يأتي البناء الضوئي بشكل طبيعي للنباتات مثل التنفس للناس. تعمل هذه العملية على تحويل المكونات البسيطة لثاني أكسيد الكربون والماء وأشعة الشمس إلى طاقة. يسمح التمثيل الضوئي للنباتات بالنمو. في المقابل ، نعتمد على التمثيل الضوئي كأساس لحياتنا على الأرض.
تتذكر كارينا باسكيت المرة الأولى التي علمت فيها عن التمثيل الضوئي. تقول ، "أتذكر أنني شعرت أن هذا يبدو ساحرًا للغاية."
هي الآن عالمة أحياء نباتية في معهد العلوم والتكنولوجيا بالنمسا في كلوسترنوبرغ. "إنه لأمر مدهش للغاية أن تأخذ النباتات الهواء والماء والضوء - أشياء نتجول فيها طوال الوقت - وتحول ذلك إلى طاقة وغذاء للعالم بأسره."
تجعلنا طاقة الشمس نشعر بالدفء عندما تلامس بشرتنا العارية. ولكن عندما يلمس ضوء الشمس أوراق النبات ، فإنه يفعل المزيد. إنه يغذي تفاعلًا كيميائيًا يحول نوعًا من الطاقة إلى نوع آخر. تحتوي أوراق النبات هذه على الكثير من الماء. يتكون هذا الماء من ذرات الأكسجين المرتبطة بذرات الهيدروجين. يمكن أن تثير طاقة الشمس الإلكترونات داخل جزيء الماء بما يكفي لانقسام الروابط.
يؤدي هذا إلى تفاعل "يأخذ الأكسجين بعيدًا عن الماء. ويصبح هذا هو الأكسجين الموجود في الهواء الذي نتنفسه جميعًا ، "يشرح باسكيت. وفي الوقت نفسه ، لاحظت ، "يتسرب الهيدروجين من الماء مع ثاني أكسيد الكربون [في الهواء] ، وهذا يصنع السكر".
يستخدم الناس وجميع الحيوانات الأخرى هذا السكر - الجلوكوز - كمصدر للطاقة من الغذاء. تصبح النباتات الغذاء الذي يمكن لأجسامنا تحويله إلى طاقة. يوضح باسكيت أن التمثيل الضوئي هو سبب وجودنا.
ليس من الغموض أن تبهرها هي وعلماء آخرين بعملية التمثيل الضوئي. يريد الكثير منهم الآن معرفة المزيد عنها ، وتقليدها - بل وتحسينها.
النباتات الوامضة
إن أساسيات التمثيل الضوئي معروفة جيدًا. يستخدم الكلوروفيل ، الصبغات الخضراء في النباتات ، ضوء الشمس لصنع السكريات. ولكن لا يزال هناك الكثير لنتعلمه حول كيفية تحكم المصانع في العملية وكفاءتها. أدخل أفيهاي دانون. إنه عالم أحياء نباتية في معهد وايزمان للعلوم في رحوفوت بإسرائيل. يدرس كيف تنظم النباتات أو تتحكم في التمثيل الضوئي. في بحث نُشر العام الماضي في iScience ، فريقه وصف واحد من هذه العمليات. يصفها بأنها نباتات "تومض".
يقول دانون:"الكثير من الضوء يمكن أن يحرق خلايا النبات". يقارن نباتًا معرضًا للكثير من الضوء بشخص يلعب بالكهرباء. إذا حدث ارتفاع مفاجئ في مستوى الضوء ، فكيف يتعاملون معه؟ هل يتم حرقهم؟ "
يعرف أي بستاني أن الأنواع النباتية مهيأة للعيش في كميات معينة من ضوء الشمس. لكن ظروف الإضاءة تتغير بشكل طبيعي. تنتقل الغيوم عبر السماء ، وتتطاير أوراق الرياح ويتحرك موقع الشمس طوال اليوم. لدراسة كيفية تكيف البناء الضوئي مع هذه التغييرات ، درس دانون نباتات الخردل في مختبره تحت الإضاءة المنخفضة.
