La agricultura del futuro

Ciencia y tecnología para el desarrollo agrícola sostenible

DOI: 10.7203/metode.10.12546

Asegurar la alimentación de una población humana creciente, con criterios de sostenibilidad y ante la amenaza del cambio climático son los retos principales de la agricultura del siglo XXI. Las soluciones son necesariamente complejas y requieren medidas diversas y coordinadas que dependen, como factores clave, del progreso de la ciencia y del desarrollo de tecnologías que nos permitan hacer un uso más eficiente de los recursos disponibles, aumentando las cosechas y proporcionando la calidad alimentaria adecuada para nutrir al mundo. Las tecnologías como la genómica, la informática, la robótica y la nanotecnología y su correcta aplicación, que demandará unos usuarios altamente cualificados allí donde haga falta, serán también elementos cruciales para conseguir estos objetivos.

Palabras clave: agricultura, seguridad alimentaria, sostenibilidad, cambio climático.

Introducción

Hace 12.000 años, en el Creciente Fértil del Oriente Medio nació un proyecto que cambiaría completamente la humanidad. Algunos grupos de cazadores-recolectores iniciaron sus primeros experimentos con una nueva tecnología, la agricultura, que les llevaría a abandonar sus hábitos nómadas y a aprovechar de una forma mucho más eficiente la energía solar que las plantas captan y utilizan para su crecimiento y reproducción. La agricultura fue ganando terreno con lentitud –tardó más de 5.000 años en imponerse como actividad principal de las poblaciones humanas en Europa– pero lo hizo con fuerza, porque su implantación significaba aumentar la capacidad demográfica, organizativa, militar y tecnológica de aquellos que la practicaban (Morris, 2014). La consecuencia más evidente de esto es que la agricultura ha sido la causa esencial de que la población del mundo haya pasado de menos de 6 millones de personas hace doce milenios a los más de 7.600 millones actuales.

Más tarde, la agricultura surgió independientemente en otros centros del mundo, pero lo hizo siempre a partir de la domesticación –entre el reducido número de especies potencialmente domesticables– de algunos animales y plantas, diferentes en cada centro, que tenían las propiedades nutritivas imprescindibles para poder mantener una población sedentaria y creciente, y que al mismo tiempo permitían también guardar e intercambiar el excedente de la recolección agraria cuando este se producía. Estas plantas fueron algunos cereales y legumbres como fuente primordial de hidratos de carbono y proteínas y varios animales que completaban y enriquecían la dieta al mismo tiempo que proporcionaban la fuerza para realizar la actividad agraria: labrar la tierra, mover el agua, transportar los productos de la cosecha, moler el grano, etc. (Diamond, 1997). La agricultura incorporó al estilo de vida humano otros ingredientes de valor más discutible, como el amontonamiento de personas y animales en condiciones a menudo poco saludables o una degradación creciente del medio ambiente.

«Garantizar la seguridad alimentaria es uno de los retos de la agricultura cuando se espera que la población humana llegue a los 9.000 millones dentro de treinta años»

Al principio de la revolución industrial y con la mejor comprensión de la naturaleza que permitieron descubrimientos científicos capitales, la actividad agraria experimentó cambios tecnológicos enormes. El uso de las energías fósiles implicó que la fuerza animal, incluida la humana, fuera progresivamente sustituida por maquinaria autopropulsada, lo que redujo drásticamente el número de personas necesarias para alimentar a la población y proporcionó la fuerza de trabajo necesaria a la naciente industria que pobló las ciudades. En 2008 ya había más personas en el medio urbano que en el rural, y esta es una tendencia al alza que se situará previsiblemente en el 66 % en 2050, cuando había sido del 34 % en 1960.

