Es una innovación que alcanza a 3.500 millones de personas. Así es como muchos de nosotros hoy estamos vivos gracias a una tecnología de la que muchas personas probablemente nunca oyeron hablar hablar: el proceso Haber-Bosch.

Inventado a principios del siglo XX, los químicos Fritz Haber y Carl Bosch descubrieron cómo convertir el nitrógeno atmosférico en amoníaco de manera económica, un compuesto rico en nitrógeno que las plantas pueden usar para crecer, desbloqueando una nueva y poderosa forma de ayudar a los cultivos a alcanzar su máximo potencial.

No se puede subestimar el profundo impacto de este descubrimiento. Las granjas en el año 1900 requerían casi cuatro veces más tierra que en el año 2000 para producir el mismo rendimiento promedio de cultivos. Esta dramática ganancia en eficiencia durante las últimas décadas, como se ilustra a continuación, se ubica como una de las historias más importantes de la era moderna.
 

Pero hay una trampa. El proceso Haber-Bosch requiere grandes cantidades de energía y su producción, fertilizante nitrogenado sintético, es notoria por su efecto contaminante en las vías fluviales y sus emisiones de gases de efecto invernadero. Según algunas estimaciones, la agricultura representa el 25 por ciento de los gases de efecto invernadero del mundo, y Haber Bosch representa el 3 por ciento.

Claramente otra vez es hora de hacerlo mejor. Si el siglo XX fue una gran historia de éxito en innovación, el siglo XXI debe superarlo. Porque los desafíos que enfrentamos hoy en día son igual de empinados.

Nuestro clima cambiante limita la tierra cultivable y amenaza el sustento de muchos agricultores, mientras que nuestra creciente población alcanzará los 10 mil millones para 2050. Ponga todo junto y parece una tarea imposible: ¿Cómo podrán los agricultores producir más alimentos, con menos tierra, disminuyendo su dependencia del statu quo, mientras enfrentan más sequías , olas de calor e inundaciones ?

La buena noticia es que con nuevas herramientas tecnológicas a nuestra disposición, está comenzando silenciosamente otra transformación en la agricultura. Aquí hay tres formas en las que predigo que la agricultura cambiará en las próximas décadas. 

Cultivos nuevos y mejorados

El uso de la edición genética en la agricultura será cada vez más frecuente debido a su velocidad y especificidad en el desarrollo de características deseables en los cultivos.

En lugar de usar un gen de una especie diferente, como el de una bacteria colocada en el maíz para protegerlo de una plaga común, los biólogos ahora pueden diseñar cambios directamente en el ADN del cultivo, silenciando o modificando algunos de sus propios genes para hacer versiones de el cultivo que es más resistente al calor, resistente a las plagas, de mejor sabor o tolerante a la sequía, por citar algunos ejemplos.

El mejoramiento de cultivos tradicional toma más de una década, pero ahora con nuevas herramientas biotecnológicas, mejoradas por herramientas digitales que evolucionan rápidamente, como la inteligencia artificial, el tiempo de desarrollo puede reducirse a solo unos meses.

"CRISPR-Cas 9 es algo que realmente cambió la forma en que los biólogos de plantas pueden abordar los cultivos de ingeniería porque ahora se hacen cosas que antes eran esencialmente imposibles o muy difíciles", dice Robert Jinkerson, profesor asistente en el Departamento de Botánica y Ciencias de las Plantas en la Universidad de California, Riverside. “Entonces, los plazos para crear nuevos rasgos o nuevas variedades están disminuyendo y esto nos permite imaginar nuevos rasgos y también aplicas características que se conocen de otras variedades en variedades comercialmente más relevantes”.

EE. UU. y Brasil tienen un ambiente regulatorio relativamente favorable para fomentar este tipo de innovación, y la UE, en un positivo cambio de tendencia, acaba de anunciar que relajará sus estrictas reglas sobre cultivos modificados genéticamente, en reconocimiento del hecho de que esos ajustes en el genoma de la planta podrían haber ocurrido a través de la mejora de cultivos convencionales.

Mientras muchos biólogos de plantas están experimentando con formas de mejorar los cultivos a través de la edición de genes, Jinkerson está trabajando en un proyecto particularmente futurista: desvincular el crecimiento de las plantas y la producción de alimentos de la fotosíntesis en sí. ¿Por qué? Porque, explica Jinkerson, las plantas son muy ineficientes para convertir la luz solar en biomasa vegetal: en otras palabras, para crecer. 