في أحد الاختبارات ، قام بزيادة شدة الضوء كل 10 دقائق. كان هذا لتقليد شروق الشمس. مع تغير الضوء ، قام دانون بقياس تألق النبات (فلور- إي إس إس- ents). هذا شكل من أشكال الطاقة الضوئية المنبعثة من عملية التمثيل الضوئي. ساعد قياس التألق دانون في معرفة مقدار التمثيل الضوئي الذي حدث تحت مستويات مختلفة من الضوء.
مع إشراق اليوم ، توقع دانون أن يشهد زيادة مطردة في عملية التمثيل الضوئي. بدلاً من ذلك ، كان النمط أشبه بالوميض. سوف يتباطأ التمثيل الضوئي ، ثم يرتفع قليلاً. لأسفل ثم لأعلى. مرارًا وتكرارًا ، شيئًا فشيئًا ، تم تعديله وفقًا لضوء التقوية.
يوضح دانون:"إنها تتخذ نهجًا أفضل من أن تكون آمنًا من آسف". كان المصنع يتوقع أسوأ الظروف ، كما يقول ، قبل التكيف مع التغييرات الفعلية.
لم يسع دانون سوى إجراء مقارنة مع كيفية استجابة عيون الإنسان لأشعة الشمس الساطعة والمفاجئة. عندما نخرج في يوم مشمس ، ينقبض تلاميذنا. تحمي هذه الاستجابة أعيننا من التلف مع التأكد من أنه لا يزال بإمكاننا رؤية الأشياء المهمة من حولنا.
لا تستطيع النباتات التحرك ، لذا فإن "وميضها" يساعد على حمايتها من الاحتراق أو التبييض عندما تكون في الشمس الساطعة. تسجل مقاييس ضوء النبات - يمكنك اعتبارها هوائيات - عندما تتغير مستويات الضوء. تتقلص هذه الهوائيات ، وفي هذه العملية تقلل التمثيل الضوئي. هذا الانكماش يحميهم أيضًا من التغيرات المفاجئة التي قد تلحق الضرر بالنبات بأكمله.
دانون مستوحى مما يمكن أن تفعله النباتات. "إذا طورت النباتات هذا النوع من التعقيد جدًا استجابة ، وهم ناجحون لمئات الملايين من السنين ، ربما يمكن أن يساعدنا ذلك في هندستنا "، كما يقول.
التمثيل الضوئي الاصطناعي
بدأ العلماء بالفعل في نسخ أو محاكاة التمثيل الضوئي. تستخدم عملياتهم الاصطناعية أيضًا الضوء لتقسيم الأكسجين والهيدروجين - للحصول على الطاقة. الحلم هو في نهاية المطاف استبدال الوقود الأحفوري. إذا تمكن الناس من إنتاج الطاقة من الشمس والهواء والماء - كما تفعل النباتات - فسيؤدي ذلك إلى خفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون الناتجة عن الاحتباس الحراري. كما يمكن أن تخلق مصدرًا جديدًا ضخمًا للطاقة المتجددة.
ينظر العديد من الباحثين إلى الوقود الشمسي - الوقود المصنوع من أشعة الشمس - كبديل "أخضر" للوقود الأحفوري القائم على الكربون اليوم. وتشمل هذه النفط والغاز والفحم.
يمكن أن يتخذ الوقود الشمسي أشكالًا عديدة. قد تبدو مثل أنواع الوقود التقليدية المعتمدة على الكربون ، حيث تستخدم ثاني أكسيد الكربون "لإعادة تدوير" الانبعاثات من الوقود الأحفوري. الهيدروجين والأكسجين ، المنتجات الكيميائية لعملية التمثيل الضوئي ، يمكنهما تشغيل خلايا الوقود التي تسمح للسيارات بالعمل على الكهرباء. أيضًا ، يمكن للطاقة الشمسية تحويل ضوء الشمس إلى كهرباء يمكن تخزينها في البطاريات. بغض النظر عن الشكل الذي يتخذه الوقود الشمسي ، فإن الخطوة الأولى هي تقسيم الماء إلى عناصره الأساسية.
