El Futuro de la Agricultura

Martes, Enero 3, 2017

Traducción del inglés al español de informe de la Revista The Economist,

 publicado el 9 de junio del 2016

 

 

Informe Tecnológico Trimestral – EL FUTURO DE LA AGRICULTURA

 

1.     Fábrica de Productos Frescos

 

Si la agricultura va a continuar alimentando al mundo, se debe volver más como un proceso de manufactura, dice Geoffrey Carr. Afortunadamente esto ya está comenzando.

Tom Rogers es un agricultor de almendras en el condado de Madera, en el Valle Central de California. Las almendras son deliciosas y nutritivas. También son lucrativas. Los agricultores californianos, que entre ellos cultivan el 80% de la oferta mundial de esta nuez, ganan $11 billones de dólares con este negocio. Pero las almendras tienen sed. Un cálculo realizado hace seis años por una pareja de investigadores holandeses sugiere que cultivar uno solo de ellos consume aproximadamente un galón de agua. Esto equivale casi a un galón americano de 3,8 litros, no a uno imperial de 4,5 litros, pero aún así es una gran cantidad de H2O. Y hay que pagar por el agua.

Sin embargo la tecnología ha venido a ayudar al Sr. Roger. Su granja está cableada como un laboratorio de ratas. O para ser más preciso, es inalámbrico. Sensores de humedad instalados a través de la huerta de nueces vigilan lo que sucede en la tierra. Envían sus resultados a un computador en la nube (la red de servidores que hacen una creciente cantidad del trabajo de cómputo más pesado del mundo) para ser procesado. Los resultados son devueltos al sistema de irrigación de la granja, una red de cintas de goteo (mangueras con huecos perforados), que son llenados por bombas.

El sistema imita los hidropónicos usados para cultivar vegetales en invernaderos. Cada media hora, un pulso de agua, calibrado con cuidado de acuerdo con los cálculos de la nube, mezclado con la dosis apropiada de fertilizantes si así está programado, es empujado por las cintas, entregando una aspersión precisa en cada árbol. Estos pulsos alternan cada lado del tronco del árbol, donde la experiencia ha demostrado que estimula la toma de agua. Antes de implementar este sistema, el Sr. Rogers habría irrigado su granja una vez a la semana. Con la nueva técnica de poco pero frecuentemente, él utiliza un 20% menos de agua que antes. Esto ahorra dinero y da prestigio ya que California ha sufrido por más de cuatro años sequía y existe una presión social, política y financiera para la conservación del agua.  

La granja del Sr. Rogers y otras similares que cultivan otras cosechas de alto valor pero sedientos tales como los pistachos, nueces y uvas, están a la vanguardia de este tipo de agricultura de precisión, conocido como “agricultura inteligente”. Pero no sólo los agricultores de frutas y nueces se benefician de esta precisión. Los llamados cultivos de línea (el maíz y la soya que cubren gran parte del medio oeste de Estados Unidos) también se están tecnificando. La siembra, el riego, la fertilización y la cosecha son todos controlados por computadora. Inclusive el suelo en el que crecen es monitoreado durante cada segundo de su vida.

La gente querrá comer mejor que en la actualidad

Por lo tanto las granjas son cada vez más parecidas a fábricas: con operaciones estrictamente controladas para entregar productos confiables, inmunes en la máxima medida posible a los caprichos de la naturaleza. Gracias a una mejor comprensión del ADN, las plantas y los animales criados en una granja también son estrechamente controlados. La manipulación genética precisa, conocida como “la edición del genoma”, hace que sea posible cambiar el genoma un cultivo o descender el genoma de un animal al nivel de una sola “letra” genética. Se espera que esta tecnología tenga mayor aceptación de los consumidores que el intercambio de genes enteros entre especies basada en la ingeniería genética anterior, porque simplemente imita el proceso de mutación sobre la cual ha dependido siempre el mejoramiento de cultivos, pero de una manera mucho más controlable.

La comprensión de la secuencia del ADN de un cultivo también significa que la reproducción en sí mismo puede ser más precisa. No es necesario hacer crecer una planta hasta la madurez para saber si tendrá las características deseadas.  Un vistazo rápido a su genoma le dirá de antemano.

Tales cambios tecnológicos en hardware, software y “elemento humano”, están llegando más allá del campo, huerto y establo. La piscicultura también recibirá un impulso de ellos. Y la horticultura de interiores, que ya es el tipo de agricultura más controlada y precisa, está a punto de serlo aún más.

A corto plazo estas mejoras aumentarán las ganancias de los agricultores, mediante la reducción de costos y aumento de rendimientos, y también deberá beneficiar a los consumidores (es decir todos los que se alimentan con comida) en la forma de precios más bajos. Sin embargo a largo plazo, pueden ayudar a proporcionar la respuesta a una pregunta cada vez más urgente: ¿cómo se puede alimentar al mundo en el futuro sin poner una tensión irreparable sobre la tierra y los océanos del planeta? Entre ahora y el 2050 la población del planeta probablemente aumentará a 9,7 mil millones de los 7,3 mil millones de ahora.  Esas personas no sólo necesitarán comer, querrán comer mejor que las personas ahora, porque para entonces la mayoría probablemente tenga ingresos medianos y muchos serán más adinerados.

 

 

 

 

 

Traducción del gráfico – Contenido del menú mundial

Calorías diarias por persona por tipo de comida

Cereals, roots and pulses: en español, Cereales, raíces y legumbres

Sugar: en español, Azúcar

Vegetable oils: en español, Aceites vegetales

Meat: en español, Carnes

Dairy: en español, Lácteos

Others: en español, Otros

La Organización Mundial para la Agricultura y la Alimentación, la agencia de las Naciones Unidas encargada de estos asuntos, publicó un informe en el 2009 sugiriendo que en el 2050 la producción agrícola tendrá que aumentar en un 70% para satisfacer la demanda proyectada. Dado que la mayoría de las tierras aptas para la agricultura ya están cultivadas, el crecimiento tendrá que venir de mayores rendimientos. La agricultura en el pasado, ha sufrido cambios que mejoran el rendimiento incluyendo la mecanización antes de la segunda guerra mundial y la introducción de nuevas variedades de cultivos y productos químicos agrícolas en la revolución verde de los años 1950 y 1960. Sin embargo, los rendimientos de los cultivos importantes tales como el arroz y el trigo han dejado de incrementar en algunas zonas del mundo con agricultura intensiva, un fenómeno llamado estancamiento del rendimiento (yield plateauing en inglés). La difusión de las mejores prácticas existentes puede, sin duda, llevar los rendimientos de otros lugares hasta este punto. Pero para llegar más allá de este punto, se requerirá de una mejor tecnología.

