Kaip pagreitinta fotosintezė gali pamaitinti augantį pasaulį: ką atveria nauji augalų tyrimai

Vis dažniau kalbant apie klimato kaitą ir maisto saugumą, į pirmą planą grįžta iš pažiūros senas terminas: fotosintezė. Tai procesas, kurio metu augalai iš saulės šviesos, vandens ir anglies dioksido kuria organines medžiagas ir išskiria deguonį. Be jo Žemėje tiesiog nebūtų gyvybės.

Tačiau šiandien mokslas žengia žingsnį toliau: bandoma ne tik suprasti fotosintezę, bet ir ją pagreitinti. Tokie bandymai kelia viltį, kad pavyks išauginti daugiau maisto toje pačioje žemės ploto dalyje ir kartu sugerti daugiau anglies dioksido iš atmosferos.

Kas iš tikrųjų vyksta lapo viduje

Fotosintezė dažnai aiškinama mokykloje keliais sakiniais, tačiau realybėje tai yra sudėtingų cheminių ir fizinių reakcijų grandinė. Lapų viduje esančiuose chloroplastuose šviesa paverčiama cheminės energijos nešančiomis molekulėmis, o jos naudojamos anglies dioksidui perdirbti į cukrus.

Šis procesas skirstomas į dvi dalis: šviesos fazę ir tamsos fazę. Pirmoje surenkama šviesos energija, antroje ji panaudojama organinėms medžiagoms sintetinti. Nors iš pažiūros tai atrodo tobula sistema, joje yra daug „švaistymo“ vietų, kur prarandama energija ir potencialus derlius.

Kodėl natūrali fotosintezė nėra tokia efektyvi

Natūralioje gamtoje fotosintezė evoliucionavo ne tam, kad užaugintų maksimalų derlių žmogui, o kad augalas išgyventų skirtingomis sąlygomis. Dėl to procesas dažnai kompromisinis: augalas saugosi perkaitimo, sausros, šviesos pertekliaus ir kenkėjų, nors tai kainuoja augimo spartą.

Pavyzdžiui, dalis saulės energijos lapuose tiesiog išspinduliuojama kaip šiluma, kad augalas neperkaistų. Kita dalis prarandama dėl vadinamosios fotorespiracijos, kai anglies dioksidą fiksuojantis fermentas pradeda „klaidžioti“ ir reaguoja su deguonimi, o tai suryja energiją ir sumažina cukrų gamybą.

Naujas požiūris: ne tik daugiau trąšų, bet ir greitesni lapai

Pramoninė žemdirbystė ilgą laiką rėmėsi trimis pagrindiniais būdais didinti derlių: trąšomis, pesticidais ir drėkinimu. Tačiau jų galimybės ribotos, be to, jie dažnai brangūs ir kenkia aplinkai. Todėl ieškoma būdų, kaip pačią augalo „vidinę gamyklą“ padaryti našesnę.

Pagreitinta fotosintezė reiškia bandymus sumažinti energijos „nuostolius“ lapuose. Tyrėjai, dirbantys su žemės ūkio kultūromis, pavyzdžiui, kviečiais ar soja, analizuoja, kuriuose etapuose procesas lėčiausias, ir bando šiuos žingsnius optimizuoti taikydami klasikines selekcijos, genetinės inžinerijos ar molekulinės biologijos metodikas.

Trys pagrindiniai „srautai“, kuriuos bandoma pagerinti

Paprastai kalbant, fotosintezę galima bandyti paspartinti trimis kryptimis. Pirmiausia, pagerinti šviesos sugėrimą, kad lapai efektyviau išnaudotų tiek ryškią, tiek silpną šviesą. Antra, patobulinti pačią anglies dioksido fiksaciją, kad kuo mažiau energijos prarastųsi dėl fotorespiracijos.

Trečia kryptis yra optimizuoti, kaip cukrūs panaudojami tolesniame augalo augime: ar jie nukreipiami į sėklas, šaknis, stiebus. Nuo to priklauso, pavyzdžiui, ar kviečiai užaugins daugiau grūdų, ar tik daugiau lapų ir šiaudų.

