Τι κάνει τα φυτά να έχουν καλή γεύση; Για τους επιστήμονες στο Media Lab του MIT, χρειάζεται ένα συνδυασμό βοτανικής, αλγορίθμων μηχανικής μάθησης και κάποια καλή παλιομοδίτικη χημεία.
Χρησιμοποιώντας όλα τα παραπάνω, οι ερευνητές στην Έκθεση Open Agriculture Initiative του Εργαστηρίου Μέσων Ενημέρωσης ότι έχουν δημιουργήσει φυτά βασιλικού που είναι πιθανώς πιο νόστιμα από ότι έχετε δοκιμάσει ποτέ. Δεν υπάρχει γενετική τροποποίηση: Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν αλγόριθμους υπολογιστών για να προσδιορίσουν τις βέλτιστες συνθήκες ανάπτυξης για να μεγιστοποιήσουν τη συγκέντρωση των γευστικών μορίων που είναι γνωστά ως ασταθείς ενώσεις.
Αλλά αυτή είναι μόνο η αρχή για το νέο πεδίο της “cyber γεωργίας”, λέει ο Caleb Harper, κύριος ερευνητής στο Media Lab του MIT και διευθυντής της ομάδας OpenAg. Η ομάδα του εργάζεται τώρα για την ενίσχυση των ιδιοτήτων των βοτάνων που καταπολεμούν τις ασθένειες και ελπίζουν επίσης να βοηθήσουν τους καλλιεργητές να προσαρμοστούν στα μεταβαλλόμενα κλίματα, μελετώντας τον τρόπο καλλιέργειας των καλλιεργειών υπό διαφορετικές συνθήκες.
“Στόχος μας είναι να σχεδιάσουμε την τεχνολογία ανοιχτού κώδικα στη διασταύρωση της απόκτησης δεδομένων, της ανίχνευσης και της μηχανικής μάθησης και να την εφαρμόσουμε στη γεωργική έρευνα με τρόπο που δεν έχει γίνει μέχρι τώρα”, λέει ο Harper. “Μας ενδιαφέρει πραγματικά να οικοδομήσουμε δικτυωμένα εργαλεία που μπορούν να πάρουν την εμπειρία ενός φυτού, τον φαινότυπο του, το σύνολο των στρες που συναντά και τη γενετική του και να ψηφιοποιήσει αυτό ώστε να μας επιτρέψει να κατανοήσουμε την αλληλεπίδραση φυτού-περιβάλλοντος”.
Στη μελέτη τους για τα φυτά βασιλικού που εμφανίζεται στο τεύχος Απριλίου του PLOS ONE, οι ερευνητές βρήκαν, προς έκπληξή τους, ότι η έκθεση των φυτών στο φως 24 ώρες την ημέρα δημιούργησε την καλύτερη γεύση. Οι παραδοσιακές γεωργικές τεχνικές δεν θα είχαν οδηγήσει ποτέ σε αυτή τη διορατικότητα, λέει ο John de la Parra, ο ερευνητικός επικεφαλής του ομίλου OpenAg και συγγραφέας της μελέτης.
“Δεν θα μπορούσατε να το ανακαλύψετε με οποιονδήποτε άλλο τρόπο. Αν δεν είστε στην Ανταρκτική, δεν υπάρχει 24ωρη φωτοπερίοδος για να δοκιμάσετε στον πραγματικό κόσμο”, λέει. “Πρέπει να έχετε τεχνητές συνθήκες για να το ανακαλύψετε”.
Ο Harper και ο Risto Miikkulainen, καθηγητής της πληροφορικής στο Πανεπιστήμιο του Texas στο Austin, είναι οι ανώτεροι συγγραφείς της εργασίας. Η Arielle Johnson, συνάδελφός του στο Media Lab, και ο Elliot Meyerson της Cognizant Technology Solutions είναι οι κύριοι συγγραφείς και ο Timothy Savas, ειδικός βοηθός έργων στην Open Agriculture Initiative, είναι επίσης συντάκτης.
Μεγιστοποιώντας τη γεύση
Σε μια αποθήκη στο εργαστήριο MIT-Bates στο Middleton της Μασαχουσέτης, τα φυτά OpenAg καλλιεργούνται σε μεταφορικά δοχεία που έχουν τοποθετηθεί εκ των υστέρων έτσι ώστε οι περιβαλλοντικές συνθήκες, συμπεριλαμβανομένου του φωτός, της θερμοκρασίας και της υγρασίας, να μπορούν να ελέγχονται προσεκτικά.