Los retos de la agricultura

El primero de los tres retos de la agricultura que me parecen principales consiste en garantizar la seguridad alimentaria en el mundo cuando se espera que la población humana llegue a los 9.000 millones dentro de treinta años. Actualmente la agricultura proporciona suficientes alimentos como para nutrir a toda la humanidad –son otras las causas de la malnutrición de unos mil millones de personas– pero sería necesario que en 2050 se produjese entre un 60 % y un 110 % más que en 2006 (Food and Agriculture Organization [FAO], 2016; Ray, Mueller, West y Foley, 2013). Eso significa que, por lo menos en los cultivos que son la base de la producción de calorías y proteínas (maíz, arroz, trigo y soja, como más representativos), la producción tendría que aumentar alrededor de un 2,4 % anual, unos objetivos poco probables, ya que el crecimiento medio ha estado muy por debajo (0,9-1,6 %) en los últimos veinte años (Ray et al., 2013).

Un tercio de la producción agrícola se destina a ganado y a los animales domésticos. El aumento de la demanda de productos cárnicos produce una necesidad de crecimiento de la producción agrícola. Un gramo de proteína de vacuno necesita un consumo de 112 litros de agua, mientras que solo hacen falta 21 litros para un gramo de proteína de cereal, lo que hace que la producción de carne sea mucho más ineficiente que la del grano. / USDA, Preston Keres

Adicionalmente, hay que mejorar la calidad de la alimentación humana, no solo con una aportación calórica suficiente, sino proporcionando una dieta variada y equilibrada, cuya disponibilidad no está tampoco garantizada. Otro elemento que empeora el problema es el crecimiento de la demanda de productos cárnicos, impulsada por la mejora de la capacidad adquisitiva de una parte de los habitantes del planeta. Esto representa una merma adicional en la eficiencia de la producción alimentaria, ya que la producción de carne es mucho más ineficiente que la de grano: por ejemplo, un kilogramo de carne de vacuno demanda unos 30 kg de grano, y un gramo de proteína de vacuno, de hecho, necesita un consumo de 112 litros de agua, mientras que solo hacen falta 21 litros para un gramo de proteína de cereal (Foley, 2011; Mekonnen y Hoekstra, 2012).

El segundo reto es que la producción agraria se tiene que hacer con criterios de sostenibilidad. La superficie agrícola cultivada es actualmente de un 38 % de la superficie terrestre total (excluidas Groenlandia y la Antártida). Este dato por sí mismo da una idea de la conmoción que la agricultura ha representado para el medio ambiente, superior a la de cualquier otra de las actividades humanas. Si bien la superficie cultivada puede aumentar, no parece previsible que lo haga mucho en el futuro, como se puede deducir del hecho de que en los últimos veinte años solo haya crecido un 3 % (Foley et al., 2011). El coste de la incorporación de nueva superficie puede ser desde el punto de vista ambiental y económico demasiado alto como para sacar un rendimiento útil, y la incorporación de nueva tierra cultivable queda compensada en parte por el crecimiento urbano –a menudo en las mejores tierras cultivables– o el de los cultivos destinados a productos no alimentarios, como la producción de bioenergía. Solo un 62 % de la producción agrícola es para el consumo humano, el 35 % está destinado a los animales domésticos y un 3 % para la producción de biocarburantes (Foley et al., 2011).

Entre los elementos esenciales para la sostenibilidad del medio agrícola encontramos la calidad del agua y del suelo y el mantenimiento de la biodiversidad. La importancia de estos elementos se ha empezado a valorar solo recientemente, cuando se ha aceptado la evidencia de la finitud del mundo y la necesidad de usar y reciclar los recursos disponibles con criterios de mantenimiento de su calidad. El agua es un elemento indispensable para el crecimiento de las plantas y su distribución en el planeta es irregular, con zonas donde la disponibilidad para la agricultura es óptima o, mucho más frecuentemente, otras en las que es excesiva o escasa. A menudo es el elemento que determina si se puede o no practicar la agricultura y qué tipo de agricultura se puede practicar. Más del 70 % del agua dulce disponible se dedica al riego de los cultivos y, si bien es un elemento que se recicla, el mal uso puede llevar a problemas mayores. Uno de estos es la contaminación del agua, que, a parte de echar a perder los suelos, inutilizar los acuíferos y contaminar zonas vitales como las desembocaduras de los ríos, puede llegar hasta el mar y reducir drásticamente la biodiversidad y hacer difícil o imposible la práctica de otra actividad importante de generación de alimentos como es la pesca.

