Na koniec stulecia ma być nas 11 miliardów. Czy uda się wszystkich nakarmić?

W okolicach 1800 roku na Ziemi żyło około miliarda ludzi. Dziś niemal osiem razy więcej - 7,9 miliarda. Za niespełna dwie dekady, w 2050 roku ma nas być już 9,5 mld. Z prognoz demograficznych wynika, że na koniec tego stulecia nasza planeta będzie musiała wyżywić nawet 11 miliardów. To szacunki ONZ, niektórzy demografowie wyliczają, że może nas być i 13 miliardów.

Czy to w ogóle możliwe nakarmić o jedną trzecią lub połowę więcej ludzi niż teraz? Tak, choć będzie to trudne i trzeba będzie uciec się do zdobyczy nauki i techniki. Nie pierwszy zresztą raz.

Gdyby nie nawozy sztuczne, chemiczne środki ochrony roślin oraz mechanizacja rolnictwa żywności brakowałoby nam już dziś. Nic dziwnego, że ich wprowadzenie w latach 50. i 60. ubiegłego wieku nazwano “zieloną rewolucją”.

Potrzebujemy jednak kolejnej rewolucji. Globalne ocieplenie sprawia, że coraz częstsze są susze (i paradoksalnie powodzie). Nasze szerokości geograficzne dotknie to w niewielkim stopniu, ale już południe Europy jak najbardziej. Dostępnej żywności będzie ubywać najszybciej w tropikach. A to w Afryce ludności przybędzie najwięcej.

W 2016 roku w "Nature Climate Change", badacze twierdzili, że plony kukurydzy w Afryce już nie nadążają za globalnym ociepleniem. Wyhodowanie i wprowadzenie nowej odmiany zbóż zajmuje dekadę do trzech. Nie mamy tyle czasu. Tempo wzrostu średnich temperatur w strefie tropikalnej jest zbyt wysokie. Gdy nowa, odporna na wyższe temperatury odmiana zostanie wyhodowana, będzie już dla niej za ciepło.

Czy da się wyżywić świat w dobie globalnego ocieplenia? Naukowcy od dawna nawołują do “hakowania fotosyntezy”. Jest bardzo mało wydajnym procesem, wykorzystuje około jednej setnej energii słońca. Żeby wyżywić świat, będziemy musieli ją poprawiać, dowodził jeszcze w 2015 roku na łamach czasopisma "Cell" prof. Stephen P. Long.

Cykl „SOBOTA PRAWDĘ CI POWIE” to propozycja OKO.press na pierwszy dzień weekendu. Znajdziecie tu fact-checkingi (z OKO-wym fałszometrem) zarówno z polityki polskiej, jak ze świata, bo nie tylko u nas politycy i polityczki kłamią, kręcą, konfabulują. Cofniemy się też w przeszłość, bo kłamstwo towarzyszyło całym dziejom. Będziemy rozbrajać mity i popularne złudzenia krążące po sieci i ludzkich umysłach. I pisać o błędach poznawczych, które sprawiają, że jesteśmy bezbronni wobec kłamstw. Tylko czy naprawdę jesteśmy? Nad tym też się zastanowimy.

Fotosynteza fotosyntezie nierówna

Niektóre rodzaje fotosyntezy lepiej wiążą dwutlenek węgla z powietrza, a wykorzystujące ją rośliny rosną szybciej i przynoszą większe plony. Niestety tę “lepszą fotosyntezę” (zwaną C4) wykształciło niespełna 3 proc. roślin (m.in. trzcina cukrowa i kukurydza).

Tę mniej wydajną (zwaną C3) wykorzystuje większość roślin, które są podstawą ludzkiej diety: w tym zboża, ryż, soja, czy ziemniaki.

Głównym problemem w przebiegu procesu C3 jest to, że w wyniku oddychania rośliny tracą aż 97 proc. wody. To sprawia, że nie radzą sobie w suchym klimacie. Rośliny wykorzystujące proces C4 mają na to sposób. Gdyby dzięki inżynierii genetycznej udało się przekształcić pszenicę czy ryż tak, aby ich fotosynteza wykorzystywała proces C4, plony mogłyby wzrosnąć nawet o ponad połowę.

W 2012 r. brytyjski rząd wraz z fundacją Billa i Melindy Gatesów przeznaczyły ponad 14 mln dol. na pracę nad ryżem C4. Pierwsze próby były udane. Częściowo: rośliny wymagały sztucznego pompowania dwutlenku węgla, by jego stężenie było wielokrotnie wyższe niż w powietrzu.

