Can We Hack Photosynthesis to Feed the World? | Steve Long | TED

Translator: Mohammad Badsar Reviewer: Mahshid Moballegh Nasery

Today, nearly one in 10 is food insufficient.

امروزه، یک نفر از هر ده نفر با کمبود غذا مواجه است.

That number has been rising every year since 2014,

این عدد از سال ۲۰۱۴ هر سال افزایش یافته است.

and it's forecast to become considerably worse

و پیش‌بینی‌ها حاکی از این است که طی دو یا سه دهه آینده

over the next two to three decades.

وضعیت بسیار بدتر خواهد شد.

This is especially true for the poorer countries of Africa and Asia,

این موضوع مخصوصاً در مورد کشورهای فقیر آفریقا و آسیا صادق است،

where the rise in demand

که افزایش تقاضا

is outpacing the rise in our ability to supply.

در حال پیشی گرفتن از توان عرضه است.

I want to tell you how the most important process

می‌خواهم بگویم که چگونه مهمترین فرآیند

on the planet,

روی کره زمین،

boosting that process, photosynthesis,

یعنی فتوسنتز را اگر تسریع کنیم،

could alleviate this problem.

می‌توانیم این معضل را رفع کنیم.

How photosynthesis works

کاری که فتوسنتز می‌کند عبارت است از

is that plants remove carbon dioxide from the atmosphere,

زدودن دی‌اکسیدکربن از اتمسفر

then they use sunlight energy to convert that into our food,

و بهره‌گیری از انرژی نور خورشید برای تبدیل آن به غذای ما،

releasing our oxygen at the same time.

در عین حال آزاد کردن اکسیژن برای ما.

Photosynthesis is the most studied of all plant processes,

در مورد فتوسنتز از میان فرآیندهای گیاهی بیشترین مطالعه صورت گرفته است،

and from that knowledge,

و طبق این دانسته‌ها،

we realize that even our most productive crops

می‌دانیم که حتی پربازده‌ترین محصولات کشاورزی

are only achieving about one fifth

فقط حدود یک پنجم

of the potential efficiency of that process.

از بازدهی بالقوه این فرآیند را دارا هستند.

As the most studied of plant processes,

به عنوان فرآیندی با بیشترین مطالعه،

we realize that the efficiency is low.

می‌دانیم که بازدهی پایین است.

Now, if we look at other genetic improvements of plants,

حال اگر به اصلاح ژنتیکی دیگری در گیاهان بنگریم،

these have typically involved one or two genes,

این‌ها فقط دارای یک یا دو ژن هستند،

for example, the shortening of the stems of rice and wheat,

برای مثال، کوتاه کردن ساقه برنج و گندم،

allowing more of the plant's biomass to go into the grain that we harvest,

که موجب می‌شود میزان بیشتری از بیومس به سمت دانه‌ای که درو می‌کنیم برود،

was at the core of the Green Revolution.

اصل ماجرای انقلاب سبز را تشکیل می‌داد.

That involved mutations in just a few genes.

که شامل جهش در چند ژن اندک بود.

But photosynthesis is a process of over 100 steps,

اما فتوسنتز فرآیندی با بیش از صد مرحله است،

each of these facilitated by a different protein

هر یک از مراحل توسط پروتئین متفاوتی تسهیل می‌شود

and in turn coded for by many genes.

و در عوض توسط ژن‌های زیادی دستور می‌گیرد.

So where do you start?

خوب از کجا شروع می‌کنید؟

Well, you can envisage this like a car production line.

خوب می‌توانید این فرآیند را مثل خط تولید خودرو تصور کنید.

Imagine you've got a thousand workers.

تصور کنید هزار کارگر دارید.

Where do you place them on your line

برای اینکه بیشترین خروجی را داشته باشید

to get the most output?

آن‌ها را کجا قرار می‌دهید؟

Similarly, if you consider the amount of protein in a leaf,

به طور مشابه، اگر میزان پروتئین موجود در برگ را ملاحظه کنید،

how do you distribute that between all these steps

چگونه آن را بین همه این مراحل توزیع می‌کنید

to get the maximum efficiency?

تا بیشترین بازدهی را داشته باشید؟

If you could work that out,

اگر بتوانید این کار را بکنید،

then maybe you could make progress.

شاید بتوانید پیش بروید.

However, to do this experimentally with all these permutations

به هر حال، انجام آزمایشگاهی این جایگزینی‌ها

may take decades.

ممکن است دهه‌ها زمان ببرد.