يوضح جوليان وارنان أن "الطبيعة لها هذه القوة". إنه كيميائي يعمل مع إروين ريزنر في مجال الوقود الشمسي في جامعة كامبريدج في إنجلترا. كان لدى الطبيعة الكثير من الوقت لمعرفة كيفية القيام بذلك بكفاءة ، كما يلاحظ. عندما يتعلق الأمر بتقسيم اللبنات الأساسية للمياه ، فإن المهندسين "محدودون بدرجة أكبر قليلاً" ، على حد قوله. "يحاول الجميع تطوير أدوات مختلفة للقيام بذلك."
نُشر العام الماضي في مجلة Nature Energy ، وصف فريق Warnan طريقة جديدة لاستخدام ضوء الشمس لتقسيم المياه. يشرح وارنان أن الفكرة "هي أخذ الماء والهواء ووضعهما معًا في صندوق." ثم أضف محفزًا . هذه بعض المواد التي يمكن أن تؤدي إلى تفاعل المواد الكيميائية. في وقت لاحق ، قال ، "أنت تسلط الضوء على هذا الصندوق. وما يخرج هو وقود - مثل ما تضعه في سيارتك أو طائرة.
يقوم العلماء في جميع أنحاء العالم بتجربة الأجهزة - اعتبرها أوراقًا اصطناعية. مثل العمليات في الأوراق ، قاموا بتقسيم الماء إلى هيدروجين وأكسجين. لم يكن فريق وارنان أول من فعل ذلك. لكنهم فعلوا ذلك بنوع مختلف من المحفز. إنه نفس النوع الذي يستخدمه النبات لبدء تفاعل كيميائي.
إنهم يستخرجون هذا المحفز من النبات ، بدلاً من إنشائه من المواد الكيميائية في المختبر. وهذا يعني أن عددًا أقل من المواد الكيميائية القاسية ستستخدم في صنع وقودها الشمسي. ولكن هناك حاجة إلى مزيد من العمل قبل أن يتمكن الناس من إنتاج الوقود الشمسي من الماء بأسهل ما يمكن للنباتات.
يقول وارنان:"تكمن القوة العظيمة للمصنع في أنه يمكنه دائمًا تجديد وتجديد [المحفز] في حالة تعطله". "لا نستطيع." ويشير إلى أن هذا النوع من الوقود الشمسي "لا يزال مكلفًا للغاية".
الشرح:ما هو المحفز؟
لذلك لا تتوقع أن تستهلك الوقود الشمسي في المستقبل القريب. لا تستطيع الأجهزة الحالية حصاد ما يكفي من ضوء الشمس بتكلفة معقولة. لهذا السبب تعتبر النباتات معلمين جيدين. بعد إجراء عملية التمثيل الضوئي لملايين السنين ، فقد اكتشفوا بالفعل كيفية القيام بذلك بكفاءة.
يتوقع محللو الطاقة أن يستخدم الناس ضعف الطاقة بحلول عام 2050 مقارنةً بهم الآن. يمكن أن تكون الأوراق الاصطناعية إحدى الطرق لفطم البشرية عن اعتمادها على الوقود الأحفوري.
قرصنة النباتات
ما يقرب من 8 مليارات شخص يتشاركون كوكبنا اليوم. تقدر الأمم المتحدة أنه سيكون هناك 9.7 مليار شخص يعيشون في هذا العالم الدافئ بحلول عام 2050. وسيزيدون من الطلب على الغذاء والطاقة إلى أقصى حدوده.
تطورت عملية التمثيل الضوئي لتعمل كما تحتاج - للنباتات. تتطلع مجموعة من العلماء الآن إلى تحسين عملية التمثيل الضوئي - هذه المرة ، للناس. RIPE ، التي تعني تحقيق زيادة كفاءة التمثيل الضوئي ، هي جهد بحثي عالمي. يهدف إلى "اختراق" التمثيل الضوئي بطرق يمكن أن تنتج المزيد من المحاصيل.
أماندا كافانو عالمة الكيمياء الحيوية النباتية بجامعة إلينوي في أوربانا. تعمل مع RIPE. يركز بحثها على إنزيم صغير له تأثير كبير على عملية التمثيل الضوئي. تُعرف باسم Rubisco (Rew-BIS-koh).
