إنتاج غذاء من الهواء

من المتوقّع أن يرتفع عدد سكّان العالم، الّذي يقترب اليوم من ثمانية مليار نسمة،  الى عشرة مليارات حتّى سنة 2057. تشير التّقديرات الى أنّ أكثر من نصف هؤلاء يتغذّى على الطّعام النّباتيّ والحيوانيّ، ويتغذّى حوالي أربعين بالمئة منهم على الطّعام النّباتيّ بشكل رئيس، إلّا أنّهم لا يتردّدون في تناول اللّحوم من حين لآخر، أمّا العشرة بالمئة الباقون فهم نباتيّون أو خُضريّون. تعتمد الدّراسات في هذا المجال على الدّراسات الاستقصائيّة والتّقارير الذّاتيّة الّتي يُبلّغ عنها المشاركون في هذه الدّراسات، ممّا يجعل من تقدير الأعداد الدّقيقة مهمّة بالغة الصّعوبة. تكاليف تنمية اللّحوم لتغذية النّاس باهظة للغاية، إذ تُستخدم أربعة أخماس الأراضي الزّراعيّة في العالم كمراعٍ ومساحات زراعيّة لتوفير الغذاء للحيوانات الّتي تُستهلك لحومها غذاءً للبشر الّذين يتغذّى جُلُّهم على اللّحوم. يسهم سوق اللّحوم، إضافةً إلى ذلك، إسهامًا حاسمًا في الأزمة المناخيّة، فهو المسؤول عن حوالي ربع انبعاث غازات الدّفيئة السّنويّة. 

إذًا، كيف نوفّر الغذاء لهذه الأعداد الهائلة من النّاس؟ يُستخدم ما يقارب نصف المساحة الصّالحة للسّكنى على سطح الكرة الأرضيّة اليوم في إنتاج الغذاء - أي الأرض الخصبة غير المغطّاة كتلًا جليديّة، وغير الموجودة في مناطق صحراويّة. يُستخدم واحد بالمئة فقط من هذه المساحة للسّكنى. 

تستهلك تنمية الحيوانات للتّغذية  مساحات شاسعة، وماءً وموارد أخرى،  وتُسهم في تلوّث البيئة وتؤدّي إلى  انبعاث غازات الدّفيئة. عُجول في مزرعة ماشية كبيرة في البرازيل | تصوير: PARALAXIS, Shutterstock

المطلوب: ثورة زراعيّة ثانية

دجّنَ (بيّت) الإنسان القمح - الصّنف البرّيّ من الحبوب الحديثة الشائعة - قبل حوالي اثنتي عشر ألف سنة، قبل الثّورة الزّراعيّة في الشّرق الأوسط، أي تحوُّل الإنسان من مرحلة التّجوال لِلصّيد وجمع الثّمار إلى مجتمعات زراعيّة تستوطن في مساكن دائمة. دجّن الإنسان على مرّ السّنين نباتات غذائيّة كثيرة، وحسّن أصنافها، واستخدم الهندسة الجينيّة في تحسين نباتات أخرى بحيث يروق له طعمها، وفي زيادة محصولها ومقاومتها للظّروف البيئيّة الصّعبة وملاءمتها لأساليب الزّراعة الحديثة. ما زالت الدّراسات الحديثة الهادفة لِتدجين المزيد من الأصناف البرّيّة كي تناسب احتياجاتنا وغذائنا جاريةً في أيّامنا. 

تكمن المشكلة في محدوديّة احتياطيّ الأراضي الّذي يمكن تكريسه للتّنمية الغذائيّة ، كما أنّ السّيطرة على المساحات للاحتياجات الزّراعية منوطة بتدمير المنظومات البيئيّة. ليس كافيًا ما قمنا به حتّى الآن لتوفير الغذاء لكافّة سكّان العالم. تُبذل، لذلك، في السّنين الأخيرة جهود تهدف لإنتاج أصناف جديدة من الطّعام، بطرق وأساليب حديثة وأكثر نجاعة. يتيح، على سبيل المثال، إنتاج بدائل اللّحم من مصدر زراعيّ تقليص كمّيّات الحيوانات الّتي تُربّى للتّغذية، وتقليص انبعاث غازات الدّفيئة المصاحبة لتنميتها. 