Roślinom wszczepiono bowiem (odpowiedzialne za fotosyntezę) geny sinic. Sinice mają jednak struktury komórkowe (zwane karboksysomami), które wiążą dwutlenek węgla. Rośliny były zdane na to stężenie CO2, które naukowcy sztucznie stworzyli w laboratoryjnym powietrzu.

Przeszczepianie genów odpowiedzialnych za cały proces fotosyntezy to jednak spore przedsięwzięcie. To tak, jakbyśmy chcieli hodować króliki z sercami tygrysów albo słoni. Może da się prościej?

Poprawianie genów bez wszczepiania obcych

Da się. Oto w wydaniu “Science” z 18 sierpnia tego roku zespół prof. Stephena P. Longa (tego samego, który nawoływał do “hakowania” fotosyntezy siedem lat temu) donosi, że udało się poprawić mechanizm fotosyntezy w roślinach soi. Przynosi dzięki temu o 25 proc. większe plony. I to bez jakichkolwiek nawozów.

Badacze nie wszczepiali roślinom obcych genów, poprawili ich własne.

Rośliny nasienne źle znoszą nadmiar światła, bo nadmiar energii może uszkodzić delikatną komórkową maszynerię. Włącza się wtedy mechanizm tłumienia energii (który w cieniu nie działa). Nie jest do końca jasne, czemu rośliny nasienne mają taki mechanizm, najpewniej ich przodkowie rośli raczej w zacienionych miejscach.

Starsze ewolucyjnie rośliny zarodnikowe (np. paprocie) potrafią szybko przełączać się między ochroną komórki a fotosyntezą.

Włączanie i wyłączanie tego mechanizmu jest u roślin nasiennych tak powolne, że tracą bardzo dużo energii, którą mogłyby wykorzystać do fotosyntezy. Zespół prof. Longa wyposażył soję w dodatkowe kopie trzech genów odpowiedzialnych za ten “mechanizm tłumienia”, co sprawiło, że rośliny znacznie szybciej go włączały i wyłączały.

To wystarczyło, by plony były o jedną czwartą wyższe - i to bez żadnego nawożenia - bez szkody dla zawartości białka (dla którego soję się uprawia).

Naukowcy sądzą, że uda im się ten sposób usprawnić i zwiększyć plony nawet o połowę. I, jak mówi prof. Long, będzie to odpowiednik Zielonej Rewolucji z lat 50. i 60. ubiegłego wieku.

A może “outsourcing” fotosyntezy?

Podniesienie sprawności fotosyntezy nawet o połowę nadal oznacza marnowanie prawie 98,5 proc. energii słonecznej. A gdyby tak część tego procesu wykonać… poza rośliną?

Udało się to w lipcu 2022 roku badaczom z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Riverside oraz Uniwersytetu Delaware. Stworzyli w laboratorium sztuczny system, który z pomocą energii słonecznej z dwutlenku węgla i wody wytwarzał octany. To sole kwasu octowego, które są ważnym półproduktem w procesie fotosyntezy.

Na pożywce bogatej w octany rośliny mogą rosnąć w całkowitej ciemności, bo po etapie wytwarzania tych związków światło nie jest już potrzebne. Badaczom udało się tak wyhodować kilkanaście gatunków roślin uprawnych m.in. tytoń, zielony groszek, pomidory i ryż.

W pracy opublikowanej w “Nature Food" wyliczyli, że w przypadku niektórych roślin opracowany przez nich proces jest nawet 18 razy wydajniejszy niż uprawa roślin w ziemi i na słońcu.

My załóżmy - dla uproszczenia obliczeń - 10 razy. Takie same plony jak z jednego hektara ziemi (10 tysięcy m kw.) przyniesie uprawa z tysiąca metrów kwadratowych. Skoro rośliny mogą rosnąć bez słońca i gleby, można je uprawiać piętrowo. Dwa piętra zmniejszą potrzebną powierzchnię z jednego hektara do 500 metrów kwadratowych.

Uwolnienie upraw żywności od słońca to doprawdy niebywałe osiągnięcie. Pozwala przenieść uprawy z pola do zadaszonej hali, gdzie nie są zależne od jakości gleby czy kaprysów pogody. Ograniczenie powierzchni sprawia, że zmieszczą się nawet w centrach miast. Żywności nie trzeba będzie nawet transportować z odległych pól. Uprawianą dotąd ziemię będzie można oddać naturze.

Brzmi jak science-fiction, ale to science. Nie ma w tym nic z fikcji.

