La horticultura eléctrica está en el horizonte, ya que los agricultores buscan formas de aumentar la productividad sin dañar el medio ambiente. ¿Podríamos todos disfrutar pronto de verduras electrificadas?
os cubos naranjas translúcidos se mueven tentadoramente bajo las luces de crecimiento, luciendo como un dulce exótico, en algún lugar entre ositos de goma y delicias turcas. Si no fuera por las hojas verdes vibrantes que sobresalen de los pequeños túneles de aire que las perforan, podría tener la tentación de meterme una en la boca cuando Maddalena Salvalaio no está mirando. Ella parece leer mi mente. «A menudo tenemos que recordarles a los visitantes que no se los coman», dice.
Los cubos están hechos de hidrogel, un material con una estructura de red que contiene líquido. Se encuentra más típicamente en dispositivos médicos y pañales. Pero aquí, en el Laboratorio de Morfogénesis de Plantas del Imperial College de Londres, Salvalaio, un técnico de investigación, y Giovanni Sena , un investigador principal, los están utilizando para cambiar el futuro de la agricultura vertical. El ingrediente secreto de este nuevo y audaz enfoque son los electrodos que flanquean cada lado de cada cubo.
El experimento de Salvalaio y Sena es uno de una creciente constelación mundial de proyectos que tienen como objetivo impulsar la agricultura utilizando una variedad de intervenciones eléctricas. La última década o dos han visto una proliferación de formas de estimular eléctricamente semillas, cultivos y campos: aumentar el rendimiento bajo la influencia de un campo eléctrico; semillas impactantes para acelerar la germinación; incluso zapping el agua con la que se rocían. En los EE. UU., la Fundación Nacional de Ciencias (NSF, por sus siglas en inglés) ha donado millones de dólares para investigar los usos agrícolas del plasma frío, esencialmente rayos controlados emitidos a temperatura ambiente.
En China, el gobierno está respaldando proyectos agrícolas que utilizan plataformas gigantes para atraer electricidad al suelo y aumentar el rendimiento de los cultivos . En Canadá, un productor comercial ha estado experimentando con plasma frío para fertilizar sus lechugas . Ahora, las nuevas empresas están entrando en escena, como Vivent, una empresa suiza cuyo «EEG» puede espiar la vida eléctrica interna de las plantas y está siendo agresivamente cortejada por la industria agrícola. Incluso la comunidad influyente de jardinería orgánica está olfateando la tendencia.
La proliferación de nuevos proyectos resultaría muy familiar para los practicantes de una extraña obsesión del siglo XIX: la electrocultura, en la que se aplicaba generosamente electricidad a las plantas para que produjeran mejores flores, hojas y frutos, o incluso para librarlas de plagas, con decisiones decididamente mixtas. resultados. ( Lea más de BBC Future sobre los excéntricos pioneros de la electricidad vegetal ).
La nueva generación de investigadores evita la palabra «electrocultura» y prefiere términos como «agricultura inteligente» o «cuarta revolución agrícola». Pero el mecanismo subyacente sigue siendo el mismo, y los defensores están unidos en la convicción de que, después de siglos en el desierto, la electricidad para las plantas finalmente está lista para dar sus frutos. La esperanza es que estos sistemas futuristas puedan usarse para combatir la crisis alimentaria mundial, reduciendo las consecuencias ambientales de la agricultura a gran escala.
Rendimiento electrizante
Para aumentar el rendimiento, algunos de los científicos están volviendo a los inventos inspirados en el «electro-vegetómetro», inventado por un físico francés en la década de 1780, una especie de pararrayos que proporcionaba electricidad atmosférica a los cultivos, a menudo con consecuencias menos que deseables. . Se puede encontrar una versión más avanzada en Beijing, donde los investigadores han instalado una plataforma que se asemeja al dispositivo original para infundir electricidad a sus plantas. A diferencia de sus predecesores, reportaron excelentes resultados, especialmente en judías verdes en 2022.