اِستخدام مزارع الاستنبات أو طباعة الأنسجة  بالطّابعات ثلاثيّة الأبعاد: لحم أُنتِج في المختبر | تصوير: Axtem, SHutterstock

تنصبُّ جهود بعض الشّركات العالميّة، من ضمنها شركات إسرائيليّة، على تطوير طريقة أكثر نجاعة لِتنمية اللّحوم صناعيًّا، بواسطة استنبات الخلايا في المختبر - لكن ليست تلك بالمهمّة السّهلة. يتمّ بهذه الطّريقة إنتاج نسيج جديد صالح للأكل - نوع من شرائح اللّحم الصناعيّة - بواسطة تنمية عيّنة خلايا مأخوذة من بقرة حيّة في مزرعة استنبات وفي ظروف مراقَبة. تَستخدم شركات معيّنة المكمّلات الغذائيّة، مثل الهيموغلوبين الّذي يضفي اللّون لخلايا الدّم الحمراء ويتيح لها نقل الأكسجين، وذلك بهدف الحصول على الملمس والطّعم المرغوبَين. تَستخدم شركات أخرى الطّابعات ثلاثيّة الأبعاد، موادّها الخام هي الخلايا العضليّة والدّهنية، لِطباعة الأنسجة ذات الهيكل والملمس الشّبيهة بالهمبورجر وشرائح اللّحم. 

قد لا يبعد اليوم الّذي  سوف نشاهد فيه قسم اللّحوم  في المتجر بهذه الصّورة. عبوات لحم جرت تنميتها بمزارع الاستنبات في المختبر | تصوير: Firn, Shutterstock

البروتين وحيد الخليّة

تعتمد طريقة أخرى لإنتاج الغذاء على البكتيريا والخميرة. ليست هذه فكرة جديدة بحدّ ذاتها، إذ تُستخدم الكائنات المجهريّة منذ آلاف السّنين في تحفيز عمليّات التّخمّر اللّازمة لإنتاج الجعة، والخبز، والمخلّلات، والنّبيذ، والياغورت والأجبان. الجديد في الأمر هو استخدام منتجات البكتيريا والخميرة الّتي تجري تنميتها داخل أوعية تخمّر كبيرة، كغذاء للحيوانات أو كمكمّلات غذائيّة غنيّة بالبروتين للإنسان. 

يُسمّى المصدر لهذا البروتين، البروتين وحيد الخليّة. تَستخدم الكائنات المجهريّة، خلال عمليّة تنمية البروتين، النّيتروجين بنجاعة تفوق نجاعة استخدام النّباتات له، وتستهلك كمّيّة من الماء أقلّ ممّا تستهلكه التّنمية الزّراعيّة النّباتيّة، وتحتاج إلى حيّز أقلّ ممّا تستهلكه التّنمية الزّراعيّة التّقليديّة. تُنتج بعض الشّركات اليوم البروتين وحيد الخليّة باستخدام الفطر والبكتيريا والطّحالب، غذاءً للحيوانات أو للإنسان. ما زالت، مع ذلك، الأساليب القائمة حاليًّا تستعين بالمكوّنات النّباتيّة. تجري، ضمن دراسات جديدة، محاولات للتّخلّص حتّى من هذا القليل وتغذية البكتيريا "من الهواء"، دون الحاجة لاستغلال مساحات شاسعة لتنمية الكتلة النّباتيّة لِتغذّي البروتين وحيد الخليّة. 

يستعينون، من أجل ذلك، بالشّمس و بالخلايا الشّمسيّة لإنتاج الكهرباء الّتي تُستخدم لتشغيل الأجهزة وتحفيز العمليّات الكيميائيّة الّتي تتيح إنتاج مركّبات الكربون البسيطة، مثل الميثانول - وهو نوع من الكحول (الغَوْل) - من ثاني أكسيد الكربون الموجود في الهواء ومن الماء. تُغذّي هذه المركّبات الكائنات أحاديّة الخليّة وتتيح تكاثرها. يتمّ، في نهاية المطاف، تجفيف البكتيريا واستخدامها غذاءً للحيوانات، أو تتمّ معالجتها من خلال عمليّة تحتفظ بالبروتين (الزّلال) الجافّ فقط، ويتمّ استخدامه مكمّلًا غذائيًّا للإنسان. 

يجب، في هذه المعالجة، تصفية الأحماض النّوويّة والدّهنيّات والسّكّريّات من المنتوج النّهائيّ. حمض اليوريك - مادّة صعبة التّحلّل قد يؤدّي تركيزها العالي الى مرض النّقرس، وهو نوع من التهاب المفاصل - هو أحد نواتج تحلّل الأحماض النّوويّة في الجسم، لذلك يجب التّخلّص منه بشكل خاصّ. تتراوح نسبة البروتينات ما بين 55 - 75 بالمئة من إجماليّ الكتلة الجافّة. الكتلة الحيّة غنيّة بالمعادن مثل الحديد، الخارصين، الكالسيوم، الفوسفور، الصّوديوم والمغنيسيوم أيضًا. 

