مهندسی بی‌نهایت: کشاورزی هوشمند و تغذیه پایدار

گرسنگی، سوءتغذیه و کمبود مواد غذایی، زندگی انسان‌ها را در بخش‌های مختلفی از جهان، همچون نپال و اوگاندا، با مشکل مواجه کرده‌اند. هرچند اقداماتی همچون ارسال محموله‌های غذایی می‌توانند در کوتاه مدت به کاسته شدن سطح این معضلات کمک کنند؛ اما راه حل اصلیِ مبارزه با کمبود مواد غذایی، تولید مواد غذایی بیشتر، به‌شکل بهینه و با بازدهی بالا است. بر اساس پیش‌بینی‌ها، جمعیت جهان تا سال ۲۰۵۰ به حدود ۱۰ میلیارد نفر خواهد رسید. برای تامین غذای مورد نیاز این جمعیت، نمی‌توان به روش‌های سنتی کشاورزی وابسته بود.

اگر قرار است صنعت کشاورزی غذای مورد نیاز این جمعیت را تامین کند، از چه راهی می‌توان به این هدف دست یافت؟ بدیهی است که پایبند ماندن به روش‌های قدیمی در کشاورزی، نمی‌تواند به کاهش مشکل کمبود غذا در جهان کمک کند؛ بلکه بایستی در پی دست‌یابی به روش‌های نوینی باشیم تا بتوانیم بازده کشاورزی را به میزان قابل توجهی افزایش دهیم. خبر خوش این است که تلاش برای به‌روزرسانی و هوشمندسازی صنعت کشاورزی از مدت‌ها پیش صورت گرفته است و برخی کشورها به موفقیت‌های قابل توجهی در این حوزه دست پیدا کرده‌اند. در این مطلب از مجموعه مقالات مهندسی بی‌نهایت، نگاهی گذرا خواهیم داشت بر اثرات دنیای مهندسی بر صنعت کشاورزی؛ از شما دعوت می‌کنیم تا انتها با زومیت همراه باشید.

کشاورزی هوشمند

بر اساس برخی یافته‌ها، پیشینه‌ی حرفه‌ی کشاورزی به بیش از ۱۲ هزار سال پیش می‌رسد؛ با این وجود، یافته‌های دیگری نیز وجود دارند که نشان می‌دهند اولین تلاش‌های انسان برای کاشت گیاهان و برداشت محصول ۲۳٫۰۰۰ سال پیش صورت گرفته‌اند. تصویری که اکثر ما از کشاورزی در ذهن داریم، شغلی پرزحمت است که تنها افرادی سخت‌کوش به دنبال آن خواهند رفت. در نگاه بسیاری از ما، تراکتورها، کمباین‌ها و برخی دیگر از ماشین‌آلات کشاورزی از جمله‌ی معدود ماشین‌های صنعتی هستند که به این حرفه‌ی باستانی راه پیدا کرده‌اند.

حقیقت این است که حرفه‌ی کشاورزی نیز همچون دیگر جنبه‌های زندگی بشر، با رشد فناوری به سمت پیشرفت و بالندگی بیشتر حرکت کرده‌است. به لطف پیشرفت‌های حاصل شده در زمینه‌های مختلف از جمله ماشین‌آلات کشاورزی، روش‌های نوین آبیاری، فناوری‌های نظارتی، مهندسی ژنتیک و… کشاورزی از حرفه‌ای سخت و پرمشقت، به صنعتی پویا و پرسود تبدیل شده است. کشورهایی مانند هلند، آلمان و فرانسه به لطف استفاده از فناوری‌های مدرن، ضمن آسان ساختن و کاهش قابل توجه زحمات و مشقات حرفه‌ی کشاورزی، سود قابل توجهی نیز از این صنعت به دست می‌آورند.

استفاده از فناوری‌های مدرن باعث شده است این کشورهای نسبتا کوچک اروپایی، از نظر صادرات محصولات کشاورزی با کشورهای پهناوری همچون ایالات متحده به رقابت بپردازند. در جدول زیر، می‌توانید میزان صادرات محصولات کشاورزی دو کشور پهناور جهان را با صادرات محصولات کشاورزی هلند، آلمان و فرانسه مقایسه کنید.

هرچند در این جدول برخی متغیرهای تاثیرگذار در کشاورزی، از جمله تنوع آب و هوایی، مساحت زمین‌های حاصل‌خیز، میزان مصرف داخلی و… مدنظر قرار نگرفته‌اند؛ اما واضح است که سه کشور فرانسه، آلمان و هلند، با وجود مساحت کم، صادرات کشاورزی پرسودی دارند. جالب اینجا است که مساحت برزیل بیش از ۲۰۰ برابر مساحت هلند است؛ اما کشاورزان هلندی در زمینه‌ی صادرات محصولات‌شان، به‌مراتب موفق‌تر از همتایان برزیلی‌شان بوده‌اند.

