לייצר מזון מהאוויר

כמעט שמונה מיליארד בני אדם חיים על פני כדור הארץ, ועד שנת 2057 צפוי מספרם לצמוח לעשרה מיליארד. לפי הערכות מקובלות, מבין המיליארדים האלה, קצת יותר ממחצית אוכלים מזון מהחי ומהצומח, עוד כארבעים אחוזים אוכלים בעיקר מזון צמחי אך לא בוחלים בבשר מדי פעם בפעם וכעשרה אחוזים צמחונים או טבעונים. קשה מאוד להעריך את המספרים המדויקים, והמחקרים נסמכים בעיקר על סקרים ועל דיווחים עצמיים של משתתפים. כך או כך, רוב גדול של תושבי כוכב הלכת שלנו הם אוכלי בשר, ולגידול בשר למאכל יש מחיר כבד – ארבע חמישיות מהקרקעות החקלאיות בעולם משמשות למרעה ולגידול מזון עבור בעלי חיים שאנו מגדלים לבשר. בנוסף, שוק הבשר אחראי לכרבע מפליטות גזי החממה בשנה ותורם כך תרומה מכרעת למשבר האקלים.

מתעוררת השאלה איך להאכיל כל כך הרבה אנשים. כבר כיום קרוב לחצי מהשטח הראוי למחיה בכדור הארץ משמש לייצור מזון – כלומר קרקע פורייה שאינה מכוסה קרחונים או נמצאת באזורים מדבריים. אחוז אחד נוסף מהשטח הזה משמש למגורים.

גידול בעלי חיים למאכל דורש שטח גדול, צורך מים ומשאבים נוספים, תורם לזיהום הסביבה ופולט גזי חממה. פרים בחוות בקר גדולה בברזיל | צילום: PARALAXIS, Shutterstock

דרושה: מהפכה חקלאית שנייה

כבר לפני 12 אלף שנה, בתחילת המהפכה החקלאית במזרח התיכון, כלומר המעבר מחיי ציידים-לקטים נודדים לחברות חקלאיות החיות ביישובי קבע, בייתו בני האדם את החיטה – זן הבר של הדגן המודרני הנפוץ. עם השנים תירבתנו צמחי מאכל רבים נוספים, השבחנו זנים ואף הנדסנו צמחים גנטית כדי שיערבו יותר לחיכנו, יניבו יבול רב ועמיד יותר ויתאימו לשיטות החקלאות המודרניות. גם כיום נעשים מחקרים חדשים במטרה לביית זני בר נוספים שיתאימו לתזונתנו ולצרכינו.

הבעיה היא שאין לנו מאגר קרקעות בלתי מוגבל שנוכל לייעד לגידול מזון, מה גם שהשתלטות על שטחים לצרכים חקלאיים כרוכה בהרס מערכות אקולוגיות. כדי להמשיך להאכיל את אוכלוסיית העולם, אין די במה שעשינו עד כה. לפיכך נעשים בשנים האחרונות מאמצים לייצר סוגים חדשים של מזון, בשיטות חדשות ויעילות יותר. לדוגמה, ייצור תחליפי בשר ממקור צמחי שיאפשרו לצמצם את כמות החיות שמגדלים למאכל ואת פליטת גזי החממה הנלווית לגידולם.

משתמשים בתרביות או בהדפסת רקמות בתלת ממד: בשר המיוצר במעבדה | צילום: Axtem, SHutterstock

דרך נוספת לייעל את ייצור המזון היא לגדל בשר באופן מלאכותי בתרביות תאים במעבדה – משימה לא פשוטה, שכמה חברות ברחבי העולם שוקדות על פיתוחה, ביניהן גם חברות ישראליות. לשם כך לוקחים למשל דגימה של תאים מפרה חיה, מגדלים אותם בתרבית בתנאים מבוקרים וגורמים להם ליצור רקמה חדשה ראויה למאכל – מעין סטייק מלאכותי. כדי לקבל את המרקם והטעם הרצויים, חברות מסוימות משתמשות לגידול הבשר בתוספים, כגון המוגלובין, שמקנה לתאי הדם האדומים את צבעם ומאפשר להם להוביל חמצן. חברות אחרות משתמשות במדפסות תלת-ממד שחומר הגלם שלהן הוא תאי שריר ושומן, שמודפסים במבנה ובמרקם הדומים להמבורגר או לסטייק.

לא ירחק היום וייתכן שכך תיראה מחלקת הבשר במרכול: אריזות בשר שגודל כתרבית במעבדה | צילום: Firn, Shutterstock

חלבון חד-תאי

אפשרות נוספת לייצר מזון חליפי מתבססת על חיידקים ושמרים. הרעיון עצמו אינו חדש, שכן אנו משתמשים במיקרואורגניזמים כבר אלפי שנים כדי לעודד את תהליכי התסיסה הנחוצים לייצור בירה, לחם, ירקות מוחמצים, יין, יוגורטים וגבינות. החידוש הנוכחי הוא לגדל את החיידקים והשמרים בתוך מכלי תסיסה גדולים ולהשתמש בתוצריהם כמזון לבעלי חיים או כתוספי מזון עתירי חלבון לבני אדם.

