# Кэтер Симпсон: «Фотоника позволит прокормить человечество без захвата новых земель» Источник: https://www.youtube.com/watch?v=KbFl0loFui8 Канал: Perimeter Institute Опубликовано: 07.03.2019 --- Как свет меняет наше представление о сельском хозяйстве и производстве продуктов питания? В лекции Perimeter Institute Кэтер Симпсон (Cather Simpson) объясняет, почему XXI век станет эпохой фотоники, и как лазерные технологии позволяют управлять полом телят, анализировать состав молока на лету и кормить растущее население планеты в условиях дефицита земель. ## 💡 Век фотоники: от смартфонов до глобальной индустрии [[JUMP:10:35]] Кэтер Симпсон утверждает, что если XX век был веком электроники, то XXI век станет веком фотоники — науки о создании, манипулировании и детектировании света [11:43]. По её мнению, изобретение лазера в 1960 году по значимости сопоставимо с изобретением колеса, так как оно впервые позволило человеку полностью контролировать световой поток [12:38]. Сегодня фотоника пронизывает все сферы жизни: * **Смартфоны:** В производстве или работе типичного смартфона задействовано более 100 компонентов или этапов, использующих свет — от лазерной сварки батареи до работы дисплея [12:51]. * **Медицина:** Лазеры применяются для удаления татуировок и лечения воспалений, которые, как полагает Симпсон, могут быть связаны даже с болезнью Альцгеймера [13:04]. * **Энергетика:** Проекты по созданию термоядерного синтеза с помощью мощных лазерных установок [13:31]. * **Экономика:** По прогнозам, к 2020 году объем рынка фотоники должен был достичь почти 1 триллиона канадских долларов [14:11]. Кэтер Симпсон считает, что роль фотоники в сельском хозяйстве заключается в радикальном повышении эффективности каждого шага превращения солнечной энергии в калории на нашей тарелке [15:11]. ## 🏗️ Вертикальные фермы и продовольственная безопасность [[JUMP:15:23]] Человечество стоит перед «проблемой Бразилии»: по словам Кэтер Симпсон, чтобы прокормить дополнительные 5 миллиардов человек, которые появятся на планете в ближайшие десятилетия, нам потребуются новые пахотные земли размером с целую Бразилию [18:00]. Поскольку свободных земель практически не осталось, решением становится закрытое (индорное) или вертикальное фермерство [16:04]. Преимущества этого подхода: * Высокая плотность посадки и снижение потребности в рабочей силе (использование роботов) [19:18]. * Снижение потребления воды и отсутствие необходимости в пестицидах [19:31]. * Защита от погодных условий (града, штормов, температурных колебаний) [20:00]. Долгое время препятствием для вертикальных ферм была стоимость энергии. Однако фотоника решила эту проблему: стоимость светодиодного (LED) освещения упала в десятки раз с 2006 года [22:00]. Теперь стало экономически выгодным выращивать растения в закрытых складах, подбирая для каждого вида свой «световой рецепт» — комбинацию длин волн, ускоряющую рост [22:15]. Симпсон отмечает «вызов 15 тераватт» — таков текущий уровень мирового энергопотребления [23:34]. Солнце поставляет на Землю достаточно энергии за один час, чтобы обеспечить планету на год, но мы всё ещё учимся эффективно её собирать. КПД коммерческих солнечных панелей вырос с 12% до 25%, а экспериментальные образцы уже достигают 50% эффективности [24:29]. ## 🐄 Лазеры, молоко и «демоны спермы» [[JUMP:28:16]] В своей лаборатории Photon Factory Кэтер Симпсон перешла от фундаментальных исследований квантовых состояний к решению конкретных задач молочной промышленности [30:11]. Одной из самых успешных разработок стала компания **Engender**, которая занимается сортировкой спермы скота по полу [32:55]. Механизм работы технологии Engender: 1. **Микрофлюидика:** Сперматозоиды проходят через каналы толщиной с человеческий волос [33:21]. 2. **Ориентация:** Лазер используется для выравнивания плоских головок сперматозоидов в потоке [34:15]. 3. **Детекция:** Кэтер Симпсон поясняет, что X-хромосома (женская) немного больше Y-хромосомы (мужской). При окрашивании ДНК лазер заставляет женские клетки светиться ярче [33:47]. 4. **Сортировка (Force):** Лазерный луч буквально «подталкивает» нужную клетку в другой канал, используя радиационное давление света (сила порядка 250 пиконьютонов) [36:23]. По мнению Кэтер Симпсон, это имеет колоссальное значение для экологии. Например, в Индии 45 миллионов коров, но их продуктивность в 7-8 раз ниже, чем у коров в США или Канаде [39:43]. Селекция с использованием разделения спермы по полу позволит сократить поголовье скота при сохранении объемов производства молока, что резко снизит нагрузку на окружающую среду [40:10]. В 2018 году стартап Engender был приобретен международным гигантом CRV [41:20]. ## 💿 Orbis: лаборатория на компакт-диске [[JUMP:42:39]] Второй проект, представленный Симпсон — **Orbis Diagnostics**. Это устройство для экспресс-анализа молока непосредственно на ферме [42:53]. Вместо того чтобы ждать результатов общего анализа всего стада из центральной лаборатории, фермер может проверить каждую корову индивидуально. Техническое решение: * Используется физика вращающегося диска (центробежная микрофлюидика), похожая на технологию CD-плееров [43:47]. * Вместо сложных насосов потоки жидкости управляются скоростью вращения диска (до 3000 об/мин) [44:01]. * **Раман-спектроскопия:** Лазер заставляет молекулы в молоке «вибрировать» [45:57]. По уникальному спектру этих вибраций система определяет содержание жира, белка и наличие мастита (инфекции вымени) [45:06]. Используя алгоритмы машинного обучения, система Orbis может определить даже то, чем кормили корову (травой или зерном), и подходит ли её молоко лучше для греческого йогурта или для сыра чеддер [46:48]. Кэтер Симпсон полагает, что в будущем молочная индустрия станет похожа на винную: потребители будут выбирать молоко конкретных регионов с уникальным вкусовым профилем, выявленным с помощью фотоники [1:01:46]. ## ❓ Ответы на вопросы и перспективы [[JUMP:52:14]] В ходе сессии вопросов и ответов Кэтер Симпсон затронула темы применения этих технологий в других областях: * **Искусственное мясо:** По мнению спикера, через 10 лет гамбургеры в McDonald's вполне могут стать искусственными, и потребитель не заметит разницы. Она считает, что технология культивируемого мяса сначала закрепится в индустрии фастфуда [56:53]. * **Медицина:** Те же спектроскопические методы, что и для молока, уже тестируются для диагностики поражений кожи и помощи хирургам при операциях на поджелудочной железе, чтобы точно определять границы здоровой ткани в реальном времени [1:00:29]. * **Вертикальное животноводство:** Симпсон уточнила, что хотя интенсивное животноводство существует, «штабелирование» коров друг на друга неэффективно. Однако комбинация аквакультуры (разведение рыбы) и выращивания салата в единой вертикальной системе — это уже реальность [55:06]. Кэтер Симпсон подытожила, что фотоника — это не просто физика, а инструмент для достижения целей устойчивого развития планеты [50:39].