سوال اصلی این است که این کشورها چگونه توانسته‌اند در زمینه‌ی صادرات محصولات کشاورزی، کشورهای پهناوری همچون ایالات متحده و برزیل را به چالش بکشند. پاسخ این سوال ساده است: استفاده از فناوری‌های مدرن کشاورزی و بهره‌گیری از کشاورزی هوشمند. واژه‌ی کشاورزی هوشمند به استفاده از روش‌ها و ابزارهای نوین در صنعت کشاورزی اشاره می‌کند. به‌طوری که با استفاده از آن‌ها، بازدهی مزارع به‌طور قابل توجهی افزایش می‌یابد. در ادامه با برخی از این روش‌ها و ابزارهای نوین آشنا می‌شویم.

استفاده از حسگرها در کشاورزی

در شیوه‌ی سنتی، جهت تحلیل وضعیت خاک از تکنیک‌های سنتی نمونه‌برداری استفاده می‌شود. در این تکنیک‌ها، به‌ازای هر چند هزار متر مربع، نمونه‌ای از خاک تهیه شده و جهت بررسیِ مواد موجود در آن به آزمایشگاه ارسال می‌شود. اما حسگرهای مدرن کار را برای کشاورزان ساده کرده‌اند و دقت نمونه‌برداری را از چندین هزار متر مربع به چند سانتی‌متر مربع افزایش داده‌اند. حسگرهای کشاورزی یا درون خاک نصب می‌شوند یا روی وسائلی همچون ماشین‌آلات کشاورزی، پهپادها و ماهواره‌ها قرار می‌گیرند.

یکی از رایج‌ترین حسگرها، حسگرهای چندطیفی (Multispectral) هستند که می‌توانند با توجه به طیف نوری بازتاب داده شده توسط گیاهان، وضعیت رشد آن‌ها را تعیین کنند. همانگونه که گفته شد، این حسگرها روی ابزارهایی نظیر پهپادها یا ماهواره‌ها نصب می‌شوند تا میزان رشد تک‌تک گیاهان تشخیص داده شود. شرکت آمریکایی Planet Labs از اطلاعات ماهواره‌ای جمع‌آوری شده استفاده می‌کند تا مزارع را به‌صورت منظم و در بازه‌های زمانی مشخص مورد بررسی قرار دهد. با وجود این که ماهواره‌ها به‌طور منظم اطلاعات را جمع‌آوری می‌کنند؛ اما این پهپادها هستند که می‌توانند از فاصله‌ای نزدیک‌تر مزارع را بررسی کنند و اطلاعات دقیق‌تری را در اختیار کشاورزان قرار دهند.

در یک نوآوری دیگر، شرکت Mavrx، قراردادی را با شرکت‌های مالک هواپیماهای سبک غیرنظامی به امضا رسانده و حسگرهای خود را روی این هواپیماهای کوچک نصب کرده است. این شرکت، داده‌های جمع‌آوری شده از حسگرهای هوایی را با داده‌های ماهواره‌ای جمع‌آوری می‌کند. این کار به Mavrx اجازه می‌دهد مساحت‌های گسترده‌ای را با دقت ۲۰ سانتی‌متر مربع تحت بررسی قرار دهد. داده‌های جمع‌آوری شده، علاوه بر وضعیت رشد گیاهان، مواردی مانند تراکم گیاهان ناخواسته و میزان خشکی زمین را شامل می‌شوند.

تصاویر تهیه شده با حسگرهای ماهواره‌ای توسط شرکت Mavrx

ماشین‌آلات کشاورزی هوشمند، از این داده‌های جمع‌آوری شده استفاده می‌کنند تا فرایندهایی مانند برداشت محصول، سم‌پاشی و چیدن گیاهان ناخواسته را با دقت فوق‌العاده‌ای انجام دهند. برای مثال، با کمک نقشه‌های تهیه شده از میزان رشد گیاهان در بخش‌های مختلف زمین، یک تراکتور هوشمند می‌تواند تنها گیاهان آماده‌ی مصرف را برداشت کند و گیاهان نارس تا زمان آماده شدن برداشت نخواهند شد. تراکتورهایی که به حسگرهای اختصاصی مجهز هستند، حتی دقت بیشتری دارند؛ کشاورزان هلندی با کمک این حسگرها محصولاتی مانند سیب‌زمینی را به‌صورت تک‌تک مورد بررسی قرار می‌دهند و در هر مرحله تنها آن‌هایی که مناسب برداشت هستند را از دل زمین خارج می‌کنند.