W ubiegłym, 2021 roku, naukowcy na łamach czasopisma „Proceedings of the National Academy of Sciences” (PNAS) przekonywali z kolei, że białko produkowane przez bakterie rozwiązałoby inny problem. Na całym świecie wycinane są tropikalne lasy pod uprawę soi. Większość z niej nie trafia wcale na stoły, jest składnikiem paszy dla zwierząt. W bioreaktorach białko mogłyby produkować bakterie (czynią to wydajniej niż rośliny).

Jak obliczali naukowcy w PNAS, zapewniłoby to ludzkości tyle samo białka zwierzęcego, co przy obecnym systemie produkcji. Zajęłoby jednak tylko dziesiątą powierzchni potrzebnej dziś na uprawę soi.

Nie ma w tym nic dziwnego. Jak już wspominaliśmy, fotosynteza jest bardzo mało wydajnym procesem. Nie wszystkie części roślin są jadalne. A do tego w wyższych szerokościach geograficznych fotosynteza na pół roku ustaje. Uprawa roślin na żywność czy pasze to marnotrawienie powierzchni planety.

A może by tak zrezygnować z pośredników?

Na inny pomysł wpadli chińscy naukowcy. Opracowali proces, który z dwutlenku węgla i wody może wyprodukować skrobię bez pośrednictwa roślin. Dziś cała spożywana na świecie skrobia pochodzi roślin: od pszenicy przez ryż po ziemniaki.

Opisany przez naukowców proces zużywa 8,5 razy mniej energii niż produkcja skrobi zachodząca w kukurydzy. “Roczna produkcja skrobi w bioreaktorze o objętości metra sześciennego teoretycznie odpowiadać będzie ilości skrobi uzyskiwanej z uprawy kukurydzy na powierzchni jednej trzeciej hektara” mówił Cai Tao, główny autor pracy opublikowanej w „Science”.

“Jeśli uda się ograniczyć koszty takiego procesu do poziomu porównywalnego z kosztami upraw rolnych, oczekujemy, że może to zaoszczędzić do 90 proc. ziemi zajętej dziś pod uprawy oraz podobną ilość wody wykorzystywanej do podlewania upraw" – twierdził z kolei Ma Yanhe, inny autor opublikowanej pracy.

Proszę to sobie wyobrazić. Zamiast stu hektarów - czyli kilometra kwadratowego - upraw ziemniaków, kukurydzy czy ryżu ledwie kilka tysięcy metrów kwadratowych hali produkującej syntetyczną skrobię. Wokół może szumieć gęsty las.

Przyszłość nadejdzie szybciej, niż byśmy chcieli

Tak zapewne będzie wyglądać przyszłość, choćby z powodu wygody. I jest całkiem możliwe, że przeniesiemy produkcję żywności do hal i bioreaktorów szybciej, niż byśmy chcieli.

Dotychczas na Ziemi zmiana temperatury o kilka stopni zajmowała dziesiątki tysięcy lat. Rośliny (i zwierzęta) mogły się dostosować dzięki ewolucji trwającej wiele pokoleń. Dziś tempo zmiany jest niespotykane w całej geologicznej historii planety.

Jak wskazywali naukowcy w “Nature” w 2020 roku, ryzyko, że naturalne ekosystemy rozsypią się jak domek z kart jest największe w strefie tropikalnej. Prawdopodobieństwo tej katastrofy wynosi 90 proc. jeszcze przed 2030 rokiem. Nie mamy się z czego cieszyć, bo nas również dotknie dwie dekady później.

Bardzo dosadnie określił to biolog James Lovelock (twórca opacznie rozumianej hipotezy Gai) w wywiadzie dla "The Guardian". Zapytany w 2008 roku o rady na zmianę klimatu odparł "Korzystajmy z życia póki możemy, za dwie dekady globalne ocieplenie uderzy w wentylator" (co jest parafrazą powiedzenia o g… uderzającym w wentylator, metaforą katastrofy tyleż rozległej, co nieprzyjemnej).

Był też pesymistą. Uważał, że energia jądrowa rozwiąże problemy energetyczne ludzkości. Ale żywność prawdopodobnie będziemy musieli syntetyzować. Przywoływał od dawna dostępny w brytyjskich sklepach Quorn - to produkt grzybów z rodzaju Fusarium imitujący mięso. Powstaje w fabrykach, w bioreaktorach.

Czy Lovelock był fatalistą? Wtedy mogło wydawać się, że tak. Dziś, dwanaście lat później, Europa zmaga się z falą rekordowych upałów, suszą i pożarami lasów. Francuscy i włoscy rolnicy straty liczą w miliardach euro.