En los EE. UU., varias instituciones están tratando de resucitar un enfoque diferente: la iluminación artificial. Durante mucho tiempo se había entendido que los rayos vigorizaban las plantas e incluso los hongos. Sin embargo, cuando los viejos electroculturistas intentaron por primera vez aprovechar los beneficios de los rayos hace siglos, los dudosos resultados anecdóticos fueron todo lo que el enfoque tenía para recomendarlo . La versión artificial tenía tantas probabilidades de dañar la planta como de animarla.
Pero en el siglo XX, se hizo posible lanzar rayos con mayor precisión. En la naturaleza, los rayos generan plasma: materia sobrecalentada, generalmente varios millones de grados, que se ha convertido en una especie de gas ionizado. Las herramientas de última generación de la era de los microchips han hecho posible manejar el material a temperatura ambiente. Conocido como plasma frío, este enfoque de la agricultura es «un área extremadamente activa en este momento», dice José López, profesor de la Universidad de Seton Hall, quien recientemente completó su mandato como director del programa de física del plasma en la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. Él y Alexander Volkov, un bioquímico de la Universidad de Oakwood en Alabama, se encuentran entre los que han adoptado la creciente tendencia agrícola de zapping semillas jóvenes con plasma frío en muchas formas.
En sus experimentos, Volkov vio aumentos en la cosecha del 20 al 75% , dependiendo de la planta . El tratamiento de semillas en plasma durante menos de un minuto condujo a un aumento del 40 % en las cosechas de patatas. «Una granja de coles nos permitió experimentar para obtener estadísticas», dice Volkov. «Aumentamos la producción de repollo en un 75%. También sabía mejor». El sabor, dijo, era más dulce.
Volkov no estaba solo. Un puñado de estudios de eliminación de semillas han informado una variedad de beneficios, desde ayudar a las plantas a crecer más rápido y más grandes hasta resistir las plagas.
«El plasma actúa despertando la semilla, según nuestro conocimiento», explica López. Cuando las semillas germinan por primera vez, es cuando la nueva planta es más vulnerable a una amplia gama de factores ambientales estresantes. Como consecuencia, la semilla se niega a abrirse hasta que esté feliz con su entorno. Acelerar este proceso ha sido una práctica estándar en la agricultura durante mucho tiempo, aunque generalmente se ha logrado a través de medios químicos como los ácidos. El plasma parece hacer lo mismo, pero con mucha más eficacia . «Perfora la pared de la semilla, y cuando plantas esa semilla, es más capaz de absorber agua y tierra», dice López. «Después de tratarlas por solo unos segundos, esa planta crece más rápido que las semillas no tratadas».
El plasma incluso parece vigorizar las plantas ya cultivadas, dice López, cuyo propio grupo en NSF usó una herramienta de precisión llamada lápiz de plasma para tratar las plantas de albahaca dulce. El plasma estimuló un crecimiento más robusto y saludable, otorgando un aumento del 20 % no solo en la altura sino también en la masa general de la planta .
«Los resultados son notables», dice López, aunque está el pequeño detalle de cómo todavía no estamos del todo seguros de cómo funciona esto , especialmente cuando se trata de la interacción de la electricidad con plantas enteras. Volkov está a la caza de los mecanismos moleculares responsables de los impulsos de semillas. La NSF, en 2017, otorgó a un grupo de varias universidades, que incluía a Volkov, una subvención de $20 millones (£15,7 millones) para resolverlo. En 2022, agregó otros $ 20 millones.
Dudas que se arrastran
Esta incertidumbre explica de alguna manera por qué la electricidad en la agricultura todavía tiene su parte de escépticos. Los escépticos objetan que, 200 años después de que los primeros victorianos eliminaran sus plantas perennes con un éxito no científico, aún no se sabe bien cómo interactúa exactamente la electricidad con la biología de las plantas. Este mismo vaivén ha surgido cada vez que la electrocultura ha vuelto a ponerse de moda desde el siglo XVIII, llevándola de vuelta a una oscuridad inútil.