شرکت اسپانیایی AGROBOT ماشین برداشت هوشمندی موسوم به SW6010 تولید کرده که با کمک دوربین توت‌فرنگی‌ها را کنترل می‌کند و تنها آن‌هایی که آماده‌ی استفاده هستند را می‌چیند. چنین ربات‌هایی نه‌تنها دقت در برداشت محصول را افزایش می‌دهند؛ بلکه این کار را با سرعت بیشتری نیز انجام می‌دهند. هم‌اکنون نیز دانشمندان هلندی در حال کار روی ماشین‌هایی هستند که می‌توانند چیدن محصولات کشاورزی بزرگ‌تر را با دقت بالاتری به انجام برسانند. طرح مفهومی تراکتور NHDrive محصول شرکت New Holland نیز یکی از طرح‌های آینده‌نگرانه برای تراکتورهای هوشمند است. با کمک این تراکتورها، کشاورزان وظائفی مانند برداشت محصول یا کشت بذر را از دفتر کار خود و با کمترین زحمت به انجام می‌رسانند.

نرم‌افزار کنترل تراکتور هوشمند NHDrive

آبیاری هوشمند نیز یکی دیگر از مزایای استفاده از حسگرها است. در حال حاضر، عمل آبیاری با روش‌های مختلف نظیر قطره‌ای، بارانی و… و بر اساس برنامه‌ی زمان‌بندی مشخص انجام می‌شود. اما با کمک حسگرها، می‌توان برنامه‌ریزی آبیاری را به‌صورت هوشمند درآورد. شرکت CropX با استفاده از حسگرهای خاک، میزان دما و رطوبت خاک را مورد سنجش قرار می‌دهد تا مشخص کند که چه بخش‌هایی از خاک به آبیاری بیشتری نیاز دارند و کدام بخش‌ها به آبیاری کمتری نیاز دارند. همچنین، با کنترل مداوم داده‌های دریافتی از حسگرها، تنها در زمان نیاز و به میزان لازم عمل آبیاری انجام می‌شود.

شرکت آمریکایی CropX نقشه‌های تهیه شده شده توسط حسگرهای خاک را با سیستم‌های آبیاری قطره‌ای که در دل خاک قرار دارند ترکیب کرده تا ضمن جلوگیری از بخار شدن بی‌رویه‌ی آب، بهره‌وری آبیاری را هم به حداکثر برساند. لازم به ذکر است که حسگرهای استفاده شده توسط CropX می‌توانند سطح رطوبت و دما را در عمق‌های مختلف مورد بررسی قرار دهند. استفاده از سیستم‌های آبیاری هوشمند، میزان مصرف آب را در برخی مزارع تا ۳۰ درصد کاهش می‌دهد.

نمونه‌ای از نقشه‌ی آب‌رسانی و مقایسه‌ی آن با نتیجه‌ی برداشت محصول

نورافشانی مصنوعی و کنترل محیطی

شکی نیست که عوامل محیطی از جمله میزان تابش نور خورشید، سطح بارش، دمای هوا، میزان رطوبت و… از جمله عوامل تاثیرگذار در کشاورزی هستند. گلخانه‌ها از جمله رایج‌ترین ابزارهایی هستند که به کشاورزان کمک می‌کنند عوامل محیطی را تا حدی کنترل کنند. با توجه به اهمیت کنترل عوامل محیطی، کشورهای پیشرو در عرصه‌ی کشاورزی همچون هلند، بخش زیادی از کشاورزی خود را به‌صورت گلخانه‌ای انجام می‌دهند.

اما دانشمندان پا را از این نیز فراتر گذاشته‌اند و در اندیشه‌ی تجاری‌سازی ایده‌ی مزارع کاملا کنترل شده هستند. یکی از این طرح‌ها تحت نظارت دانشگاه کمبریج و در منطقه‌ی کلپ‌هام در جنوب لندن در حال اجرا است. در این برنامه‌ی تحقیقاتی ۲۰ نوع گیاه که معمولا در تهیه‌ی سالاد مورد استفاده قرار می‌گیرند، در شرایط کاملا مصنوعی کشت شده‌اند. برای این پروژه از نام Growing Underground یا همان «پرورش زیرزمینی» استفاده شده است.

نور مورد نیاز برای گیاهان در پروژه‌ی پرورش زیرزمینی از طریق چراغ‌های LED تامین می‌شود؛ با کمک این چراغ‌ها، نه‌تنها میزان تابش قابل تنظیم است، بلکه می‌توان طیف نوری تابیده شده به هر گیاه را به‌صورت جداگانه تعیین کرد. متغیرهای دیگر همچون دما و رطوبت نیز به طور دائم کنترل می‌شوند و داده‌های جمع‌آوری شده مستقیما به بخش مهندسی دانشگاه کمبریج ارسال می‌شوند.