شرعت شركة  Solar Foods الفنلنديّة في إنتاج "غذاء من الهواء" بهذه الطّريقة. يُسمّى البروتين وحيد الخليّة الّذي تنتجه الشّركة سولين (Solein). يدّعي المسؤولون في الشّركة أنّه لا طعم لِمسحوق البروتين، الأمر الّذي يتيح إضافته الى المأكولات المختلفة وإثراءها دون المسّ بطعمها. يحتوي هذا المسحوق على بروتين بنسبة 65 بالمئة، وسكّريّات بنسبة 20 - 25 بالمئة، وأحماض دهنيّة بنسبة 5 - 10 بالمئة. 

الاستعانة  بالطّاقة الشّمسيّة وتوفير المساحات والماء. جهاز لِتنمية الطّحالب  في هولندا، يُنتج منها البروتين، والدّهنيّات  والوقود | تصوير: INTREEGUE Photography, Shutterstock

الجدوى الاقتصاديّة

لم تُجرَ حتّى الآن مقارنة كمّيّة بين الزّراعة التّقليديّة وبين المنظومات الهادفة للحلول مكانها، أو إكمالها على أقلّ حال، ذلك على الرّغم من الجهود الكبيرة المبذولة في تطوير المصادر الغذائيّة الجديدة. حَسبت مجموعة من الباحثين مؤخّرًا، منهم رون ميلو وألون شيفون وإلعاد نور من معهد وايزمان للعلوم، جدوى عمليّة إنتاج البروتين وحيد الخليّة بواسطة الخلايا الشّمسيّة، من حيث استهلاك الطّاقة، والتّكلفة الاقتصاديّة والمكاسب الغذائيّة، بالمقارنة مع الزّراعة التّقليديّة. 

تطرّقت الحسابات الى البروتين وحيد الخليّة بكتيريّ المصدر، لأنّ البكتيريا تقدر على استهلاك جزيئات كربونيّة متنوّعة، مثل الميثانول أو حمض النّمل (الفورميك)، واستخدامها في الانقسام والتّكاثر، كما تستطيع البكتيريا إنتاج كمّيّات أكبر من البروتين، بالنّسبة لكتلتها، مقارنةً بالطّحالب والخميرة. 

حَسَب الباحثون كفاءة استخدام الطّاقة في جميع مراحل العمليّة، بدءًا بإنتاج الكهرباء من الطّاقة الشّمسيّة والتقاط ثاني أكسيد الكربون من الجوّ وتثبيته في عمليّات كيميائيّة، مرورًا بإنتاج المزيد من الموادّ الغذائيّة الّتي تحتاجها البكتيريا، ثمّ تبريد أوعية التّنمية وخلطها، وانتهاءً بعمليّة معالجة البكتيريا لِلغذاء المُعدّ للحيوانات أو البروتين المعدّ كغذاء للبشر. حَسبَ الباحثون أخيرًا جدوى العمليّة برمّتها، واستخدموا معطيات من الميدان من أجل ذلك - مثلًا، تبلغ النّجاعة النّظريّة للخلايا الشّمسيّة عشرين بالمئة، إلّا أنّ نجاعتها الفعليّة في أرض الواقع هي بين 4.1 - 5.6 بالمئة فقط.  

قارن الباحثون عمليّة إنتاج البروتين وحيد الخليّة مع التّنمية الزّراعيّة التّقليديّة لكلّ من فول الصّويا وقصب السّكّر. وقع الاختيار على هذين المنتجين الزّراعيّين التّقليديّين بسبب غِناهما بالبروتينات والطّاقة، إذ يُنتِج المتر المربع الواحد من حقول الصّويا 115 جرام بروتين في السّنة، وينتج المتر المربّع من حقول قصب السّكّر حوالي 4520 سعرة حراريّة كبيرة (كيلو كالوري) في السّنة. 

وُجدَ أنّ كمّيّة السّعرات الحراريّة الّتي يمكن الحصول عليها، في ظروف مثاليّة، من عمليّة إنتاج البروتين وحيد الخليّة بالاستعانة بالطّاقة الشّمسيّة، للحصول على غذاء للحيوانات، تعادل أربعة أضعاف كمّيّة السّعرات الّتي يمكن الحصول عليها من قصب السّكّر، وتعادل، بعد المعالجة الإضافيّة الضّروريّة للحصول على غذاء للبشر، ضعفَيْ كمّيّة السّعرات الّتي يمكن الحصول عليها من قصب السّكّر. أمّا العائد من البروتينات الّتي يمكن الحصول عليها من تنمية البكتيريا لإنتاج البروتين وحيد الخليّة فيضاهي عشرة أضعاف ما يمكن الحصول عليه من المتر المربّع الواحد من فول الصّويا في السّنة الواحدة.

