Cosa serve per rendere le piante buone? Per gli scienziati del Media Lab del MIT, ci vuole una combinazione di botanica, algoritmi di apprendimento automatico, e un po' di buona chimica vecchio stile.

Utilizzando tutto quanto sopra, i ricercatori dell'Open Agriculture Initiative del Media Lab riferiscono di aver creato piante di basilico che sono probabilmente più deliziose di qualsiasi altra tu abbia mai assaggiato. Non è coinvolta alcuna modifica genetica:i ricercatori hanno utilizzato algoritmi informatici per determinare le condizioni di crescita ottimali per massimizzare la concentrazione di molecole saporite note come composti volatili.

Ma questo è solo l'inizio per il nuovo campo della "ciberagricoltura, "dice Caleb Harper, uno dei principali ricercatori nel Media Lab del MIT e direttore del gruppo OpenAg. Il suo gruppo sta ora lavorando per migliorare le proprietà di lotta contro le malattie umane delle erbe, e sperano anche di aiutare i coltivatori ad adattarsi ai cambiamenti climatici studiando come crescono le colture in condizioni diverse.

"Il nostro obiettivo è progettare una tecnologia open source all'intersezione dell'acquisizione dei dati, rilevamento, e apprendimento automatico, e applicarlo alla ricerca agricola in un modo che non è stato fatto prima, " Dice Harper. "Siamo davvero interessati a creare strumenti in rete che possano richiedere l'esperienza di un impianto, il suo fenotipo, l'insieme delle sollecitazioni che incontra, e la sua genetica, e digitalizzarlo per consentirci di comprendere l'interazione pianta-ambiente".

Nel loro studio sulle piante di basilico, che appare nel numero del 3 aprile di PLOS UNO , i ricercatori hanno scoperto, con loro sorpresa, che esporre le piante alla luce 24 ore al giorno ha generato il miglior sapore. Le tecniche agricole tradizionali non avrebbero mai prodotto questa intuizione, dice Giovanni de la Parra, capo della ricerca per il gruppo OpenAg e autore dello studio.

"Non avresti potuto scoprirlo in nessun altro modo. A meno che tu non sia in Antartide, non c'è un fotoperiodo di 24 ore da testare nel mondo reale, " dice. "Dovevi avere circostanze artificiali per scoprirlo."

Harper e Risto Miikkulainen, un professore di informatica all'Università del Texas ad Austin, sono gli autori senior del documento. Arielle Johnson, borsista di regia al Media Lab, ed Elliot Meyerson di Cognizant Technology Solutions sono gli autori principali, e Timothy Savas, un assistente di progetti speciali presso l'Open Agriculture Initiative, è anche autore.

Massimizzare il sapore

Situato in un magazzino a Middleton, Massachusetts, le piante OpenAg sono coltivate in container marittimi che sono stati adattati in modo che le condizioni ambientali, compresa la luce, temperatura, e umidità, può essere attentamente controllato.

Questo tipo di agricoltura ha molti nomi:agricoltura ambientale controllata, agricoltura verticale, l'agricoltura urbana, ed è ancora un mercato di nicchia, ma sta crescendo velocemente, dice Harper. In Giappone, una di queste "fabbrica di piante" produce centinaia di migliaia di cespi di lattuga ogni settimana. Però, ci sono stati anche molti tentativi falliti, e c'è pochissima condivisione di informazioni tra le aziende che lavorano per sviluppare questo tipo di strutture.

Uno degli obiettivi dell'iniziativa del MIT è superare questo tipo di segretezza, realizzando tutto l'hardware OpenAg, Software, e dati liberamente disponibili.

"C'è un grosso problema in questo momento nello spazio agricolo in termini di mancanza di dati disponibili al pubblico, mancanza di standard nella raccolta dei dati, e mancanza di condivisione dei dati, " Dice Harper. "Quindi, mentre l'apprendimento automatico, l'intelligenza artificiale e la progettazione di algoritmi avanzati si sono mossi così velocemente, la raccolta di ben etichettati, i dati agricoli significativi sono molto indietro. I nostri strumenti sono open-source, si spera che si diffondano più velocemente e creino la capacità di fare scienza in rete insieme".

