¿Qué hace que las plantas tengan buen sabor? Para los científicos del Media Lab del MIT, se necesita una combinación de botánica, algoritmos de aprendizaje automático y algo de química de la de toda la vida.
Utilizando todo lo anterior, los investigadores de la Iniciativa de Agricultura Abierta del Media Lab informe que han creado plantas de albahaca que probablemente son más deliciosas que cualquier otra que hayas probado. No se ha recurrido a la modificación genética: los investigadores utilizaron algoritmos informáticos para determinar las condiciones de cultivo óptimas que maximizan la concentración de moléculas aromáticas conocidas como compuestos volátiles.
Pero eso es solo el comienzo del nuevo campo de la "ciberagricultura", afirma Caleb Harper, científico investigador principal del Media Lab del MIT y director del grupo OpenAg. Su grupo está trabajando actualmente en potenciar las propiedades de las hierbas para combatir enfermedades humanas, y también espera ayudar a los agricultores a adaptarse a los cambios climáticos estudiando cómo crecen los cultivos en distintas condiciones.
“Nuestro objetivo es diseñar tecnología de código abierto en la intersección entre la adquisición de datos, la detección y el aprendizaje automático, y aplicarla a la investigación agrícola de una forma que nunca se ha hecho antes”, afirma Harper. “Nos interesa mucho construir herramientas en red que puedan captar la experiencia de una planta, su fenotipo, el conjunto de estrés al que se enfrenta y su genética, y digitalizar todo ello para permitirnos comprender la interacción entre la planta y el entorno”.
En su estudio sobre plantas de albahaca, que aparece en el número del 3 de abril de PLOS ONE, los investigadores descubrieron, para su sorpresa, que exponer las plantas a la luz 24 horas al día generaba el mejor sabor. Las técnicas agrícolas tradicionales nunca habrían proporcionado esa información, afirma John de la Parra, responsable de investigación del grupo OpenAg y autor del estudio.
“No habrías podido descubrir esto de otra manera. A menos que estés en la Antártida, no existe un fotoperiodo de 24 horas en el mundo real para hacer pruebas”, afirma. “Tuvimos que crear circunstancias artificiales para poder descubrirlo”.
Harper y Risto Miikkulainen, catedrático de informática de la Universidad de Texas en Austin, son los autores principales del artículo. Arielle Johnson, becaria de dirección del Media Lab, y Elliot Meyerson, de Cognizant Technology Solutions, son los autores principales, y Timothy Savas, asistente de proyectos especiales de la Iniciativa de Agricultura Abierta, también es coautor.
Maximizar el sabor
Ubicadas en un almacén del Laboratorio MIT-Bates en Middleton, Massachusetts, las plantas de OpenAg se cultivan en contenedores de transporte que han sido reacondicionados para controlar con precisión las condiciones ambientales, incluidas la luz, la temperatura y la humedad.
Este tipo de agricultura tiene muchos nombres (agricultura ambiental controlada, agricultura vertical, agricultura urbana) y sigue siendo un mercado de nicho, pero está creciendo rápidamente, afirma Harper. En Japón, una de estas "fábricas de plantas" produce cientos de miles de cabezas de lechuga cada semana. Sin embargo, también ha habido muchos intentos fallidos, y existe muy poco intercambio de información entre las empresas que trabajan para desarrollar este tipo de instalaciones.
Uno de los objetivos de la iniciativa del MIT es superar ese tipo de secretismo, haciendo que todo el hardware, el software y los datos de OpenAg estén disponibles de forma gratuita.
“Actualmente existe un gran problema en el ámbito agrícola en cuanto a la falta de datos disponibles públicamente, la falta de estándares en la recopilación de datos y la falta de intercambio de datos”, afirma Harper. “Por tanto, mientras que el aprendizaje automático, la inteligencia artificial y el diseño avanzado de algoritmos han avanzado tan rápido, la recopilación de datos agrícolas bien etiquetados y significativos está muy rezagada. Como nuestras herramientas son de código abierto, esperamos que se difundan más rápidamente y generen la capacidad de hacer ciencia en red conjuntamente”.