Esto será un reto. Los agricultores son famosos y sensibles por ser escépticos al cambio, ya que el costo de equivocarse (arruinar la temporada completa de cosecha) es muy alto. Pero si la agricultura de precisión y la genómica resultan como muchos esperan, otro cambio estará en el horizonte.    

 

2.     Granjas Inteligentes: El Valle del Silicio se encuentra con el Valle Central

En diferentes aspectos, la tecnología de la información se está tomando la agricultura

Una forma de ver la agricultura es compararla con una rama de matrices del álgebra. Un agricultor constantemente tiene que hacer malabares con una serie de variables tales como el clima, los niveles de humedad y el contenido de nutrientes en el suelo, la competencia por sus cultivos por parte de la maleza, amenazas a su salud por plagas y enfermedades, y los costos de adoptar medidas para hacer frente a estas cosas. Si calcula el álgebra correctamente, o si lo hacen en su nombre, optimizará el rendimiento y maximizará su ganancia.

El trabajo de la agricultura inteligente, entonces, es doble. Una consiste en medir las variables que forman parte de la matriz, tan preciso como es rentable. La otra consiste en aligerar al agricultor de la carga de procesar la matriz hasta donde se sienta cómodo al cederlo a una máquina.

Un ejemplo temprano de precisión rentable en la agricultura fue la decisión tomada en el 2001 por John Deere, el mayor fabricante mundial de maquinaria agrícola, de introducir en sus tractores y otras máquinas móviles, sensores GPS (sistema de posicionamiento global), para que pudieran ser localizados dentro de unos pocos centímetros en cualquier lugar de la tierra. Esto hizo posible frenarlos de cubrir dos veces el mismo terreno o saltarse pedazos durante el desplazamiento hacia arriba y hacia abajo en el campo, el cual ha sido un problema frecuente. Manejar esto redujo las cuentas de combustible (hasta en un 40% en algunos casos) y mejoró la uniformidad y eficacia de cosas como fertilizantes, herbicidas y fumigación con pesticidas.     

Bichos en el sistema

Las bacterias y los hongos pueden ayudar a los cultivos y al suelo

Los microbios, aunque tienen mala fama como agentes de enfermedades, también desempeñan un papel beneficioso en la agricultura. Por ejemplo, fijan el nitrógeno del aire en nitratos solubles que actúan como fertilizante natural. La comprensión y explotación de dichos organismos en la agricultura es una parte de rápido desarrollo dentro de la biotecnología agrícola.

Por el momento, la iniciativa está siendo asumida por una colaboración entre Monsanto y Novozymes, una empresa danesa.

Este consorcio, llamado BioAg, comenzó en 2013 y tiene una docena de productos a base de microbios en el mercado. Estos incluyen fungicidas, insecticidas e insectos que liberan compuestos de nitrógeno, fósforo y potasio del suelo, haciéndolos solubles y por lo tanto más fácil para ser absorbidos por los cultivos. El año pasado, investigadores de dos firmas probaron otros 2,000 microbios en busca de las especies que podrían incrementar los rendimientos del maíz y de la soya. Las cepas de mayor rendimiento produjeron un incremento de casi 3% en ambos cultivos.

En noviembre del 2015 Syngenta y DSM, una compañía holandesa, formaron una sociedad similar. Y a principios de ese año, en abril, DuPont compró Taxon Biosciences, una compañía de microbios de California. Y abundan comienzos esperanzadores. Uno de ellos es Indigo en Boston. Sus investigadores están llevando a cabo pruebas de campo con algunos de sus 40,000 microbios para ver si se puede aliviar la presión sobre el algodón, el maíz, la soya y el trigo inducida por la sequía y la salinidad. Otra se llama Adaptive Symbiotic Technologies de Seatttle. Los científicos que formaron esta compañía estudian los hongos que viven simbióticamente dentro de las plantas. Ellos creen haber encontrado uno, cuyo compañero natural es el panizo (panic grass en inglés), una especie costera que confiere resistencia a la salinidad cuando se transfiere a cultivos como el arroz.

Sin embargo, el gran premio sería el de persuadir a las raíces de los cultivos como el trigo, para formar asociaciones con bacterias que fijan el nitrógeno al suelo. Estas serían similares a las asociaciones naturales formadas con bacterias que fijan nitrógeno en leguminosas como la soya. En las leguminosas, las raíces de las plantas forman nódulos que se vuelven hogares para la bacteria en cuestión. Si los rizomas del trigo pudieran ser persuadidos, por selección genómica o por edición del genoma, a comportarse de manera similar, todo el mundo salvo las compañías de fertilizantes, podría obtener enormes beneficios.

Desde entonces, se han adicionado otras técnicas. Muestreos del suelo con alta densidad, llevadas a cabo cada cierto número de años para realizar seguimiento a las propiedades tales como el contenido mineral y la porosidad, pueden predecir la fertilidad de diferentes partes de un campo. Una cartografía precisa del contorno ayuda a indicar cómo se mueve el agua alrededor. Y detectores plantados en la tierra pueden monitorear los niveles de humedad en múltiples profundidades. Algunos detectores también pueden indicar el contenido de nutrientes y cómo cambian en respuesta a la aplicación de fertilizantes.

Todo esto permite una siembra a tasa variable, es decir, que la densidad de las plantas cultivadas se puede amoldar a las condiciones locales. Y esta densidad en sí misma está bajo un control preciso. La maquinaria John Deere puede sembrar semillas individuales con una precisión de 3 cm. Más aún, cuando un cultivo es cosechado, la velocidad a la cual los granos o los fríjoles entran al tanque de la cosechadora se puede medir de momento a momento. Dicha información, cuando se combina con los datos del GPS, crea un mapa de rendimiento que muestra cuáles porciones del campo eran más o menos productivas, y por lo tanto, qué tan precisas eran las predicciones del suelo basadas en los sensores. Luego esta información puede alimentar el patrón de siembra en la siguiente temporada.