کشت کنترل شده با نور LED

شایان ذکر است که ایده‌ی مزارع کاملا کنترل شده صرفا ایده‌ای تحقیقاتی نیست؛ بلکه در حال حاضر ساختمان‌های قدیمی و بلااستفاده از جمله کارخانه‌ها، انبارها و… به مزارع کنترل شده تبدیل شده‌اند. هدف این مزارع این است که با کنترل تمام متغیرهای موثر بر رشد گیاهان، شرایط آب و هوایی نقاط مختلف جهان را به صورت مصنوعی بازسازی کنند.

در راستای تحقق کامل ایده‌ی شبیه‌سازی شرایط آب و هوایی، پروژه‌ی جنبش کشاورزی آزاد (Open Agriculture Initiative) در موسسه‌ی فناوری ماساچوست (MIT) از سال ۲۰۱۵ شروع شده است. هدف این پروژه تنها ساخت محیط‌های کنترل شده نیست، بلکه محققان MIT در نظر دارند بسترهایی موسوم به «رایانه‌های غذایی» یا Food Computer تولید کنند. رایانه‌های غذایی مجموعه‌ای از بسترهای هواکِشتی و آبکِشتی (بسترهای کشت بدون خاک) هستند که به حسگرهای مختلفی مجهز شده‌اند. این بسترها از امکان پایش و تغییر دائمی تمامی متغیرهای اثرگذار بر رشد گیاه برخوردار هست

کافی است کشاورزان شرایط آب و هوایی مورد نظر خود را انتخاب کنند و فارغ از محدودیت‌های جغرافیایی و اقلیمی، به پرورش گیاهان مورد نظر خود بپردازند. البته در حال حاضر کشت همه‌ی گیاهان با این شیوه توجیه اقتصادی نداشته و پرورش کاملا کنترل شده برای انواع خاصی از گیاهان مورد استفاده قرار می‌گیرد. در شرایط فعلی دانشمندان دو هدف را در این زمینه دنبال می‌کنند؛ اولین هدف، تهیه‌ی فهرستی از شرایط اقلیمی قابل شبیه سازی است. این لیست به کشاورزان اجازه می‌دهد به سادگی شرایط اقلیمی مورد نظر خود را انتخاب کنند و با کمترین دردسر به کشت محصول بپردازند. دومین هدف نیز فراهم آوردن امکان پرورش گیاهان بیشتر در بسترهای کنترل شده است.

رایانه‌ی غذایی در دانشگاه MIT

از جمله مزایای پرورش کنترل شده‌ی محصولات کشاورزی این است که می‌توان آن‌ها را در نزدیکی محل مصرف‌شان پرورش داد تا هزینه‌های حمل و نقل به حداقل برسد. اما عده‌ای نگران هستند که با فراگیر شدن این فناوری مدرن در کشاورزی، کشورهای ثروتمند تمامی محصولات مورد نیازشان را به‌طور داخلی تولید خواهند کرد و صنعت کشاورزی در کشورهای ضعیف‌تر، که به صادرات گونه‌های معدودی از مواد غذایی وابسته هستند، رو به افول خواهد گذاشت. در حال حاضر اندکی بیش از ۳۰ رایانه‌ی غذایی در جهان به‌طور فعال مورد استفاده قرار می‌گیرند و حدودا ۱۰۰ رایانه‌ی دیگر نیز در دست ساخت هستند؛ اما مشخص نیست که در درازمدت این روش نوین، کشاورزی در کشورهای ضعیف‌تر را تحت تاثیر قرار خواهد داد یا خیر.

مهندسی زیستی و اصلاحات ژنتیک

کشاورزان از هزاران سال پیش، با کشت گزینشی گیاهان مختلف، انواعی از تغییرات ژنتیک را در گیاهان ایجاد کرده‌اند. برای مثال، آن‌ها همواره تلاش کرده‌اند تا ذرت‌های بارورتر را پرورش دهند؛ همچنین، کشاورزان ذرت را در اقلیم‌های متفاوتی کشت کرده‌اند. تمام این موارد موجب تغییر در ژن‌های ذرت شده است؛ اما نمی‌توان آن را مهندسی ژنتیک قلمداد کرد. در مهندسی ژنتیک، DNA به طور مستقیم دستکاری می‌شود؛ اما انجام چنین کاری تنها از دهه‌ی ۷۰ امکان‌پذیر شده است. عرضه‌ی غذاهای اصلاح شده با مهندسی ژنتیک در ایالات متحده از سال ۱۹۹۴ شروع شده است.

گیاهانی که با اصلاحات ژنتیک تغییر پیدا کرده‌اند، در برابر آفت‌ها مقاومت بیشتری از خود نشان می‌دهند. برخی اصلاحات نیز به منظور بهبود طعم، افزایش میزان رشد و… انجام می‌شوند. این موارد به کشاورزان اجازه می‌دهند از آفت‌کش‌های کمتری استفاده کنند و محصولات بیشتری به دست آورند؛ به گفته‌ی رندی کراتز، مدیرعامل اتحادیه‌ی کشاورزان و مرتع‌داران ایالات متحده، مهندسی زیستی به بقای گیاهانی همچون پاپایای رنگین‌کمانی هاوائی که در خطر انقراض بوده کمک کرده است.

