Фотосинтез устарел: поможет ли человечеству отказ от сельского хозяйства

Растения — плохое решение для переработки солнечного света в органические вещества. Эту функцию следует возложить на машины, а сельскохозяйственные культуры должны питаться готовой органикой, считают биоинженеры во главе с Фэн Цзяо из США. Эксперты представили свои расчеты в научной статье в журнале Joule.

Планета как огород

По оценке Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН, в 2019 году в первичном сельскохозяйственном производстве было занято 875 млн человек. Для планеты с населением почти 8 млрд это немного, и уж точно огромный прогресс по сравнению с XIX веком, когда сельским хозяйством занималось большинство населения. Зеленая революция перевернула пирамиду, позволив меньшинству прокормить большинство.

Тем не менее в сельском хозяйстве до сих пор используется почти половина пригодных для жизни земель. При этом задача накормить человечество решена далеко не идеально. В 2024 году более 280 млн человек столкнулись с острой нехваткой пищи. При этом уже сейчас треть произведенных продуктов выбрасывается как мусор. Вероятно, этот показатель будет расти, ведь бедные страны постепенно становятся богаче и переходят на более расточительные модели потребления. Влияние изменения климата на сельское хозяйство — отдельный сложный вопрос.

Словом, земледелие и животноводство должны стать эффективнее. Некоторые эксперты рассчитывают вообще упразднить животноводство, перейдя на производство мяса в биореакторах. Авторы нового исследования предлагают заменить земледелие на технологию, которую они называли электроагрикультурой.

Лист как устаревшая технология

Растения поглощают из воздуха углекислый газ и превращают его в органику с помощью солнечного света. В дело идет лишь 1% энергии падающего на лист света, и это фундаментальное ограничение для растениеводства. Его можно обойти, лишь заменив зеленый лист более эффективным устройством. 

Свет можно собирать с помощью солнечных батарей, а выработанный ток пустить на переработку углекислого газа в органику. В какую именно органику? Химики освоили довольно эффективный «электрический синтез» этилена, метана, этанола, пропанола и других веществ. Однако большинством из них можно накормить разве что бактерии. Поэтому исследователи остановили свой выбор на ацетатах — соединениях, родственных уксусной кислоте.

В жизни сельскохозяйственных растений есть этап, когда они питаются ацетатами. Чтобы прорасти, росток пользуется накопленными в семени запасами органических веществ, в том числе и ацетатов. Когда растение переходит на фотосинтез, биохимический механизм усвоения ацетатов отключается. Но его можно снова включить с помощью генной инженерии.

В 2022 году группа Фэн Цзяо представила экспериментальную установку для искусственного фотосинтеза. Устройство перерабатывает в ацетаты 57% углерода, полученного из CO₂  — это, кстати говоря, рекорд. С помощью своего детища ученые «накормили» одноклеточную зеленую водоросль из рода хламидомонад. Эти организмы могут жить за счет фотосинтеза, но способны и питаться ацетатами в полной темноте.

Экспериментаторы вырастили водоросль на ацетатах. Хламидомонада запасала в биомассе почти 4% энергии солнечного света, потребляемой установкой. Сельскохозяйственные культуры при естественном фотосинтезе запасают только 1% солнечной энергии.

Однако сравнивать пшеницу или рис с одноклеточной водорослью — лукавство. У них разная скорость роста даже в обычных условиях. Вряд ли человечество готово перейти на питание водорослями, пусть хламидомонада и используется в пищевой промышленности как белковая добавка. Для уточнения цифр нужно подождать, когда генные инженеры вернут сельскохозяйственным культурам механизм усвоения ацетатов.

К тому же в экспериментальную установку подавали концентрированный CO₂. Улавливание его из промышленных выбросов и тем более прямо из воздуха тоже требует энергии. Последний вариант, по расчетам авторов, сразу превращает четырехкратное преимущество искусственного фотосинтеза в трехкратное.

Правда, есть много возможностей усовершенствовать электроагрикультуру. Если растения отдадут фотосинтез на аутсорсинг, зачем им вообще листья? Ученые предлагают модифицировать растения так, чтобы съедобные части занимали до 75% организма. Другой путь — повышение эффективности солнечных батарей. Коммерческие модели преобразуют в электричество около 20% света, но у экспериментальных образцов этот показатель приближается к 50%. Эффективность синтеза ацетатов тоже наверняка можно повысить.

Мечтают ли андроиды об электроовощах

Впрочем, на этом этапе любые расчеты будут предварительными, и цифра в 3-4% утилизируемой солнечной энергии вполне годится для ориентировки. В новой статье эксперты рассчитали, что было бы, если бы все продукты питания в США производились с помощью электроагрикультуры.

Выгоды получились ощутимые. Площадь земель, занятых в сельском хозяйстве, сократилась бы в 8,6 раза. Тут дело не только в энергоэффективности, но и в том, что новые культуры можно растить в многоэтажных зданиях с солнечными батареями на крыше. Кстати, такое производство можно разместить прямо в городах, радикально решив проблему логистики. Потребление воды снизится в 20 раз. Удобрения тоже можно сэкономить. Сегодня 50-60% используемых удобрений попадает в окружающую среду, что не только экологически вредно, но и экономически расточительно. Замкнутая экосистема предотвратит утечки, а заодно и обезопасит растения от капризов погоды.

Словом, сплошные плюсы? Не совсем. По расчетам авторов, чтобы накормить США новым способом, потребуется почти 20 петаватт-часов электроэнергии в год. Это впятеро превышает нынешнее энергопотребление страны. Да, эту энергию дадут солнечные батареи, но откуда взять столько солнечных батарей? Справится ли мировая промышленность с таким вызовом? Если предложение фотоэлементов будет отставать от спроса, цены пойдут вверх. Во сколько долларов в итоге обойдется килограмм зерна?

Экологические выгоды от новой технологии тоже неочевидны. Производство солнечных батарей, строительство многоэтажных зданий и прочие мероприятия имеют свой экологический след. Его нужно тщательно сравнить со следом традиционного сельского хозяйства, чего авторы не делают.

Не следует сбрасывать со счетов и психологические барьеры. Человечество много лет отказывается перейти на генно-модифицированные продукты, несмотря на обилие исследований, доказавших их безопасность. Электроагрикультура предполагает куда более радикальное вмешательство в гены растений, чем банальное повышение урожайности или обогащение витаминами. Захочет ли рядовой избиратель питаться этой «страшной химией» — вопрос даже не открытый, а скорее риторический.

В общем, повсеместное внедрение новой технологии под вопросом. Скорее ей достанутся узкие ниши вроде производства пищи для небольших поселений в местах с суровым климатом.

Мнение редакции может не совпадать с точкой зрения автора