их очень мощно, потому что позволяет использовать меньше всего. Борьба с дефицитом определенных питательных веществ позволяет использовать меньше удобрений, что означает меньшее выщелачивание нитратов в грунтовые воды. «Вы можете начать использовать нужные количества, если точно знаете, что на самом деле нужно растениям и когда им это нужно», — говорит он, будь то вода, борьба с вредителями, еда — даже земля.
Небо это предел
Однако, в отличие от других потребностей, вы не можете просто увеличить количество земли. Долгое время лучшим ответом на эту проблему были перспективы вертикального земледелия, которое позволило бы выращивать урожай на любой поверхности.
Есть только одна проблема, говорит Сена. То, что мы называем вертикальным фермерством, немного неправильно. Мы не выращиваем растения вертикально; мы вертикально укладываем друг на друга узкие коробки горизонтального роста.
Это потому, что корни не делают вертикально. Корни подчиняются закону гравитации. Они ищут воду и ищут «вниз». Вот почему, кстати, очень трудно выращивать в космосе многокорневые растения. Без гравитации корни блуждают повсюду, что затрудняет их адекватное питание с логистической точки зрения.
Что, если бы вертикальное земледелие буквально делало то, что написано на банке? Что, если бы можно было выращивать сельскохозяйственные культуры и деревья, корни которых тянулись бы вдоль, а не вниз?
Корни растут вниз, потому что живой организм чувствует притяжение гравитационного поля и присутствие воды и координирует свои ткани, чтобы следовать за ними. Однако это не все, что могут чувствовать корни. Они также могут ощущать электрические поля. Более того, это чувство может взять верх над другими. За последние 100 лет ученые поняли, что под действием электрического поля все будет ползти к концу катода. Это явление, которое все лучше понимают в медицине для заживления ран , теперь стало горячей темой и в исследованиях растений: электрическое поле имеет право вето на реакцию корней на гравитационное поле.
В прошлом году Сальвалайо и Сена впервые продемонстрировали в точных молекулярных деталях, как использовать определенные дозы электричества, чтобы растение арабидопсиса переориентировало направление роста корней. Другими словами, они заставили его расти так, как они хотели.
Отсюда и эти вкусные на вид кубики. Сальвалайо и Сена в партнерстве со Школой инженерного дизайна Дайсона в Лондоне разработали специальные гидрогелевые кубы с 3D-печатью, способные вместить растущие растения арабидопсиса, а также электроды, которые будут направлять рост их корней в боковое положение. Ярко-зеленые листья ясно показывают, что аэрационные туннели оказались питательной средой. Их корни густо змеятся повсюду.
Сальвалайо планирует начать работу в конце этого лета. Если дела пойдут хорошо, сказать, что «небо — это предел», было бы преуменьшением. «Возможность контролировать направление роста корней означала бы, что мы могли бы выращивать деревья как на потолке, так и на стене», — говорит Сена. Благодаря этому новому электрическому прорыву можно было бы даже выращивать деревья в условиях невесомости. Возможно, скоро на Международной космической станции (МКС) появятся деревья или леса на Луне.
--