 

 

 ¿Tiene rendimientos?

Correlación entre conductividad del suelo (indicador del contenido de humedad) y rendimiento del cultivo.

 

 

Los agricultores también reúnen información al sobrevolar sus tierras en avión. Los instrumentos a bordo del avión son capaces de medir la cobertura de las plantas y distinguir entre los cultivos y la maleza. Utilizando una técnica llamada análisis multiespectral, que mira la fuerza con que las plantas absorben o reflejan diferentes longitudes de onda de luz solar, pueden descubrir cuáles cultivos están floreciendo y cuáles no.

Los sensores pegados a la maquinaria en movimiento pueden inclusive tomar medidas durante su recorrido. Por ejemplo, sensores multiespectrales instalados en los brazos de fumigación de los tractores pueden estimar las necesidades de nitrógeno en los cultivos que van a ser fumigados y ajustar la dosis de acuerdo con ello. Por lo tanto, una granja moderna produce abundancia de información. Pero necesitan interpretación, y para ello, la tecnología de la información es esencial.

Boletos de Plataforma

Durante las últimas décadas grandes compañías han crecido para abastecer las necesidades de la agricultura comercial, especialmente en América y Europa. Algunos son fabricantes de maquinaria como John Deere. Otros venden semillas o productos químicos agrícolas. Parece que éstos van a crecer aún más. Dow y DuPont, dos gigantes estadounidenses, están planeando fusionarse. Monsanto, otra gran compañía estadounidense, es objeto de una oferta pública de adquisición por parte de Bayer, uno alemán. Y Syngenta, una compañía suiza, está en negociaciones de venta a ChemChina, una china.

Los modelos de negocio también están cambiando. Estas compañías, que ya no sólo se contentan con vender maquinaria, semillas o químicos, están todas tratando de desarrollar plataformas de software para el procesamiento de matrices que funcionarán como sistemas de gestión de granjas. Estas exclusivas plataformas recogerán datos de granjas individuales y las procesarán en la nube, otorgándole a la historia de la granja información sobre el comportamiento conocido de las cepas individuales de los cultivos y el pronóstico local del tiempo. Luego harán recomendaciones al agricultor, quizás guiándolo hacia otros productos de la compañía.

Pero mientras producir maquinaria, cultivar nuevas siembras o fabricar agroquímicos tienen todas altas barreras de entrada, un sistema de gestión de la granja basada en datos puede ser elaborado por cualquier hombre de negocios, aún sin un historial en agricultura. Y muchos lo están ensayando. Por ejemplo, Trimble Navigation, con sede en Sunnyvale, en el extremo sur de Silicon Valley, reconoce que como una compañía establecida en el campo de la información geográfica, está bien ubicada para entrar al mercado de la agricultura inteligente con un sistema llamado Connected Farms (Granjas Conectadas). Han traído experiencia de afuera en la forma de AGRI-TREND, una consultora agrícola canadiense, la cual compró el año pasado. Por el contrario, Farmobile de Overland Park, Kansas, está en su inicio. Le apunta a aquellos que valoran la privacidad, destacándose por no usar los datos de sus clientes para vender otros productos, tal como sí lo hacen muchos sistemas de gestión de granjas. Farmers Busines Network, de Davenport, Iowa, utiliza casi el modelo contrario, actuando como una central cooperativa de datos. Los datos en la central son anónimos pero todos los que se unan son animados a contribuir a la central y a cambio pueden compartir la información allí contenida. La idea es que todos los participantes  se beneficiarán de mejores soluciones a la matriz.

Algunas compañías se enfocan en nichos de mercado. iTK, con sede en Montpellier, Francia, por ejemplo, se especializa en uvas y ha construido modelos matemáticos que describen el comportamiento de todas las principales variedades. Ahora se está expandiendo a California.

Gracias a la proliferación  de software para la gestión de granjas, es posible poner más y más datos en buen uso si los sensores están disponibles para su uso. Y también están en camino, sensores más baratos. Los sensores de humedad por ejemplo, generalmente trabajan midiendo bien sea la conductividad o la capacitancia del suelo, pero una compañía llamada Waterbit con sede en Santa Clara, California, está usando una tecnología diferente que afirma que puede hacer el trabajo a una décima parte del precio de los productos existentes. Y un sensor vendido por John Deere puede medir espectroscópicamente la composición de nitrógeno, fósforo y potasio del estiércol líquido en el momento en que está siendo aplicado, permitiendo que la tasa de aspersión se ajuste en tiempo real. Esto resuelve el problema de que el estiércol líquido, aunque es un buen fertilizante, no está estandarizado, lo cual dificulta aplicarlo en las cantidades adecuadas en comparación con los fertilizantes comerciales.

Las cosas también están cambiando en el aire. En una recapitulación de los primeros días de vuelo tripulado, los fabricantes de aviones agrícolas no tripulados están probando una amplia gama de diseños para averiguar cuál es el más adecuado para la tarea de volar cámaras multiespectrales sobre las granjas. Algunas compañías, tales como Agribotix en Boulder, California, prefieren cuadricópteros, un diseño moderno de cuatro rotores que se ha vuelto el estándar de la industria para pequeños drones, aunque tiene un rango y una resistencia limitada. Una alternativa popular, el AgDrone, fabricada por HoneyComb de Wilsonville, Oregon, es un ala volante de un solo motor que parece como si se hubiera escapado de un espectáculo aéreo de 1950. Otro, el Lancaster 5, de PrecisionHawk en Raleigh, Carolina del Norte, parece un modelo a escala, con el mismo nombre, de un bombardero de la segunda guerra mundial. Y la oferta de Delair-Tech, con sede en Toulouse, Francia, ostenta largas y estrechas alas de un planeador para mantenerlo en vuelo por largos periodos de tiempo.

Sin embargo, aún un dron resistente puede ser presionado para inspeccionar una propiedad grande en un solo vuelo. Por lo tanto, para una visión sinóptica de su propiedad algunos agricultores recurren a los satélites. Planet Labs, una compañía en San Francisco, ofrece dicho servicio usando dispositivos llamados CubeSats, que miden unos pocos centímetros de diámetro. Ellos mantienen una flota de cerca de 30 de éstos en órbita, los cuales reemplazan en la medida en que se mueren los más viejos, al lanzar nuevos al espacio, los cuales van pegados a los lanzamientos comerciales. Gracias  a la óptica moderna, incluso un satélite así de pequeño se puede equipar con una cámara multiespectral, a pesar de solo tener una resolución por pixel de 3,5 metros (más o menos diez pies). Eso no es malo viniendo del espacio, pero no es tan bueno como la cámara de un dron.

