Wykupienie dostępu pozwoli Ci czytać artykuły wysokiej jakości i wspierać niezależne dziennikarstwo w wymagających dla wydawców czasach. Rośnij z nami! Pełna oferta →
Rośliny są fundamentalnym składnikiem znanego nam życia, stanowią ponad 80 proc. całkowitej ziemskiej biomasy (wszystkie zwierzęta, włącznie z nami – poniżej 0,5 proc.). Nie do końca wiemy, kiedy wyewoluowały – najstarsze krasnorosty, glony zaliczane do królestwa roślin, mogły żyć już 1,6 mld lat temu. Uważa się, że około pół miliarda lat temu rośliny opanowały i na zawsze zmieniły lądy. Co ciekawe, proces fotosyntezy, któremu zawdzięczają swój ewolucyjny sukces i znaczenie w ekosystemach, jest znacznie od nich starszy – mógł pojawić się nawet 3,5 mld lat temu. Rośliny odziedziczyły go po bakteryjnych przodkach.
Sztuczna fotosynteza
Pod koniec XVIII w. holenderski lekarz Jan Ingenhousz, który jako pierwszy próbował ten proces opisać, zauważył, że zielone części roślin pod wpływem energii słonecznej produkują tlen. Niedługo potem okazało się, że potrzebują także wody i dwutlenku węgla, jednak na znane równanie, zgodnie z którym w fotosyntezie sześć cząsteczek dwutlenku węgla i sześć cząsteczek wody daje pod wpływem energii słonecznej cząsteczkę glukozy i cząsteczkę tlenu, trzeba było czekać do pierwszej połowy XX w.
PRZECZYTAJ TAKŻE:
Czy rośliny się uczą? Pytanie może wydawać się dziwne, ale w nauce nie można niczego zakładać z góry. Trzeba przeprowadzić eksperyment >>>>
Od lat 70. XX w. próbowano fotosyntezę przeprowadzić „sztucznie” – bez udziału roślin. Początkowo wydajność większości tych procesów była niska. Ale wyniki współczesnych badań są już bardzo obiecujące. Przykładowo, w 2018 r. Thomas Haas i współpracownicy opublikowali w „Nature Catalysis” raport z eksperymentu, którego celem było nie tylko przeprowadzenie skutecznej, syntetycznej fotosyntezy, ale również pozyskanie nowego, ekologicznego źródła energii. Badacze wykorzystali panele słoneczne oraz specjalnie wyhodowane bakterie. Te pierwsze odpowiadały za przekształcenie energii słonecznej w elektryczną. Uzyskany prąd doprowadzano do mieszaniny reakcyjnej, w skład której wchodził dwutlenek węgla i woda. Impuls elektryczny rozrywał wiązania cząsteczek, zmieniając je w prostsze i bardziej reaktywne: tlenek węgla oraz wodór. Otrzymane w ten sposób związki podawano bakteriom, które włączały je do swojego cyklu metabolicznego i łączyły w złożone cząsteczki chemiczne – alkohole (butanol oraz heksanol). A te mogą mieć zastosowanie w przemyśle i energetyce.
Wykorzystanie tych produktów jako paliw – jak przekonują autorzy – wymagałoby mniejszych emisji gazów cieplarnianych w porównaniu z aktualnie używanymi pochodnymi ropy. Dodatkowo, taką „sztuczną fotosyntezę” można traktować jako proces modułowy, co oznacza, że inne bakterie mogłyby z tych samych chemicznych cegiełek składać inne produkty – np. octan czy etanol.
Odmienne podejście do fotosyntezy zastosowali autorzy pracy opublikowanej w 2020 r. w „Science”. Zamiast przerzucać pracę na bakterie, postanowili samodzielnie wyprodukować takie same struktury jak te, z których korzystają rośliny. Chociaż bowiem fotosynteza wydaje się prostą, kilkuelementową reakcją, w rzeczywistości jest niesłychanie złożonym procesem, w który zaangażowanych jest wiele enzymów i struktur anatomicznych umożliwiających „żonglowanie” elektronami wewnątrz liścia.
Badacze zaczęli od stworzenia sztucznych odpowiedników tylakoidów – struktur, w których zachodzi jasna faza fotosyntezy. Wykorzystali układ mikrofluidowy – w miniaturowych kropelkach płynu, przy użyciu innych enzymów niż te występujące u roślin, udało się im przeprowadzić sztuczną fotosyntezę. A uzyskana wydajność procesu była nawet wyższa niż w naturze.
