Juli 16, 2022

Wissenschaftler versuchen, Pflanzen im Dunkeln zu züchten

Es gibt viele Gründe, der Photosynthese dankbar zu sein. Der erste Grund ist unsere Existenz. Vor etwa drei Milliarden Jahren fand eine Gruppe von Mikroben namens Cyanobakterien einen Weg, Licht und Wasser in Energie umzuwandeln und dabei Sauerstoff freizusetzen. Diese Mikroben führten schließlich Sauerstoff in die Atmosphäre ein und verwandelten sie von einer giftigen Umgebung, die hauptsächlich aus Stickstoff und Kohlendioxid bestand, in eine Zusammensetzung, die das Leben unterstützen konnte.

Der gleiche Prozess steht am Anfang von allem, was wir essen. Pflanzen verwenden Sonnenlicht, Wasser und Kohlendioxid, um zu wachsen, und Menschen verbrauchen Pflanzen direkt oder indirekt, nachdem sie Teil eines anderen Tieres oder einer anderen Nahrung geworden sind. Die gesamte Energie, die letztendlich unseren Körper erreicht, beginnt mit Sonnenlicht, das von Pflanzen während des Prozesses der Photosynthese eingefangen wird.

Es gibt nur ein kleines Problem mit diesem System: Pflanzen sind sehr ineffizient darin, Sonnenlicht in Wachstum umzuwandeln. Einigen Schätzungen zufolge wandeln Pflanzen Sonnenlicht und Kohlendioxid mit einem Wirkungsgrad von nur einem Prozent in neue Biomasse um.

Robert Jinkerson, ein Professor an der University of California in Riverside, betrachtete die geringe Effizienz der Photosynthese als ein technisches Problem. Wenn wir mehr Energie aus jedem Quadratzentimeter Sonnenlicht gewinnen können, können wir die Fläche reduzieren, die wir für den Anbau unserer Lebensmittel benötigen. „Unser oberstes Ziel ist es, die Art und Weise zu ändern, wie wir über die Landwirtschaft denken und wie landwirtschaftliche Produkte hergestellt werden“, sagt Jinkerson. „Wenn wir die für die Produktion von Nahrungsmitteln für den Menschen benötigte Fläche effizienter nutzen können, können wir landwirtschaftliche Flächen der Natur zurückgeben.“

Eine Möglichkeit, dies zu tun, könnte darin bestehen, Pflanzen im Dunkeln mit Strom aus Sonnenkollektoren anzubauen. Die Effizienz von Sonnenkollektoren bei der Umwandlung von Sonnenlicht in Energie ist viel höher als die Effizienz von Pflanzen.

In einem neuen Artikel, der in der Zeitschrift Nature Food veröffentlicht wurde, beschreiben Jinkerson und Kollegen die Verwendung von Sonnenkollektoren, um einen Prozess namens Elektrokatalyse anzutreiben. Dabei entsteht eine Flüssigkeit, die Algen, Hefen und Pflanzen anstelle von Sonnenlicht für ihr Wachstum nutzen können.

Die Forscher nutzten Sonnenkollektoren, um ein Gerät mit Strom zu versorgen, das Kohlendioxid, Strom und Wasser in Acetat umwandelt. Acetat ist ein Molekül, das in Wasser verdünnt und zur Ernährung von Pflanzen verwendet werden kann. Anschließend verfütterten sie diese Mischung an Algen, Hefe, essbare Pilze und einige gängige Feldfrüchte wie Kichererbsen, Tomaten, Raps und Reis.

Algen und Hefe schnitten in der Acetatmischung gut ab, was nicht überraschend war, da die Wissenschaftler bereits wussten, dass diese Arten Acetat konsumieren können; Überraschenderweise verbrauchten die Pflanzen auch das Acetat und wuchsen, obwohl sie sich in völliger Dunkelheit befanden.

Aber bevor Sie Tomatenpflanzen in Ihren Schrank stellen, lesen Sie weiter.

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Jinkerson und seine Kollegen wussten nur, dass die Pflanzen Acetat konsumierten, weil sie die Pflanzen kurz nach dem Wachstum analysierten, um festzustellen, ob sie Kohlenstoffmoleküle enthielten, die von Acetat stammen. Aber am Ende wurde festgestellt, dass die Verabreichung von Acetat an Pflanzen für sie giftig sein kann, so dass Pflanzen zwar in einer Umgebung wachsen können, die Acetat enthält, sie gedeihen in dieser Umgebung jedoch nicht und haben keinen hohen Ertrag. Das bedeutet, dass wir beim Pflanzenanbau im Dunkeln noch einen langen Weg vor uns haben.