Sin embargo, la cobertura del satélite tiene la ventaja de ser tanto ancha como frecuente, mientras que un dron sólo puede ofrecer una de estas cualidades. La constelación de Planet Lab podrá tomar una foto de un pedacito de la superficie terrestre por lo menos una vez a la semana, para que áreas con problemas se puedan identificar rápidamente y examinarlas en mayor detalle.

La mejor solución es la de integrar la cobertura aérea con la satelital. Esto es lo que Mavrx, también con sede en San Francisco, está tratando de hacer. En lugar de drones, tiene un acuerdo estilo Uber con alrededor de 100 pilotos de aviones ligeros alrededor de EEUU. Cada uno de los aviones contratados por la compañía ha sido equipado con cámaras multiespectrales y soportes listos para hacer salidas a petición de Mavrx. Las cámaras de Mavrx tienen una resolución de 20 cm por pixel, lo cual significa que bien pueden tomar fotos de plantas individuales.   

La compañía también ha contratado por fuera su fotografía por satélite. Su materia prima es bajada de Landsat y otros programas satelitales públicos. También tiene acceso a bibliotecas de programas, algunos de los cuales se remontan a 30 años. De esta manera puede verificar el desempeño de un campo en particular durante décadas, calcular cuánta biomasa ha soportado ese campo año por año y correlacionarlo con los registros de los rendimientos de ese campo durante esos años, con el fin de mostrar el grado de productividad de esas plantas. Entonces, conociendo la biomasa del campo durante la estación actual, puede predecir cuál será su rendimiento. El método de Mavrx se puede escalar hasta cubrir regiones enteras e inclusive países, prediciendo el tamaño de la cosecha antes de realizarla. Esto constituye información financiera y política poderosa.

 

Una granja verdaderamente automatizada, como una fábrica, tendría que recortar personal. Esto significa introducir robots en la tierra así como también en el aire, y existen abundantes y esperanzadores fabricantes de robots agrícolas intentando hacerlo.

En la Universidad de Sidney, el Centro Australiano de Robótica en Campo ha desarrollado RIPPA (Robot for Intelligent Perception and Precision Application, RIPPA por sus siglas en inglés) un Robot de Percepción Inteligente y Aplicación con Precisión, un dispositivo de cuatro ruedas alimentado por energía solar que identifica la maleza en los campos de vegetales y los elimina individualmente. En ese momento lo hace con dosis de herbicidas precisas y directamente dirigidas. Pero el dispositivo, o uno similar, podría en vez usar rayos de microondas, o incluso un láser. Esto permitiría que los cultivos en cuestión fueran reconocidos como “orgánicos” por los consumidores que desaprueban tratamientos químicos.

Para los menos exigentes, Rowbot Systems de Minneapolis, está desarrollando un robot que puede viajar entre las hileras de las plantas de maíz en crecimiento, lo que le permite aplicar capas complementarias de fertilizantes a las plantas sin aplastarlas. De hecho, podría ser posible en el futuro cruzar la dosis de la planta en campos donde las necesidades individuales de la planta han sido evaluadas por cámaras multiespectrales aéreas.

Los robots también son de interés de los cultivadores de frutas y vegetales que actualmente son cosechados a mano. La cosecha manual de fruta es un negocio que consume mucho tiempo, a pesar de que los recolectores no son bien remunerados, y sería mucho más rápido y barato si estuviera automatizado. Y ya están apareciendo robots recolectores.

El SW, fabricado por AGROBOT, una compañía española, usa una cámara para reconocer fresas y averiguar cuáles están maduras para ser cosechadas. Aquellas que están maduras son cortadas por el tallo con una cuchilla y recogidas en canastas antes de pasarlas a una cinta transportadora para ser empacadas por un operador humano sentado dentro del robot.  En los Países Bajos, investigadores de la Universidad de Wageningen están trabajando en un robot cosechador para productos de mayor tamaño  como los pimentones.

Todos estos dispositivos, y otros similares, aún exhiben un aire a Heath Robinson. Pero la robótica se está desarrollando rápidamente, y los sistemas de control necesarios para operar dichas máquinas están mejorando y se están volviendo más baratas todos los días. Algunos creen que más o menos en una década muchas granjas en países ricos estarán operadas en gran parte por robots.

Sin embargo, otros se preguntan en qué medida permitirán los agricultores robotizar sus granjas. La maquinaria agrícola auto guiada como la que vende John Deere ya casi es robótico. Es como un avión donde el piloto por lo general tiene poco qué hacer entre el despegue y el aterrizaje porque los computadores trabajan para él. Pero Deere no tiene la intención de entregar el control completo a la nube, porque eso no es lo que sus clientes quieren.

Visión de Túnel

Si el control total aún parece lejano en el cultivo al aire libre, ya está cerca para cultivos que crecen en ambientes completamente artificiales. En un laberinto de túneles debajo de Clapham, al sur de Londres, Growing Underground está haciendo exactamente lo que su nombre indica. Está criando alrededor de 20 tipos de pantas para ensaladas, con la intención de ser vendidas a chefs y cafeterías de sánduches en la ciudad, en espacios subterráneos que nacieron como refugios antiaéreos durante la segunda guerra mundial.

En muchos aspectos, la granja de Growing Underground se asemeja  a cualquier otra operación hidropónica de interior. Un invernadero convencional con sus paredes de vidrio o policarbonato, está diseñado para admitir la mayor cantidad posible de luz solar. La compañía Growing Underground específicamente lo excluye. En su lugar, la iluminación es proporcionada por diodos emisores de luz (LEDs). Estos, en el espíritu minimalista de los hidropónicos, han ajustado sus espectros con precisión para que la luz que emitan sea óptima para la fotosíntesis de las plantas.

 

 

 

Iluminación Gastada

Emisión/absorción por longitud de onda

 

La clorofila absorbe luz azul y luz roja. Los LEDs modernos pueden ser sincronizados para proporcionar solo éstos, para que de esta manera toda su producción sea usada para la fotosíntesis.

