Otoczeni na co dzień wszędobylskimi udogodnieniami technologicznymi i korzystając z rozwiązań, które jeszcze kilka lat temu wydawały się odległą przyszłością, łatwo się zapomnieć. Dzieje się tak np. w kwestii przyrody, gdyż łatwo wymazaliśmy z pamięci, jak istotną rolę odgrywa ona w naszym życiu. To nie tylko ładne drzewko na miejskim klombie czy park, do którego idziemy na niedzielny spacer szukając wytchnienia. Rośliny nie pełną bowiem jedynie funkcji estetycznych, ozdabiając parapety naszych mieszkań. Prawda jest taka, iż bez flory nie ma niczego i nie jest to stwierdzenie na wyrost.
Ludzkość istnieje i funkcjonuje m.in. właśnie dlatego, że na Ziemi są rośliny. Aby to zrozumieć nie trzeba nawet wnikać w liczne, skomplikowane procesy biochemiczne, wyjaśniające np. lecznicze działanie poszczególnych, naturalnych substancji roślinnych. Oczywiście dziś prym wiedzie farmakologia, jednak zdecydowana większość leków została opracowana na bazie badań nad substancjami naturalnie występującymi w przyrodzie i ich wpływowi na ludzki organizm. Jak już jednak wspomniano, choć jest to niezwykle istotne, szczegóły nie są konieczne do podkreślenia istotności roślin.
Wystarczą, a właściwie powinny w zupełności wystarczać, dwa terminy – powietrze i jedzenie. Łatwo na co dzień zapominamy, że jedzenie nie bierze się ze sklepu, jak wydaje się dzisiejszym dzieciom, a powietrze nie istnieje „tak po prostu, znikąd”. To właśnie roślinom zawdzięczamy te dwa aspekty, bez których życie żadnego człowieka – dosłownie – nie jest. Produkcja tlenu w procesie fotosyntezy sprawia, że mamy czym oddychać, a dzięki różnym gatunkom roślin my oraz inne istoty mamy pożywienie.
Jest źle, ale nie beznadziejnie
Niestety, w procesie rozwoju cywilizacji nasze poczynania bezpośrednio wpływały na degradacje oraz niszczenie zasobów, które pozwalają nam żyć. Wycinka drzew w celach budowlanych, zanieczyszczenie wód, powietrza i gleby w wyniku procesów przemysłowych. Ludzkość doprowadziła swymi poczynaniami do zmniejszenia powłoki ozonowej oraz zmian klimatu, które w efekcie nie tylko powodują w efekcie zwiększenie ilości wód na planecie, ale i wpłynęły na naturalne funkcjonowanie roślin. Jak łatwo się przy tym domyślić, nie mówimy tu o pozytywnym wpływie. Jednakże, w tym przypadku technologia ma dwie strony, a to, co w procesie rozwoju ludzie zniszczyli, dzisiejsze możliwości mogą pomóc naprawić.
Już teraz prowadzone są szerokiego zakresu działania, mające wspomóc środowisko naturalne, a w społeczeństwach na całym świecie rośnie świadomość istnienia ekologicznych problemów. Z zaangażowanych w poprawę stanu naszej planety sektorów można wyróżnić dwa, bezpośrednio związane ze sobą sektory. Pierwszy koncentruje się na wszelkiego rodzaju badaniach, pomagających zrozumieć procesy zachodzące w przyrodzie oraz ustalić, w jaki sposób możemy na nie wpływać. Drugi natomiast, to działania praktyczne, wykorzystujące pozyskane w wyniku badań informacje w bezpośrednich zabiegach. Należą do nich m.in. zalesianie, degradacja toksyn znajdujących się w środowisku czy bieżąca produkcja bardziej ekologicznych produktów.
