15/10/2023
0Иллюстрация от Observer design.
Пожирающие углерод деревья и сельскохозяйственные культуры, генетически модифицированные для ускорения фотосинтеза и хранения углерода в корнях, могут поглощать миллионы тонн CO2 из атмосферы.
В теплице, окруженной асфальтом, позади бизнес-парка в Хейворде, штат Калифорния, на берегу залива Сан-Франциско. море из более чем 200 листовых зеленых гибридных саженцев тополя жаждущих вырваться из горшков, в которых они растут. Среди них царит Мэдди Холл, соучредитель и генеральный директор климатической биотехнологической компании Living Carbon (Живой Углерод). Все эти саженцы являются «материнскими деревьями», объясняет Холл, Они были генетически изменены (существует около 100 различных линий) с целью улучшить поглощение углекислого газа (CO2). Стартап-компания размножает черенки от материнских деревьев либо для изучения, либо для отправки в питомники для более масштабного производства.
Этой весной клоны четырех ведущих линий компании были посажены на частных землях в Джорджии и Огайо в качестве пилотных проектов по контролю за поглощением ими углерода посредством партнерства с заинтересованными землевладельцами. Бизнес-модель Living Carbon включает продажу кредитов на удаление выбросов углерода, при этом землевладельцам платят за использование их собственности. Около 170 000 саженцев различных сортов деревьев было посажено на площади около 120 гектаров (300 акров), около 5% из которых составляли генетически модифицированные тополя: компания начинает с малого, стараясь избегать монокультур. «Ничто из того, что мы делаем, не имеет значения, если все это остается в теплице», — говорит Холл.
Во всем мире реализуются проекты по генетической инженерии растений, а именно сельскохозяйственных культур, для улучшения таких качеств, как урожайность, устойчивость к болезням, засухе или жаре. Однако, генетические проекты, направленные на изменение растений таким образом, чтобы они лучше поглощали CO2 из атмосферы для непосредственной борьбы с климатическим кризисом, являются новейшими.
Компания Living Carbon, основанная в 2019 году и получившая на сегодняшний день 36 миллионов долларов венчурного финансирования, находится в авангарде внедрения технологии на деревьях. Несколько других организаций, в том числе два ведущих мировых научных учреждения в Калифорнии, решают, как достичь аналогичного результата, используя сельскохозяйственные культуры. Институт биологических исследований Солка в Сан-Диего и Институт инновационной геномики (IGI) в Беркли, получили крупные объемы благотворительного финансирования.
Возможное влияние этого подхода на глобальные выбросы CO2 трудно оценить количественно – это зависит от того, насколько существенными могут быть выгоды и насколько широко он будет применяться. Но его сторонники оптимистичны: если его расширить то, это может внести значительный вклад в депонирование углерода и выиграть для мира немного времени.
Пожирающие углерод
Именно за счет повышения эффективности фотосинтеза – процесса, в ходе которого растения используют свет, воду и CO2 для производства сахаров, которые питают рост растений (с кислородом в качестве побочного продукта), – деревья «Living Carbon» способны улавливать больше CO2, чем это делается естественным образом. Леса с их древесной биомассой и мощной корневой системой, которая существует многие десятилетия, являются важным долгосрочным поглотителем углерода. Если формирующие их деревья смогут фотосинтезировать еще лучше, то их значение станет еще более важным.
Однако, увеличить объем фотосинтеза, осуществляемого растением, непросто. Living Carbon решает эту проблему, устраняя неэффективность, присущую большинству растений, которые – вопреки общей схеме фотосинтеза – регулярно поглощают кислород и выделяют некоторое количество CO2 при дневном свете. «Living Carbonд» экспериментирует с этим процессом, чтобы направить этот теряемый CO2 на рост деревьев. «Мы извлекли много уроков из того, что, как было доказано, хорошо работает на сельскохозяйственных культурах, и нашей большой инновацией было то, что аналогичные свойства и процессы работали и на деревьях», — говорит Холл.
В научной статье, опубликованной в апреле этого года, компания сообщает, что в ходе четырехмесячных тепличных испытаний ее модифицированные тополя увеличили биомассу на 35-53% по сравнению с контрольными, что эквивалентно удалению из воздуха на 17-27% больше CO2. По словам Холла, сейчас в разработке находится несколько патентов, и, помимо пилотных посадок, в Университете Орегона проводятся небольшие полевые испытания с участием около 600 деревьев для подтверждения результатов.