En el estudio de PLOS ONE, el equipo del MIT se propuso demostrar la viabilidad de su enfoque, que consiste en cultivar plantas en distintos conjuntos de condiciones en contenedores hidropónicos que denominan "ordenadores de alimentos". Esta configuración les permitió variar la duración de la luz y la duración de la exposición a la luz ultravioleta. Una vez que las plantas alcanzaron su plena madurez, los investigadores evaluaron el sabor de la albahaca midiendo la concentración de compuestos volátiles presentes en las hojas, mediante técnicas tradicionales de química analítica, como la cromatografía de gases y la espectrometría de masas. Estas moléculas incluyen nutrientes y antioxidantes valiosos, por lo que mejorar el sabor también puede ofrecer beneficios para la salud.
Toda la información de los experimentos con plantas se introdujo posteriormente en los algoritmos de aprendizaje automático desarrollados por los equipos del MIT y de Cognizant (anteriormente Sentient Technologies). Los algoritmos evaluaron millones de combinaciones posibles de duración de luz y luz UV, y generaron conjuntos de condiciones que maximizarían el sabor, incluido el régimen de luz diurna de 24 horas.
Más allá del sabor, los investigadores están trabajando actualmente en el desarrollo de plantas de albahaca con niveles más altos de compuestos que podrían ayudar a combatir enfermedades como la diabetes. Se sabe que la albahaca y otras plantas contienen compuestos que ayudan a controlar el azúcar en sangre y, en trabajos anteriores, de la Parra ha demostrado que estos compuestos pueden potenciarse variando las condiciones ambientales.
Los investigadores están estudiando ahora los efectos de ajustar otras variables ambientales, como la temperatura, la humedad y el color de la luz, así como los efectos de añadir hormonas o nutrientes vegetales. En uno de los estudios, exponen las plantas a quitosano, un polímero presente en las conchas de los insectos, que hace que la planta produzca distintos compuestos químicos para defenderse del ataque de los insectos.
También están interesados en utilizar su enfoque para aumentar el rendimiento de plantas medicinales como la vinca de Madagascar, que es la única fuente de los compuestos anticancerígenos vincristina y vinblastina.
“Este artículo puede considerarse el primer paso para muchas cosas distintas que pueden aplicarse, y es una muestra del poder de las herramientas que hemos desarrollado hasta ahora”, afirma de la Parra. “Este fue el prototipo de lo que ahora podemos hacer a mayor escala”.
Este enfoque ofrece una alternativa a la modificación genética de los cultivos, una técnica con la que no todo el mundo se siente cómodo, afirma Albert-László Barabási, catedrático de ciencia de redes de la Universidad Northeastern.
“Este artículo utiliza ideas modernas de la agricultura digital para alterar sistemáticamente la composición química de las plantas que comemos, modificando las condiciones ambientales en las que se cultivan. Demuestra que podemos utilizar el aprendizaje automático y condiciones muy controladas para encontrar los puntos óptimos, es decir, las condiciones en las que la planta maximiza el sabor y el rendimiento”, afirma Barabási, que no participó en el estudio.
Adaptación climática
Otra aplicación importante de la ciberagricultura, según afirman los investigadores, es la adaptación al cambio climático. Aunque normalmente se tarda años o décadas en estudiar cómo las distintas condiciones afectarán a los cultivos, en un entorno agrícola controlado se pueden realizar muchos experimentos en poco tiempo.
“Cuando se cultivan cosas en un campo, hay que depender del clima y de otros factores para que cooperen, y hay que esperar a la siguiente temporada de cultivo”, afirma de la Parra. “Con sistemas como el nuestro, podemos aumentar enormemente la cantidad de conocimiento que se puede obtener, y hacerlo mucho más rápido”.
El equipo de OpenAg está realizando actualmente uno de esos estudios sobre avellanos para el fabricante de dulces Ferrero, que consume alrededor del 25 por ciento de las avellanas del mundo.
Como parte de su misión educativa, los investigadores también han desarrollado pequeños "ordenadores personales de alimentos", cajas que pueden utilizarse para cultivar plantas en condiciones controladas y enviar datos de vuelta al equipo del MIT. Actualmente, muchos estudiantes de institutos y de educación secundaria de Estados Unidos los utilizan, dentro de una red de usuarios diversos repartidos en 65 países, que pueden compartir sus ideas y resultados a través de un foro en línea.
“Para nosotros, cada caja es un punto de datos que nos interesa mucho obtener, pero también es una plataforma de experimentación para enseñar ciencias ambientales, programación, química y matemáticas de una nueva manera”, afirma Harper.
La investigación fue financiada por Target Corp., Lee Kum Kee Health Products Group, Welspun, Sentient Technologies y Cognizant Technology Solutions.