מקור החלבון הזה נקרא חלבון חד-תאי. גידולו דורש פחות מים מגידולים חקלאיים צמחיים, תופס פחות מקום והמיקרואורגניזמים מנצלים חנקן בצורה יעילה יותר מצמחים. כבר כיום יש חברות שמייצרות חלבון חד-תאי בפטריות, בחיידקים ובאצות, כמזון לבעלי חיים או לבני אדם. עם זאת, השיטות הקיימות עדיין נעזרות במרכיבים מהצומח. מחקרים חדשים מנסים להיפטר אפילו מהמעט הזה ולגלות איך אפשר להזין חיידקים "מהאוויר", בלי להשקיע שטח יקר על גידול מסה צמחית להזנת החלבון החד-תאי.

לשם כן נעזרים בשמש ובתאים סולריים לייצור חשמל, שמשמש להפעלת המכשירים ולהנעת תהליכים כימיים שמאפשרים לייצר תרכובות פחמן פשוטות כמו מֶתָנוֹל – סוג של אלכוהול – מהפחמן הדו-חמצני באוויר וממים. התרכובות האלה מזינות את היצורים החד-תאיים ומאפשרות להם להתרבות. לבסוף מייבשים את החיידקים ומשתמשים בהם כמזון לבעלי חיים, או שמעבדים אותם בתהליך ששומר רק את החלבון היבש, ומשתמשים בו כתוסף מזון לבני אדם.

תהליך העיבוד הזה מחייב לסנן מהתוצר הסופי את חומצות הגרעין, השומנים והסוכרים. חשוב במיוחד להיפטר מחומצות הגרעין מכיוון שאחד מתוצרי פירוקן בגוף הוא חומצת שתן – חומר קשה לפירוק שעלול לגרום כשריכוזו גבוה לשיגדון – סוג של דלקת מפרקים. החלבון התאי עצמו הוא בין 55 ל-75 אחוז מכלל המסה היבשה. בנוסף לחלבון, הביומסה עשירה גם במינרלים כמו ברזל, אבץ, סידן, זרחן, נתרן ומגנזיום.

החברה הפינית Solar Foods כבר מייצרת "מזון מאוויר" בדרך הזאת. החלבון החד-תאי שלה נקרא סוליין (Solein). אנשי החברה טוענים שאבקת החלבון חסרת טעם ועל כן אפשר להוסיף אותה למאכלים שונים ולהעשירם בלי לפגוע בטעמם. היא מכילה 65 אחוזים חלבון, 25-20 אחוז סוכרים ו-10-5 אחוזים חומצות שומן.

נעזרים באנרגיית השמש, וחוסכים שטח ומים. מתקן לגידול אצות כדי להפיק מהן חלבון, שומנים ודלק בהולנד | צילום: INTREEGUE Photography, Shutterstock

האם זה משתלם?

למרות המאמצים הרבים המושקעים בפיתוח מקורות מזון חדשים, עד כה לא נעשתה השוואה כמותית בין החקלאות המסורתית לבין המערכות השואפות לתפוס את מקומה, או לפחות להשלים אותה. לאחרונה חישבה קבוצת חוקרים, בהם רון מילוא, אלון שפון ואלעד נור ממכון ויצמן למדע, עד כמה התהליך של ייצור חלבון חד-תאי באמצעות תאים סולריים אכן משתלם – מבחינת צריכת האנרגיה, העלות הכלכלית והרווח התזונתי – לעומת חקלאות קונבנציונלית.

חישוביהם התייחסו לחלבון חד-תאי ממקור חיידקי, משום שחיידקים מסוגלים לצרוך מגוון רב של מולקולות פחמניות, כמו מתנול או חומצה פורמית, ולהשתמש בהן כדי להתחלק ולהתרבות. בנוסף, חיידקים מצליחים לייצר כמויות גדולות יותר של חלבון יחסית למסה שלהם בהשוואה לאצות ולשמרים.

החוקרים חישבו את היעילות האנרגטית של כל שלבי התהליך, החל בהפקת חשמל מאנרגיה סולרית ולכידת פחמן דו-חמצני מהאטמוספרה וקיבועו בתהליכים כימיים, דרך ייצור חומרי מזון נוספים הדרושים לחיידקים, קירור מכלי הגידול וערבולם, וכלה בתהליך העיבוד של החיידקים למזון לחיות או לחלבון למאכל אדם. לבסוף חישבו את היעילות של התהליך הכולל. לשם כך הם השתמשו בנתונים מהשטח – לדוגמה, היעילות התיאורטית של תאים סולריים עומדת על כעשרים אחוז, אך הלכה למעשה היא רק 5.6-4.1 אחוזים.