Саженцы тополя с усиленным фотосинтезом из Living Carbon по сравнению с контрольными образцами. Фотография: Living Carbon.
Все посадки компания «Living Carbon» планирует производить на деградированных горнодобывающих или сельскохозяйственных землях, где в настоящее время не растут деревья. К концу весны 2024 года на пощади около 2400 гектаров (6000 акров) планируется посадить около 4 миллионов деревьев, причем примерно половина из них будет с генетически усиленным фотосинтезом. Если бы к 2030 году удалось увеличить эту площадь до 1,6 млн га (4 млн акров), то это означало бы, что, при условии, продолжительности жизни тополя в 40 лет и сохранении в природных условиях скорости поглощения углерода зафиксированной в тепличных испытаниях, деревья свяжут более 600 мегатонн углерода, что составляет около 1,6% текущих глобальных выбросов CO2. Учитывая, что только в США имеется 60 миллионов гектаров (148 миллионов акров) земли, доступной для лесовосстановления, потенциал этого подхода очень большой, говорит Холл. «Living Carbon» смог быстро продвинуться вперед с пилотными проектами, поскольку регулирующие органы США постановили, что деревья с усиленным фотосинтезом, не должны регулироваться как другие генетически модифицированные растения: так как нет риска того, что измененные гены сделают их более инвазивными.
Между тем, чтобы дать возможность сельскохозяйственным культурам лучше удалять CO2, требуется другой подход. Травянистые растения недолговечны, и их собирают сезонно; то, что осталось над и под землей, быстро разлагается, выбрасывая CO2 обратно в атмосферу. В этом случае основное внимание уделяется тому, чтобы сельскохозяйственные культуры могли сохранять под землей большие объемы углерода в течении более длительного времени. Желательно добиться одновременного улучшения как в улавливании, так и в хранении углерода.
Цель состоит в том, чтобы извлечь больше углерода из атмосферы, направить его в почву и сохранить там. Брэд Рингейзен, Институт инновационной геномики
Ученые-растениеводы из Солка работают над созданием сельскохозяйственных культур, которые они называют «идеальными растениями Солка», с 2017 года, хотя только в 2019 году проект получил широкое признание и поддержку. Работа, под рубрикой Инициативы по использованию растений (HPI), на сегодняшний день получила финансирование на сумму более 127 миллионов долларов от проекта TED Audacious Project, Фонда Земли Безоса и Hess Corporation, компании по разведке и добыче нефти и газа.
В настоящее время целевыми культурами являются соевые бобы, рис, пшеница, кукуруза, рапс/канола, сорго и CoverCress (сорт полевого кресс-салата). Тот факт, что перечисленные виды занимают огромные территории, уже означает, что существует возможность оказать большое влияние на связывание ими углерода, утверждают ученые-растениеводы Джоан Чори и Вольфганг Буш, директор-основатель и исполнительный директор HPI соответственно.
Основное внимание уделяется модификации сельскохозяйственных культур по трем основным направлениям, которые, как они надеются, приведут к серьезным изменениям. Это: более крупные корни (большая корневая масса означает большее связывание углерода); корни, которые проникают глубже в почву (в более глубоких слоях почвы микробная активность ниже, поэтому разложение занимает больше времени, кроме в этом случае больше вероятность того, что углерод создаст соединения с другими элементами и будет надолго заблокирован в почве); и корни, которые производят больше богатого углеродом полимера, называемого суберином. Суберин, производимый всеми наземными растениями и являющийся основным компонентом пробки, трудно разлагается микробами, поэтому может удерживать углерод в подземных слоях гораздо дольше. «Компания Salk Ideal Plants станет мировым чемпионом по улавливанию углерода», — говорит Буш.
Хотя ситуация будет меняться в зависимости от типа почвы, ученые стремятся создать культуры, которые смогут стабилизировать около 30% углерода, фиксируемого из воздуха в почве, который, по крайней мере частично, благодаря суберину и более глубоким корням будет храниться в почве десятилетия. Кроме того, они надеяться, что улучшенные ими сорта могут занять 70% той площади, на которой они произрастают в настоящее время.
CoverCress, новый сорт полевого кресс-салата, который может помочь заблокировать углерод и обеспечить переработку биомассы в биодизель и корм для животных. Фотография: CoverCress.com
К настоящему времени, исследователи обнаружила десятки генов в других растениях, которые, по их мнению, могут улучшить целевые признаки и теперь проводят небольшие эксперименты по проверке концепции на практике. К концу 2020-х или началу 2030-х годов они планируют отработать технологии создать отдельную компанию для коммерциализации распространения улучшенных растений.
