我们怎样才能用更少的资源种植更多的食物？几十年来，如果不是几个世纪，科学家们一直在关注这个问题，因为不断增长的全球人口需要不断寻找以可持续和负担得起的方式生产粮食的新方法。
这是我们大多数人从未考虑过的一个问题，因为它似乎如此深不可测：如果作物可以在没有阳光的情况下生长——不是垂直农场式的，LED 灯取代了太阳，而是在完全黑暗中？
上周在Nature Food上发表的一篇论文详细介绍了一种方法。
光合作用利用一系列化学反应将二氧化碳、水和阳光转化为葡萄糖和氧气。首先是光依赖阶段，它依靠阳光将能量传递给植物，植物将其转化为化学能。随后是光独立阶段（也称为卡尔文循环），当这种化学能和二氧化碳用于形成碳水化合物分子（如葡萄糖）时。
加州大学河滨分校和特拉华大学的一个研究小组找到了一种完全跳过依赖光的阶段的方法，为植物提供在完全黑暗中完成卡尔文循环所需的化学能。他们使用电解将二氧化碳和水转化为醋酸盐，醋酸盐或酯的形式，也是生物合成的常见组成部分（它也是醋的主要成分）。该团队在黑暗中将醋酸盐喂给植物，发现它们能够像使用从阳光中获得的化学能一样使用它。
图片来源： Hann et al/Nature Food
他们在几种植物上尝试了他们的方法，并测量了与常规光合作用相比生长效率的差异。绿藻的生长效率提高了四倍，而酵母提高了 18 倍。
光合作用的问题虽然自地球生命之初就存在，但它只能将其从阳光中获得的大约百分之一的能量转化为植物的“食物”。该团队还成功地将醋酸盐喂给豇豆、番茄、烟草、水稻、油菜和绿豌豆植物。
该研究的共同主要作者伊丽莎白汉恩说： “通常，这些生物体是在植物中提取的糖或石油中的输入物上培养的——石油是数百万年前发生的生物光合作用的产物。” “与依赖生物光合作用的食品生产相比，这项技术是将太阳能转化为食物的更有效方法。”
听起来很奇怪，让植物生长与阳光脱钩，将对粮食生产产生巨大的潜在好处。随着气候变化使天气和作物产量变得越来越难以预测，在受控环境（如垂直农场）中种植粮食变得越来越有吸引力和必要性。能够在室内种植更多作物也将把农产品带到一个全新的“本地”水平，因为使用人工光合作用代替阳光的作物理论上几乎可以在任何地方种植。
该研究的通讯作者、加州大学河滨分校化学与环境工程助理教授罗伯特·金克森 (Robert Jinkerson) 说： “使用人工光合作用方法生产食物可能是我们养活人的范式转变。” “通过提高粮食生产效率，需要更少的土地，从而减少农业对环境的影响。”
在认真考虑将这种方法用于大规模食品生产之前，需要制定一些关键细节。相对于传统农业或其他技术增强型粮食种植技术，它会使用多少能源、水和其他资源？用醋酸盐喂养的植物的质地、风味和营养成分是否与在阳光下生长的植物相同？
修补自然似乎总是一项艰巨的任务，但从绿色革命到现代转基因生物的出现，人类已经这样做了几个世纪。在某种程度上，我们的生存依赖于我们操纵自然的能力。我们现在看到了这种操纵的后果，但人工光合作用等技术最终可能成为我们修复已造成损害所需的工具箱的一部分——同时继续养活不断增长的全球人口。