So instead, we built a digital twin of the process

پس در عوض، ما یک مشابه دیجیتالی از این فرآیند را ساختیم

in which every one of these reactions

که در آن همه این واکنش‌ها

was described by a differential equation

با یک معادله دیفرانسیل توصیف می‌شد

producing a system that we could then numerically integrate and optimize

و سیستمی ایجاد می‌کرد که می‌توانستیم به صورت عددی انتگرال‌گیری و بهینه‌سازی کنیم

to pick out where should we be making changes.

تا محل ایجاد تغییرات را پیدا کنیم.

So after three years of building this system,

خوب سه سال پس از ساخت این سیستم،

we are now ready to do our numerical integration.

ما اکنون برای انتگرال‌گیری عددی آماده‌ایم.

And it failed.

و ناموفق بود.

It failed miserably.

به شکل فاجعه‌باری شکست خورد.

(Laughter)

(خنده)

Fortunately, another scientist at our computer center

خوشبختانه، دانشمند دیگری در مرکز رایانه ما

heard us talking about our problems

شنید که ما داریم در مورد این مشکل حرف می‌زنیم

and said, "Oh, I had exactly the same problem with my work

و گفت: «اوه، من هم دقیقاً همین مشکل را داشتم زمانی

on balancing rocket motors,

که روی متعادل کردن موتورهای راکت کار می‌کردم،

and here's how I solved it."

و اینگونه مشکل را حل کردم.»

So he looked at our problem and he said,

بنابراین به مسئله ما نگاه کرد و گفت،

"Oh, this is more challenging than what I'm doing."

«اوه، این از مسئله من چالشی‌تر است.»

And he worked with us.

و او با ما همکاری کرد.

And using his methods,

و با استفاده از روش وی،

we were now able to numerically integrate our system,

ما قادر بودیم به صورت عددی از سیستم خود انتگرال بگیریم،

and we could optimize that,

و توانستیم آن را بهینه کنیم،

and we could start to see places

و کم‌کم توانستیم محل‌هایی

where we might be able to improve photosynthesis.

که ممکن است بتوان فتوسنتز را بهبود بخشید پیدا کردیم.

So that's just to tell you

فقط باید به شما بگویم

that photosynthesis isn't rocket science.

که فتوسنتز دانش راکت نیست.

It's harder.

سخت‌تر است.

(Laughter)

(خنده)

(Applause)

(تشویق)

Well, of course, models can look very attractive.

خوب، البته، مدل‌ها می‌توانند جذاب به نظر برسند.

But when you now have to go into a muddy crop field

اما وقتی که حالا باید به یک زمین کشاورزی گل‌آلود بروید

to show that you can actually do this,

تا نشان دهید که می‌توانید این کار را بکنید.

it doesn't look quite so pretty.

اینقدر زیبا به نظر نمی‌رسد.

But despite these challenges,

اما علی رغم این چالش‌ها،

we were able to get together a team of experts

ما توانستیم گروهی از متخصصان را گرد هم جمع کنیم،

from Australia, Britain, China and the United States

متخصصینی از استرالیا، بریتانیا، چین و آمریکا

to work together on this.

تا با هم روی این موضوع کار کنند.

And this is how we work.

و اینگونه کار را پیش بردیم.

We use this digital twin to say, well,

ما از این مشابه دیجیتالی استفاده کردیم تا بفهمیم

what is the easiest change we might make that would have a big impact?

ساده‌ترین تغییر برای داشتن یک تأثیر بزرگ کدام است؟

Then we engineer that into a crop.

سپس این را روی یک محصول کشاورزی اجرا کنیم.

If in the greenhouse,

اگر در گلخانه،

we can see that the genetically modified plant is yielding more

مشاهده کنیم که گیاه اصلاح ژن‌شده محصول بیشتری از

than the unmodified one,

گیاه اصلاح نشده بدهد،

then we have the acid test saying,

پس از آن تست اسید را داریم،

does this actually provide a higher yield on our experimental farm?

که آیا این کار واقعاً به محصول بیشتری در مزرعه آزمایشگاهی ما منجر شده است؟

Now we've now made three different changes to photosynthesis,

خوب ما اکنون سه تغییر متفاوت را در فتوسنتز اعمال کرده‌ایم،

each individually increasing yield by over 20 percent.

هر کدام بازدهی را بیش از ۲۰ درصد افزایش می‌دهد.

And I'll just tell you about --

و الآن در مورد آن توضیح خواهم داد --

(Applause)

(تشویق)

A couple of these in a little more detail.

دو مورد از آن با جزئیات بیشتر.

In one case, the digital twin said

در یک مورد، مشابه دیجیتالی می‌گفت

a protein we call SBPase

پروتئینی که به آن SBPase می‌گوییم

should be far more abundant in the leaf than it is.

می‌بایست در برگ بسیار فراوان‌تر از میزان فعلی باشد.

So we put in extra copies of the genes coding for that protein.