W Chinach niespotykana od dekad susza i ekstremalne temperatury rzędu 40 stopni (w nocy spadają zaledwie do 30) trwają już drugi miesiąc i według historyków są prawdopodobnie najdłuższą falą upałów w historii ludzkości.

Żeby uratować uprawy ryżu, chiński rząd chce zasiewać chmury. To raczej zaklinanie deszczu. Rozpylanie substancji, na których ma się skroplić para wodna, ma sens, gdy wilgoć w powietrzu jest. Nad nagrzanym od dwóch miesięcy (sic) lądem są jej bardzo skąpe ilości.

Chiny mają za to spore zapasy zbóż, które pozwolą przetrwać tegoroczną katastrofę. Ale wzrost cen odczujemy i my, gdy opróżnią magazyny i zaczną żywność kupować w kolejnym roku. Rynek żywności to dziś rynek globalny.

Czy tak będzie wyglądać już każde lato?

Skądże, będziemy je wspominać z rozrzewnieniem jako wyjątkowo łagodne. Z roku na rok będzie coraz gorzej, bo zmiany klimatu nie zatrzymają się z dnia na dzień. Będą postępować jeszcze dekady po tym, gdy zaprzestaniemy spalania paliw kopalnych. A wcale nie zanosi się, żebyśmy przestali je spalać do połowy tego wieku.

Można się tylko cieszyć, że naukowcy mają pomysły na produkcję żywności, które uniezależnią nas (częściowo lub całkiem) od sił natury. A jeśli oddamy naturze większość terenów zajętych dziś przez rolnictwo, lasy i łąki będą pochłaniać dwutlenek węgla. To spowolni klimatyczną katastrofę.

A skąd woda? Z powietrza

Czy te wszystkie pomysły naukowców nie spełzną na niczym z powodu braku wody? Nie muszą. Woda, w postaci pary wodnej, jest nawet w bardzo suchym, pustynnym powietrzu.

Podawana czasem w meteorologii wilgotność względna oznacza, ile jest w powietrzu pary wodnej w porównaniu z tym, ile mogłoby się maksymalnie “zmieścić”. Nawet przy wilgotności 30 proc. i temperaturze 30 stopni w powietrzu nadal jest nieco ponad 10 gramów pary wodnej w metrze sześciennym powietrza.

Nawet na pustyniach wilgotność rzadko spada poniżej 15 proc. (a i to zwykle w ich głębi). W suchych i gorących klimatach jest to przeciętnie 30 proc. W Polsce za suche uchodzą dni z wilgotnością poniżej 50 proc. Atmosferycznej wody mamy pod dostatkiem.

Można tę wodę z powietrza wydobyć - wystarczy powietrze schłodzić, bo w chłodniejszym “mieści się” mniej wilgoci. To dlatego w chłodne poranki osadza się rosa. Niestety schładzanie wymaga energii i to sposób kosztowny.

Naukowcy od lat szukali więc materiałów, które będą chłonąć parę wodną i z których będzie można ją odzyskać na żądanie. Bardzo skuteczne okazały się kompleksy metaloorganiczne (tak zwane MOF-y, od metal-organic framework).

To połączenia organicznych molekuł z atomami metali. Swoją strukturą przypominają gąbkę i każdy z takich kompleksów chłonie zwykle inny związek. MOF pochłaniający parę wodną opisywali naukowcy w “Science” w 2014 roku, ale wymagał dość drogiego metalu, cyrkonu.

Żeby wilgoć odzyskać, trzeba taki materiał lekko podgrzać (można to zrobić na słońcu) i parę skroplić. Zwykle dzieje się to w cyklu dobowym (para skrapla się w nocy, gdy jest chłodniej). W ten sposób nawet z pustynnego powietrza na dachu budynku uczelni w Arizonie udało się uzyskać 2 litry wody na kilogram takiego materiału na dobę. To z pozoru niewiele, ale na pustyni (lub podczas suszy) może oznaczać być albo nie być.

Pięć lat później ten sam zespół (Omara Yaghiego, chemika z University of California w Berkeley) odkrył, że tak samo działa MOF zawierający atomy taniego glinu.

W maju tego roku okazało się też, że tak samo działa materiał z hydroksypropylcelulozy i gumy konjakowej z dodatkiem chlorku litu. To składniki są łatwo dostępne i tanie, a koszt produkcji kilograma tego materiału nie przekracza dwóch dolarów. Może pochłonąć z powietrza i dostarczyć nawet 13 litrów wody na dobę.

To oznacza źródło wody praktycznie dla każdego i wszędzie. Nie jest wykluczone, że i wodę będziemy musieli kiedyś produkować - właśnie z powietrza.