نمونه‌ای از ذرت که تحت اصلاح ژنتیک قرار گرفته است

اما شاید از خود بپرسید اصلاح ژنتیک چگونه انجام می‌شود. فرض کنید به دنبال دست‌یابی به نوعی ذرت هستیم که در مقابل یک ماده‌ی آفت‌کش از خود مقاومت نشان می‌دهد. مقاومت در مقابل آفت‌کش‌ها باعث می‌شود کشاورزان بتوانند بدون نگرانی از خراب شدنِ محصول، از آفت‌کش‌ها استفاده کنند. اولین قدم این است که ساختاری زنده (برای مثال یک باکتری) را پیدا کنیم که در برابر این آفت‌کش از خود مقاومت نشان می‌دهد. سپس، DNA مورد نظر از این ساختار زنده استخراج می‌شود.

توجه داشته باشید که دانشمندان به تمامی ژنوم باکتری نیاز ندارند؛ بلکه به دنبال ژنی هستند که موجب مقاومت در برابر آفت‌کش مورد نظر می‌شود. برای این کار، از فرایندی به نام «شبیه‌سازی ژن‌ها» استفاده می‌شود تا نسخه‌های مشابه زیادی از ژن مورد نظر تکثیر شوند. پس از آن، این ژن‌ها با برخی آنزیم‌ها از هم جدا می‌شوند؛ این کار به دانشمندان اجازه می‌دهد تغییراتی را در ژن‌ها ایجاد کنند. با استفاده از این روش دانشمندان می‌توانند ویژگی مقاومت در برابر آفت‌ها را به بخش‌های مختلفی از گیاهان (برای مثال، برگ‌های پوشش‌دهنده‌ی ذرت) محدود کنند.

در مرحله‌ی نهایی، ژن تغییر یافته (Transgene) آماده‌ی وارد شدن به DNA گیاه است. راه‌های مختلفی برای تزریق ژن‌ها به DNA مقصد وجود دارد؛ یکی از این راه‌ها، استفاده از نوعی باکتری است که می‌تواند ژن‌های تغییر یافته را به روش‌های طبیعی به هسته‌ی سلول‌های گیاهان تزریق کند. راه حل دوم، استفاده از راهکاری موسوم به «تفنگ ژنی» است. در این روش، ذره‌های کوچک طلا که با نسخه‌هایی از ژن تغییر یافته پوشانده شده‌اند به سلول‌های گیاهان تزریق می‌شوند. فرایند تزریق ژنی صدها بار تکرار می‌شود تا در نهایت ژن تغییر یافته با موفقیت به DNA مقصد وارد شود. در این حالت، به گیاه جدیدی دست پیدا کرده‌ایم که دارای خواص ژنتیک متفاوتی از نمونه‌ی اولیه است.

در ابتدای کار مهندسی ژنتیک در گیاهان، اصلاحات ژنتیک توانستند به دو موفقیت بزرگ دست پیدا کنند. یکی از این موفقیت‌ها انتقال دو ژن به برخی گیاهان از جمله ذرت، دانه‌های سویا و کتان بود. این دو ژن از برخی باکتری‌ها استخراج شده بودند و گیاهان را از خطر برخی آفت‌ها حفظ می‌کردند. یکی دیگر از موفقیت‌های اصلاحات ژنتیکی این بود که ژنی را به گیاهان منتقل کردند که مقاومت‌ آن‌ها را در مقابل سموم افزایش می‌دادند؛ بدین وسیله، سموم تنها گیاهان ناخواسته را از بین می‌بردند و به محصول نهایی صدمه‌ای وارد نمی‌کردند.

اما در کنار این دو موفقیت، یک شکست بزرگ نیز وجود داشت؛ اصلاحات ژنتیک چندان مورد پذیرش افکار عمومی قرار نگرفت و حتی امروزه نیز عده‌ی زیادی به طور کامل با ایده‌ی «دست‌کاری» مواد غذایی مخالف هستند. با وجود این‌که چندین دهه از انجام اولین اصلاحات ژنتیک می‌گذرد، این دیدگاه‌های منفی همچنان پابرجا هستند. در حال ۹۳ درصد از ذرت و سویای تولید شده در ایالات متحده از نظر ژنتیکی اصلاح شده‌اند؛ اما اغلب آن‌ها به عنوان غذای حیوانات استفاده می‌شوند. با این وجود، ۶۰ تا ۷۰ درصد غذاهای فرآوری شده حاوی دست کم یک نوع ماده‌ی غذایی هستند که از نظر ژنتیکی اصلاح شده است.

