เรื่องราวในนิยายวิทยาศาสตร์ได้จินตนาการถึงผู้คนในอนาคตที่อาศัยอยู่ในเมืองใต้ดินบนดาวอังคาร ในดาวเคราะห์น้อยที่มีโพรงกลวง และในสถานีอวกาศที่ลอยได้อิสระซึ่งห่างไกลจากดวงอาทิตย์ แต่ถ้ามนุษย์มีชีวิตรอดในสภาพแวดล้อมที่เลวร้ายและต่างด้าวเหล่านั้น พวกเขาต้องการวิธีการปลูกอาหารโดยใช้ทรัพยากรที่จำกัด—และการสังเคราะห์ด้วยแสง กระบวนการที่ประสบความสำเร็จอย่างล้นหลามแต่ใช้พลังงานน้อยโดยที่พืชเปลี่ยนแสงแดดเป็นน้ำตาล อาจไม่สามารถตัดออกได้ .
ตอนนี้ นักวิทยาศาสตร์บางคนสงสัยว่าเป็นไปได้ไหมที่จะผลิตอาหารได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นโดยข้ามการสังเคราะห์ด้วยแสงทั้งหมด และปลูกพืชในที่มืด
แนวคิดนี้ฟังดูเหมือนเป็นเรื่องสมมุติทางวิทยาศาสตร์เหมือนกับเมืองบนดาวอังคาร แต่ทีมนักวิจัยได้ใช้ขั้นตอนแรกในการตระหนักถึงสิ่งนี้ด้วยการศึกษาที่ตีพิมพ์ในNature Foodในเดือนมิถุนายน การวิจัยแสดงให้เห็นว่าเป็นไปได้ที่จะเติบโตสาหร่าย ยีสต์ที่รับประทานได้ และเชื้อราที่ผลิตเห็ดในที่มืดด้วยการบำรุงเลี้ยงพวกมันด้วยสารประกอบที่มีคาร์บอนที่เรียกว่าอะซิเตตซึ่งไม่ได้มาจากพืช แต่ผลิตขึ้นโดยใช้ไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์แทน นักวิทยาศาสตร์หวังว่าวิธีนี้ ซึ่งเป็น “การสังเคราะห์ด้วยแสงเทียม” แบบหนึ่ง สามารถปลดล็อกวิธีการใหม่ๆ ในการผลิตอาหารโดยใช้พื้นที่ทางกายภาพและพลังงานน้อยกว่าการเกษตรแบบดั้งเดิม ซึ่งรวมถึงพืชผลที่สามารถเติบโตได้ในความมืด
ในขณะที่ผู้เชี่ยวชาญคนอื่น ๆ สงสัยว่าจะเป็นไปได้ที่จะออกแบบชีววิทยาพืชใหม่อย่างสิ้นเชิง แต่พวกเขารู้สึกตื่นเต้นกับเทคโนโลยีที่นักวิจัยได้คิดค้นและความคิดที่แปลกใหม่ของทีมเกี่ยวกับวิธีการทำให้การผลิตอาหารมีประสิทธิภาพมากขึ้น
Feng Jiao ผู้ร่วมวิจัยด้านการศึกษา ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเคมีและชีวโมเลกุลจากมหาวิทยาลัยเดลาแวร์กล่าว “เราต้องหาวิธีที่จะปลูกพืชได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น” “ [วิธีแก้ปัญหา] ใดดีที่สุด? ฉันคิดว่าความงามของวิทยาศาสตร์คือการที่เราสำรวจความเป็นไปได้ทั้งหมด”
มีประสิทธิภาพมากกว่าธรรมชาติ
ยกเว้นสภาพแวดล้อมที่รุนแรงเพียงไม่กี่แห่ง เช่น น้ำพุร้อนใต้ทะเลลึก ซึ่งได้รับการอนุรักษ์ไว้โดยพลังงานเคมีของไฮโดรเจนซัลไฟด์ที่เดือดปุด ๆ ออกมาจากรอยแยกที่พื้นทะเล ทุกชีวิตบนโลกได้รับพลังงานจากดวงอาทิตย์ แม้แต่สัตว์กินเนื้อที่ปลายแหลมอย่างเสือและปลาฉลามก็เป็นส่วนหนึ่งของใยอาหารที่ซับซ้อนซึ่งสืบย้อนไปถึงพืช และในมหาสมุทรก็มีสาหร่ายสีเขียวขนาดเล็ก ผู้ผลิตหลักที่เรียกว่าเหล่านี้มีพลังพิเศษทางชีวภาพ: ความสามารถในการสร้างอินทรีย์คาร์บอนจากคาร์บอนไดออกไซด์ผ่านการสังเคราะห์ด้วยแสงซึ่งเป็นกระบวนการทางชีวเคมีที่ขับเคลื่อนโดยแสงแดด
