Zielono nam

Przysłowie mówi, że lepsze jest wrogiem dobrego. Tkwi w nas też przekonanie, że tego, co odwieczne, nie da się już ulepszyć.

I tak to się kręci

Można to podejście, w zakresie produkcji roślinnej, streścić w młodzieżowym slangu: „Rośliny od zawsze są zielone i fotosyntetyzują, po co drążyć temat?”. Naukowcy jednak myślą inaczej. Amerykańscy uczeni z Instytutu Biologii Genomicznej Uniwersytetu Illinois, kierowani przez Donalda Orta, podjęli się poprawienia procesu, który na naszym globie pojawił się jakieś 2,6 mld lat temu, czyli fotosyntezy.

Fotosynteza nie jest procesem prostym. Ma wiele etapów. Aby wystąpiła, potrzeba specjalnego, skomplikowanego chemicznie barwnika – chlorofilu – oraz wielu białek enzymatycznych zatopionych w specjalnych błonach, a nawet organach wewnątrzkomórkowych, tzw. chloroplastach. Wszystko to jest tak skomplikowane, że dopiero stosunkowo niedawno udało się ten proces zrozumieć.

Jej zadaniem jest dostarczenie roślinie żywności. Każda komórka na ziemi zasadniczo odżywia się węglem. A konkretniej energią, która jest zgromadzona w wiązaniach chemicznych między atomami węgla. Pozyskanie tej energii w kontrolowany sposób nie jest proste, ale z tym komórki radzą sobie świetnie. Z chemicznego punktu widzenia dzieje się to w procesie utleniania, czyli spalania. Doskonale to znamy, np. z obserwacji płomienia ogniska. Oczywiście w komórce żywego ognia nie ma, ale co do zasady z punktu widzenia chemika dzieje się to samo. Jest jednak zasadnicza różnica między ogniskiem a komórką. Do ogniska szczapy drewna ktoś dorzuca. Tymczasem komórka roślinna (roślina) związki węgla, z których chce pozyskać energię, musi sobie zgromadzić sama. Jak? Przyswajając węgiel z atmosfery w postaci dwutlenku węgla (CO2). Właśnie asymilacji CO2 służy proces fotosyntezy. Wymaga on światła, a w jego wyniku powstaje zredukowany węgiel (najczęściej ostatecznie cukier – glukoza i jej pochodne, np. sacharoza buraka cukrowego czy skrobia ziemniaka). Powstaje też i uwalniany jest do atmosfery tlen. Nim oddychamy my, zamieniając go ponownie w CO2. I tak to się kręci.

Marnotrawstwo

Fotosynteza nie jest procesem wydajnym. I to z kilku powodów. Przyjrzyjmy się na przykład fotooddychaniu. Ta usterka w fotosyntezie polega na tym, że rośliny w świetle pobierają także tlen i wydzielają dwutlenek węgla, zamiast czynić odwrotnie. Co więcej, podczas fotooddychania powstają dwa związki toksyczne także dla roślin, kwas glikolowy i amoniak. Roślina musi się ich pozbywać, a to kosztuje energię. Naukowcy dokładnie policzyli, jakie byłyby zyski, gdyby tylko te usterki fotosyntezy naprawić. Gdyby fotosynteza miała większą wydajność, rośliny rosłyby szybciej i być może byłyby większe. Szacunki pokazują, że naprawienie fotosyntezy zbóż uprawianych na środkowym zachodzie USA mogłoby wykarmić dodatkowo 200 mln ludzi.

Na razie udało się poprawić fotosyntezę w eksperymentalnie uprawianym tytoniu. To roślina o poznanym dobrze genomie, do którego łatwo wprowadza się zmiany genetyczne. Przyszłość przed zbożami stoi obecnie otworem. Wiele roślin uprawianych na wielkich areałach, jak ryż czy soja, ma fotosyntezę charakteryzującą się ogromnym poziomem fotooddychania. Zatem marnotrawiącą mnóstwo odżywczego węgla. A im klimat cieplejszy, tym fotooddychania więcej. Uzyskano zatem 17 elementów genetycznych, które łączyły w sobie geny bakterii takich jak Escherichia coli i różnych roślin. Wbudowanie ich w genom tytoniu spowodowało różny stopień ograniczenia marnotrawstwa węgla i energii związanego z fotooddychaniem. Najwydajniejszy pozwolił podnieść produktywność tytoniu o 40 proc. Ten sukces opisano w prestiżowym magazynie „Science”.

Kolejna rewolucja?

Pierwsza zielona rewolucja wybuchła w latach 60. ubiegłego wieku. ONZ-owska Organizacja ds. Wyżywienia i Rolnictwa (FAO) ruszyła z programem wprowadzania do Trzeciego Świata nowych odmian roślin oraz agrotechniki zwiększającej produktywność rolnictwa. Także inżynieria genetyczna dostarczyła takim krajom jak Indie czy Pakistan roślin odporniejszych na szkodniki i choroby. Dziś, wyposażona w znacznie więcej informacji dzięki sekwencjonowaniu genomów oraz zaopatrzona w najnowsze i niedrogie technologie, owa inżynieria podejmuje kolejną zieloną rewolucję. Demografowie i klimatolodzy uważają to za rzecz niezbędną. Nie tylko dlatego, że liczba ludności rośnie, a tereny przeznaczone pod produkcję żywności już niebezpiecznie zagrażają np. lasom tropikalnym. Także dlatego, że w innych ośrodkach na świecie trwają prace nad tym, jak fotosyntezę zaprząc do produkcji energii elektrycznej. Zwiększenie wydajności tego procesu może nas przybliżyć do momentu, w którym prąd będą dla nas produkowały rośliny. •