مطالعات علمی متعدد نشان می‌دهند ضررهای مواد غذایی اصلاح شده بیشتر از ضررهای مواد غذایی عادی نیست. اتحادیه‌ی توسعه‌ی علوم در ایالات متحده (American Association for the Advancement of Science) در این رابطه می‌گوید:

دیدگاه علم در این رابطه واضح و مشخص است: بهبودهای گیاهی با استفاده از تکنیک‌های مولکولی در حوزه‌ی فناوری‌زیستی امن هستند.

در مقابل، برخی از دانشمندان معتقدند که باید تحقیقات بیشتری روی این گیاهان صورت گیرد. علاوه بر این، عده‌ای معتقد هستند که این گیاهان می‌توانند آلرژی‌هایی ایجاد کنند که تا کنون وجود نداشته‌اند و قابل پیش‌بینی نیستند. گروهی دیگر نیز عقیده دارند که با اطمینان از مقاومت گیاهان در مقابل آفت‌کش‌ها، کشاورزان بیش از گذشته از آفت‌کش‌ها استفاده خواهند کرد و استفاده‌ی بی رویه از آفت‌کش‌ها نیز می‌تواند منجر به برخی مشکلات محیطی شود.

اکنون که دانشمندان به درک بیشتری از DNA گیاهان دست پیدا کرده‌اند؛ دست به تحقیق روی روش جدیدی در مهندسی ژنتیک زده‌اند که «ویرایش ژنوم‌ها» نام دارد. در این روش، ویرایش ژن‌ها به سطح دقیق‌تری رسیده و دانشمندان می‌توانند تغییرات ژنتیک را در سطح نوکلئوتید‌ها، که از آن‌ها با نام الفبای ژن‌ها نام برده می‌شود، انجام دهند. ویرایش ژنتیکی، بسیار شبیه به تغییرات ژنتیکی طبیعی است که در فرایند تکامل گیاهان صورت می‌گیرد. همچنین، این روش در مقایسه با اصلاحات ژنتیک سنتی از دقت بالاتری برخوردار است.

با توجه به مزایای ویرایش ژنوم‌ها، دانشمندان و شرکت‌های تجاری امیدوار هستند که این روش مورد پذیرش مردم قرار خواهد گرفت. احتمال می‌رود سازمان‌های بهداشتی نیز نظر مثبتی نسبت به این روش داشته باشند. در حال حاضر، محققان آکادمی علوم چین در حال استفاده از این روش برای توسعه‌ی نسخه‌ی اصلاح‌شده‌ای از گندم هستند که در مقابل بیماری خطرناک «سفیدک سطحی» مقاوم خواهد بود.

آفت‌کش‌ها و بارور کننده‌های زیستی

یکی از مشکلات اصلی آفت‌کش‌ها و بارورکننده‌های شیمیایی، حساسیت‌زا بودن آن‌ها است. علاوه بر این، آفت‌کش‌های شیمیایی، ضمن از بین بردن آفت‌ها، ممکن است به محصولات نیز صدمه وارد کنند. در مقابل این مشکلات، برخی از شرکت‌ها در حال ارائه‌ی راهکارهای زیستی برای جایگزینی آفت‌کش‌ها و بارورهای کننده‌های شیمیایی هستند.

برای مثال، از شفیره‌های کفش‌دوزک برای مقابله با شته‌ها (حشرات کوچکی که شیره‌ی گیاه را می‌مکند) استفاده می‌شود. شرکت آلمانی Bayer در برنامه‌ای موسوم به «کشاورزی پیشرفت‌گرا»، به کشاورزان کمک می‌کند تا لانه‌هایی دائمی برای زنبورها برپا کنند که «هتل زنبورها» نامیده می‌شوند. زنبورهایی که در این لانه‌ها زندگی می‌کنند می‌توانند عمل گرده‌افشانی را بهتر از هرگونه شیوه‌ی صنعتی به انجام برسانند. بر اساس آمار ارائه شده توسط شرکت هلندی Koppert، کشاورزانی که از روش‌های زیستی بهره می‌برند معمولا ۲۰ تا ۳۰ درصد محصول بیشتری برداشت می‌کنند.

از کفش‌دوزک‌ها به عنوان آفت‌کش استفاده می‌شود

میکروب‌ها نیز اگرچه موجودات خوش‌نامی نیستند، اما می‌توانند در کشاورزی به یاری انسان بشتابند. برای مثال، از میکروب‌ها برای تبدیل نیتروژن موجود در هوا به نیترات‌های حل شونده استفاده می‌شود؛ شایان ذکر است که نیترات‌های حل شونده به عنوان نوعی بارورکننده‌ی طبیعی شناخته می‌شوند. در حال حاضر شرکت آمریکایی Monsanto و شرکت دانمارکی Novozymes مجموعه‌ی مشترکی موسوم به BioAg تشکیل داده‌اند که تلاش دارد بازار آفت‌کش‌ها و بارورکننده‌های زیستی را تحت سلطه‌ی خود قرار دهد.