بنابراین ما ژن‌هایی که مسئول ساخت این پروتئین بودن را افزایش دادیم.

We made more of it, we got more photosynthesis,

با بیشتر شدن این پروتئین، سرعت فتوسنتز افزایش یافت،

we got a higher yield.

و بازدهی محصول بیشتر شد.

Well, this was a bit of a mystery because ...

خوب، کمی رمزآلود بود چون --

This protein is a tiny fraction of the leaf's total protein.

این پروتئین بخش کوچکی از مجموع پروتئین برگ است.

So why hadn’t evolution already done this?

پس چرا فرگشت پیشاپیش این کار را نکرده است؟

A colleague pointed out to us that the ancestors of our crops

یکی از همکاران به ما گفت که اجداد این محصول

evolved in the carbon dioxide concentration

در شرایط غلظت بالای دی‌اکسیدکربن تکامل یافته‌اند

that is about half what it is today.

که نصف وضعیت فعلی امروز بوده است.

Aha!

آها!

So we reran the model at this past CO2 concentration,

پس دوباره این مدل را با شرایط گذشته غلظت CO2 اجرا کردیم،

and we found now that the model was saying

و اکنون دریافتیم که این مدل می‌گوید

well you don't need any more of this protein.

خوب شما به میزان بیشتر این پروتئین نیاز ندارید.

So then we got curious, what about the future?

خوب ما در مورد آینده کنجکاو شدیم.

In 2050, we're predicting

پیش‌بینی می‌کنیم که در سال ۲۰۵۰

a considerably higher carbon dioxide concentration.

میزان بسیار بالاتری از غلظت دی‌اکسیدکربن را خواهیم داشت.

When we ran it at that higher concentration,

هنگامی که با غلظت بالاتر مدل را اجرا کردیم،

it said the benefit of increasing this protein was even greater.

می‌گفت فایده افزایش این پروتئین حتی بهتر خواهد بود.

Well, we couldn't easily remove carbon dioxide

خوب، ما نمی‌توانستیم به سادگی دی‌اکسیدکربن را

from the air around our crop,

از هوای اطراف محصول‌مان بزداییم،

but we could add it.

اما می‌توانستیم اضافه کنیم.

And when we did this,

و با انجام این کار،

the model prediction was proved that we did indeed get

پیش‌بینی مدل ثابت می‌کرد که ما در واقع

an even bigger boost in yield.

بازدهی بالاتری خواهیم داشت.

So this told us that evolution has just not had time

خوب این یعنی فرگشت فقط زمان کافی نداشته است

to keep pace with the changes we have made

تا با تغییراتی که ما در محیط زیست محصول ایجاد کرده‌ایم

in crop environments.

همگام شود.

Now, another change we've made in crop environments

حالا تغییر دیگری که ما در محیط زیست محصولات ایجاد کرده‌ایم

is to grow our crops at ever-increasing densities.

رشد دادن محصولات با تراکم‌های همیشه در حال افزایش است.

This means that there's a lot of shading within the crop.

این یعنی سایه‌های بسیاری در میان محصولات وجود دارد.

So over the course of a day,

پس با گذر یک روز،

the leaves are going in and out of shade due to clouds,

برگ‌ها به خاطر ابرها به سایه وارد و خارج می‌شوند،

due to the passage of the sun across the sky,

به خاطر حرکت خورشید در آسمان،

but most importantly,

اما مهمتر از همه،

shadows cast by other leaves.

سایه حاصل از دیگر برگ‌ها.

Now, for photosynthesis,

خوب برای فتوسنتز،

when the leaf goes into the shade,

هنگامی که برگ در سایه واقع شود،

it's rather like you coming out of the sunshine,

مثل زمانی است که شما از زیر نور خورشید خارج شده

going into the shade of a room,

و وارد سایه یک اتاق می‌شوید،

and it takes time for your eyes to adjust to that change.

و تا زمانی که چشم شما به این تغییر عادت کند مقداری زمان لازم است.

The same is true of photosynthesis,

در مورد فتوسنتز هم چنین چیزی صادق است،

except it adjusts rather more slowly than your eyes.

جز اینکه سازگار شدن فتوسنتز از چشم ما کندتر است.

Over the course of the day,

با گذر روز،

this slow adjustment costs productivity an estimated 20 to 40 percent.

این سازگاری کند برای بهره‌وری حدود ۲۰ تا ۴۰ درصد هزینه دارد.

So again, using our digital twin and also other information,

خوب دوباره، با استفاده از مشابه دیجیتالی و دیگر اطلاعات،

we identified three proteins that we should regulate.

ما سه پروتئین را تشخیص دادیم که باید تنظیم شود.