«Hemos sabido durante décadas y décadas que los campos eléctricos mejoran el crecimiento de las plantas», dice Sena. El problema es que estos datos nunca se han reproducido en su totalidad; Los experimentos se realizaron en condiciones variables. Y después de 200 años de que les dijeran «eliminamos las cosas y crecieron más», dice Sena, se puede perdonar a la gente por un poco de impaciencia. «¡Claro que crecieron más! ¿Pero entiendes por qué?» él dice.
Pero para convertir esta intervención en un método tecnológicamente sólido, es útil comprender la ciencia fundamental.
Desentrañar el mecanismo molecular de la respuesta de una planta a un campo eléctrico es el quid del trabajo que emprende el grupo de Sena en Imperial. Entre otros, han comenzado a concentrarse en un aspecto subestimado de esta respuesta: las propias señales eléctricas generadas internamente por la planta. Las plantas envían una miríada de estos en cada etapa de crecimiento y en cada parte de su anatomía. En una revisión reciente, Eleonora Moratto, estudiante de doctorado en el laboratorio de Sena, detalló la amplia variedad dea ellos. Las plántulas muestran un pico en la corriente eléctrica antes de que emerjan las raíces. Las plantas adultas envían señales eléctricas tanto en respuesta a la depredación como para identificarse ante sus amigos. La forma distintiva del campo eléctrico de una flor puede identificarla ante los polinizadores favoritos, pero como también descubrió Moratto, las características bioeléctricas de sus raíces también podrían convertirlas en objetivos tentadores para los microbios dañinos .
Han proliferado las herramientas capaces de escuchar y descifrar esta cacofonía de señales. Aun así, en una revisión de 2021 del estado del arte en dispositivos implantables bioelectrónicos para plantas , Eleni Stavrinidou y sus coautores de la Universidad de Linköping, Suecia, señalaron que estos siguen estando infrautilizados, a pesar de que serían extremadamente útiles en seguimiento y modulación de la biología de los cultivos. Este año, el Foro Económico Mundial nombró a los wearables de plantas como una de las 10 tecnologías principales de 2023 por su potencial para mejorar la agricultura. Esto es precisamente para lo que algunos cultivadores comerciales y nuevas empresas están tratando de usarlos.
Wearables para plantas
Pocos lugares se toman los cultivos más en serio que los Países Bajos . Sus invernaderos pueden parecerse más a plantas de fabricación de microchips que a centros de jardinería. Eso es ciertamente cierto en Tomatoworld, un invernadero de investigación de alta tecnología de 8.000 metros cuadrados (86.000 pies cuadrados) en Honselersdijk, Holanda, donde los jardineros visten batas de laboratorio. «Si pudieras ver cómo producimos tomates ahora…» dice Ab van Marrjewik, quien se gana la vida como productor de tomates desde hace 47 años. Esa puede ser una tarea difícil a escala: los tomates requieren temperaturas particulares, y para crecer a su máximo potencial necesitan evitar el estrés.
Tomatoworld está probando una tecnología de punta, una especie de «EEG» para tomates. La tecnología, llamada PhytlSigns, fabricada por Vivent, una empresa de tecnología de plantas con sede en Suiza, utiliza el equivalente vegetal de un electrodo cerebral implantado para escuchar las señales en el tallo. Junto con los algoritmos de aprendizaje profundo entrenados en la literatura de señalización eléctrica de la planta, este sistema forma la base de una especie de traductor de planta a inglés. El objetivo de esto es brindarles a los operadores de invernaderos acceso a los propios sistemas de alerta temprana de la planta que indican sed o infección de plagas, antes de que sean lo suficientemente graves como para requerir una intervención disruptiva importante. Tomatoworld colocó el primero de sus sensores experimentales en 2021 y al año siguiente dice que comenzó a ver resultados.
La interfaz PhytlSigns, que se parece un poco a un monitor cardíaco, codifica la actividad eléctrica ondulada de una planta en tres bandas fácilmente comprensibles: verde significa que la planta de tomate está teniendo un día normal: experimenta temperaturas agradables, absorbe suficiente agua y toma cantidades normales de CO2. El amarillo indica algún tipo de estrés. Si ve naranja, todos deben dejar de hacer lo que están haciendo y averiguar qué salió mal.