شرکت BioAg انواع آفت‌کش‌های زیستیِ ساخته شده از میکروب‌ها را برای مقابله با قارچ‌ها، حشرات و موجودات ذره‌بینی ارائه می‌کند. علاوه بر این، این شرکت راهکارهای زیستی را برای آزادسازی ترکیبات نیتروژن، فسفر و پتاسیم ارائه می‌کند. شرکت‌ هلندی DSM و شرکت آمریکایی DuPont نیز از جمله شرکت‌هایی هستند که در حال توسعه‌ی راهکارهای زیستی برای بهبود رشد گیاهانی همچون کتان، ذرت، سویا و گندم هستند. این شرکت‌ها به دنبال راهکارهایی زیستی هستند که به کمک آن‌ها بتوان مقاومت گیاهان را در مقابل سیل یا شوری بیش از حد آب افزایش داد.

زنبورها نوعی بارور کننده‌ی طبیعی هستند

نظارت داده‌محور و راهکارهای مبتنی بر رایانش ابری

تا کنون در این مقاله با انواع مختلفی از فناوری‌های مدرن در علم کشاورزی آشنا شده‌ایم. سوالی که پیش روی کشاورزان قرار می‌گیرد این است که هرکدام از این فناوری‌ها تا چه اندازه بهره‌وری مزارع را افزایش می‌دهند. شاید میزان بهره‌وری افزوده شده در نتیجه‌ی استفاده از هرکدام از این فناوری‌ها تا حدی قابل اندازه‌گیری باشد؛ اما سوال بزرگ‌تری که پیش روی کشاورزان قرار دارد این است: تمام فناوری‌ها در مجموع چه اندازه بهره‌وری کشاورزی را افزایش می‌دهند؟

به لطف گسترش استفاده از حسگرها در کشاورزی، داده‌های زیادی از مزارع جمع‌آوری می‌شوند که می‌توانند برای پاسخ دادن به سوال فوق مفید باشند؛ اما وقتی حجم داده‌ها زیاد باشد، تجزیه و تحلیل آ‌ن‌ها با روش‌های سنتی امکان‌پذیر نخواهد بود. این‌جا است که پای نظارت داده‌محور به میدان باز می‌شود. در این روش، داده‌های جمع‌آوری شده از مزارع در بازه‌های زمانی مختلف توسط مدل‌های رایانه‌ای مورد پردازش قرار می‌گیرند تا میزان بهره‌وری حاصل از به‌کارگیری فناوری‌های مختلف مورد سنجش قرار گیرد.

علاوه بر استفاده از رایانه برای انجام تحلیل‌های جامع، در مزارع از اتصال بی‌سیم برای انتقال داده از حسگرهای مختلف به رایانه‌های مرکزی بهره گرفته می‌شود. برای مثال، میزان رطوبت خاک به‌طور منظم به رایانه‌های مرکزی اطلاع داده می‌شود؛ رایانه‌ی مرکزی نیز بر اساس میزان رطوبت گزارش شده، در زمان لازم و به میزان لازم عمل آب‌رسانی را انجام می‌دهد. دقت چنین روش‌هایی تا حدی بالا است که می‌توان تعیین کرد رطوبت به تمامی بخش‌های ریشه‌ی یک گیاه رسیده است یا خیر. همچنین، بر اساس اطلاعات دریافتی از حسگرهای مختلف، رایانه‌های مرکزی بارورکننده‌ها را نیز به طور خودکار به محلول آبیاری اضافه می‌کنند تا استفاده از بارورکننده‌ها نیز تنها در زمان لازم انجام شده و این مواد شیمیایی تنها به میزان مورد نیاز به خاک تزریق شوند.

در زمان برداشت نیز حسگرهای نصب شده روی ماشین‌های کشاورزی می‌توانند میزان باروری مناطق مختلف زمین و انواع مختلف گیاهان را تعیین کنند. با کمک اطلاعات جمع‌آوری شده، رایانه‌ها مشخص می‌کنند که چه بخش‌هایی از زمین نیاز به اصلاح دارند و چه گیاهانی بهترین رشد را داشته‌اند. تحلیل چنین اطلاعاتی به ویژه برای سنجش اثربخشی بارورکننده‌ها، آفت‌کش‌ها و اصلاحات ژنتیکی حیاتی است.