W pracach nad sztuczną fotosyntezą pojawiały się jeszcze inne podejścia – Virgil Andrei z Uniwersytetu w Cambridge i współpracownicy wykorzystali w 2019 r. kobalt do przekształcenia dwutlenku węgla i wody w tzw. gaz syntezowy (można z niego uzyskać np. syntetyczną benzynę), a zespół z Waterloo University stworzył sztuczny liść, który zużywał kłopotliwy gaz cieplarniany i wytwarzał metanol.
Szpinak wysyła e-mail
W przyszłości rośliny mogą stać się nie tylko inspiracją dla syntetycznych rozwiązań, ale także ich docelowymi odbiorcami. W wielu miejscach trwają bowiem także prace nad wyposażeniem roślin w całkiem nowe właściwości. Jedną z nich miałaby być bioluminescencja.
W 2017 r. Michael Strano z MIT opisał w „Nano Letters” wyniki prac, których celem było stworzenie roślin świecących w ciemności. Ich podejście określa się mianem nanobioniki – czyli łączenia naturalnych tkanek z materiałami syntetycznymi w nanoskali. Uczeni wzbogacili tkanki roślinne w enzym (lucyferazę) przekształcający związek lucyferynę (występującą m.in. u świetlików) w oksylucyferynę – molekułę emitującą światło.
Co nam po roślinach świecących w ciemności? Przede wszystkim mogłyby pomóc ograniczyć zużycie energii elektrycznej. Autorzy opisanego projektu twierdzą, że opracowane przez nich rozwiązanie pozwala roślinie świecić przez około 3,5 godziny, a marzą im się świecące drzewa, które zastąpiłyby w miastach latarnie – zakładając, że cały proces udałoby się usprawnić.
Rośliny można nauczyć jeszcze innych sztuczek. W 2016 r. na łamach „Nature Materials” opisano efekty prac (m.in. wspomnianego już prof. Strano) nad stworzeniem roślin, które wykrywają materiały wybuchowe. Autorom publikacji udało się wyhodować m.in. szpinak, który po zetknięciu się z substancjami znajdującymi się w minach przeciwpiechotnych emitował fale światła o określonej długości (w tym przypadku – podczerwień). Poza tym takie rośliny zachowywały wszystkie swoje typowe funkcje – można by je normalnie uprawiać tam, gdzie występuje zagrożenie.
PRZECZYTAJ TAKŻE:
Taki system ostrzegawczy mógłby działać bardzo szybko. Według autorów badania, od pojawienia się w glebie lub wodach gruntowych substancji wybuchowych do przekazania sygnału przez roślinę powinno minąć ok. 10 min. Badacze opracowali nawet metodę, dzięki której roślina mogłaby pośrednio wysyłać e-mail o zagrożeniu występującym na danym terenie. Dla uzyskania takiego efektu wystarczy ustawienie kamery na podczerwień podłączonej do komputera, który wykrywszy emisję odpowiedniej długości fali z liści rośliny, wysyła wiadomość. Ze zdjęciem rośliny „informującej” o zagrożeniu w załączniku.
Analogiczne wiadomości mogą być wysyłane w odpowiedzi na inne sygnały. Rośliny są lepiej przystosowane do precyzyjnego wykrywania związków chemicznych w środowisku niż zwierzęta – nawet te posiadające znakomity węch. Trwają już prace nad stworzeniem upraw, które byłyby w stanie wychwytywać subtelne zmiany w składzie powietrza czy gleby i „przewidywać” suszę, na długo zanim nasza ludzka aparatura jest w stanie to zrobić. Nanobionika mogłaby w przyszłości doprowadzić do powstania roślin, które wykrywają substancje toksyczne w środowisku albo same dają znać, gdy stężenie środków ochrony roślin zastosowanych na polu jest zbyt duże.
Według jeszcze bardziej odległych i futurystycznych wizji rośliny mogłyby być wykorzystywane nawet do przechowywania danych. Odbywałoby się to na podobnej zasadzie, na jakiej działają współczesne dyski zewnętrzne, tylko że zamiast „języka maszyn”, czyli ciągów zer i jedynek, organiczne dyski wykorzystywałyby „język życia”: kod genetyczny złożony z czterech rodzajów zasad azotowych.