Un cultivo como el arroz solo puede tomar el 1% de su energía solar y convertirla en biomasa. El maíz o la caña de azúcar toman alrededor del 1,5%. Por el contrario, un panel solar tiene una eficiencia del 22%. Pero eso solo produce electricidad, que no podemos comer.

El laboratorio de Jinkerson, financiado por la NASA, está desarrollando un nuevo enfoque utilizando la fotosíntesis artificial para producir alimentos. Un panel solar captura la luz solar y la convierte en electricidad para su uso en un proceso llamado electrólisis de CO2. Este proceso toma el CO2 y lo convierte en compuestos como el acetato, que luego los científicos se los dan como alimento a los organismos productores de alimentos en la oscuridad. 

Ya demostraron que el enfoque funciona para cultivar levaduras, algas y hongos, y ahora están trabajando en plantas. Pero las plantas no evolucionaron para crecer sin luz, por lo que su laboratorio está utilizando ingeniería genómica para tratar de hacer que crezcan de manera más eficiente en la oscuridad.

Además de las aplicaciones inmediatas para los viajes espaciales, su enfoque permitiría el crecimiento de más alimentos con una huella terrestre más pequeña en la Tierra.

“Sería esencialmente la próxima versión de la agricultura vertical”, dice, y explica que, en teoría, se podría producir más alimentos con fotosíntesis artificial en interiores que confiando en los procesos ineficientes de las propias plantas para crecer al aire libre bajo el sol. “Hicimos el cálculo de unos terrenos en Illinois. Si tuvieras un acre de tierra, podrías cultivar maíz allí o colocar paneles solares y cultivar cuatro veces más alimentos. Con nuestro enfoque, podríamos convertir las tierras agrícolas de nuevo en tierras naturales al aumentar esta eficiencia. Así que podríamos tomar una cuarta parte de la tierra que se está utilizando ahora y colocar paneles solares allí y producir alimentos, y tomar las otras ¾ partes de la tierra y convertirlas nuevamente en bosques o praderas”, se entusiasma Jinkerson.

La agricultura ayudará, no dañará, al medio ambiente

Joanne Chory es otra científica de plantas influyente que trabaja en el desarrollo de cultivos innovadores. Como directora del Laboratorio de Biología Molecular y Celular de Plantas en el Instituto Salk de Ciencias Biológicas, se enfoca en diseñar plantas para que sean más resistentes al tipo de impactos ambientales que espera que prevalezcan en el futuro, como lluvia, inundaciones, y fuegos.

El contexto de su trabajo es que en el hemisferio norte, la mayoría de los cultivos que se cultivan mueren al final de la temporada, y todo el trabajo que hicieron esos cultivos para fijar el CO2 en masa biosintética se ha ido, porque todo se vuelve a liberar a la atmósfera. Sin embargo, el secuestro de carbono en el suelo es importante para reducir la inestabilidad climática.

En lugar de dejar que la naturaleza siga su curso, Chory ve la oportunidad de utilizar la edición de genes para que las plantas sobreexpresen la suberina en sus raíces, que es un polímero natural que actúa como sellador. "Si produce más suberina", explica, "tiene más carbono recalcitrante que los microbios no pueden descomponer". Por lo tanto, una mayor parte del carbono de la planta tiene el potencial de terminar en la biomasa de la raíz o en el suelo al final de la temporada, y puede permanecer secuestrado allí durante varios años si el agricultor practica la labranza cero.

Chory también postula que la sobreexpresión de suberina tendría un efecto positivo en las plantas, permitiéndoles resistir mejor las inundaciones y las sequías.

Su laboratorio está trabajando en la ingeniería de los principales cultivos básicos como el maíz, el trigo y el arroz para que tengan esta característica. Ella estima que la mitad de la tierra cultivable del mundo, entre 500 y 800 millones de hectáreas, necesitaría ser replantada con este tipo de cultivo para secuestrar suficiente carbono para alcanzar el cero neto.

“La agricultura está contribuyendo al problema de las emisiones de gases de efecto invernadero”, dice, “pero la agricultura también puede contribuir a reducir el carbono que ya está en la atmósfera... porque las plantas son realmente buenas para absorber CO2. No necesitamos hacer una captura directa de CO2 en el mundo de los biólogos de plantas porque creemos que las plantas lo hacen mejor de todos modos, y más barato, y pueden aprovechar la escalabilidad de la agricultura”.