اما برخی شرکت‌ها از جمله شرکت هلندی SoilCares پا را از این فراتر گذاشته‌اند و دست به ارائه‌ی راهکارهای ابری برای کمک به کشاورزان زده‌اند. برای مثال، SoilCares به کشاورزانی که در کشورهای فقیر زندگی می‌کنند اجازه می‌دهد با حسگرهای قابل حمل از بخش‌های مختلف زمین داده‌هایی را جمع‌آوری کنند. این داده‌ها به سرورهای این شرکت در هلند ارسال می‌شوند و مورد تحلیل قرار می‌گیرند. نتایج تحقیق به کشاورزانی که در مناطق فقیر جهان زندگی می‌کنند اجازه می‌دهد با کمترین هزینه و بدون نیاز به آرایه‌های پیچیده‌ای از حسگرها، از مزارع خود نمونه‌برداری کرده و پیشنهادهایی را برای بهبود کارشان دریافت کنند.

کشاورزان در حال استفاده از حسگر قابل حمل SoilCares

شرکت‌هایی مانند Mavrx نیز تصاویر و نقشه‌های ماهواره‌ای چند‌دهه‌ی اخیر و اطلاعات جمع‌آوری شده از مزارع را در بانک اطلاعاتی خود ذخیره می‌کنند. این اطلاعات به Mavrx کمک می‌کنند تا پیشینه‌ی کاملی از مزارع تحت پوشش خود تهیه کند؛ این پیشینه می‌تواند تاریخچه‌ی خاک مزارع، میزان آبیاری، گیاهان کاشته شده در گذشته و… را به کشاورزان نشان دهد. اطلاعاتی که در بازه‌های زمانی طولانی جمع‌آوری شده‌اند به کشاورزان کمک می‌کنند تا تصمیم بگیرند که چه گیاهانی برای کاشت در مزارع آن‌ها مناسب‌تر هستند. هرچند Mavrx در حال حاضر پیشینه‌ی مزارع را به صورت موردی جمع‌آوری می‌کند؛ اما هدف آن‌ها تهیه‌ی بانک‌های اطلاعاتی منطقه‌ای و کشوری است.

امروز شرکت‌هایی همچون شرکت سوئدی Syngenta و شرکت چینی ChemChina تنها به فروش ماشین‌آلات، مواد شیمیایی و بذرها بسنده نمی‌کنند. آن‌ها نرم‌افزارها و سرویس‌های ابری را به کاربران خود ارائه می‌دهند که امکان تحلیل لحظه‌ای و دوره‌ای داده‌های دریافت شده از مزارع را فراهم می‌کنند. نتایج این تحلیل‌ها به کشاورزان کمک می‌کنند تا تصمیمات مناسب‌تری اتخاذ کنند و بهره‌وری کار خود را به حداکثر برسانند.

سخن آخر

همچون دیگر جنبه‌های زندگی بشر، فناوری در حوزه‌ی کشاورزی نیز نفوذ فراوانی داشته است. مزارع مدرن امروزی با وجود مجموعه‌ای از حسگرها، ماشین‌آلات هوشمند، رایانه‌های مرکزی و راهکارهای ابری، بیشتر شبیه به کارخانه‌ای پیشرفته هستند که با کمترین هزینه بیشترین محصول را تولید می‌کند. نه‌تنها راهکاری مدرن بهره‌وری مزارع را افزایش می‌دهند؛ بلکه به لطف فناوری‌های مدرن، امکان پرورش گیاهان مختلف در نقاط مختلف جهان فراهم شده است. به لطف فناوری‌های کنترل محیطی، گیاهانی که در گذشته تنها در نواحی جغرافیایی خاصی پرورش داده می‌شدند، امروزه در نقاطی پرورش می‌یابند که پیش از این امکان پرورش آن‌ها میسر نبوده است.

جمعیت جهان تا سال ۲۰۵۰ به چیزی در حدود ۱۰ میلیارد نفر خواهد رسید. برای ریشه‌کن کردن مشکل گرسنگی و رساندن مواد غذایی لازم به تمام این ۱۰ میلیارد نفر، ظرفیت فعلی کشاورزی جهان باید به میزان ۷۰ درصد افزایش پیدا کند. بدیهی است که بدون تکیه بر نوآوری‌های علمی، دست‌یابی به این هدف غیرممکن خواهد بود.

از سوی دیگر، عده‌ای نگران هستند که رشد فناوری کشاورزی در کشورهای ثروتمند، توانایی رقابت در حوزه‌ی کشاورزی را از کشورهای ضعیف‌تر خواهد گرفت؛ اما اگر همین فناوری‌ها به مناطق فقیرتر جهان، از جمله آفریقا صادر شوند؛ می‌توانند برای رفع معضلاتی همچون قحطی مورد استفاده قرار گیرند. در مجموع، کشاورزی هوشمند نوید دهنده‌ی آینده‌ای پایدار برای صنعت کشاورزی است؛ آینده‌ای که در آن خبری از گرسنگی نخواهد بود غذای کافی در اختیار تک تک مردم جهان قرار خواهد گرفت.