نجاعة أكبر. أوعية تنمية الكائنات  المجهريّة لإنتاج البروتين وموادّ أخرى في مصنع في ألمانيا | تصوير: MAXIMILIAN STOCK LTD / SCIENCE PHOTO LIBRARY

ما هو مصدر هذه الفوارق؟ أوّلًا، نسبة البروتين في الكتلة الحيّة البكتيريّة أعلى ممّا هي في الصّويا، وتزيد نسبة ما هو صالح للأكل عن نسبته في الصّويا - يُشَكّل البروتين ما بين 55 - 75 بالمائة من الكتلة الحيّة، في حين تُشكّل حبوب فول الصّويا أكثر قليلًا من ثلث كتلة النّبتة بأكملها. 

وكشف الحساب السّنويّ أنّ نجاعة تحويل الطّاقة الشّمسيّة إلى طاقة كيميائيّة عن طريق الدّمج بين الخلايا الشّمسيّة وبين العمليّات الإلكتروكيميائيّة تفوق نجاعة عمليّة التّمثيل الضّوئيّ في النّباتات. أضف إلى ذلك أنّ الكثير من التّنميات الزّراعيّة هي موسميّة، في حين يمكن تنمية الكتلة الحيّة البكتيريّة على مدار السّنة. أخيرًا، تفوق نجاعة استغلال الكائنات الحيّة المجهريّة للماء ومصادر النّيتروجين نجاعة استغلالها في التّنمية الزّراعيّة. تعادل كمّيّة ما تستهلكه وحدة واحدة من الكتلة النّباتيّة من الماء، مثلًا، مائة ضعف كمّيّة الماء الّتي تستهلكها البكتيريا المنتجة للبروتين وحيد الخليّة، ويعادل ما تستهلكه الحيوانات من الماء عشرة آلاف ما تستهلكه البكتيريا.  

يتّضح، عند تحويل الفوارق المذكورة أعلاه إلى أعداد، أنّه يمكن توفير الغذاء لـِ 520 شخصًا في السّنة إذا استغللنا مساحة عشرة دونمات من الأرض لنضع فيها الألواح الشّمسيّة والعتاد اللّازم لتنمية البكتيريا الّتي تنتج البروتين وحيد الخليّة، ويعادل هذا العدد 13 ضعف عدد الأشخاص الّذين يمكن توفير ما يحتاجونه من الغذاء عن طريق استغلال المساحة ذاتها من الأرض لزراعة فول الصّويا - أربعين شخصًا. 

تتيح تنمية الكتلة الحيّة البكتيريّة الغنيّة بالبروتين والموادّ المغذّية الأخرى، بناء على ذلك، إمكانيّة دفع قدرة التّنمية الغذائيّة الضّروريّة للبشريّة بقفزة نوعيّة ملحوظة. يمكن أن تكون هذه طريقة ناجعة وفعّالة وذات بصمة بيئيّة جيّدة تفوق ما توفّره الزّراعة التّقليديّة. يمكن، إضافة الى ذلك، استغلال المساحات الّتي لا تصلح للزّراعة العاديّة، بدءًا بالأراضي الصّحراويّة وانتهاءً بسطوح أسقف المنازل، لهذه التّنمية.

تعادل كمّيّة  البروتين الّتي  يمكن الحصول عليها من تنمية البكتيريا باستغلال المساحة ذاتها 13 ضعفًا على الأقلّ. حقل كبير من الصّويا  | تصوير: oticki, Shutterstock

البحث مستمرّ

من المتوقّع أن يتسارع إنتاج الغذاء البديل في السّنين القادمة ويقتحم المطاعم والبرّادات. يواصل الباحثون البحث عن طرق لتحسين عمليّات إنتاجه، مثل البحث عن أو تطوير بكتيريا قادرة على إنتاج كمّيّة كبيرة جدًّا من البروتين، وتحسين عمليّات إنتاجه والحصول عليه،  حتّى إدراج مثل هذا البروتين في عمليّات تنمية اللّحم في المختبر. 

يجري البحث دائمًا، في الجبهات الأخرى، عن تحسينات في تكنولوجيا التّمثيل الضّوئيّ الصّناعيّ. يختبر الباحثون طرقًا لتحويل الطّاقة الشّمسيّة مباشرة إلى طاقة كيميائيّة، بخلاف العمليّة ثنائيّة المراحل المتّبعة اليوم. قد تُحوّل مثل هذه التّحسينات في القريب العاجل، جنبًا إلى جنب مع ارتفاع أسعار الغذاء الحيوانيّ والنّباتيّ، الغذاء البديل إلى مكوّن بالغ الأهمّيّة في غذائنا جميعًا.