את תהליך הייצור של החלבון החד-תאי השוו לשני גידולים חקלאיים מסורתיים – פולי סויה וסלק סוכר. הבחירה בהם נעשתה כי מדובר בגידולים עשירים במיוחד בחלבונים ובאנרגיה, בהתאמה: שדות סויה מניבים 115 גרם חלבון למטר רבוע בשנה וסלק הסוכר מניב כ-4,520 קילו-קלוריות למטר רבוע בשנה.

נמצא כי בתנאים אידיאליים, בתהליך ייצור החלבון החד-תאי בעזרת אנרגיה סולרית אפשר לייצר כמות קלוריות גדולה פי ארבעה מסלק הסוכר בייצור מזון לבעלי חיים ופי שניים מסלק הסוכר אחרי העיבוד הנוסף הנחוץ למזון לבני אדם. התנובה החלבונית גדולה אף יותר: גידול חיידקים לייצור חלבון חד-תאי מסוגל להניב פי עשרה חלבון למטר רבוע לשנה מאשר פולי הסויה.

יעילות גבוהה יותר. מכלים לגידול מיקרואוגניזמים לייצור חלבונים חומרים אחרים בבית חרושת בגרמניה | צילום: MAXIMILIAN STOCK LTD / SCIENCE PHOTO LIBRARY

מאין נובע הפער? ראשית, שיעור החלבון בביומסה החיידקית גבוה יותר מאשר בסויה. שנית, שיעור גדול יותר ממנו מתאים לאכילה – 75-55 אחוז מהביומסה הם חלבון, בשעה שפולי הסויה הם רק קצת יותר משליש מתוך המסה של הצמח השלם.

יתר על כן, בחישוב שנתי השילוב של התאים הסולריים עם תהליכים אלקטרוכימיים ממיר אנרגיה סולרית לאנרגיה כימית באופן יעיל יותר מתהליך הפוטוסינתזה בצמחים. בנוסף, רבים מהגידולים החקלאיים הם עונתיים, ואילו את הביומסה החיידקית אפשר לגדל כל השנה. לבסוף, מיקרואורגניזמים מנצלים מים ומקורות חנקן בצורה יעילה יותר מגידולים חקלאיים. למשל, צריכת המים של צמחים ליחידת משקל גדולה פי מאה מזו של חיידקים המייצרים חלבון חד-תאי. אצל בעלי החיים הצריכה גבוהה בהרבה – פי עשרת אלפים מהחיידקים.

כשמתרגמים את הפערים האלה למספרים, מגלים כי בעוד שדה סויה של עשרה דונמים יכול להאכיל ארבעים בני אדם למשך שנה, אם ננצל את אותו שטח להצבת לוחות סולריים ולגידול חיידקים לחלבון חד תאי, נוכל להאכיל 520 איש בשנה. כלומר פי 13.

אם כך, לגידול ביומסה חיידקית עשירה בחלבונים ובחומרים מזינים נוספים יש פוטנציאל להביא לקפיצת מדרגה ביכולת גידול המזון הנחוץ לאנושות. זו יכולה להיות דרך יעילה ובעלת טביעת רגל אקולוגית טובה יותר מחקלאות קונבנציונלית. בנוסף, אפשר לנצל בשבילה שטחי קרקע שאינם מתאימים לחקלאות רגילה, ממדבריות ועד גגות בניינים.

גידול חיידקים מאפשר לנצל את אותו שטח להפקת כמויות חלבון גדולות פי 13 לפחות. שדה סויה גדול | צילום: oticki, Shutterstock

המחקר נמשך

המזון החלופי עתיד לצבור תאוצה בשנים הקרובות ולהיכנס אל המסעדות והמקררים שלנו. חוקרים ממשיכים כל הזמן בחיפוש דרכים לשפר את תהליכי הייצור שלו, למשל חיפוש או פיתוח של חיידקים המסוגלים לייצר כמות גדולה במיוחד של חלבון, שיפור תהליכי הייצור וההפקה של החלבון החד-תאי, ואפילו שילוב של חלבון כזה בתהליכים לגידול בשר במעבדה.

בחזיתות אחרות מחפשים כל העת שיפורים בטכנולוגיות הפוטוסינתזה המלאכותית. בין השאר החוקרים בוחנים דרכים להמיר ישירות אנרגיה סולרית לאנרגיה כימית, בניגוד לתהליך הדו-שלבי הנהוג כיום. שיפורים כאלה, לצד התייקרות של המזון מהחי ואפילו מהצומח, עשויים להפוך את המזון החלופי למרכיב משמעותי בתזונה של כולנו כבר בעתיד הנראה לעין.