Aber diese Technologie kann für vertikale Farmen interessant sein, die LED-Lampen verwenden, um die Energie bereitzustellen, die für die Photosynthese ihrer Pflanzen benötigt wird, was sehr teuer ist.

Jinkerson glaubt, dass, wenn Forscher einen Weg finden, Tomatenpflanzen in einer acetatreichen Umgebung anzubauen, die Verwendung von Elektrizität zur Herstellung von Acetat anstelle von Licht eine energieeffizientere Methode für vertikale Farmen sein könnte.

Aber selbst wenn wir mehr Tomatenpflanzen in geschlossene Räume bringen können, wird dadurch nicht unbedingt viel Land für die Rückkehr der Natur frei. Der größte Teil der landwirtschaftlichen Flächen wird zum Weiden von Vieh oder zum Anbau von Nahrungsmitteln genutzt. Ein Großteil des verbleibenden Landes wird für den Anbau von Feldfrüchten wie Weizen, Sojabohnen oder Mais verwendet, und nur ein relativ kleiner Teil des Landes wird für den Anbau von Obst und Gemüse verwendet. Diese Arten von Pflanzen sind im Freien billig anzubauen, daher macht es nicht viel Sinn, viel Zeit und Geld in den Anbau in Innenräumen zu investieren.

Der Anbau von Pflanzen im Dunkeln kann an Orten nützlich sein, an denen Energie und Platz knapp sind (z. B. bei Weltraummissionen), aber er ist für die meisten Feldfrüchte auf der Erde nicht geeignet (Jinkersons Projekt ist auch einer der Gewinner der ersten Phase des Deep Space Food Challenge“, die von der NASA organisiert wird. Für die zweite Stufe wird das Team einen Prototyp des Nahrungsmittelanbaugeräts bauen und der NASA zur Verfügung stellen).

Elisabeth Carmo SilvaProfessor für Pflanzenphysiologie an der Lancaster University, UK, sagt, dass es viele Möglichkeiten gibt, landwirtschaftliche Flächen effizienter zu nutzen. Die Reduzierung von Lebensmittelabfällen, der Verzehr von weniger Fleisch und die Verwendung von weniger Feldfrüchten für die Biokraftstoffproduktion werden uns helfen, mehr essbare Kalorien pro Hektar Land zu erhalten. Darüber hinaus gibt es weitere Gründe, warum wir die Photosynthese nicht stoppen sollten.

„Wir haben nichts anderes, was uns kostengünstig mit Sauerstoff und Nahrung versorgt“, sagt Carmo Silva. Er arbeitet an einem Projekt, um die Effizienz der Photosynthese von Kuherbsen zu steigern, die eine wichtige Nutzpflanze in Afrika und Asien sind. „Wenn wir die Herausforderung der Ernährungssicherheit angehen und überall auf der Welt Ernährungssicherheit haben wollen, müssen wir dieses Problem mit mehreren Lösungen angehen“, sagt er.

Sein Team untersucht, ob sie durch Kreuzung oder Gen-Editierung Versionen von Kuherbsen herstellen können, die 20 Prozent photosynthetisch effizienter sind.

Amanda Kavanagh, ein Pflanzenwissenschaftler von der University of Essex in Großbritannien, glaubt, dass die Suche nach Wegen zur Verbesserung der Photosynthese, anstatt sie zu umgehen, letztendlich einen größeren Einfluss auf die Welt haben könnte. „Für Pflanzen wie Sojabohnen, Mais oder Weizen ist eine ineffiziente Photosynthese wahrscheinlich immer noch das Beste, woran wir arbeiten können, um mehr Produktion zu erzielen“, sagt er.

Aber Jinkersons Arbeit wirft auch komplexe Fragen darüber auf, welche Arten von Nahrungsmitteln die Menschen akzeptieren werden. Ein Großteil der Arbeit zur Verbesserung der Photosynthese betrifft die Genbearbeitung von Pflanzen, die in Teilen der Welt, insbesondere in der Europäischen Union, immer noch eine umstrittene Technologie ist.

Was ist natürlicher: eine gentechnisch veränderte Pflanze oder eine Pflanze, die noch nie Sonnenlicht gesehen hat? Wenn wir es jemals schaffen, Tomaten im Dunkeln anzubauen, schmecken sie dann immer noch genauso wie Tomaten, die im Freien angebaut werden, sagt Kavanagh?

Wenn Jinkersons experimentelles Gerät wie geplant funktioniert, könnten NASA-Astronauten die ersten sein, die es herausfinden.

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