Como es de esperarse, los sensores observan todo (temperatura, humedad, iluminación) y envían los datos directamente al departamento de ingeniería de la Universidad de Cambridge donde son procesados junto con la información sobre el crecimiento de las plantas, para producir los mejores regímenes para cultivos futuros.

Por ahora Steven Dring, el jefe de Growing Underground, está limitando la producción a hierbas y vegetales tales como pequeñas lechugas e hinojo marino que pueden ser llevados a tamaño comercial rápidamente. Él ha reducido el ciclo del cilantro de 21 a 14 días. Pero pruebas sugieren que el sistema también funciona para  otros cultivos más fornidos. Las zanahorias y los rábanos ya han sido cultivados exitosamente de esta manera, aunque no producen una prima suficientemente alta para que su cultivo bajo tierra valga la pena. Pero el pak choi, un popular vegetal chino entre los residentes urbanos de moda que viven en los suburbios interiores de Londres como Clapham, también es susceptible. Por el momento cultivarlo toma cinco semanas desde el comienzo hasta el final. Si lo logra bajar a tres semanas, lo cual el Sr. Dring cree posible, sería rentable.

La compañía que fabrica LEDs también podría estar en buen camino. El Sr. Dring viene de Valoya, una compañía finlandesa. En Suecia, Heliospectra está en el mismo negocio. Philips, un gigante eléctrico holandés, también se ha unido. En invernaderos convencionales dichas luces son usadas para complementar el sol, pero cada vez más funcionan en operaciones sin ventanas tal como la del Sr. Dring. Aunque a diferencia de la luz solar no son gratuitos, son tan eficientes y duraderos que sus ventajas espectrales parecen decisivas (ver cuadro).

Este tipo de agricultura no tiene que llevarse a cabo bajo tierra. Operaciones como las del Sr. Dring, también están surgiendo en edificios en la superficie. Viejas plantas, fábricas y almacenes de procesamiento de carne en todo el mundo están siendo convertidas en “granjas verticales”. Aunque nunca van a llenar el estómago de todo el mundo, son más que una moda. Más bien son una versión moderna de las huertas que una vez florecieron en el borde de las ciudades, en lugares justo como Clapham, antes de que la tierra que ocupaba fuera absorbida por la expansión urbana. Y con su control  preciso de insumos, y por lo tanto de los productos (ver Escaneo del Cerebro, abajo), también representan lo último en lo que podría convertirse la agricultura.

 

Escaneo del Cerebro: Caleb Harper

Los criadores de plantas están entendiblemente entusiasmados con la manipulación de la genómica botánica (ver página siguiente). Pero es el fenotipo del cultivo, su instanciación física, lo que la gente en realidad come, y este es producto tanto de los genes como del medio ambiente.

Optimizar fenotipos al manipular el medio ambiente es la tarea que Caleb Harper se ha impuesto. El Dr. Harper es el fundador de la Iniciativa de Agricultura Abierta (Open Agriculture Initiative, OAI en inglés) en el Laboratorio de Medios del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT). A primera vista, esto parece extraño. El Laboratorio de Medios es un laboratorio de tecnología de la información, más conocido por haber ayudado a desarrollar cosas como el papel electrónico, redes inalámbricas e incluso modernas máquinas de karaoke. Es mucho acerca de bits y bytes, y no mucho hasta ahora, acerca de proteínas y lípidos.

Sin embargo, la información sobre el medio ambiente todavía es información. Nos arroja datos sobre el crecimiento de la planta, que es lo que le interesa al Dr. Harper. Como él dijo una vez, “las personas dicen que les gustan los pimientos de México. Lo que realmente les gusta son los pimientos cultivados en las condiciones que prevalecen en México.” El considera que si se puede replicar las condiciones en las cuales un producto botánico creció, se puede replicar ese producto. Pero esto significa que en primer lugar, tienes que entender esas condiciones adecuadamente.

Para ayudar con esto, él y sus colegas en OAI han desarrollado lo que ellos llaman el Computador de Comida Personal: un dispositivo de mesa estandarizado que pueden controlar la iluminación, niveles de dióxido de carbono, humedad, temperatura del aire, temperatura de la zona de la raíz y el contenido de acidez y oxígeno disuelto en el agua que llega a las raíces, así como también su contenido de nutrientes y cualquier otro aspecto de su química.

Los fenotipos de las plantas son monitoreados durante su crecimiento por cámaras web ligadas a un software que detecta los contornos de las hojas y diferencias de color y por sensores que pueden detectar áreas activas de fotosíntesis. Después de cosecharlas, son examinados por LIDAR (el equivalente óptico de un radar) para registrar en detalle su forma y por cromatografía de gas/ espectroscopia de masa para comprender su composición química.

La idea es que el Computador de Comida Personal pueda ser construido por cualquiera que lo desee y formar parte de una red de “ciencia abierta” que reúna datos sobre las condiciones de cultivo y resuelva esos efectos de las condiciones de los fenotipos.  De particular interés son cuestiones tales como el sabor y la astringencia que se rigen por unas sustancias químicas llamadas metabolitos secundarios. Estas son a menudo partes del mecanismo de defensa de las plantas, por lo que en un experimento los computadores están mirando el efecto de adicionar esqueletos triturados de artrópodos a la fuente de agua, lo que podría imitar el ataque de insectos o ácaros. La esperanza es que esto cambiaría el sabor en forma controlable.

Aunque el Dr. Harper es de origen rural, su carrera antes de OAI era convencionalmente en ambientes estilo Laboratorio de Medios. En particular, él diseñó sistemas de control ambiental para centrales de datos y salas de operación, manteniendo el calor, la humedad y lo demás dentro de los estrechos límites necesarios para una función óptima. Pero el salto de controlar dichos entornos a controlar granjas en miniatura era enorme.

Ya existen unas tres docenas de Computadores De Comida Personales y alrededor de 100 más están en construcción alrededor del mundo. Esta dispersión geográfica es importante. El objetivo del Dr. Harper, así como lo sugiere su punto de vista sobre los pimientos de México, es el de desligar el clima de la geografía al construir un “catálogo de climas”. Eso permitiría que granjas urbanas de interior puedan ser programadas para imitar cualquier clima necesario con el fin de obtener cosechas para el consumo local instantáneamente. Esto sin duda sería de interés para aquellos que se preocupan por las “millas de la comida”, es decir, el costo en términos de dióxido de carbono del envío de artículos comestibles a todo el mundo. Queda por ver cómo funcionaría con agricultores cuyos climas están siendo imitados en ciudades de países ricos.   