Zrozumieć rośliny i wspomóc ich ewolucje
Choć wszystko powyższe brzmi dość nowocześnie, to warto zaznaczyć, że mariaż nauk związanych ze środowiskiem naturalnym oraz technologii nie jest niczym nowym. Weźmy na przykład biotechnologię. Po raz pierwszy określenie to zostało użyte już około 100 lat temu, a procesy wchodzące w skład tej dziedziny były wykorzystywane już w czasach starożytnych. Biotechnologia to bowiem interdyscyplinarna dziedzina, pozwalająca wykorzystywać procesy biologiczne na skalę przemysłową. To natomiast obejmuje obszar od np. wykorzystania fermentacji cukrów i drożdży do produkcji alkoholu, aż po tworzenie sztucznych tkanek do przeszczepów. W zakres zainteresowań tej nauki wchodzi niemal wszystko, od produkcji żywności, oczyszczania środowiska i tworzenia nowych materiałów, poprzez budownictwo i sektory energetyczne, aż po genetyczna modyfikację organizmów. [1]
O ile dotychczasowe wysiłki i odkrycia dają nadzieję na lepszą przyszłość planety, a tym samym ludzkości, to naukowcy z całego świata zdają sobie sprawę, że to wciąż zbyt mało. Tak więc, aby możliwa była dalsza pomoc środowisku, musimy nadal te zagadnienia zgłębiać i niezbędna w tym celu jest nowoczesna technologia. Dlaczego? Ponieważ, jak wszystkie dziedziny nauki, również te, związane z przyrodą wciąż kryją przed nami wiele tajemnic. W przypadku roślin, problemem jest to, że zmiany klimatyczne (spowodowane w znacznej mierze przez ludzi) wpłynęły na ich zdolności ewolucyjne, znacznie je upośledzając. Z tego powodu flora nie jest w stanie odpowiednio reagować na zmiany środowiskowe, co powoduje m.in. problemy z uprawą żywności, ponieważ rośliny są słabsze i mniej odporne na szkodliwe czynniki. Dzisiejsze możliwości pozwoliły natomiast rozszerzyć badania nad środowiskiem, w tym te, prowadzone w ramach biotechnologii, o kolejny obszar – a mianowicie biologię cyfrową. Wielu badaczy uważa, że to właśnie klucz do zgłębienia nie tylko procesów zachodzących w roślinach, ale wręcz do komunikacji z nimi. [2] Jak to możliwe?
Biologia cyfrowa, czyli „powrót do korzeni” i komunikacja z roślinami
Obecnie jesteśmy świadkami digitalizacji cyfrowej „wszystkiego, co się da” i gromadzenia zebranych informacji w bazach danych. Co więcej, możliwości te zostaną wkrótce rozszerzone m.in. dzięki wprowadzeniu sieci 5G, która pozwoli na tworzenie i popularyzację ogromnych baz danych, w postaci tzw. Big Data. Niemniej, proces digitalizacji dotknął także świat roślinny, a wszystko za sprawą biologii cyfrowej, umożliwiającej tzw. dwukierunkową komunikację z roślinami. Nad rozwiązaniami w tym obrębie pracują naukowcy z całego świata, m.in. w ramach Centrum Badań nad Programowalnymi Systemami Roślin (CROPPS). Jest to wieloinstytucjonalne i interdyscyplinarne centrum, zrzeszające badaczy z najlepszych uczelni oraz instytucji naukowych.
Wspólnie opracowują oni technologie łączące Internet, chmurę oraz systemy czujników połączonych z roślinami, w celu zdalnego wyczuwania biologii rośliny i jej bezpośredniego ekosystemu. W ten sposób badacze starają się stworzyć Internet Rzeczy Żywych, co przełożyć się ma na dokładniejsze zbadanie nie tylko samych roślin, ale także ich zachowań w odpowiedzi na stresory, zmiany otoczenia oraz modyfikacje środków odżywczych. „Nowe zrozumienie tego, jak roślina reaguje na swoje środowisko, pomoże nam hodować rośliny, które mogą lepiej reagować na nowe i wysoce zmienne środowiska, w których nie ewoluowały” – wyjaśnia dyrektorka CROPPS Susan R. McCouch.