Nel PLOS UNO studio, il team del MIT si è proposto di dimostrare la fattibilità del loro approccio, che prevede la coltivazione di piante in diverse serie di condizioni in contenitori idroponici che chiamano "computer alimentari". Questa configurazione ha permesso loro di variare la durata della luce e la durata dell'esposizione alla luce ultravioletta. Una volta che le piante erano completamente cresciute, i ricercatori hanno valutato il gusto del basilico misurando la concentrazione di composti volatili presenti nelle foglie, utilizzando tecniche di chimica analitica tradizionali come la gascromatografia e la spettrometria di massa. Queste molecole includono preziosi nutrienti e antiossidanti, quindi migliorare il sapore può anche offrire benefici per la salute.

Tutte le informazioni provenienti dagli esperimenti sull'impianto sono state quindi inserite in algoritmi di apprendimento automatico sviluppati dai team del MIT e di Cognizant (ex Sentient Technologies). Gli algoritmi hanno valutato milioni di possibili combinazioni di luce e durata UV, e ha generato insiemi di condizioni che massimizzerebbero il sapore, compreso il regime diurno di 24 ore.

Andare oltre il sapore, i ricercatori stanno ora lavorando allo sviluppo di piante di basilico con livelli più elevati di composti che potrebbero aiutare a combattere malattie come il diabete. È noto che il basilico e altre piante contengono composti che aiutano a controllare la glicemia, e nei lavori precedenti, de la Parra ha dimostrato che questi composti possono essere potenziati dal variare delle condizioni ambientali.

I ricercatori stanno ora studiando gli effetti della regolazione di altre variabili ambientali come la temperatura, umidità, e il colore della luce, così come gli effetti dell'aggiunta di ormoni vegetali o sostanze nutritive. In uno studio, stanno esponendo le piante al chitosano, un polimero che si trova nei gusci degli insetti, che fa produrre alla pianta diversi composti chimici per scongiurare l'attacco degli insetti.

Sono anche interessati a utilizzare il loro approccio per aumentare i raccolti di piante medicinali come la pervinca del Madagascar, che è l'unica fonte dei composti antitumorali vincristina e vinblastina.

"Puoi vedere questo documento come lo scatto di apertura per molte cose diverse che possono essere applicate, ed è un'esibizione della potenza degli strumenti che abbiamo costruito finora, " dice de la Parra. "Questo era l'archetipo per quello che ora possiamo fare su scala più grande".

Adattamento climatico

Un'altra importante applicazione per l'agricoltura cibernetica, dicono i ricercatori, è l'adattamento ai cambiamenti climatici. Mentre di solito ci vogliono anni o decenni per studiare come le diverse condizioni influenzeranno le colture, in un ambiente agricolo controllato, molti esperimenti possono essere fatti in un breve periodo di tempo.

"Quando coltivi cose in un campo, devi fare affidamento sul tempo e su altri fattori per cooperare, e devi aspettare la prossima stagione di crescita, " dice de la Parra. "Con sistemi come il nostro, possiamo aumentare notevolmente la quantità di conoscenza che può essere acquisita molto più rapidamente."

Il team di OpenAg sta attualmente effettuando uno di questi studi sugli alberi di nocciole per il produttore di caramelle Ferrero, che consuma circa il 25% delle nocciole del mondo.

Nell'ambito della loro missione educativa, i ricercatori hanno anche sviluppato piccoli "computer alimentari personali", scatole che possono essere utilizzate per coltivare piante in condizioni controllate e inviare dati al team del MIT. Questi sono ora utilizzati da molti studenti delle scuole superiori e medie negli Stati Uniti, tra una rete di utenti diversificati sparsi in 65 paesi, che possono condividere le proprie idee e risultati tramite un forum online.

"Per noi, ogni casella è un punto di dati che siamo molto interessati a ottenere, ma è anche una piattaforma di sperimentazione per l'insegnamento delle scienze ambientali, codifica, chimica, e matematica in un modo nuovo, "dice Harper.