«La destrucción de la biodiversidad en la Tierra no solo sería un impedimento al progreso de la agricultura, sino que produciría desequilibrios que podrían hacer inviable la vida de muchos organismos QUE La HABITaN, incluidos nosotros»

Una parte de los contaminantes del agua y el suelo son los mismos que empleamos para mejorar los rendimientos de los cultivos: los fitosanitarios (insecticidas, fungicidas, herbicidas, antibióticos) y los abonos minerales y orgánicos. Los primeros controlan las plagas, enfermedades y malas hierbas, que causan graves pérdidas en la producción agrícola, pero muchos de ellos son tóxicos para flora y fauna diferente de aquella que intentan controlar y ponen en riesgo la biodiversidad agrícola en primera instancia, así como la de otros ecosistemas cuando son trasladados allí por el agua, el suelo o el aire. Los abonos permiten que la planta disponga con facilidad de los elementos que ha de extraer del suelo (nitrógeno, potasio y fósforo como más importantes), y crean un medio físico adecuado para el desarrollo de las raíces que lleva a un crecimiento vigoroso y a una buena cosecha. Actualmente se estima que alrededor de la mitad de los abonos inorgánicos no son aprovechados por las plantas a las que van dirigidos y quedan retenidos en el suelo o son desplazados a otros ecosistemas (Foley, 2011).

La biodiversidad es un elemento crucial para la existencia y el mantenimiento de la vida, y también para el desarrollo de la agricultura. El diseño de métodos de cultivo más productivos depende de la diversidad de la flora y la fauna; por tanto, también de la relación entre insectos, hongos y bacterias. / USDA, Preston Keres

La biodiversidad es otro elemento crucial para la existencia y mantenimiento de la vida. También es esencial para el propio desarrollo de la agricultura: las estrategias convencionales para crear variedades mejoradas dependen primordialmente de la variación natural disponible en los genes de la especie cultivada o especies próximas, además de la que se pueda generar con la mutagénesis artificial –muy poca hasta ahora– y de la creación de nuevas combinaciones de genes con la hibridación y recombinación. El diseño de métodos de cultivo más productivos depende también de la diversidad de la flora y fauna del suelo, de la relación entre los insectos, hongos y bacterias que interaccionan con los cultivos, con sus predadores y simbiontes, etc. La destrucción de la biodiversidad en la Tierra no sería tan solo un impedimento al progreso de la agricultura, sino que produciría desequilibrios que podrían hacer inviable la vida de muchos de los organismos que la habitan, incluidos nosotros, o como mínimo a la pérdida de algunos de sus ecosistemas y belleza paisajística, lo que haría del mundo un lugar mucho menos interesante para vivir.

El tercer reto crucial es el cambio climático, producido por alteraciones recientes en la composición de la atmósfera. El crecimiento de la concentración de anhídrido carbónico, metano y óxido nitroso, entre otros gases, es responsable del efecto invernadero que produce el aumento de la temperatura del aire. El uso de energías fósiles es una de las principales causas de la generación de estos gases, como lo demuestra el hecho de que el sector de la energía es el principal emisor (47 %), así como el del transporte (11 %). No obstante, la agricultura y el monte generan directamente una parte importante (21 %) que podría llegar al 30 % si considerásemos todos los elementos implicados (industria alimentaria y transporte, entre otros) (FAO, 2016). La agricultura produce estos gases principalmente por la desforestación, la producción animal y la gestión del suelo y sus nutrientes, particularmente los abonos orgánicos de origen animal.

