Làm thế nào chúng ta có thể trồng nhiều lương thực hơn bằng cách sử dụng ít tài nguyên hơn? Các nhà khoa học đã tập trung vào câu hỏi này trong nhiều thập kỷ, nếu không muốn nói là hàng thế kỷ, vì dân số toàn cầu ngày càng gia tăng đòi hỏi phải liên tục tìm kiếm những cách thức mới để sản xuất lương thực theo cách bền vững và giá cả phải chăng.
Đây là một câu hỏi mà hầu hết chúng ta chưa bao giờ suy nghĩ, bởi vì nó có vẻ quá khó hiểu: điều gì sẽ xảy ra nếu cây trồng có thể phát triển mà không cần ánh sáng mặt trời — không trang trại thẳng đứng-style, nơi ánh sáng LED thay thế mặt trời, nhưng trong bóng tối hoàn toàn?
Một bài báo được xuất bản tuần trước trong Thực phẩm thiên nhiên chi tiết một phương pháp để thực hiện điều đó.
Quang hợp sử dụng một loạt các phản ứng hóa học để chuyển đổi carbon dioxide, nước và ánh sáng mặt trời thành glucose và oxy. Giai đoạn phụ thuộc vào ánh sáng có trước, và dựa vào ánh sáng mặt trời để truyền năng lượng cho cây trồng, chúng chuyển nó thành năng lượng hóa học. Giai đoạn không phụ thuộc ánh sáng (còn được gọi là Chu trình Calvin) diễn ra sau đó, khi năng lượng hóa học này và carbon dioxide được sử dụng để tạo thành các phân tử carbohydrate (như glucose).
Một nhóm nghiên cứu từ UC Riverside và Đại học Delaware đã tìm ra cách đi tắt đón đầu trong giai đoạn phụ thuộc hoàn toàn vào ánh sáng, cung cấp cho thực vật năng lượng hóa học cần thiết để hoàn thành Chu trình Calvin trong bóng tối hoàn toàn. Họ sử dụng phương pháp điện phân để chuyển đổi carbon dioxide và nước thành axetat, một dạng muối hoặc este của A-xít a-xê-tíc và một khối xây dựng chung cho quá trình sinh tổng hợp (nó cũng là thành phần chính của giấm). Nhóm nghiên cứu cho cây ăn axetat trong bóng tối, nhận thấy rằng chúng có thể sử dụng nó vì chúng sẽ sử dụng năng lượng hóa học mà chúng nhận được từ ánh sáng mặt trời.
Họ đã thử phương pháp của mình trên một số giống cây và đo lường sự khác biệt về hiệu quả tăng trưởng so với quang hợp thông thường. Tảo lục phát triển hiệu quả hơn bốn lần, trong khi nấm men cải thiện gấp 18 lần.
Vấn đề với quá trình quang hợp, mặc dù nó đã xuất hiện từ khi bắt đầu có sự sống trên Trái đất, là nó chỉ có thể chuyển đổi khoảng một phần trăm năng lượng mà nó nhận được từ ánh sáng mặt trời thành "thức ăn" cho thực vật. Nhóm nghiên cứu cũng đã thành công khi bón acetate cho cây đậu đũa, cây cà chua, cây thuốc lá, cây lúa, cây cải dầu và cây đậu xanh.
“Thông thường, những sinh vật này được nuôi trồng trên đường có nguồn gốc từ thực vật hoặc nguyên liệu đầu vào có nguồn gốc từ dầu mỏ — là sản phẩm của quá trình quang hợp sinh học diễn ra hàng triệu năm trước,” nói Elizabeth Hann, đồng tác giả của nghiên cứu. "Công nghệ này là một phương pháp hiệu quả hơn để biến năng lượng mặt trời thành thực phẩm, so với sản xuất thực phẩm dựa vào quang hợp sinh học."
Việc tách cây trồng khỏi ánh sáng mặt trời, nghe có vẻ kỳ lạ, sẽ có những lợi ích tiềm năng to lớn đối với việc sản xuất lương thực. Khi biến đổi khí hậu làm cho thời tiết và do đó năng suất cây trồng ngày càng khó dự đoán, nó trở nên hấp dẫn hơn - và cần thiết hơn - để trồng thực phẩm trong môi trường được kiểm soát, như môi trường trang trại dọc. Có thể trồng nhiều cây trồng hơn trong nhà cũng sẽ đưa sản phẩm lên một cấp độ hoàn toàn mới về “địa phương”, vì các loại cây trồng sử dụng quang hợp nhân tạo để thay thế ánh sáng mặt trời về mặt lý thuyết có thể được trồng ở bất cứ đâu.
"Sử dụng quang hợp nhân tạo các phương pháp tiếp cận để sản xuất thực phẩm có thể là một sự thay đổi mô hình về cách chúng tôi cung cấp thức ăn cho mọi người, " nói tác giả tương ứng của nghiên cứu, Robert Jinkerson, một trợ lý giáo sư về kỹ thuật hóa học và môi trường của UC Riverside. “Bằng cách tăng hiệu quả sản xuất lương thực, cần ít đất hơn, giảm bớt tác động của nông nghiệp đối với môi trường.”
Có một số chi tiết chính cần được nghiên cứu trước khi phương pháp luận này có thể được xem xét nghiêm túc cho sản xuất lương thực quy mô lớn. Nó sẽ sử dụng bao nhiêu năng lượng, nước và các nguồn tài nguyên khác so với canh tác truyền thống hoặc các kỹ thuật tăng trưởng thực phẩm được cải tiến bằng công nghệ khác? Kết cấu, hương vị và hàm lượng dinh dưỡng của cây trồng bằng axetat có giống với cây trồng dưới ánh sáng mặt trời không?
Tìm tòi với thiên nhiên luôn có vẻ như là một công việc âm u, nhưng từ Cách mạng xanh đến sự ra đời của GMO ngày nay, con người đã làm như vậy trong nhiều thế kỷ; ở một mức độ nào đó, sự tồn tại của chúng ta phụ thuộc vào khả năng thao túng thiên nhiên. Bây giờ chúng ta đang thấy hậu quả từ thao tác đó, nhưng các kỹ thuật như quang hợp nhân tạo cuối cùng có thể trở thành một phần của hộp công cụ mà chúng tôi cần để sửa chữa những thiệt hại mà chúng tôi đã gây ra — trong khi tiếp tục nuôi dân số toàn cầu ngày càng tăng.