Между тем, примерно в 500 милях к северу от Солка и недалеко от теплицы Living Carbon находится компания IGI. Здесь тоже реализуется похожий проект, запущенный в прошлом году и финансирующийся за счет 11 миллионов долларов США от Инициативы Чана Цукерберга. Его цель состоит в том, чтобы «извлечь больше углерода из атмосферы, направить его в почву и попытаться сохранить там», — говорит Брэд Рингейзен, исполнительный директор IGI. Проект не начинается с нуля, а объединяет продолжающиеся работы нескольких исследователей из институтов-партнеров IGI.
На сцену также выходят, основанный в 2021 году, британский стартап Wild Bio, дочернее предприятие Оксфордского центра инноваций в области растениеводства Оксфордского университета. Компания надеется генетически изменить сельскохозяйственные культуры, чтобы производить больше продуктов питания и оставлять больше углерода в почве, черпая вдохновение у растений в дикой природе. Принятый в марте этого года, закон, который исключает культуры, в которых отредактированы только гены, из системы регулирования генетически модифицированных организмов в Англии (США сделали аналогичный шаг в 2021 году), поможет компании, говорит Росс Хендрон, ее соучредитель и генеральный директор. Новый закон допускает генетические изменения в сельскохозяйственных культурах, которые могли быть получены естественным путем или путем традиционного скрещивания, при этом остаются в силе более строгие правила для внедрения генетического материала, полученного иным путем, в частности с использованием нескольких видов.
На практики недоказано
Коммерческое продвижение новых подходов сталкивается с препятствиями, первым из которых является демонстрация их эффективности в реальном мире. Хотя «Living Carbon» планирует расширить посевные площади, еще неизвестно, будет ли выигрыш в связывании углерода, наблюдаемый в тепличных испытаниях, распространяться на внешние условия, где такие факторы, как температура, доступная вода и питательные вещества, не контролируются, говорят эксперты. Изменчивость окружающей среды может иметь «огромное значение» и определять как все растет, говорит Кристин Рейнс, профессор биологии растений в Университете Эссекса. Кроме того, добавляет она, потребуется время, чтобы увидеть это, потому что условия могут заметно меняться от года к году.
Есть и другие факторы. Было обнаружено, например, что деревья, растущие сейчас в более теплых условиях из-за изменения климата, растут быстрее, поэтому они в любом случае поглощают больше CO2. Однако, побочным фактором, нивелирующим этот положительный эффект, часто является их более быстрая гибель.
Между тем, при масштабной проверке проекта Солка в котором суберин рекламируется из-за его способности долгосрочно хранить углерод в почве, результаты могут оказаться не такими, как ожидалось. Возможная проблема, отмеченная Рейнсом и другими, заключается в том, что, блокирование углерода может уменьшить урожайность культур, что в свою очередь замедлит рост корней. Ученые из Солка признают, что над суберином еще предстоит поработать. Сейчас они изучают, как можно повысить эффективность фотосинтеза и противостоять потенциальной проблеме с урожайностью.
Многие вообще сомневаются в перспективности подобных подходов, на разработку которых могут уйти десятилетия. . Нет никаких доказательств того, что они сработают в больших масштабах. Кроме того, никто не знает долгосрочных последствий изменения генов деревьев и растений с помощью технологий. По мнению многих, лучше сосредоточиться на том, что уже доказало свою эффективность в сокращении выбросов – например, на значительном увеличении количества деревьев и использовании малоинтенсивного земледелия, которое уменьшает нарушение почвы и, таким образом, способствует естественному хранению в ней углерода. «Как и многие новые технологические подходы к борьбе с выбросами CO2… [развитие генетически модифицированных растений] представляет собой серьезное отвлечение», — говорит Бен Раскин, руководитель отдела садоводства и агролесомелиорации Почвенной ассоциации.
Тем не менее, сторонники сверхмощных растений, теоретически способных напрямую противостоять климатическому кризису, считают, что пока мир не сокращает выбросы необходимыми темпами нельзя отвергать любые перспективные подходы. Холл добавляет, что было бы обидно, если бы в чрезвычайной климатической ситуации, перспективная технология не получила дальнейшего развития из-за опасений по поводу генетической модификации, не обоснованной наукой.