Los efectos del cambio climático ya se han empezado a notar en el mundo, especialmente en las zonas tropicales como el sudeste de Asia y el África subsahariana, donde se han producido sucesos climáticos extremos como largas sequías e inundaciones que determinan una creciente inestabilidad en la disponibilidad de alimentos en estas poblaciones, ya especialmente castigadas por el hambre y la malnutrición. Las previsiones indican que la producción agrícola global se mantendrá hasta el año 2030, pero que en las siguientes décadas menguará de una manera más o menos drástica en función de modelos con varios grados de optimismo con respecto a nuestras capacidades de reducir la emisión de gases de efecto invernadero y de mitigar o adaptarnos a sus efectos. En cualquier caso, se considera que sería un buen objetivo no exceder de 1,5 °C el aumento medio de la temperatura global para evitar problemas mayores para la humanidad, lo que no se puede hacer sin cambios sustanciales en los sectores causantes del problema, agricultura incluida (FAO, 2016).

«Solo un 62 % de la producción agrícola es para el consumo humano, el 35 % es para los animales domésticos y un 3% para la producción de biocarburantes»

El papel de la ciencia y la tecnología

¿Puede la agricultura hacer frente a estos retos? ¿O el mundo va hacia un creciente déficit de alimentos que probablemente nos llevará a un período de hambre, migraciones y progresivo desgobierno? No hay una respuesta clara, si bien esta misma pregunta ya nos la hemos hecho en el pasado y afortunadamente hemos encontrado respuestas, muchas imprevistas y todas relacionadas con el progreso de la ciencia y la tecnología. Este fue el caso de las apocalípticas predicciones de Malthus sobre el futuro de la población humana a finales del siglo XVIII, que no se llegaron a concretar gracias al progreso de la agronomía y la genética de los cultivos en diferentes aspectos, como el uso de los fertilizantes y plaguicidas y el desarrollo de la mejora genética a partir de la comprensión de las leyes básicas de la herencia, que permitieron la revolución verde.

El crecimiento de los conocimientos científicos continúa siendo exponencial y estas últimas décadas han producido una explosión de resultados y cambios de paradigma en muchos aspectos. Parece que el siglo XXI continuará en la misma línea y, aunque nuestra comprensión de la biología de plantas y animales –que es la base de la agricultura– es mayor, los nuevos descubrimientos continúan generando más preguntas que respuestas. Una parte sustancial del nuevo conocimiento ha venido y vendrá de la interacción entre la biología y otras áreas científicas nuevas o antiguas, lo que hace cada vez más necesarios los enfoques multidisciplinarios de la investigación. Los avances científicos llevan a las innovaciones tecnológicas, que son las que harán cambiar la agricultura en los años próximos. Algunas de estas tecnologías se describen a continuación.

Los efectos del cambio climático ya se han comenzado a notar en muchas zonas a través de eventos climáticos extremos, como largas sequías e inundaciones. En la imagen, efectos de la sequía en un campo de maíz en Texas (EE UU) en 2013. / USDA, Preston Keres

Genómica

Acabamos de secuenciar el ADN del genoma completo de muchas especies, pero tan solo somos capaces de interpretar una mínima parte del mensaje genético. La secuencia del ADN es la base del funcionamiento de los organismos vivos y la materia prima de su diversidad, lo que hace que el estudio de esta materia continúe previsiblemente centrando el trabajo científico de las próximas décadas. Los avances en este campo han permitido desarrollar tecnologías para la modificación del ADN, que se iniciaron con la obtención de las primeras plantas transgénicas hace casi cuatro décadas. Los cultivos transgénicos ocupan casi 190 millones de hectáreas (International Service for the Acquisition of Agribiotech Applications, 2017), un 12 % de la superficie agrícola total, pero han creado un rechazo social en algunas partes del mundo, notablemente en Europa. Las nuevas y potentes herramientas de edición génica sustituirán probablemente los transgénicos porque permiten una mutagénesis dirigida con la que se pueden modificar los genes con precisión y resultan en plantas o animales que no contienen otros genes que los propios. El debate sobre estas tecnologías tiene un fuerte componente ideológico, pero la evidencia científica actual es que no presentan por ellas mismas riesgos claros para la salud humana o el medio ambiente. Sería deseable que las dudas actuales sobre su uso se desvanecieran, porque no podemos permitirnos descartar tecnologías potencialmente resolutivas cuando necesitamos todas las herramientas a nuestro alcance para superar los retos que afrontamos.

