Investigadores estan utilizando un modelo tridimensional para identificar cosechas mas acertadas en el futuro.
Y si los agricultores pudieran cultivar caña de azucar en cuestion de segundos, no dias o semanas?. Los cientificos estan haciendo precisamente eso. Por supuesto, estos cultivos no brotan del suelo. En su lugar, florecen en la pantalla de una computadora.
Las plantas digitales como estas forman parte de un nuevo movimiento en la ciencia agricola llamado in silico, donde los investigadores diseñan cosechas altamente precisas y simuladas por computadora para ayudar a acelerar la reproduccion selectiva, en la cual las plantas son escogidas y replantadas para amplificar sus rasgos deseables. Los cientificos creen que el futuro de la agricultura no esta solo en los campos, sino tambien en el desarrollo grafico.
Esta nueva area de la ciencia de los cultivos llega en un momento precario para la seguridad alimentaria mundial. La poblacion actual del mundo es de unos 7,5 mil millones de personas, y el Centro de Investigacion Pew predice que se disparara a alrededor de 9,6 millones en 2050. Para empeorar las cosas, los investigadores han registrado graves disminuciones en nutrientes del suelo y disponibilidad de agua en todo el mundo. Como fundamento de como nos alimentamos, los cultivos futuros necesitaran hacer mas con menos. Eberhard Voit, biologo del Instituto de Tecnologia de Georgia, dice que la estrategia milenaria de solo seleccionar y replantar las variedades que prosperan es demasiado lenta. Necesitamos un enfoque mas especifico, dice. Aqui es donde los cultivos in silico pueden ayudar. Al estudiar el crecimiento de las plantas mediante simulaciones por computadora, los investigadores podrian descubrir que atributos hacen las mejores cosechas y por que, en mucho menos tiempo que una estacion de cultivo tradicional.
El termino in silico, o en silicio, se refiere a chips de silicio. La tecnica comienza con los cientificos que recopilan datos sobre el comportamiento de las plantas bajo microscopios y sobre el terreno. Luego construyen modelos estadisticos que identifican las relaciones matematicas en los datos. Los investigadores luego crean simulaciones basadas en esas ecuaciones, lo que les permite ver el rol que juegan los rasgos que miden en la pantalla. Una vez que visualizan los cultivos, los cientificos pueden manipular los datos para ver que factores dan lugar a las plantas de crecimiento mas rapido, mas resistentes a la sequia o menos susceptibles a plagas.
La caña de azucar digital, descrita a principios de este año por investigadores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, ilustra como los cultivos en silicio ayudan a los agricultores. En el grafico, un dosel frondoso refleja la gama de alturas, tamaños de hojas y angulos medidos en los verdaderos campos de caña de azucar brasileños. La luz del sol filtra a traves del follaje con intensidad variable, parches ausentes sombreados por otras hojas. En respuesta a estas variadas formas y exposiciones a la luz, la cosecha digital imita como crecerian las plantas de caña de azucar del mundo real.
En su estudio, los investigadores usaron la simulacion para probar cuatro patrones de siembra diferentes: una cuadricula perfectamente simetrica de lineas de semillas versus una alineada escalonada y una orientacion de norte a sur frente a otra orientada de este a oeste de las hileras de siembra. Su modelo revelo que la alineacion asimetrica y norte a sur produjo el mayor rendimiento, el cual fue 10 por ciento mayor que el que los campos tipicos de la caña de azucar brasileña actualmente proveen. Los supercomputadores tomaron un dia entero para procesar los datos del equipo y proporcionar resultados, dice el co-lider del estudio Stephen Long en Illinois, quien tambien es profesor de biologia vegetal y ciencia de cultivos en la Universidad de Lancaster en Inglaterra. Sin embargo, un dia de procesamiento es casi nada comparado con toda una temporada de crecimiento. Pero Long piensa que no pasara mucho tiempo antes de que los avances tecnologicos aceleren estos calculos. Dentro de 12 meses, lo que tomo un dia se podria hacer en un minuto, dice.
El modelo de los investigadores ayuda a revelar como las condiciones tales como la luz solar y el sombreado afectan el crecimiento de los cultivos, pero muchos otros factores, como la disponibilidad de agua y las interacciones microbianas, determinan la longitud de una mazorca o anchura de una soja. Antes de que estos otros elementos se traduzcan en codigo, los cientificos primero necesitan entender como funcionan en la vida real.
Fisiologos y biologos de plantas alrededor del mundo estan ahora investigando estas preguntas cruciales tanto en el campo como en el laboratorio. Por ejemplo, Long y el colega de Illinois Xinguang Zhu, que tambien tiene un puesto en la Academia China de Ciencias, estudia un tipo de fotosintesis unico para cultivos de soja y arroz. Voit investiga que controla la produccion de un compuesto de endurecimiento de la pared celular de la planta llamado lignina. Jonathan Lynch, un fisiologo de plantas de la Universidad Estatal de Pensilvania y otro fundador de los cultivos en silicio, analiza el comportamiento de las raices bajo una variedad de condiciones de nutrientes del suelo. A medida que aprendan mas, los cientificos tendran en cuenta estos detalles clave de la supervivencia y el crecimiento de los cultivos en sus laboratorios en las silicosimulaciones.
El siguiente obstaculo es como conseguir que estas diferentes simulaciones se hablen entre si, dice Amy Marshall-Colon, biologa de sistemas de plantas en Illinois, quien dirige un grupo de laboratorio independiente de Long y Zhu. Los equipos de investigacion llevan a cabo su investigacion individual en cualquier software, y muchos de sus programas no pueden funcionar simultaneamente y producir una planta que tenga sentido. Aqui es donde entra en funcionamiento el Centro Nacional de Aplicaciones de Supercomputacion (NCSA). Ubicado en Illinois, esta instalacion computacional ha ayudado a otros cientificos, como los astrofisicos, a traducir sus matematicas en animaciones. Los programadores de la NCSA estan construyendo un marco de software que puede combinar todos los modelos de cultivo individuales en una planta que muestra multiples funciones programables. Utilizando este marco multitarea, los investigadores pueden ejecutar cualquier variedad de caracteristicas de plantas simuladas que les gustaria. Se puede conectar y jugar para responder a una pregunta biologica especifica, dice Marshall-Colon.
Para lograr esta fase posterior, el creciente campo in silico necesitara crecer sustancialmente, especialmente en los Estados Unidos Lynch, quien tambien tiene un puesto en la Universidad de Nottingham en Inglaterra, siente que Europa esta mas dispuesta a invertir en la modelizacion de cultivos. Nosotros no solo estamos jugando un juego en los Estados Unidos, dice. Sin embargo, los investigadores estadounidenses han encontrado algun financiamiento a traves de sus universidades, asi como organizaciones como la Fundacion para la Investigacion de Agricultura y Alimentos, una organizacion sin fines de lucro destinada a ayudar al Departamento de Agricultura de los Estados Unidos a encontrar y promover tecnicas innovadoras de produccion de alimentos.
Los cientificos que trabajan en cultivos in silico anticipan el potencial creciente de este campo emergente, y lo que aprenderan sobre alimentos esenciales para la supervivencia humana.Va a ser mas importante en los proximos años, dice Lynch, Esta es la frontera de la biologia.