Αυτό το είδος γεωργίας έχει πολλές ονοματολογίες – ελεγχόμενη περιβαλλοντική γεωργία, κάθετη γεωργία, αστική γεωργία – και εξακολουθεί να είναι μια εξειδικευμένη αγορά, αλλά αναπτύσσεται γρήγορα, λέει ο Harper. Στην Ιαπωνία, ένα τέτοιο «φυτό εργοστάσιο» παράγει εκατοντάδες χιλιάδες κεφάλια μαρούλι κάθε εβδομάδα. Ωστόσο, σημειώθηκαν επίσης πολλές αποτυχημένες προσπάθειες και υπάρχει ελάχιστη ανταλλαγή πληροφοριών μεταξύ εταιρειών που εργάζονται για την ανάπτυξη αυτών των τύπων εγκαταστάσεων.
Ένας από τους στόχους της πρωτοβουλίας του MIT είναι να ξεπεραστεί αυτό το είδος μυστικότητας, καθιστώντας το όλο υλικό του OpenAg, το λογισμικό και τα δεδομένα ελεύθερα διαθέσιμα.
“Υπάρχει ένα μεγάλο πρόβλημα τώρα στον αγροτικό χώρο από την άποψη της έλλειψης διαθέσιμων στο κοινό δεδομένων, της έλλειψης προτύπων στη συλλογή δεδομένων και της έλλειψης ανταλλαγής δεδομένων”, λέει ο Harper. “Έτσι, ενώ η εκμάθηση της μηχανής και η τεχνητή νοημοσύνη και ο προηγμένος σχεδιασμός αλγορίθμων έχουν μετακινηθεί τόσο γρήγορα, η συλλογή των καλά επισημασμένων και ουσιαστικών γεωργικών δεδομένων είναι πολύ πίσω. Τα εργαλεία μας είναι ανοικτού κώδικα, ελπίζουμε ότι θα εξαπλωθούν ταχύτερα και θα δημιουργήσουν τη δυνατότητα να συνεργαστούν με δικτύωση”.
Στη μελέτη PLOS ONE, η ομάδα του MIT θέλησε να αποδείξει τη σκοπιμότητα της προσέγγισής τους, η οποία περιλαμβάνει την καλλιέργεια φυτών κάτω από διαφορετικά σύνολα συνθηκών σε υδροπονικά δοχεία που αποκαλούν “υπολογιστές τροφίμων”. Αυτή η ρύθμιση τους επέτρεψε να διαφοροποιήσουν τη διάρκεια του φωτός και διάρκεια έκθεσης στο υπεριώδες φως. Μόλις τα φυτά είχαν αναπτυχθεί πλήρως, οι ερευνητές αξιολόγησαν τη γεύση του βασιλικού μετρώντας τη συγκέντρωση των πτητικών ενώσεων που βρέθηκαν στα φύλλα χρησιμοποιώντας παραδοσιακές τεχνικές αναλυτικής χημείας όπως αεριοχρωματογραφία και φασματομετρία μάζας. Αυτά τα μόρια περιλαμβάνουν πολύτιμα θρεπτικά συστατικά και αντιοξειδωτικά, οπότε η ενισχυτική γεύση μπορεί επίσης να προσφέρει οφέλη για την υγεία.
Όλες οι πληροφορίες από τα πειράματα των φυτών έλαβαν έπειτα αλγορίθμους μηχανικής μάθησης που ανέπτυξαν οι ομάδες MIT και Cognizant (πρώην Sentient Technologies). Οι αλγόριθμοι αξιολόγησαν εκατομμύρια πιθανών συνδυασμών φωτεινότητας και διάρκειας UV και παρήγαγαν σύνολα συνθηκών που θα μεγιστοποιούσαν τη γεύση, συμπεριλαμβανομένου του 24ώρου φυσικού φωτός.
Πέραν της γεύσης, οι ερευνητές εργάζονται τώρα για την ανάπτυξη φυτών βασιλικού με υψηλότερα επίπεδα ενώσεων που θα μπορούσαν να βοηθήσουν στην καταπολέμηση ασθενειών όπως ο διαβήτης. Ο βασιλικός και τα άλλα φυτά είναι γνωστό ότι περιέχουν ενώσεις που βοηθούν στην καταπολέμηση του σακχάρου στο αίμα και σε προηγούμενες εργασίες, ο de la Parra έδειξε ότι αυτές οι ενώσεις μπορούν να ενισχυθούν με ποικίλες περιβαλλοντικές συνθήκες.
Οι ερευνητές μελετούν τώρα τις επιπτώσεις του συντονισμού άλλων περιβαλλοντικών μεταβλητών όπως η θερμοκρασία, η υγρασία και το χρώμα του φωτός, καθώς και τα αποτελέσματα της προσθήκης φυτικών ορμονών ή θρεπτικών ουσιών. Σε μια μελέτη, εκθέτουν φυτά σε χιτοζάνη, ένα πολυμερές που βρίσκεται στα κελύφη των εντόμων, γεγονός που κάνει το φυτό να παράγει διαφορετικές χημικές ενώσεις για να αποφευχθεί η επίθεση των εντόμων.