So we added extra copies of the genes for those proteins,

خوب ما تعداد ژن‌های سازنده این پروتئین‌ها را افزایش دادیم،

got more of them,

تعدادشان بیشتر شد،

the leaves adapted faster to fluctuations in light.

برگ‌ها در مقابل نوسانات نور سریعتر سازگار می‌شدند.

And in soybean on our farm

و برای سویا در مزرعه ما

we got more than 20 percent increase in seed yield.

ما در بازدهی دانه سویا ۲۰ درصد افزایش داشتیم.

(Applause)

(تشویق)

So how do we now get from these improvements

خوب ما حال چگونه این بهبودها را روی دانه

to seed

اعمال کنیم

which will give greater yields where it is most needed?

که در صورت نیاز بازدهی بیشتری داشته باشیم؟

And I'll just give you one ongoing example.

و فقط یک مثال خواهم زد.

We've been working with TJ Higgins,

ما با تی‌جی هیگینس همکاری می‌کردیم،

a plant biotechnologist from Australia,

یک زیست‌فناور از استرالیا،

who's been working in Nigeria really for almost 20 years,

کسی که تقریباً ۲۰ سال در نیجریه تلاش کرده بود

developing insect-resistant cowpea.

تا یک لوبیای چشم‌بلبلی مقاوم در برابر حشرات توسعه دهد.

Cowpea is probably not what you think it is.

لوبیای چشم‌بلبلی آن چیزی نیست که احتمالاً در ذهن شماست.

Cowpea is actually a nitrogen-fixing crop

لوبیای چشم‌بلبلی یک محصول تثبیت‌کننده نیتروژن در ارتباط با دانه سویاست،

related to soybean,

and it produces, like soybean, a protein-rich seed.

و مثل سویا دانه غنی از پروتئین تولید می‌کند.

It is, in fact the most important vegetable protein source in West Africa,

در واقع مهمترین منبع پروتئین سبزیجات در غرب آفریقاست،

and it is often referred to as the “poor man’s meat.”

و اغلب به آن «گوشت فقرا» می‌گویند.

A problem with cowpea is that a pod boring insect

مشکل لوبیا یک حشره سوراخ‌کننده غلاف است

can completely destroy a family's entire crop.

که می‌تواند کل محصول یک خانواده را تخریب کند.

So TJ's ...

خوب لوبیای اصلاح شده تی‌جی

genetically modified cowpea that is insect-resistant

که در برابر حشرات مقاوم است

is very powerful,

بسیار قدرتمند است.

and TJ and his colleagues work with governments in West Africa

و تی‌جی و همکارانش با دولت‌ها در آفریقای غربی همکاری می‌کنند

to put in place regulatory frameworks for genetically modified crops.

تا ساختارهای تنظیمی برای محصولات اصلاح‌شده ژنتیکی مدون شود.

And now this insect-resistant cowpea is available to farmers in Nigeria,

و اکنون این لوبیای مقاوم در برابر حشرات در دسترس کشاورزان نیجریه است،

where it's become very popular.

و بسیار هم مشهور شده است.

This year, it was also released in Ghana.

امسال، در غنا هم مورد استفاده قرار گرفت.

So what we are now doing with TJ

خوب کاری که با تی‌جی انجام می‌دهیم

is stacking our photosynthetic improvements

تجمیع بهبودهای فتوسنتز با

on top of his insect resistance --

مقاومت در برابر حشرات است --

this is all royalty-free --

همه اینها رایگان هستند

so that these farmers will have access to seed,

و کشاورزان به دانه‌ها دسترسی دارند،

which will produce a crop which is insect-resistant

که محصولی تولید خواهد کرد که در مقابل حشرات مقاوم

and delivers a higher yield.

و بازدهی محصول بالاتری دارد.

So I hope I've shown to you that ...

خوب امیدوارم به شما نشان داده باشم ...

by boosting photosynthesis

که با تسریع فتوسنتز

we can relieve the risk of food insufficiency

می‌توانیم از خطر کمبود غذا برای افراد آسیب‌پذیر

for some of the most vulnerable.

نجات حاصل کنیم.

We can protect the environment

می‌توانیم از محیط زیست حفاظت کنیم

by preventing the need to go onto yet more land

چون می‌توان از استفاده زمین بیشتر برای تولید غذا

to produce our food.

جلوگیری کرد.

And the possibility that we might even be able to remove carbon dioxide

و این احتمال که حتی ممکن است بتوانیم دی‌اکسیدکربن را

from the atmosphere.

از اتمسفر بزداییم.

A 21-century Green Revolution,

یک انقلاب سبز قرن بیست و یکمی،

one we so urgently need.

که بسیار مورد نیاز است.

Thank you.

متشکرم.

(Applause)

(تشویق)