自從託馬斯馬爾薩斯(Thomas Malthus)在1789年發表了他的可怕預測，人口增長將永遠超過糧食供應以來，科學家們一直在努力證明他是錯的。到目前為止，他們已經通過開發更大更好的農作物品種和其他農業創新幫助農民跟上步伐。
現在，研究人員正在採取更大膽的步驟：對植物進行重新編輯，以提高光合作用的效率。這似乎是值得的。
根據周五出版的《科學》(Science)雜誌上的一項研究，通過基因工程優化光合作用的菸草植株，其生長速度比傳統菸草植株快40%。
英國利茲大學(University of Leeds)的植物生物學家克裡斯蒂娜·福耶(Christine Foyer)說:「它真的很美，很優雅。」福耶沒有參與這項研究。
科學家們把目光投向了光合作用，因為它為大幅提高作物產量提供了為數不多的選擇之一。植物育種家已經選擇了生命力強的品種，這些品種在理想的條件下生長時，可以生產出我們想吃的任何東西——無論是葉子、果實、根還是種子。
這項研究的資深作者、伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的植物生物學家唐·奧爾特(Don Ort)說:「我們真的需要能夠操縱光合作用，因為它是我們所能做的一切。」
幸運的是，至少在理論上，還有很大的改進空間。
儘管它有能力建造高聳的紅杉和巨大的珊瑚礁，光合作用是一個相當低效的過程。只有一小部分可利用的光被用來產生糖和其他碳水化合物。
「光合作用系統已經進化得非常靈活，而不是完全最優，」福耶說。「雙方達成了妥協。」
部分問題在於，工廠花費了大量的能量來彌補作業系統中的缺陷。
它涉及到一種叫做RuBisCO的酶，它的作用是抓住二氧化碳分子，把它們送到生產線上。
當光合作用在數十億年前首次出現時，這個過程非常有效，因為當時大氣中沒有氧氣。但是一旦它建立起來——當然，多虧了能進行光合作用的浮遊生物——RuBisCO就開始不小心抓住錯誤的氣體。
合成的化合物不僅無用，而且有毒。所以植物必須找到一種方法，把它轉化成安全的、有用的東西。
遺憾的是，奧爾特說:「植物選擇的方式變得既複雜又耗能。」
他們的解決方案包括將不需要的分子移出葉綠體(發生光合作用的地方)，進入另一個稱為過氧化物酶體的細胞器。從那裡，它進入線粒體，然後在一個更容易忍受的狀態下，沿著它的路徑回到葉綠體。
這個繁瑣的過程被稱為光呼吸，它會消耗掉植物儲存的部分能量，使作物產量減少20%到50%。
「固定氧氣就像反光合作用，」奧爾特說。
所以他的團隊決定更新光呼吸算法。
他們把容易處理的菸草植物插入到他們的DNA中，為處理這些不需要的化合物創造了一條捷徑。他們嘗試了三種替代方法，其中兩種是由其他科學家開發的。研究人員還對一個基因進行了沉默，以防止分子首先離開葉綠體。
「這真的是一個非常、非常複雜的工程，」福耶說。
修改產生了奇蹟。在溫室試驗中，轉基因植物比未轉基因植物的產量多25%。大田試驗是檢驗新作物的黃金標準，其結果甚至更好，一些作物的產量比同類作物高出40%。
「我們認為，其中一些是由於複利，」奧爾特說。幼苗長得更快，葉面積更大，這使它們能夠進行更多的光合作用。
研究人員已經開始對大豆、豇豆和土豆等糧食作物進行同樣的改變。
「沒有理由懷疑你不會得到類似的結果，」福耶說。
然而，這種方法不適用於玉米和甘蔗等作物，因為它們有不同的固定碳的方法。
奧爾特的團隊還與伊利諾伊大學的另一個團隊合作，改造菸草植物以利用更多的光線，從而使產量提高15%。
「我們現在正在把這兩種特質疊加起來，」奧爾特說。模型顯示，這些好處會累積起來，將生產率提高50%以上。但是，奧爾特警告說，「在你做實驗之前，你不知道會發生什麼。」
這兩項努力都是成熟項目的成果，該項目意味著實現更高的光合效率。它的動機很簡單:提高作物產量，對抗糧食危機。(這項7,000萬美元的計劃的大部分資金來自比爾和梅琳達·蓋茨基金會(Bill and Melinda Gates Foundation)，該基金會要求通過該計劃開發的任何作物都要讓全世界的農民都能獲得)。
今天，種植者仍然設法從每英畝土地上擠出更多的食物，使用更多產的作物，並為他們提供充足的營養和水。但這一增長速度已降至每年1%至2%，一些科學家預計，由於氣候變化，這一趨勢可能會逆轉。
這將使我們難以應對未來幾十年人類面臨的挑戰：在不破壞地球的前提下，到2050年種植足夠的糧食養活大約97億人。第一次綠色革命雖然成功地大幅提高了糧食產量，但也帶來了大量的環境問題，包括化肥和農藥使用量的增加、水汙染、土壤退化和水土流失。
「真的不可能繼續我們現在的做法，」福耶說。
科學家們說，在未來，我們必須找到在同等面積的土地上生產更多糧食和使用更少資源的方法。一個解決辦法是確保植物充分利用它們所擁有的東西，就像奧爾特的團隊對菸草植物所做的那樣，福耶說:「這就是為什麼這很重要。」
位於羅利的北卡羅萊納州立大學的植物生物學家Heike Sederoff說，這些新的結果是一個很好的開始。但她說，研究人員仍需評估這種新的光合作用特性是否能持續幾代，以及它是否使植物更容易或更少地受到乾旱等環境壓力的影響。
「這些都是需要測試的東西，」她說。
Sederoff指出，轉基因作物仍然存在爭議，特別是在歐洲和非洲，許多國家已經禁止轉基因作物。因此，這些作物的潛力將部分取決於人們的態度和監管如何演變。
但奧爾特說，時間不等人。一種新作物從實驗室到農民的田地需要12到15年的時間，這意味著如果他的團隊或其他人確實能夠開發出更高效的品種，它們將不會現在出現在我們的盤子裡，而是直到21世紀30年代中期。
根據最近的一項估計，到本世紀中葉，糧食產量將必須增加25%至70%才能滿足需求。