Hasta que los cultivos secuestradores de carbono estén generalizados, ya tenemos los medios para aprovechar la escalabilidad de la agricultura para reducir el carbono. Una forma es aplicar microbios al suelo durante el curso normal de la siembra de cultivos que convierten el dióxido de carbono en minerales permanentes .

Avanzar hacia el uso de productos y procesos más biológicos, en lugar de químicos, es el camino hacia el futuro. La fijación de nitrógeno es otro santo grial. Ciertos cultivos, como las leguminosas, desarrollaron una relación simbiótica con ciertos microbios que viven en nódulos en sus raíces. Estos microbios desarrollaron la capacidad de tomar nitrógeno de la atmósfera (que constituye el 78 por ciento de nuestro aire) y entregarlo a las plantas para que crezcan, como un fertilizante totalmente natural. Sin embargo, algunos de nuestros cultivos básicos más importantes no evolucionaron con esta interacción microbiana especial. Por lo tanto, dependen en gran medida de los fertilizantes nitrogenados sintéticos para producir lo suficiente.

Pero, ¿y si pudiéramos descubrir el paquete de instrucciones químicas en los microbios de las leguminosas que les permite fijar el nitrógeno del aire y poner esas instrucciones en los microbios que ya viven en el maíz, el arroz o el trigo? Teóricamente, entonces seríamos capaces de desplegar organismos para hacer el trabajo que necesitamos, en lugar de productos químicos que emiten gases de efecto invernadero.

Hasta ahora, los resultados iniciales de tales pruebas de campo han sido decepcionantes , pero el camino hacia un nuevo paradigma rara vez es lineal. Confío en que haremos los avances necesarios para hacer realidad esta visión.

Las granjas producirán alimentos y datos

Más cerca del presente, la adaptación de las tecnologías digitales para ayudar a la agricultura ya está en marcha. En lugar de rociar un campo completo con pesticidas, por ejemplo, los agricultores están comenzando a confiar en drones, sensores y datos de laboratorio para informarse sobre la aplicación de productos de protección de cultivos. Esto les permitirá ser más juiciosos con sus prácticas, así como limitar los efectos ambientales de la fumigación.

Comprender la salud del suelo es otra área que está siendo transformada por la tecnología. La única forma precisa de tener una idea de los nutrientes en el suelo en este momento es tomar una muestra, enviarla a un laboratorio y esperar su informe, un proceso que puede llevar desde varios días hasta varios meses. Tampoco es rentable hacerlo muy a menudo en un campo grande. Estos problemas son barreras para la toma de decisiones precisas sobre cuándo y dónde usar fertilizantes. Algunas partes de un campo pueden requerir más nitrógeno, por ejemplo, mientras que otras partes necesitan más fósforo, y la única forma de saberlo es tomando múltiples muestras de suelo a lo largo del tiempo.

ChrysaLabs, una empresa nueva con sede en Montreal, desarrolló un "laboratorio en un palo" para generar datos del suelo en tiempo real que incluyen información sobre nutrientes y carbono, más barato por hectárea que el muestreo de suelo tradicional. Ya se está utilizando en cuatro millones de hectáreas en los EE. UU. y Canadá.

Los créditos de carbono son otra forma en que los agricultores monetizarán cada vez más su tierra, adoptando prácticas o productos que secuestran carbono y vendiendo esos créditos a organizaciones que desean compensar su uso de carbono. Pero el mercado de créditos de carbono ha estado plagado de problemas, incluidas acusaciones de fraude. Se necesita mucho una forma precisa de medir científicamente el carbono.

Guillaume Breton-Menard, director de operaciones de ChrysaLabs, señala que algunos propietarios han esperado un año y medio para que un laboratorio analice sus niveles de carbono. Su sonda de suelo, dice, lo hace en 20 segundos.

“Si hay una ONG o alguien en el futuro que quiera analizar sus cálculos, podría correr el riesgo de darse cuenta de que su cuantificación no fue lo suficientemente sólida. Así que queremos llevar al mercado una metodología más sólida que reduzca el riesgo reputacional”, explica Breton-Menard.

Desde cultivos más resistentes y mejores datos hasta prácticas más ventajosas, hay razones para pensar que la granja del futuro será un sistema eficiente e integrado que beneficie a los productores, los consumidores y el planeta por igual.