La secuenciación de alta eficiencia y barata hace posible la caracterización de una nueva variable ambiental hasta ahora ignorada: el microbioma del suelo, el agua, el aire, el rumen, etc., con consecuencias que llevarán a una mayor comprensión y control del medio donde viven plantas y animales y de la relación que mantienen con el genotipo. Elementos nuevos, como el papel de las secuencias no codificantes en el genoma, incluidos los transposones, o que recientemente han adquirido más relevancia como la epigenética, abren interrogantes adicionales a resolver, que rompen o modifican los conceptos actualmente aceptados y tendrán consecuencias aplicadas. Finalmente, el fenotipaje de alto rendimiento, que utiliza elementos informáticos y robóticos de última generación, permite establecer de una forma mucho más fina la conexión genotipo-fenotipo y avanzar en la predicción precoz del fenotipo usando la secuencia de ADN.

«No podemos permitirnos descartar tecnologías potencialmente resolutivas cuando necesitamos todas las herramientas a nuestro alcance para superar los retos que afrontamos»

Informática

La búsqueda, almacenamiento, visualización e integración de datos de muy diversa índole (big data) relacionados con la actividad agraria, y su accesibilidad al nivel de la parcela cultivada abre enormes posibilidades para una gestión mucho más eficiente del cultivo, centrada en conocer las necesidades de cada planta en la denominada «agricultura de precisión». El resultado es un uso más cuidado de los inputs esenciales (variedades, agua, fertilizantes, medios de control sanitario, etc.), asegurando al mismo tiempo una producción más elevada. Adicionalmente, el diseño, ensayo y refinamiento de modelos predictivos de la evolución del cultivo o del fenotipo en función de datos genotípicos y ambientales dará como resultado herramientas informáticas de ayuda a la toma de decisión que ya empiezan a ser útiles para los campesinos y mejoradores.

Robótica

La mecanización de la agricultura debe continuar a partir del desarrollo y construcción de maquinaria para la agricultura y ganadería de precisión, el procesamiento de alimentos, la medida de los componentes esenciales de la heterogeneidad del medio, o de los alimentos básicos y procesados, con el objetivo de corregir posibles deficiencias, mejorar la higiene alimentaria y aumentar el rendimiento, calidad y sanidad de la producción, almacenamiento, etc. (King, 2017). El fenotipado de alto rendimiento mencionado antes se basa en buena parte en la robotización de las operaciones básicas y en la integración de otros elementos, como los derivados de los avances en la tecnología de imágenes digitales y el uso de drones para capturar imágenes detalladas en los momentos adecuados.

Los avances científicos, como en el campo de la genómica, producirán cambios en la agricultura en los próximos años. El debate sobre las nuevas herramientas de edición génica tiene un fuerte componente ideológico, pero la evidencia científica actual es que no presentan por ellas mismas riesgos claros para la salud o el medio ambiente. / USDA, Preston Keres

Nanotecnología

Existe un conjunto de aplicaciones de esta tecnología en agricultura con gran potencial (Fraceto et al., 2016), entre otros: la formulación de pesticidas basados en nanomateriales para el control de plagas y enfermedades, el uso de nanopartículas para la dosificación lenta de nutrientes y agua para las plantas, la mejora de la calidad del suelo, el desarrollo de biosensores para medir el estado hídrico o nutricional de las plantas necesario para la agricultura de precisión, la transferencia de genes o ADN por la vía de las micropartículas, y el uso de nanopartículas en el alargamiento de la vida postcosecha de frutos y legumbres y en la calidad de los alimentos en general.