แต่ในขณะที่การสังเคราะห์ด้วยแสงมีความสำคัญต่อชีวิตอย่างที่เราทราบ แต่ก็ไม่ได้มีประสิทธิภาพอย่างน่ากลัว เพียงประมาณ 1 เปอร์เซ็นต์ของแสงอาทิตย์ที่ตกกระทบต้นไม้เท่านั้นที่ถูกจับและใช้ในการผลิตคาร์บอนอินทรีย์ ความไร้ประสิทธิภาพดังกล่าวจะก่อให้เกิดความท้าทายหากมนุษย์ต้องการสร้างการดำรงอยู่ด้วยตนเองในอวกาศ ซึ่งจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องผลิตอาหารโดยใช้ทรัพยากรน้อยที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้
นอกจากนี้ยังเป็นปัญหาบนโลกในปัจจุบันเมื่อประชากรมนุษย์เพิ่มขึ้น สร้างแรงกดดันให้เกษตรกรบีบแคลอรีออกจากพื้นที่เดียวกันมากขึ้น
นักวิทยาศาสตร์บางคนเชื่อว่าการแก้ปัญหาคือการดัดแปลงพันธุกรรมพืชเพื่อสังเคราะห์แสงได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น นักวิจัยที่อยู่เบื้องหลังการศึกษาครั้งใหม่นี้กำลังเสนอบางสิ่งที่ผิดปกติมากกว่านั้น: แทนที่การสังเคราะห์ด้วยแสงทางชีวภาพด้วยกระบวนการประดิษฐ์บางส่วนในการเปลี่ยนแสงแดดให้เป็นอาหาร กระบวนการของพวกเขาคือเวอร์ชันของการสังเคราะห์ด้วยแสงเทียม ซึ่งเป็นคำศัพท์ที่มีมานานหลายปีและครอบคลุมวิธีการต่างๆ ในการแปลงแสงแดด น้ำ และคาร์บอนไดออกไซด์ให้เป็นเชื้อเพลิงเหลวและสารเคมี เช่น ฟอร์เมท เมทานอล และไฮโดรเจน นักวิจัยที่อยู่เบื้องหลังการศึกษาครั้งใหม่นี้กล่าวว่างานของพวกเขาเป็นครั้งแรกที่ระบบสังเคราะห์แสงเทียมได้รับการจับคู่กับความพยายามที่จะเติบโตสิ่งมีชีวิตที่ผลิตอาหารทั่วไป
ระบบของพวกเขาขึ้นอยู่กับอิเล็กโทรไลซิส หรือใช้กระแสไฟฟ้าเพื่อขับเคลื่อนปฏิกิริยาเคมีภายในอุปกรณ์ที่เรียกว่าอิเล็กโทรไลเซอร์ ในการศึกษาล่าสุดของพวกเขา นักวิจัยได้สร้างระบบอิเล็กโทรไลเซอร์ที่ใช้พลังงานแสงอาทิตย์สองขั้นตอน ซึ่งจะเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำให้เป็นออกซิเจนและอะซิเตท ซึ่งเป็นสารประกอบธรรมดาที่มีคาร์บอนเป็นองค์ประกอบ
จากนั้นผู้เขียนได้ป้อนอะซิเตทนี้ให้กับChlamydomonas reinhardtiiซึ่งเป็นสาหร่ายสีเขียวสังเคราะห์แสง พวกเขายังป้อนอะซิเตทให้กับยีสต์ที่มีคุณค่าทางโภชนาการและเชื้อราที่ผลิตเห็ด—ซึ่งไม่ได้สังเคราะห์แสงเอง แต่โดยปกติต้องการคาร์บอนอินทรีย์ที่พืชสร้างขึ้น
สิ่งมีชีวิตทั้งหมดเหล่านี้สามารถดูดซับอะซิเตทและเติบโตในที่มืดได้ โดยไม่ขึ้นกับแสงแดดหรือคาร์บอนที่ได้จากการสังเคราะห์ด้วยแสง
เมื่อเทียบกับการสังเคราะห์ด้วยแสง กระบวนการนี้มีประสิทธิภาพอย่างน่าประหลาดใจ การใช้การสังเคราะห์ด้วยแสงประดิษฐ์ สาหร่ายสีเขียวสามารถเปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์เป็นชีวมวลได้ประมาณสี่เท่าอย่างมีประสิทธิภาพเท่ากับพืชผลโดยใช้การสังเคราะห์ด้วยแสงทางชีวภาพ ยีสต์ที่ปลูกโดยใช้กระบวนการนี้มีประสิทธิภาพด้านพลังงานมากกว่าพืชผลเกือบ 18 เท่า
“นี่เป็นหนึ่งในข้อได้เปรียบที่สำคัญของการใช้เส้นทางเทียมกับวิถีธรรมชาติ” Jiao กล่าว
ปลูกพืชในที่มืด?