 

3.     Cultivos del futuro: alterar y ajustar

Las granjas necesitan mejores productos. El conocimiento genómico lo proporcionará

El C4 suena como el nombre de un automóvil eléctrico fallido de la década de 1970. De hecho es uno de los conceptos más cruciales en la biología molecular de las plantas. Las plantas han heredado su capacidad de fotosíntesis de bacterias que se instalaron en residencias simbióticas dentro de las células de sus antepasados hace unos mil millones de años. Esos descendientes de las bacterias, llamados cloroplastos, se alojan dentro de las células absorbiendo la luz solar y usando su energía para dividir el agua entre hidrógeno y oxígeno. Luego el hidrógeno se combina con el dióxido de carbono para formar pequeñas moléculas intermedias, las cuales posteriormente forman azúcares. Esta forma de fotosíntesis se conoce como C3, porque estos compuestos intermedios contienen tres átomos de carbono. Sin embargo, desde la llegada de los cloroplastos, la evolución ha descubierto otra forma de hacer fotosíntesis, usando un intermediario de cuatro carbonos. La fotosíntesis C4 es a menudo más eficiente que el tipo C3, especialmente en climas tropicales. Varios cultivos de importancia que comenzaron en el trópico lo utilizan, sobre todo el maíz, el mijo, el sorgo y la caña de azúcar.

La fotosíntesis C4 es tan útil que ha evolucionado en al menos 60 ocasiones separadas. Desafortunadamente, ninguno de estos involucró al ancestro del arroz, el segundo cultivo más importante en la tierra después del trigo. Sin embargo el arroz, preeminentemente una planta tropical, produciría rendimientos de alrededor del 50% más que en la actualidad si tomara la ruta del C4. En el Instituto Internacional de Investigación del Arroz en Los Banos, afuera de Manila, los investigadores están tratando de demostrarlo.

El Proyecto de Arroz C4, coordinado por Paul Quick, es un esfuerzo global que también involucra biólogos de otros 18 laboratorios en Asia, Australia, Europa y Norte América. Su tarea consiste en adicionar cinco enzimas ajenas al arroz, para darle una vía bioquímica adicional, para luego reorganizar algunas de las células en las hojas de la planta para crear compartimentos especiales donde el dióxido de carbono se pueda concentrar en formas que no son requeridas por el mecanismo C3 estándar. Ambas cosas frecuentemente han ocurrido naturalmente en otras plantas, lo que sugiere que hacerlo artificialmente no está fuera de cuestión. El equipo ya ha creado variedades de arroz que contiene genes sacados de plantas de maíz para las enzimas adicionales y ahora las están retocando para mejorar su eficacia. La parte más difícil, que podría tardar otra década, será averiguar cuales cambios genéticos se necesitan para lograr la compartimentación.

La edición del genoma se asemeja al proceso natural de mutación

Por ende el Proyecto de Arroz  C4 le apunta a quebrar los topes en los rendimientos y devolver el mundo al tipo de tasa de crecimiento visto en los vertiginosos días de la Revolución Verde. Otros grupos, con motivaciones similares, están trabajando en volver muchos tipos de cultivos resistentes a la sequía, al calor, al frío y a la sal; a inducir una mayor inmunidad frente a la infección y la infestación; a mejorar el valor nutricional; a hacer un uso más eficiente de los recursos tales como el agua y el fósforo; e incluso a dar a las plantas que no la tienen, la habilidad de fijar nitrógeno, un ingrediente esencial de las proteínas, directamente del aire en lugar de absorberlo en la forma de nitratos.  Dichas innovaciones deberían ser una bonanza. Desafortunadamente, tanto por razones técnicas y sociales, hasta ahora no lo han sido. Pero pronto eso debe cambiar. Los primero días de los cultivos con ingeniería genética vislumbraron dos grandes éxitos y un espectacular fracaso. Los éxitos fueron la transferencia de dos tipos de genes a una variedad de plantas, particularmente el maíz, la soya y el algodón. Ambos provenían de las bacterias. Uno protegió a su anfitrión de la atención de molestas larvas de insectos. El otro lo protegió de herbicidas específicos, es decir que aquellos herbicidas se podían usar más eficazmente para mantener los campos libre de maleza. Ambos son amados por los agricultores.

El espectacular fracaso es que ninguno de los dos es amado por los consumidores. Algunos son indiferente a ellos; muchos activamente hostiles. A pesar de que durante décadas no ha habido ninguna evidencia de que el consumo de los cultivos genéticamente modificados son nocivos para la salud, y poca evidencia de que dañan el medio ambiente, han sido tratados como parias.   

Dado que las personas no comen algodón y que la soya y el maíz son usados principalmente como forraje animal, el impacto de los lobistas anti-GM sobre esos cultivos se ha silenciado. Pero la idea de extender la gama de cultivos modificados o la gama de modificaciones disponibles se ha considerado (con algunas pocas excepciones) como comercialmente demasiado riesgoso. Más aún, los transgénicos, como se llama la técnica de mover genes de una especie a otra, es caótico. Es difícil controlar dónde va a terminar el gen movido. Esto es importante porque los genes trabajan mejor en algunos lugares que en otros.

Deletréamelo

Por lo tanto, la búsqueda ha tenido un  mejor camino que los transgénicos para hacer cosas. Y ahora está surgiendo uno, esperan sus seguidores, que pueda matar a los pájaros tanto técnicos como sociales, con una sola piedra. La edición del genoma, como se conoce este enfoque, ajusta el ADN existente in situ al adicionar, sustraer o sustituir una pieza que puede ser tan pequeña como una única “letra” genética (o nucleótidos). Eso no solo hace que la técnica sea precisa, sino que también se asemeja al proceso natural de mutación, que es la base de la variedad sobre la cual descansan todos los cultivos tradicionales de plantas. Esto puede plantear menores objeciones por parte de los consumidores y también tiene la esperanza de que los reguladores lo traten de manera diferente que a los transgénicos.