وهي تقول:"لا تحظى بالكثير من الفضل ، ولكن يمكن القول إنها أهم وظيفة في العالم".
يزيل روبيسكو ثاني أكسيد الكربون من الهواء ويساعد في تحويله إلى سكر أو جلوكوز. هذه هي العملية التي تجعل النباتات في نظام تحويل الطاقة الذي يغذي نمو الحيوانات.
يقول كافانو إن جميع أشكال الحياة الضوئية تعتمد على إنزيم روبيسكو. وعلى الرغم من أنها "مهمة للغاية" ، كما تضيف ، "فهي ليست جيدة في وظيفتها بشكل خاص."
إنها تتحدث عن خطأ شائع ترتكبه النباتات أثناء عملية التمثيل الضوئي. حوالي مرة واحدة من كل خمس مرات ، سوف "يلتقط" النبات جزيء الأكسجين من الهواء بدلاً من ثاني أكسيد الكربون. هذا مثل وضع الملح في القهوة عن طريق الخطأ بدلاً من السكر. لذا بدلاً من إنتاج الطاقة لليوم ، ينتج النبات مركبات سامة.
توصلت النباتات إلى طريقة لإعادة تدوير المركبات غير المرغوب فيها. لكن القيام بذلك يستخدم الطاقة التي كان من الممكن أن يضعها النبات في النمو. إذا تمكن العلم من اكتشاف طريقة لتصحيح خطأ روبيسكو ، حسب تقديرات كافانو ، يمكن للزراعة إطعام 200 مليون شخص آخر سنويًا.
تقول:"لسنوات ، كان الناس مفتونين بإمكانية هندسة روبيسكو أفضل". قد يؤدي القيام بذلك إلى السماح للمزارعين "بزراعة المزيد من الغذاء على مساحة أقل من الأراضي". وتجادل بأن هذا هو "الهدف النهائي لعالم أحياء النبات."
عندما يصنع روبيسكو تلك المركبات الخاطئة ، يتخلص النبات منها. يفعل ذلك عن طريق نقل هذه المواد الكيميائية غير المرغوب فيها إلى ثلاثة هياكل مختلفة داخل الخلية النباتية. اعتبرت كافانو وزملاؤها عملية "إعادة التدوير" هذه على أنها إهدار لطاقة ووقت ثمينين للنبات. تقول:"تساءلنا عما إذا كانت هناك طريقة لتسريع ذلك".
لمعرفة ذلك ، عملت هي وزملاؤها مع نباتات التبغ في دفيئة. (التبغ ليس محصولًا غذائيًا ، لكنهم استخدموه لأنه سريع النمو). قام الباحثون باختبار نباتات لها سمات وراثية مختلفة نوعًا ما. ثم قاموا بتجويع هذه النباتات من ثاني أكسيد الكربون الذي تحتاجه للنمو. استجابت شركة Rubisco للنباتات بارتكاب الكثير من الأخطاء.
أثبتت النباتات التي ازدهرت في ظل هذه الظروف أنها أفضل معيد تدوير للمركبات السامة.
ثم قام العلماء بتنمية معيدات إعادة التدوير الفائقة في الحقول الزراعية. نمت نباتات التبغ هذه بنسبة 40 في المائة أكبر من المعتاد. وصف الباحثون إنجازهم الهندسي الفذ في 4 كانون الثاني (يناير) الماضي في العلوم .
تتمثل الخطوة التالية في تطبيق الدروس المستفادة من التبغ على المحاصيل ، مثل البطاطس والبازلاء وفول الصويا. يشعر كافانو بالسعادة حيال النجاح المحتمل لنقل هذا الاختراق الضوئي إلى نباتات الطعام.
يقول كافانو:"إن التمثيل الضوئي هو أحد أفضل العمليات البيولوجية المفهومة في الحياة". "لكن هناك الكثير لا نعرفه عنها. لقد بدأ الآن الانفتاح بطريقة أنيقة حقًا. "