Pierwszym krokiem na drodze do komunikacji z roślinami jest opracowanie odpowiednich narzędzi ich kontroli i pomiarów. Biorąc pod uwagę rozmiary badanych obiektów i szczegółowość niezbędnych pomiarów, głównym kryterium będzie ich wielkość. Na szczęście, w dobie miniaturyzacji i rozwijanej w jej obrębie nanotechnologii, tworzenie urządzeń w nanoskali jest obecnie łatwiejsze, niż kiedykolwiek wcześniej. W ich skład wchodzą zarówno miniaturowe czujniki, jak i światłowody, pozwalające np. prowadzić pomiary wody tuż pod powierzchnią liścia. [3]
Ostatecznym celem naukowców pracujących w Centrum Badań nad Programowalnymi Systemami Roślin jest dążenie do całkowitej interaktywności roślin za sprawą zastosowanych urządzeń, co pozwoli na wyczuwanie ich biologii i bezpośredniego ekosystemu. „Sercem tego projektu są rośliny obdarzone nowymi sposobami wyrażania procesów biologicznych – w tym ukrytych procesów zachodzących w tkankach lub pod ziemią – poprzez czytelny sygnał, który możemy opracować poprzez technologie do przechwytywania” – powiedział dyrektor CROPPS Abraham Duncan Stroock. [4]
Przykładem takich działań są badania, które już teraz są prowadzone. Prowadzącą jeden z takowych projektów jest dr Margaret Frank, badająca za pomocą narzędzi cyfrowych, w jaki sposób rośliny pomidora wychwytują i przenoszą sygnały z korzeni do liści, wywołując reakcję biologiczną. Oznacza to, iż korzenie rośliny „sprawdzają” podłoże i dostarczane z niego wartości odżywcze, a w razie potrzeby wysyłają informacje do liści, aby np. zwiększyć magazynowanie wody. Co więcej, badaczka opracowała metodę, dzięki której procesy te mogą być wyświetlane dzięki fluorescencji, co sprzyja ich dokładniejszemu badaniu. [5]
Działania są, a efekty?
Dane zebrane w wyniku wyżej opisanych zabiegów pozwolą nie tylko na opracowanie skuteczniejszych metod hodowli, ale nawet na modyfikacje na poziomie genetycznym. W efekcie możliwe będzie zniwelowanie problemów ewolucyjnych roślin, wystepujących w skutek zmian klimatu. Jak podkreśliła Susan R. McCouch – „Musimy przyspieszyć naturalny proces ewolucji, ponieważ zmiany klimatyczne zakłóciły zdolność roślin do czytania środowiska”. Dzięki nowej technologii zyskają jednak nie tylko naukowcy czy sama przyroda, ponieważ dzięki tym rozwiązaniom hodowcy i rolnicy otrzymają wiedzę oraz narzędzia, pozwalające na optymalizację zbiorów zarówno pod względem ich ilości, jak i jakości. [6] Stanie się tak m.in. za sprawą specjalnej platformy, która jest właśnie opracowywana przez Uniwersytet Cornell.
Przy wsparciu Fundacji na rzecz Badań nad Żywnością i Rolnictwem zespół naukowców z Cornell opracowuje bowiem wielkoskalową, opłacalną platformę, która może modelować wzrost i rozwój roślin w zależności od genotypu. W uproszczeniu, dane zebrane w efekcie „komunikacji” i obserwacji roślin zostaną przesłane do platformy cyfrowej, a następnie przez nią przeanalizowane. Wyniki tych zabiegów umożliwią określenie m.in. warunków środowiskowych, genetycznych predyspozycji i czynników zewnętrznych, wpływających pozytywnie na uprawy, a także odpowiednią selekcję poszczególnych gatunków roślin. Wyklarowanie negatywnych bodźców pozwoli natomiast na ich eliminację, a tym samym na lepszą ochronę roślin. [7]
Wymiernym wynikiem wszystkich wysiłków naukowców będzie więc optymalizacja plonów. W praktyce pozwoli to na zmniejszenie niedoborów żywności i będzie niezwykle opłacalne finansowo. Już teraz szacuje się bowiem, że mariaż cyfryzacji i biologii roślin przyniesie ogromne korzyści finansowe na wielu poziomach – od oszczędności w procesie produkcyjnym i niwelacji strat w jego trakcie, aż po nowe źródła dochodów. [8] Biologia cyfrowa przyda się nam wszystkim, ale pod względem dochodów ucieszy szczególnie rolników.
Jak więc widać, środowisko naturalne oraz nowoczesna technologia nie musza stać w opozycji. Mogą natomiast współdziałać w imię wyższego dobra i sprawić, że świat będzie lepszy. W centrum tych zmian stoimy natomiast my, ludzie, czerpiąc najwięcej z benefitów wspierania przyrody – takich jak produkcja żywności i czystego powietrza.
Źródła:
[1] https://biotechnologia.pl/
[2],[7] https://research.cornell.edu/research/accelerated-breeding-climate-resilient-crops
[4],[6] https://research.cornell.edu/news-features/digital-dialogue-plants