Ką jau pavyko pasiekti laboratorijose ir bandymų laukuose

Nors daug projektų dar ankstyvoje stadijoje, kai kuriais atvejais pavyko paspartinti tam tikrus fotosintezės etapus ir gauti apčiuopiamą derliaus prieaugį. Pavyzdžiui, matuojant augalų biomasę ar grūdų kiekį, stebėtas aiškus pokytis, kai kuriuos augalus palyginus su tradicinėmis veislėmis.

Tyrimuose taip pat naudojami venų tinklų struktūros, lapo storio ar stomų (smulkių angelių lapo paviršiuje) veiklos matavimai. Tai padeda suprasti, kaip greitai anglies dioksidas patenka į lapo vidų ir kaip efektyviai panaudojamas vandenis, kas ypač reikšminga sausros sąlygomis.

Fotosintezė ir klimato kaita: dviguba nauda ar per didelės viltys?

Vienas didžiausių lūkesčių, susijusių su pagreitinta fotosinteze, yra galimybė vienu metu spręsti dvi problemas: maisto trūkumą ir klimato kaitą. Efektyviau fotosintetinusios kultūros gali pasisavinti daugiau anglies dioksido, o dalis jo gali būti ilgam „užrakinta“ dirvožemyje ar biomasėje.

Kita vertus, nereikėtų tikėtis, kad vien tik „turbo lapai“ išspręs klimato krizę. Augalų gebėjimą sulaikyti anglį riboja daugybė veiksnių: dirvožemio kokybė, žemės naudojimo pokyčiai, miškų kirtimas, energijos vartojimas. Fotosintezės optimizavimas yra vienas iš galimų įrankių, bet ne stebuklingas atsakymas.

Etiniai ir saugumo klausimai: nuo laboratorijos iki ūkininko lauko

Kai kalbama apie genetinius pakeitimus, natūraliai kyla klausimai dėl biosaugos ir etikos. Visuomenėje vyrauja skirtingos nuomonės apie genetiškai modifikuotus organizmus, todėl net ir perspektyviausi sumanymai negali būti diegiami skubotai, be išsamios rizikos analizės.

Dėl to kuriami skirtingi keliai pagreitinti fotosintezę: vieni remiasi genetine inžinerija, kiti ieško natūraliai efektyvesnių veislių ir jas selekcionuoja, dar kiti tiria mikroorganizmų ar dumblių savybes ir klausia, ką iš jų būtų galima perkelti į žemės ūkio augalus nenaudojant tiesioginio genų perkėlimo.

Ką tai gali reikšti Lietuvai ir kasdieniam mūsų maistui

Lietuvoje žemės ūkis užima reikšmingą dalį ekonomikos, o klimato kaita jau dabar daro įtaką derliams: keičiasi kritulių pasiskirstymas, dažnėja sausros, svyruoja pavasarių ir rudenių trukmė. Todėl bet kokie būdai, padedantys augalams efektyviau naudoti vandenį ir šviesą, yra strategiškai svarbūs.

Jei ateityje įregistruotos veislės su patobulinta fotosinteze pasieks Lietuvos ūkius, tai gali reikšti stabilesnius derlius, mažesnį priklausomumą nuo trąšų ir geresnį prisitaikymą prie ekstremalių orų. Vartotojui tai dažniausiai atsilieptų ne technologijų pavadinimais, o kainomis ir produktų pasiūla parduotuvėse.

Ko galima tikėtis artimiausiais dešimtmečiais

Dauguma šiandien vykdomų fotosintezės optimizavimo projektų yra ilgalaikiai. Nuo pirmųjų laboratorinių rezultatų iki veislės, kurią galima oficialiai auginti laukuose, praeina ne vieneri metai, neretai ir daugiau nei dešimtmetis. Reikia ne tik patikrinti derliaus didėjimą, bet ir įvertinti poveikį ekosistemoms.

Vis dėlto kryptis aiški: jei ankstesni žemės ūkio šuoliai buvo susiję su trąšomis ir mechanizacija, šį kartą didžiausia pažanga gali vykti augalo ląstelės viduje. Fotosintezė, kuri iki šiol atrodė gamtos „juodoji dėžė“, pamažu tampa inžinerijos objektu, o nuo to priklausys, kaip maitinsime beveik dešimt milijardų žmonių šio amžiaus viduryje.