31.10.2015

Из-за устаревшего фотосинтеза растения не успевают за изменениями в мире
Растения уже довольно сильно «устарели». Около миллиарда лет назад они получили способность к фотосинтезу, одним махом поработив бактерии, которые обладали способностью преобразовывать солнечный свет в химическую энергию. Затем растения продолжили покорять землю и озеленять планету, но они также стали жертвами собственного раннего успеха. У используемых ими цианобактерий было мало возможностей для развития, а это означает, что растениям придётся серьёзно потрудиться, чтобы справиться с изменениями атмосферы.

Однако свободно живущие родственники этих бактерий смогли развиваться без каких-либо ограничений. Их механизм фотосинтеза является более быстрым и эффективным, что позволяет им захватывать больше солнечной энергии.

Ученые давно мечтали о модернизации культурных растений при помощи улучшенного механизма фотосинтеза свободноживущих цианобактерий. И хотя до недавнего времени все подобные инициативы терпели неудачу, исследователям наконец-то удалось сделать огромный шаг вперед.

Объединённая группа учёных из Корнельского университета в Нью-Йорке и Ротамстедского исследовательского института в Великобритании успешно провела экспериментальную замену ключевого фермента в растениях табака на его более быструю версию, позаимствованную у цианобактерии. Успех данного проекта обещает огромные выгоды в области производительности сельского хозяйства – но, вероятно, станет спорным, поскольку люди постепенно начинают задумываться над последствиями.

Фермент, о котором идет речь, называется RuBisCo. Он катализирует реакцию, которая позволяет растению «вытягивать» двуокись углерода из воздуха, чтобы затем преобразовать её в сахара. Это самый важный фермент в мире – почти все живое полагается на него в качестве источника питания. Но он действует невероятно медленно, катализируя только около трех реакций в секунду. Типичный фермент справляется с десятками тысяч реакций. И это тоже можно считать расточительством. RuBisCo эволюционировал в период, когда атмосфера была насыщена CO2, и при этом почти лишена кислорода. Сейчас же в атмосфере много кислорода и относительно немного CO2, и RuBisCo достаточно часто ошибочно принимает кислород за CO2, что приводит к большой потери энергии.

Неэффективность этого фермента является основным фактором, ограничивающим количество солнечной энергии, которое способно усвоить растение. Один из вариантов данного фермента, присутствующий в большинстве растений, улучшил свою способность выявлять CO2, но лишь за счет скорости,  в результате чего она стала ещё медленнее. При этом, свободные цианобактерии нашли способ сосредотачивать CO2 вокруг RuBisCo, чтобы сохранить более быструю версию.

Отсюда и проистекает желание улучшить культурные растения, добавив в них механизм цианобактерий, который позволил бы повысить урожайность на 25 процентов. Более того, таким растениям требуется меньше воды, потому что им не придётся долго держать поры открытыми, что позволит им лучше удерживать влагу.

Именно в этом направлении и ведутся совместные разработки Корнелла и Ротамстеда. Они пока ещё не до конца достигли поставленной цели: требуется передать еще несколько частей системы цианобактерий, чтобы культурные растения в полной мере смогли воспользоваться всеми преимуществами. Но данная работа может считаться огромным шагом вперед.

Теперь появилась уверенность, что супер-культуры с «фотосинтезом с турбонаддувом» появятся в наших садах и на полях уже в течение нескольких десятилетий, если не раньше. Это сенсационная новость для мира, в котором спрос на продукты питания, биотопливо и растительные материалы, такие как хлопок, продолжает увеличиваться, и где постоянно растёт влияние глобального потепления на производство сельскохозяйственных культур. Ведь более продуктивные растения означают и более высокие урожаи.

Но существует и определённая опасность. Критики генетических модификаций уже давно утверждают, что ГМ-культуры распространяться в дикую природу, или, что их модифицированные гены «загрязнят» диких родственников, и это приведёт к катастрофическим последствиям. Пока что эти опасения кажутся преувеличенными. Конечно, в нашем мире существуют ужасные растения, которые распространились во многих странах, но это не ГМ-культуры – это инвазивные виды.

И это не удивительно, ведь большинство ГМ особенностей попросту бесполезны для дикорастущих растений. Например, устойчивость к гербицидам полезна только для тех растений, которые произрастают в районах, где используются гербициды, то есть на полях и на обочине дороги.

Однако, улучшение фотосинтеза это совсем другая история. Если биологам удастся повысить его на 25 и более процентов, модернизированные растения получат огромное преимущество перед своими немодифицированными родственниками. И это может стать серьёзной проблемой.

В нашем мире уже существует аналогичный прецедент. Около 30 миллионов лет назад некоторые растения эволюционным путём обзавелись способом концентрировать CO2, так же как и цианобактерии. Их называют С4-растения, и, хотя они составляют лишь 4 процента от всех видов растений, на их долю приходится 25 процентов всей растительной биомассы. Взгляните на травянистую саванну и почти все живое, что вы увидите – это будут С4-растений.

Если мы заполним наши поля супер-культурами и высадим в леса супер-деревья, то они неизбежно одичают и, как и С4-растения до этого, начнут доминировать в некоторых экосистемах – хотя на это и могут потребоваться тысячелетия. Многим такая перспектива кажется ужасной. Когда противники ГМ-культур начнут протестовать против введения культур с турбонаддувом, у них будет сильный аргумент: разумность выращивания супер-растений на открытых полях, безусловно, находится под вопросом.

Но и аргументы в пользу такого решения – повышение урожайности сельскохозяйственных культур, что позволит прокормить большее количество людей с меньшей территории, а также вытягивание большего количества СО2 из атмосферы – тоже очень сильны. Вдобавок, существует ещё один аспект. Дикие животные тоже должны питаться, и мы оставляем им не так уж много корма. А экосистема, основывающаяся на супер-растениях, в целом сможет поддержать больше жизни.

Если общество решит идти вперед, то мы почти наверняка придумаем выход. Мы могли бы просто не вмешиваться и позволить улучшенным зерновым, овощам и деревьям одичать, возможно, обрекая некоторые другие виды растений на вымирание. Или мы могли бы уравновесить ситуацию за счёт модернизации и многих дикорастущих растений.

Подобная идея может показаться шокирующей. Но реальность такова, что мы уже давно миновали ту точку, где мы могли сохранить Землю такой, какой она была до того, как человечество вышло на первый план.

Мы уже давно живём в Антропоцене. Области, которые мы считаем дикими и нетронутыми, не имеют ничего общего с тем, чем они были до того, как появились наши предки. Столь любимые нами яблоки и бананы это невероятные монстры-мутанты по сравнению со своими дикими сородичами.

Если мы собираемся изменить растения так, чтобы они могли давать нам больше пищи, почему бы не сделать это таким образом, чтобы это принесло пользу всей жизни на Земле, а не только нам, людям?

Источник

ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ

Please enter your comment!
Please enter your name here

8 + 4 =