Επίσης, ενδιαφέρονται να χρησιμοποιήσουν την προσέγγισή τους για την αύξηση των αποδόσεων των φαρμακευτικών φυτών, όπως η Μαδαγασκάρη, η μόνη πηγή των αντικαρκινικών ενώσεων βινκριστίνη και βινβλαστίνη.
“Μπορείτε να δείτε αυτό την μελέτη ως το πρώτο πλάνο για πολλά διαφορετικά πράγματα που μπορούν να εφαρμοστούν και είναι μια έκθεση της δύναμης των εργαλείων που έχουμε κατασκευάσει μέχρι τώρα”, λέει ο de la Parra. “Αυτό ήταν το αρχέτυπο για αυτό που μπορούμε τώρα να κάνουμε σε μεγαλύτερη κλίμακα”.
Αυτή η προσέγγιση προσφέρει μια εναλλακτική λύση στη γενετική τροποποίηση των καλλιεργειών, μια τεχνική που δεν είναι όλοι άνετη, λέει ο Albert-László Barabási, καθηγητής της επιστήμης δικτύων στο Πανεπιστήμιο Northeastern.
“Η παρούσα μελέτη χρησιμοποιεί σύγχρονες ιδέες στην ψηφιακή γεωργία για τη συστηματική μεταβολή της χημικής σύνθεσης των φυτών που τρώμε αλλάζοντας τις περιβαλλοντικές συνθήκες στις οποίες καλλιεργούνται τα φυτά. Δείχνει ότι μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε μηχανική μάθηση και καλά ελεγχόμενες συνθήκες για να βρούμε τα γλυκά σημεία, δηλαδή τις συνθήκες κάτω από τις οποίες το σχέδιο μεγιστοποιεί τη γεύση και την απόδοση”, λέει ο Barabási, ο οποίος δεν συμμετείχε στη μελέτη.
Προσαρμογή στην αλλαγή του κλίματος
Μια άλλη σημαντική εφαρμογή για την cyber γεωργία, λένε οι ερευνητές, είναι η προσαρμογή στην αλλαγή του κλίματος. Ενώ συνήθως χρειάζονται χρόνια ή δεκαετίες για να μελετηθεί ο τρόπος με τον οποίο διαφορετικές συνθήκες θα επηρεάσουν τις καλλιέργειες, σε ένα ελεγχόμενο γεωργικό περιβάλλον, πολλά πειράματα μπορούν να γίνουν σε σύντομο χρονικό διάστημα.
“Όταν μεγαλώνεις τα πράγματα σε έναν τομέα, πρέπει να βασίσεις τον καιρό και άλλους παράγοντες για να συνεργαστείς και πρέπει να περιμένεις την επόμενη καλλιεργητική περίοδο”, λέει ο de la Parra. “Με συστήματα όπως τα δικά μας, μπορούμε να αυξήσουμε σημαντικά την ποσότητα των γνώσεων που μπορούν να αποκτηθούν πολύ πιο γρήγορα”.
Η ομάδα OpenAg εκτελεί αυτήν την περίοδο μια τέτοια μελέτη στα φουντούκια για τον κατασκευαστή καραμελών Ferrero, ο οποίος καταναλώνει περίπου το 25% των φουντουκιών στον κόσμο.
Στο πλαίσιο της εκπαιδευτικής αποστολής τους, οι ερευνητές έχουν επίσης αναπτύξει μικρούς “προσωπικούς υπολογιστές τροφίμων” – κιβώτια που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την καλλιέργεια φυτών υπό ελεγχόμενες συνθήκες και να στείλουν δεδομένα στην ομάδα MIT. Αυτά χρησιμοποιούνται τώρα από πολλούς μαθητές γυμνασίου και μέσου σχολείου στις Ηνωμένες Πολιτείες, μεταξύ ενός δικτύου διαφόρων χρηστών που διαδίδονται σε 65 χώρες, οι οποίοι μπορούν να μοιραστούν τις ιδέες και τα αποτελέσματά τους μέσω ενός ηλεκτρονικού φόρουμ.
“Για εμάς, κάθε κουτί είναι ένα σημείο δεδομένων που μας ενδιαφέρει πολύ, αλλά είναι επίσης μια πλατφόρμα πειραματισμού για τη διδασκαλία της περιβαλλοντικής επιστήμης, της κωδικοποίησης, της χημείας και των μαθηματικών με έναν νέο τρόπο”, λέει ο Harper.
Η έρευνα χρηματοδοτήθηκε από τις Target Corp., Lee Kum Kee Health Products Group, Welspun, Sentient Technologies, και Cognizant Technology Solutions.
Πηγή: MIT News
Dim Gerliotis
sciencesocietyweb
Society of Science 
Leave a comment