Esta piedra de Rosetta, espera van Marrewijk, ayudará a los productores como él a comprender cómo se sienten sus tomates pequeños con respecto a las intervenciones tecnológicas que están destinadas a poblar el futuro agrícola.
Al menos para van Marrewijk, el tomate EEG parece estar funcionando. Un sábado por la mañana a las 5:30 am, la temperatura en el invernadero bajó a 12C (56F), desde la constante prescrita de 15-16C (59-43F). Una revisión posterior de las lecturas de PhytlSigns mostró que a medida que la temperatura del invernadero caía por debajo de la zona de confort de las plantas, la amplitud y frecuencia de sus señales eléctricas registraban un aumento constante de un verde feliz a un amarillo alarmado.
Los primeros sensores eran una forma tosca de espiar las señales de la planta, dice Nigel Wallbridge, científico jefe de Vivent. «Es un poco como escuchar a una multitud de fútbol en lugar de una conversación individual», dice. Sin embargo, dos años más tarde, mientras los sensores permanecen en sus puestos de escucha en Tomatoworld, las versiones mejoradas han proliferado más allá de los tomates y en el mundo más allá del invernadero. «Estamos haciendo mucho más al aire libre ahora», dice Wallbridge. «Remolacha azucarera, papas, incluso estamos escuchando las señales en las semillas». Una variedad de nuevos socios han incorporado los sensores de PhytlSigns a sus propias pruebas de campo en Italia, Alemania, Francia, el Reino Unido, los Países Bajos y Suecia. El gigante agrícola Bayer está entre ellos .
Una de las nuevas señales más bienvenidas es la respuesta de una planta al moho , que puede ser devastador. «Una vez que puedes verlo, tu cultivo ya no está», dice Wallbridge. Después de que aterriza una espora en el aire, solo toma unos días progresar a una enfermedad incurable, momento en el que debe arrasar todo el cultivo. «Solo se puede prevenir, nunca curar». Las medidas preventivas incluyen rociar todas las semanas con un químico tóxico, ya sea que haya evidencia de infestación o no. Ser capaz de aprovechar las propias señales de defensa de la planta en lugar de confiar en la evidencia visible es un cambio de juego, dice Wallbridge. «Eso abre el camino para tratamientos que no impliquen fumigaciones preventivas constantes».
Vivent también comparte sus datos con universidades, lo que brinda aún más información. Cuando Kavya Sai y sus colegas del Instituto Nacional de Tecnología de Jalandhar, en Punjab, profundizaron en las señales obtenidas por PhytlSigns, pudieron detectar y clasificar las deficiencias de nutrientes específicos con gran precisión. “Las plantas dejan testimonios de su estado físico subyacente en sus datos electrofisiológicos”, escribieron los autores, revelando información tan específica como las deficiencias de hierro y manganeso.
Wallbridge cree que esta es la razón por la cual la tecnología portátil para plantas desempeñará un papel tan crucial en la próxima revolución eléctrica en la agricultura. “Tenemos drones, satélites y sensores de suelo, pero ninguno de ellos te da acceso al estado interno de la planta”, dice. Escucharlos a escondidas es poderoso porque hace posible usar menos de todo. Centrarse en las deficiencias de nutrientes específicos le permite usar menos fertilizantes, lo que significa que se filtrarán menos nitratos a las aguas subterráneas. «Puede comenzar a usar las cantidades correctas si sabe exactamente lo que las plantas realmente necesitan y cuándo lo necesitan», dice, ya sea agua, control de plagas, alimentos, incluso tierra.
El cielo es el limite
Sin embargo, a diferencia de otras necesidades, no puede simplemente hacer más tierra. Durante mucho tiempo, la mejor respuesta a este problema ha sido la promesa de la agricultura vertical, que permitiría que los cultivos crecieran en cualquier superficie.
Solo hay un problema, dice Sena. Lo que llamamos agricultura vertical es un nombre poco apropiado. No estamos cultivando plantas verticalmente; estamos apilando verticalmente cajas estrechas de crecimiento horizontal una encima de la otra.