Después de un par de salidas en falso, la mayoría de los investigadores están de acuerdo en una técnica llamada CRISPR/Cas9, derivado de una forma en que las bacterias dividen los genes de los virus invasores y es la que hará que la edición del genoma de los cultivos tenga una perspectiva realista.

La tecnología transgénica se ha mantenido al margen del trigo, el cual es consumido por muchas personas. Pero Pioneer, la división de semillas de DuPont, ya está tratando de usar CRISPR/Cas9 para detener la auto polinización del trigo, con el fin de facilitar el desarrollo de híbridos. Del mismo modo, investigadores de la Academia de Ciencias de China lo están usando para tratar de desarrollar plantas de trigo resistentes al moho polvoriento, un serio peligro.

No todos los intentos actuales en edición de genoma en agricultura usan CRISPR/Cas9. Por ejemplo Cibus en San Diego, emplea una técnica patentada que se llama el Sistema de Desarrollo Rápido de Rasgos (Rapid Trait Development System (RTDS) en inglés). Esto incita al mecanismo de reparación natural del ADN de una célula a realizar cambios de un solo nucleótido en los genomas. El RTDS ya ha creado un producto comercial, una forma de colza resistente a una clase de herbicidas contra los cuales los transgénicos convencionales no se pueden proteger. Pero en el momento CRISPR/Cas9 parece estar barriendo con la mayoría de las cosas y si aún tropieza por algún motivo, otros mecanismos antivirales bacterianos podrían intervenir.

Queda por ver si los consumidores aceptan la edición del genoma. Nadie, sin embargo, parece oponerse a un segundo método de desarrollo rápido para mejorar los cultivos: una técnica de cultivo trocada llamada selección genómica.

La selección genómica es una versión superior de la selección asistida por marcadores, un proceso que ha ido, a su vez, reemplazando técnicas convencionales de reproducción de cultivos. Tanto la selección genómica como la selección asistida por marcadores dependen del reconocimiento de piezas del ADN llamado marcadores que se encuentran dentro o cerca de lugares llamados loci de rasgos cuantitativos (QTL en inglés). Un QTL es parte de un genoma que tiene, a causa de uno o más genes dentro de ella, un efecto medible y predecible sobre el fenotipo. Si el marcador está presente, entonces también lo está el QTL. Por extensión, una planta con un marcador debería mostrar el efecto fenotípico del QTL.

La diferencia entre la selección asistida por marcadores convencional y la versión genómica es que el primero se basó en unos pocos cientos de marcadores (tales como los lugares donde el ADN  flaqueó y se repitió) que pudieran ser recogidos por la tecnología disponible en aquel entonces. Ahora, métodos de detección mejorados significa que polimorfismos de un solo nucleótido o SNPs (single-nucleotide polymorphisms, pronunciado como “snips” en inglés), pueden ser usados como marcadores. Un SPN es un lugar donde una sola letra genética varía en una parte invariable del genoma, y existen miles de ellos.

Si le adicionas enormes cantidades de la potencia computacional disponible para ligar SNPs con QTLs, y de hecho analizar las interacciones entre los mismos QTLs, el resultado es un sistema que le puede decir al cultivador cuáles plantas individuales valen la pena hacer crecer hasta su madurez y luego cuáles deben ser cruzadas con sí mismas para obtener mejores resultados.

Las variedades de cultivos obtenidos de esta manera ya están llegando al mercado. AQUAmax y Artesian son cepas de maíz tolerantes a la sequía, desarrolladas respectivamente por DuPont y Syngenta. Estos dos, curiosamente, son competidores en otra cepa tolerante a la sequía llamada DroughtGuard, desarrollada por Monsanto usando el enfoque transgénico.

 

La selección genómica también ofrece oportunidades para el mejoramiento científico de los cultivos usualmente descuidados por las compañías de semillas. El Proyecto NextGen Cassava (yuca), un grupo panafricano, planea de esta manera saltarse la susceptibilidad del virus del mosaico de la yuca para luego sistemáticamente mejorar la rentabilidad y propiedades nutricionales del cultivo. Los investigadores del proyecto han identificado 40,000 SNPs de la yuca y ya han pasado por tres generaciones de selección genómica usándolas. Aparte de hacer la yuca resistente al virus, también esperan doblar la rentabilidad e incrementar la proporción de almidón (y por ende el valor nutricional) de las cepas resultantes. Si las técnicas modernas pueden, de manera similar, aplicarse sobre cultivos no mejorados de poca importancia para las compañías grandes de semillas, tales como el mijo y el ñame, los rendimientos adicionales podrían ser enormes. A largo plazo, algunos investigadores tienen ambiciones más radicales. Un manifiesto publicado el año pasado por Donald Ort del Departamento de Servicio de Investigación Agrícola del Departamento de Agricultura de EEUU, y sus colegas proponen no sólo recapitular la evolución sino realmente rediseñar el procesos fotosintético de una manera que la evolución aún no ha descubierto. El Dr. Ort sugiere ajustar las moléculas de clorofila con el fin de capturar un mayor rango de frecuencias y desplegar la energía resultante de manera más eficiente. También está buscando mejorar la forma en que las plantas absorben dióxido de carbono. El resultado, él espera, serán cultivos con más rápido crecimiento y mejores rendimientos.

Dichas ideas son controversiales y podrían tomar décadas antes de volverse realidad. Pero no son fantásticas. Una combinación de transgénicos (importando nuevas formas de clorofila de las bacterias fotosintéticas), edición genómica (para sobrealimentar las enzimas existentes en las plantas) y selección genómica (para optimizar la mezcla resultante) bien podrían lograrlo.

Aquellos que ven esto como un enfoque poco natural, quizás inclusive monstruoso para el mejoramiento de los cultivos, deberían recordar que eso es lo que precisamente ocurrió cuando los ancestros de esas mismas plantas modernas nacieron, por medio de la combinación de una bacteria y su huésped y su subsiguiente ajuste mutuo para vivir en simbiosis. Fue éste salto evolucionario el que enverdeció la tierra en primer lugar. Que algo similar pueda reverdecerlo, es algo que por lo menos vale la pena considerar.  