Plantoid w kosmosie
Niektórzy uczeni mają inny pomysł. Zamiast modyfikować organizmy roślin, wolą z nich czerpać inspiracje i na ich podobieństwo budować wielozadaniowe roboty. Plantoidy – bo tak właśnie określa się urządzenia, których szkielet przypomina pokrój rośliny – są oparte na innym planie niż większość kojarzonych przez nas maszyn. Układ ciała zwierzęcia to zwykle scentralizowany system (z mózgiem odgrywającym kluczową rolę), który zarządza kończynami i rozmaitymi procesami fizjologicznymi. Podobnie zbudowane są zwykle nasze klasyczne roboty: posiadają procesor, który wydaje polecenia podzespołom. Rośliny wykorzystują inne rozwiązanie – każda z ich części podejmuje decyzje bardziej autonomicznie. Np. stożki wzrostu w korzeniach same „decydują”, w którą stronę i jak podążać oraz czego unikać. To system bardziej rozmyty, zdecentralizowany, a roślinom w zasadzie brak jest organów, które są niezastąpione i których utrata oznacza śmierć. To właśnie te cechy – wraz z ogromną precyzją analizowania składu środowiska – zainspirowały badaczy do stworzenia plantoidów.
Jednym z większych projektów tego typu był „Plantoid Project”, który kilka lat temu realizowano w Centrum Mikrobiorobotyki w Istituto Italiano di Tecnologia. W jego toku uzyskano plantoid, który budową przypominał korzenie roślinne i – podobnie jak one – zaopatrzony był w system czujników wykrywających różne „zmienne środowiskowe”, np. skład określonych substancji chemicznych. W tym przypadku inspiracja roślinami była jeszcze dalej posunięta, bowiem plantoid rósł przez cały czas swojego funkcjonowania. Wykorzystując technologię druku 3D, robot był w stanie nie tylko poruszać członkami, ale też budować własne „ciało”.
Nie ma również wątpliwości, że rośliny przyszłości będą towarzyszyły naszym kolejnym próbom podboju kosmosu. Na tę chwilę każda wyprawa człowieka poza Ziemię wiąże się z koniecznością zabrania ze sobą całego prowiantu. Będzie się to musiało zmienić, jeśli zamierzamy wysyłać załogi na dłuższe loty w przestrzeń kosmiczną lub na inne planety, choćby Marsa. Ich uczestnicy będą musieli przynajmniej częściowo wyhodować swoje pożywienie na miejscu. Nic więc dziwnego, że organizacje zajmujące się lotami kosmicznymi od dawna interesują się wzrostem roślin w warunkach pozaziemskich. Ostatniego większego odkrycia w tej dziedzinie dokonano 6 lat temu, gdy NASA ogłosiła wyniki swojego eksperymentu dotyczącego wzrostu organizmów samożywnych w warunkach mikrograwitacji.
PRZECZYTAJ TAKŻE:
Okazało się, że rośliny są w stanie prawidłowo rosnąć i rozwijać się bez udziału przyciągania ziemskiego, a ich korzenie w kosmosie penetrują glebę w sposób podobny jak na powierzchni naszego globu. Jednocześnie zauważono, że w hodowanych w ten sposób sadzonkach doszło do zmian w ekspresji niektórych genów. Czy ma to jakieś znaczenie użytkowe dla człowieka, czy modyfikacja ta wpłynie na skład i wartość odżywczą upraw – tego jeszcze nie wiemy. Jednak inne badania, np. opublikowane w zeszłym roku w „Nature Plants”, wykazały, że rośliny mogą reagować zmianą ilości składników odżywczych i antyodżywczych w odpowiedzi na subtelne wahania stężenia substancji chemicznych w ich środowisku. Jest to tym bardziej istotne, że wiele z uprawianych przez nas współcześnie warzyw wywodzi się od roślin, które były dla nas trujące lub zdatne do spożycia tylko w niewielkich ilościach czy po odpowiedniej obróbce (np. ziemniaki, maniok). Posiadają więc potencjał do tego, by negatywnie oddziaływać na nasze zdrowie. To oznacza, że planując uprawy przyszłości w warunkach innych niż ziemskie, musimy wziąć pod uwagę, iż nawet dobrze znane nam gatunki roślin mogą dawać inne plony niż te, które znamy z naszego globu.
Na rozwiązanie tego oraz innych, potencjalnych problemów związanych z roślinami przyszłości mamy jeszcze trochę czasu, ponieważ wszystkim powyższym projektom – od sztucznej fotosyntezy po plantoidy – daleko jeszcze do masowych wdrożeń. Jednak każdy z tych konceptów jest systematycznie i skrupulatnie rozwijany. Niewykluczone zatem, iż przyszłość przyniesie nam całkiem nowy trend. Mianowicie: że technologia, zamiast oddalać nas od natury, przybliży nas do niej. I spowoduje, że wrócimy „do korzeni”. ©