Eso es porque las raíces no son verticales. Las raíces obedecen la ley de la gravedad. Buscan agua y buscan «abajo». Por eso, dicho sea de paso, es muy difícil cultivar plantas con muchas raíces en el espacio. Sin gravedad, las raíces vagan por todos lados, lo que dificulta logísticamente alimentarlas adecuadamente.
¿Qué pasaría si la agricultura vertical literalmente hiciera lo que dice en la lata? ¿Qué pasaría si fuera posible cultivar cultivos y árboles cuyas raíces se extendieran a lo largo en lugar de hacia abajo?
Las raíces crecen hacia abajo porque el organismo vivo siente la atracción del campo gravitacional y la presencia de agua y coordina su tejido para seguir. Sin embargo, eso no es todo lo que las raíces pueden sentir. También pueden detectar campos eléctricos. Es más, ese sentido puede anular a los demás. Los científicos han entendido durante los últimos 100 años que bajo un campo eléctrico, cualquier cosa se arrastrará hacia el extremo del cátodo. Este fenómeno, cada vez mejor comprendido en la medicina para la cicatrización de heridas , ahora también se ha convertido en un tema candente en la investigación de las plantas: un campo eléctrico tiene poder de veto sobre la respuesta de las raíces al campo gravitatorio.
El año pasado, Salvalaio y Sena mostraron por primera vez con detalles moleculares precisos cómo usar dosis específicas de electricidad para hacer que la planta de Arabidopsis reoriente la dirección de crecimiento de sus raíces. En otras palabras, lo hicieron crecer como ellos querían que creciera.
De ahí esos cubos de aspecto sabroso. Salvalaio y Sena se asociaron con la Dyson School of Design Engineering de Londres para desarrollar los cubos especiales de hidrogel estampados impresos en 3D, capaces de albergar las plantas de Arabidopsis en crecimiento , y los electrodos que guiarán el crecimiento de sus raíces hacia la posición lateral. Las hojas de color verde brillante dejan claro que los túneles de aireación han demostrado ser un entorno enriquecedor. Sus raíces serpentean densamente por todas partes.
Salvalaio pretende empezar a hacer zapping a finales de este verano. Si las cosas van bien, decir «el cielo es el límite» sería quedarse corto. «Ser capaz de controlar la dirección del crecimiento de las raíces significaría que podríamos hacer crecer árboles tanto en el techo como en una pared», dice Sena. Con este nuevo avance eléctrico, incluso sería posible cultivar árboles en entornos de gravedad cero. Quizás pronto haya árboles en la Estación Espacial Internacional (ISS), o bosques en la luna.
FUENTE: BBC NEWS por Sally Adee
La agricultura moderna presenta muchos desafíos ambientales. Según una estimación de 2005 , a nivel mundial, sus diversos componentes pueden contribuir a entre el 10 y el 12 % de las emisiones de gases de efecto invernadero cada año. La producción del fertilizante sintético creado por el proceso Haber-Bosch, que consume mucha energía y que revolucionó la agricultura a principios del siglo XX, ahora representa cientos de millones de toneladas de dióxido de carbono (CO2) por año . La erosión del suelo por el uso no regulado de la tierra añade aún más .
Pero la ecóloga de plantas Nina Buchmann, que dirige el Centro del Sistema Alimentario Mundial en ETH Zurich, Suiza, tiene poca paciencia para las críticas. «A veces tengo la tentación de preguntarles: ¿comieron algo hoy?». dijo a los asistentes a una ceremonia de premios de agronomía organizada por la empresa de inversión Vontobel. Se les pide a las empresas agrícolas que enhebren una aguja difícil: alimentar a una población en rápido crecimiento pero sin pesticidas contaminantes ni escorrentías de fertilizantes, mientras reducen los costos de energía, usan menos tierra y aumentan constantemente los rendimientos de los cultivos en un mundo cada vez más impredecible y cada vez más cálido.
Muchos investigadores a la vanguardia de la nueva ola de agricultura eléctrica creen que puede desempeñar un papel en la mejora de cada uno de esos aspectos de la producción de alimentos.