 

4.     Piscicultura: la pesca del día

El cultivo de peces marinos en el interior aliviará la presión sobre los océanos

En el sótano de un edificio en el muelle del puerto interior de Baltimore, un grupo de acuicultores en el Instituto de Tecnología Marina y Ambiental están tratando de crear un ecosistema artificial. El Sr. Yonathan Zohar y sus colegas esperan liberar la cría de peces marinos del océano en sí mismo para construir granjas piscícolas tierra dentro. El pescado fresco, servido el mismo día en que es pescado del agua (aunque el agua en cuestión es una sensata mezcla de agua del grifo con sales), se volvería entonces accesible para millones de marineros que ahora tienen que enviar su pescado desde muy lejos, muy congelado. Igualmente importante, los piscicultores marinos ya no tendrían que buscar sitios costeros adecuados para los peces mientras crecen a un tamaño comercial, exponiendo a los peces hacinados a enfermedades y contaminando el medio ambiente marino.

La gente ha criado peces de agua dulce en lagos desde tiempos inmemoriales, pero la  piscicultura de especies tales como el salmón que viven principalmente en agua salada se remonta a tan solo unas pocas décadas, así como también la transformación paralela de la acuicultura de agua dulce para operar a escala industrial. Ahora la piscicultura está en auge. Como muestra el gráfico en la página siguiente, el consumo humano de pescado proveniente de granjas ha superado al de la carne de vacuno. De hecho, una forma de suministrar a la humanidad suficiente proteína animal en el futuro, podría ser a través de la acuicultura. Aunque para mantener el auge, tecnólogos como el Dr. Zohar se tienen que volver aún más creativos.

Su ecosistema, el cual está a punto de someterse a pruebas comerciales, recicla constantemente el mismo suministro de agua salada, purificada con tres conjuntos de bacteria. Uno convierte el amoniaco excretado por los peces en iones de nitrato. El segundo convierte esos iones en nitrógeno (un gas inofensivo que constituye 78% del aire) y agua. El tercero, que trabaja en los desperdicios sólidos filtrados del agua, lo transforma en metano, el cual, por medio de un generador especial, proporciona parte de la potencia que mantiene toda la operación en funcionamiento. El resultado es un sistema cerrado que se puede instalar en cualquier lugar, no genera contaminación y se puede mantener libre de enfermedades. También es a prueba de fugas. Esto significa que las especies del Viejo Mundo tales como la dorada y el róbalo, los cuales no se pueden cultivar en Norte América porque se podrían escapar y reproducir en la naturaleza, podrían ser entregadas frescas a la mesa en cualquier lugar.

Además de transformar el diseño de las granjas piscícolas, el Dr. Zohar también está trabajando en la ampliación de la variedad  de especies que podrían criar. Él ha dedicado décadas al estudio del sistema hormonal que desencadena el desove y ahora lo puede estimular cuando quiera. También ha examinado las  necesidades de los alevines de cría, a menudo completamente distinto a los del pez adulto, que se deben satisfacer para que prosperen. Actualmente está tratando de hacerlo para una de las especies más deseadas, el atún rojo. Si tiene éxito y por ende ofrece una alternativa al desplome de la población silvestre de este animal, los amantes del sushi en todo el mundo estarán en deuda con él por siempre.  

Me fui de pesca

Los piscicultores solían soñar con llenar sus criaderos con transgenes para que crecieran más rápidamente. De hecho, en el último par de décadas los investigadores han tratado de esta manera a más de 35 especies de peces. A menudo han tenido éxitos espectaculares. Sin embargo, sólo una compañía ha persistido hasta el punto de la aprobación regulatoria.

El salmón Atlántico transgénico de AquaBounty, ahora autorizado tanto en Norte América como en Canadá, tiene la deseable propiedad del rápido crecimiento. Su transgen, tomado de un salmón Chinook, hace que engorde todo el año y no sólo en primavera y verano. Esto disminuye a la mitad el tiempo necesario para alcanzar su tamaño comercial. Sin embargo, ya es un experimento en sí ver si las personas estarían dispuestas a comer el resultado, uno que los demás investigadores no han estado dispuestos a realizar por estar muy conscientes del rechazo público generalizado a los cultivos transgénicos.   

Eso puede ser prudente. Existe tantas variedades naturales de peces silvestres que una cría selectiva convencional puede hacer una gran diferencia sin ninguna intervención de alta tecnología. Ya en 2007, un informe elaborado por investigadores en Akvaforsk, ahora parte del Instituto Noruego de Alimentos, Pesca y Acuicultura (NOFIMA en inglés), mostró que tres décadas de cría selectiva por parte de los criadores de salmón del país, había resultado en un crecimiento el doble de rápido que sus progenitores silvestres. Es cierto que a partir de una base más baja, aquellos piscicultores hicieron lo que AquaBounty ha logrado, pero sin la ayuda de un transgen. Si la selección convencional puede obtener semejantes mejoras, es tentador no molestar con cosas más complicadas. Tentador pero equivocado. Porque, en la medida en que mejore la comprensión del ADN, la clase de selección genómica que está siendo aplicada a los cultivos, también se puede aplicar a los peces.

Cuadro: Un pececito en un platico – Producción mundial de pescado en toneladas

Términos traducidos del cuadro

Farmed: cultivados        Caught: pescados           Beef: carne         Farmed fish: peces cultivados

 

Investigadores de SalmoBreed en Noruega, lo han utilizado para no crear peces más grandes y de más rápido crecimiento sino para atacar dos de las plagas en la cría de peces, infestación e infección. Mediante el seguimiento a los SNPs (polimorfismos de un solo nucleótido, una variación de una única letra genética en el genoma usado como marcador) han producido variedades de salmón resistentes a los piojos de mar y también a la enfermedad del páncreas, una enfermedad viral.  Ahora están estudiando un tercer problema, la enfermedad branquial amebiana. En Japón, un trabajo similar ha conducido al desarrollo de lenguados resistentes a la linfocítica viral, de truchas inmunes a la enfermedad de “agua fría”, una infección bacteriana y del pez limón que evita la atención de un grupo de lombrices parásitos llamados monogéneos.

Por lo tanto la alteración de la naturaleza es crucial para el éxito en la cría de peces. Pero la alimentación también puede ayudar, por ejemplo, al optimizar la comida de los animales. Como con cualquier producto, una clave para el éxito es disminuir costos. Y en este punto coinciden las consideraciones ambientales con la



Share
Whatsapp logo