นักวิทยาศาสตร์รู้อยู่แล้วว่าสาหร่าย C. reinhardtiiสามารถเติบโตได้บนอะซิเตทในความมืด—สิ่งมีชีวิตคือมิกซ์โซโทรฟ ซึ่งหมายความว่ามันสามารถสลับไปมาระหว่างการผลิตอาหารจากการสังเคราะห์แสงหรือการรับประทานคาร์บอนอินทรีย์ที่ผลิตโดยพืชชนิดอื่น แต่ตามที่ผู้เขียนศึกษาอาวุโสRobert Jinkersonแห่งมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ริเวอร์ไซด์ กล่าวว่า นี่เป็นครั้งแรกที่C. reinhardtiiปลูกบนอะซิเตทที่ไม่ได้มาจากการสังเคราะห์ด้วยแสงเมื่อเร็วๆ นี้หรือจากผลิตภัณฑ์ปิโตรเลียม ซึ่งเป็นซากฟอสซิลของการสังเคราะห์ด้วยแสงในสมัยโบราณ นั่นเป็นสิ่งสำคัญ
“นี่เป็นครั้งแรกที่สิ่งมีชีวิตสังเคราะห์แสง เช่น สาหร่ายหรือพืช เติบโตเป็นอิสระจากการสังเคราะห์ด้วยแสงตั้งแต่มีวิวัฒนาการ” Jinkerson กล่าว “มันแยกไม่ออกอย่างสมบูรณ์”
เมื่อสาหร่ายเติบโตโดยไม่มีการสังเคราะห์ด้วยแสง นักวิจัยได้หันมาใช้คำถามที่ยากขึ้น: พวกเขาสามารถปลูกพืชผลได้หรือไม่?
ผลลัพธ์เริ่มต้นของพวกเขาเป็นกำลังใจ ในความมืด นักวิจัยได้ปลูกเนื้อเยื่อผักกาดหอมในของเหลวแขวนลอยที่มีอะซิเตท ซึ่งยืนยันว่าสามารถดูดซับและเผาผลาญคาร์บอนจากแหล่งภายนอกได้
และเมื่อพวกเขาปลูกผักกาดหอมทั้งต้นในที่ที่มีแสง (เช่นเดียวกับข้าว คาโนลา มะเขือเทศ และพืชผลอื่นๆ อีกหลายชนิด) แต่ให้อาหารเสริมด้วยอะซิเตทเสริม พวกเขาพบว่าพืชรวมอะซิเตทไว้ในเนื้อเยื่อของพวกมัน อะซิเตทที่มีไอโซโทปคาร์บอนหนัก เรียกว่า คาร์บอน-13 สามารถตรวจสอบได้ทั้งในกรดอะมิโนและน้ำตาล ซึ่งบ่งชี้ว่าพืชสามารถใช้มันเพื่อสนับสนุนกระบวนการเผาผลาญที่หลากหลาย
อย่างไรก็ตาม การศึกษาไม่ได้แสดงว่าพืชทั้งหมดสามารถปลูกได้ทั้งหมดโดยใช้อะซิเตทโดยไม่ต้องให้แสงแดดส่องถึง อันที่จริง การทดลองของนักวิจัยกับผักกาดหอมระบุว่าอะซิเตทมากเกินไปจะยับยั้งการเจริญเติบโตของพืชได้จริง Jinkerson กล่าวว่าห้องปฏิบัติการของเขากำลังทำงานเกี่ยวกับพันธุวิศวกรรมและพืชพันธุ์เพื่อให้ทนต่อ acetate ได้มากขึ้น นั่นจะเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับวิธีการสังเคราะห์ด้วยแสงของทีมเพื่อสนับสนุนการเจริญเติบโตของพืชและการผลิตอาหารอย่างมีนัยสำคัญ
Emma Kovakนักวิเคราะห์ด้านอาหารและการเกษตรที่Breakthrough Instituteกล่าวว่าผลงานของผู้เขียนเป็น “ก้าวแรกสู่การใช้อะซิเตทเพื่อช่วยเป็นอาหารพืชสำหรับการผลิตในร่ม” ซึ่งสามารถลดพลังงานที่จำเป็นในการทำฟาร์มในร่มได้หากช่วยให้ผู้ปลูกสามารถลดระดับแสงในร่มได้ แต่ Kovak กล่าวว่า “จำเป็นต้องมีความก้าวหน้าอย่างมากเพื่อให้พืชสามารถเติบโตได้อย่างแข็งแกร่งโดยใช้อะซิเตทแม้ในสภาพแสงน้อย
Evan Grooverผู้สมัครระดับปริญญาเอกด้านชีววิทยาสังเคราะห์ที่ University of California, Berkeley ซึ่งงานวิจัยมุ่งเน้นไปที่พืชพันธุวิศวกรรมเพื่อปรับปรุงการสังเคราะห์ด้วยแสงเห็นด้วย การศึกษา “แสดงให้เห็นว่าพืชสามารถดูดซึมอะซิเตทได้ แต่นั่นไม่ใช่หลักฐานที่แสดงว่าพืชสามารถเจริญเติบโตได้อย่างแท้จริงหรือสังเคราะห์อาหาร เชื้อเพลิง หรือยาได้อย่างมีความหมาย” Groover กล่าว เขากล่าวว่าการทำสิ่งหลังนี้ให้สำเร็จจะต้องมี “การตั้งโปรแกรมพืชใหม่อย่างสมบูรณ์”