La informática y la robótica abren nuevas posibilidades para la gestión eficiente de los cultivos. En la imagen, un robot desarrollado por la Universidad Politécnica de Valencia que monitoriza parámetros de las viñas como la disponibilidad de agua, la temperatura de las hojas o el vigor de la planta. / USDA, Preston Keres

Conclusión

Para encarar los retos inmediatos de la agricultura no hay fórmulas sencillas. Las acciones que hay que emprender son todas complejas y requieren que las pongan en práctica conjunta y coordinadamente varias áreas que incluyen política, sociología, economía, tecnología, educación, etc. Entre otras, estas acciones deberían implicar: el aumento de la productividad agrícola, pensando que existe un gran margen de mejora en acercar el rendimiento de las zonas del mundo donde la producción es más baja hacia aquellas que la tienen más alta, además de mejorar el rendimiento de los cultivos en regiones donde este ya es elevado; la finalización de la expansión de la agricultura, especialmente la deforestación de las selvas tropicales y las sabanas; producir más con menos, es decir, sacar el máximo rendimiento de cosecha de cada unidad de agua, fertilizantes y energía; ir hacia dietas con menos proteína animal, con fuentes proteicas animales de alta eficiencia de conversión o con proteínas de síntesis; reducir el desperdicio de comida que se produce, sea en la explotación agraria, en el supermercado o en casa del consumidor final. Será también importante que este consumidor pueda acceder a información objetiva y normalizada sobre si el alimento que compra se ha producido siguiendo unos criterios de sostenibilidad concretos, lejos de etiquetas imprecisas como la agricultura «ecológica» o los productos «de proximidad».

Para ello sin duda habrá que reforzar y orientar la investigación hacia los ámbitos científicos convenientes, teniendo en cuenta que la tecnología que resulte requerirá unos usuarios con un nivel de formación alto. Como uno de los aspectos críticos es el aumento de la productividad en los países en desarrollo y que las soluciones se tendrán que aplicar respetando la estructura social de las comunidades de origen, la formación de los campesinos será un elemento crucial para el éxito de este objetivo. Este es un reto verdaderamente difícil, que requerirá inversiones importantes y medidas políticas hechas a medida para cada caso, de las que dependerá al final que sea posible mantener una numerosa población humana, y superar las lacras del hambre y la malnutrición.

 

REFERENCIAS
Diamond, J. (1997). Guns, germs and steel: The fates of human societies. Nueva York: Norton.
Foley, J. A. (2011). Can we feed the world and sustain the planet? Scientific American, 305(5), 60–65.
Foley, J. A., Ramankutty, N., Brauman, K. A., Cassidy, E. S., Gerber, J. S., Johnston M., ... Zaks, D. P. M. (2011). Solutions for a cultivated planet. Nature, 478, 337–342. doi: 10.1038/nature10452
Food and Agriculture Organization. (2016). The state of food and agriculture. Climate change, agriculture and food security. Roma: Food an Agriculture Organitzation of the United Nations.
Fraceto, L. F., Grillo, R., De Medeiros, G. A., Scognamiglio, V., Rea, G., & Bartolucci, C. (2016). Nanotechnology in agriculture: Which innovation potential does it have? Frontiers in Environmental Science, 4. doi: 10.3389/fenvs.2016.00020
International Service for the Acquisition of Agribiotech Applications. (2017). Global Status of Commercialized Biotech/GM Crops in 2017. ISAAA Briefs, 43. Consultado en http://www.isaaa.org/resources/publications/briefs/
53/download/isaaa-brief-53-2017.pdf
King, A. (2017). Technology: The future of agriculture. Nature, 544, 21–23. doi: 10.1038/544S21a
Mekonnen, M. M., & Hoekstra, A. Y. (2012). A global assessment of the water footprint of farm animal products. Ecosystems, 15(3), 401–405. doi: 10.1007/S10021-011-9517-8
Morris, I. (2014). Why the West rules... for now? Nueva York: Farrar Strauss & Giroux.
Ray, D. K., Mueller, N. D., West, P. C., & Foley, J. A. (2013). Yield trends are insufficient to double global crop production by 2050. PLOS ONE, 8(6), e66428. doi: 10.1371/journal.pone.0066428

© Mètode 2019 - 100. Los retos de la ciencia - Volumen 1 (2019)
Investigador del Instituto de Investigación y Tecnología Agroalimentarias (IRTA) en Calles de Montbui (Barcelona).