دانشمندان موفق شده‌‌اند یک نقیصه‌‌ی طبیعی را در فرآیند فتوسنتز اصلاح کنند که نتیجه‌‌ی آن، افزایش ۴۰ درصدیبهره‌وری گیاهان بوده است.

همان‌‌طور که می‌‌دانید فتوسنتز یک واکنش شیمیایی است که به گیاهان اجازه می‌دهد نور خورشید و دی‌اکسید کربن را به غذا تبدیل کنند. دستاورد جدید دانشمندان در «هک کدهای ژنتیکی» می‌تواند کالری اضافی برای تغذیه‌‌ی ۲۰۰ میلیون نفر از مردم این سیاره را در ظرفیت فعلی تولید محصولات کشاورزی تأمین کند؛ این می‌‌تواند یک دستاورد حقیقی باشد.

اصلاح ‌‌یاد‌‌شده هم اکنون تنها درمورد گیاه تنباکو اعمال شده‌ است و ما هنوز راهی طولانی در پیش داریم تا بتوانیم از این روش تازه درجهت افزایش منابع غذایی بشر استفاده کنیم؛ اما جای تردیدی نیست که دستاورد فعلی، یک گام بسیار امیدبخش است.

اما این نقیصه‌‌ که نیاز به اصلاح داشت، چه بوده است؟ این نقص مربوط به مرحله‌‌ای از فتوسنتز گیاهان است که با نام تنفس نوری (photorespiration) شناخته می‌شود. دونالد اورت، پژوهشگر اصلی این مطالعه از مؤسسه‌‌ی ژنومیک بیولوژی دانشگاه ایلینویز می‌گوید:

ما می‌توانیم با احیای کالری از‌‌دست‌‌رفته در مرحله‌‌ی تنفس نوری تا ۲۰۰ میلیون نفر دیگر را در هر سال تغذیه کنیم. حتی احیای بخشی از این کالری نیز در جهان خواهد توانست گام بلندی درجهت پوشش نیازهای غذایی روبه‌‌رشد جهان در قرن بیست‌‌و‌‌یکم باشد.

برای درک بهتر اینکه اشکال کار طبیعت در کجاست، باید کمی درمورد فرآیند تصادفی فرگشت بیشتر بدانیم. همان‌‌گونه که دکتر ایان مالکوم در فیلم پارک ژوراسیک کلاسیک می‌‌گوید: «زندگی همواره راه خود را پیدا می‌کند»؛ اما نکته‌‌ای که او اشاره‌‌ای بدان نکرده، این است که گاهی اوقات این راه می‌‌تواند به یک آشفتگی شدید و ناکارآمد ختم شود.

اگر بخواهیم منصفانه با قضیه برخورد کنیم، باید بگوییم سیر فرگشت فقط همان کاری را که در شرایط فعلی واقعاً لازم است، انجام می‌‌دهد. درست مانند یک دانش‌آموز که در تمام طول سال تحصیلی در انتظار فرارسیدن تعطیلات تابستان است، تنها گذراندن امتحانات از دیدگاه او کفایت می‌کند. از دیدگاه فرگشت نیز هر تلاش مازادی تنها به‌‌منزله‌‌ی اتلاف انرژی خواهد بود.

در مورد فتوسنتز بسیاری از گیاهان، از جمله برنج و سویا تنها گذراندن زندگی کافی است؛ اما این وضعیت انتظارات ما انسان‌‌ها را برآورده نمی‌‌کند. یکی از بخش‌‌های ناکارآمد این فرآیند طبیعی در ارتباط با عملکرد آنزیمی به نام ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase-oxygenase (یا به‌اختصار RuBisCO) است که ازقضا فراوان‌‌ترین پروتئین موجود روی زمین نیز محسوب می‌‌شود.

حدود ۲۰ درصد از مواقع، آنزیم RuBisCO در واکنش‌‌های تولید مواد مغذی، مولکول اکسیژن را با مولکول دی‌اکسید کربن اشتباه می‌‌گیرد. این نقیصه نه‌‌تنها باعث از دست‌‌رفتن فرصتی برای تولید کالری بیشتر توسط گیاه می‌‌شود، بلکه نتیجه این واکنش اشتباه، تولید دو ترکیب سمی با نام‌‌های گلیکولات و آمونیاک است که باید به‌‌سرعت طی یک مکانیزم از ساختار گیاه دفع شوند.

خوشبختانه گیاهان راهی برای خلاصی از شر این سموم با نام تنفس نوری یافته‌اند؛ هرچند به نظر نمی‌‌رسد برای گیاهان اهمیتی داشته باشد میزان انرژی مصرف‌‌شده برای بازیافت این سموم و بازدهی این فرآیند چقدر است؛ برای این گونه آنچه اهمیت دارد این است که بتواند زنده بماند.

اما وقتی صحبت از استفاده از گیاهان به‌‌عنوان منابع غذایی می‌‌شود، موضوع بازدهی فرآیند برای ما اهمیت می‌‌یابد. پاول ساوث، نویسنده‌‌ی اصلی و زیست‌شناس مولکولی از بخش تحقیقات وزارت کشاورزی ایالات ‌متحده آمریکا می‌گوید:

این فرآیند [بازیافت سموم] مقادیر زیادی از انرژی و منابع گیاه را هدر می‌‌دهد، در حالی که می‌‌توان از این انرژی در فتوسنتز استفاده کرد تا میزان رشد و محصول بیشتری ایجاد کند.

برنج، گندم و سویا همگی از نیاز به این مکانیزم پاک‌سازی سموم رنج می‌برند. این محصولات در رده‌‌ی سه محصول از چهار محصول مهمی هستند که ما برای تأمین نیاز غذایی جمعیت جهان به آن‌‌ها نیاز داریم؛ بدتر از همه اینکه معضل گرمایش جهانی باعث شده است که تولید این محصولات در آینده با خطر افت بیشتری مواجه باشد. آماندا کاوانا، یکی دیگر از نویسندگان مقاله از دانشگاه ایلینویز می‌گوید:

با گرم‌‌شدن هوا، مشکل آنزیم RuBisCO در تشخیص دی‌اکسید کربن از اکسیژن بدتر هم می‌‌شود و این قضیه موجب تشدید نیاز به تنفس نوری [در گیاه] می‌‌شود.

در طول سال‌های متمادی، تلاش‌‌های فراوانی برای یافتن راهی برای رفع نیاز به فرآیند سم‌‌زدایی در گیاهان شده است. بسیاری از این تلاش‌‌ها شامل یافتن کارآمدترین روش‌های تنفس نوری مورداستفاده توسط ارگانیسم‌های دیگری نظیر جلبک‌ها و باکتری‌های مختلف بوده‌اند.

نمونه‌‌ای از آخرین این تلاش‌‌ها روشی با نام Realizing Increased Photosynthetic Efficiency (یا به‌اختصار RIPE) است که رویکرد آن انتخاب ژن‌ها از جاهای دیگر و تست آن‌ها در مورد گیاهان است.

یکی از روش‌‌های موردکاربرد استفاده از مکانیزم اکسیداسیون گلیکولات در باکتری ای.کولی (E.coli) بوده است. در نسخه‌‌ا‌‌ی دیگر از یک ژن کاتالاز استفاده شد که آن هم از باکتری ای.کولی برای اکسیداسیون گلیکولات و سنتز مالات استفاده می‌‌کرد. در نسخه‌‌ی سوم نیز از ژن سنتز مالات یک گیاه به‌‌همراه ژن جلبک سبز برای دی‌‌هیدروژناسیون گلیکولات استفاده شد.

همه‌‌ی این روش‌ها به‌‌همراه دیگر اصلاحات ژنتیکی به‌‌کار گرفته شدند تا بتوان به کارآمدترین روش را در بین ۱۷ ساختار مختلف دست یافت. روش سوم از جمله روش‌‌هایی بود که در نتایج نهایی عملکرد بهتری نسبت به بقیه از خود نشان داد؛ این روش توانست فعالیت متابولیک گیاه را نسبت به نمونه‌‌های کنترلی به‌میزان بیش از ۴۰ درصد افزایش دهد. این به‌‌معنای تولید محصول بیشتر ازسوی گیاه بود.

هنوز باید دید روش فعلی در افزایش بازدهی تولید سایر محصولات زراعی نیز مفید واقع خواهد شد یا خیر؛ این موردی است که دانشمندان هنوز در حال کار روی آن هستند.

به هر حال، به نظر می‌رسد شاید زندگی همواره نتواند راه خود به‌درستی را پیدا کند. چنانچه ما قصد داریم نیاز غذایی جمعیت روبه‌‌رشد خود را تأمین کنیم، باید با کمک علم بتوانیم این راه را پیدا کنیم.

این پژوهش در ژورنال علمی ساینس منتشر شده است.