العلماء يخترقون المرحلة المبكرة من التمثيل الضوئي في اختراق للوقود الحيوي

الشهر الماضي ، إكسون موبيل (رمزها في بورصة نيويورك: XOM) سحبت القابس في مشروع الوقود الحيوي الطحالب الذي دام 14 عامًا ، لتصبح آخر شركة نفط تتخلى عما كان يعتبر في يوم من الأيام وقود المستقبل ، لكن الفكرة برمتها لم تكن بدون مزايا. تتمتع الطحالب ببعض المزايا الواضحة مقارنة بالوقود الحيوي المُرشح ، ويرجع ذلك أساسًا إلى أن هذه الكائنات الدقيقة التي تعمل بالتمثيل الضوئي تتمتع بكفاءة فائقة في تحويل ضوء الشمس إلى كتلة حيوية ؛ يملك نسبة عالية من الدهون تصل إلى 80٪ لبعض الأصناف وأكثر تنوعًا من الذرة ، على سبيل المثال ، محصول وقود حيوي شائع.

لسوء الحظ ، اكتشفت Exxon ومجموعات Big Oil التابعة لها أنه من الصعب للغاية جعل اقتصاديات الوقود الحيوي للطحالب منافسة لتلك الخاصة بخام أرخص بكثير ، مع شركة المنتجات الحيوية القائمة على الطحالب سيلانا تقدر أن النفط الخام يجب أن يصل إلى 500 دولار / برميل للوقود الحيوي من الطحالب للمنافسة بنجاح.

لكن اكتشافًا جديدًا للعلماء قد يقدم لشركات مثل Exxon واللاعبين في مجال الطاقة المتجددة شريان حياة جديدًا. العلماء لديهم “اخترق” مرحلة مبكرة من عملية التمثيل الضوئي واكتشفت طرقًا جديدة لاستخراج الطاقة من هذه العملية ، وهو اكتشاف يمكن أن يساعد في توليد وقود نظيف وطاقة متجددة.

قرصنة التمثيل الضوئي

نجح فريق دولي من علماء الأحياء والكيميائيين والفيزيائيين ، بقيادة جامعة كامبريدج ، في دراسة التركيب الضوئي على المستوى الجزيئي ومقياس زمني فائق السرعة: جزء من المليون من المليون من الثانية.

على الرغم من أن العملية التي تقوم بها النباتات بتحويل ضوء الشمس والماء إلى طاقة معروفة للإنسان منذ قرون ، إلا أن الفيزياء الضوئية للعملية ، بما في ذلك التغيرات الذرية والجزيئية التي تحدث عندما يمتص النبات ضوء الشمس ، ليست مفهومة جيدًا. يتمثل التحدي الكبير في فهم التمثيل الضوئي بشكل كامل في أن العملية سريعة جدًا بحيث يتعذر على العديد من أنظمة المراقبة التقليدية تتبعها. للتغلب على هذا الحاجز ، طور فريق كامبريدج تقنية باستخدام تقنيات التحليل الطيفي فائقة السرعة باستخدام نبضات الليزر التي تهدف إلى عينات من الخلايا الحية لمراقبة التغيرات الخلوية السريعة.

وفقًا لمؤلف الدراسة Tomi Baikie ، تلتقط أجهزة الليزر هذه “صورًا” لخلايا التمثيل الضوئي بمعدل “…أسرع بمليون مرة من جهاز iPhone الخاص بك. تعد الإلكترونيات (الكمية) في عالم النبات مذهلة جدًا. لم نتوقع أن ينجح الأمر تمامًا – لكنه نجح حقًا ، بشكل جيد حقًا. هذا يعني أن لدينا أداة جديدة لفهم الخلايا.”

الاكتشاف الرئيسي الذي توصل إليه الفريق هو أن الإلكترونات الضرورية لعملية التمثيل الضوئي يتم استخلاصها من الخلايا في وقت أبكر بكثير مما كان يُعتقد سابقًا. كانت تشانغ وزملاؤها يحاولون فهم كيف أن الجزيئات الحلقية الشكل المسماة كينونات قادرة على “سرقة” الإلكترونات من عملية التمثيل الضوئي. يمكن أن تقبل الكينونات الإلكترونات وتتخلى عنها بسهولة. استخدم العلماء التحليل الطيفي للامتصاص العابر فائق السرعة لدراسة كيفية تصرف الكينونات في البكتيريا الزرقاء الضوئية في الوقت الفعلي ، بينما كانت هناك محاولات عديدة لـ “سرقة” الإلكترونات من عملية التمثيل الضوئي في الوقت المناسب “إن تحقيق ذلك من شأنه أن يفتح العديد من الاحتمالات المثيرة حيث يمكن للخلايا الضوئية ومكوناتها أن تعمل كمحفزات ذاتية التوليد والإصلاح الذاتي لا يمكن تكرارها بواسطة الأنظمة الاصطناعية “. وأضاف تشانغ أن التعقيد حتى الآن هو أن الباحثين لم يتمكنوا من “رؤية” مكان سرقة الإلكترونيات من داخل الخلايا.

إذا كان هذا يبدو نوعًا من البيزنطية وغير التقليدية ، فإن المغزى الكبير هنا هو أن هذا الاكتشاف هو تغيير محتمل للعبة مع مجموعة من التطبيقات المستقبلية ، من الوقود الحيوي إلى تطوير محاصيل أكثر كفاءة ، والتي يمكن أن تحسن القدرة التنافسية للوقود الحيوي في المستقبل. علاوة على ذلك ، كان العلماء يدرسون كيف يمكن استخدام التمثيل الضوئي لمعالجة أزمة المناخ ، من خلال محاكاة عمليات التمثيل الضوئي لتوليد وقود نظيف من ضوء الشمس والماء فقط ، على سبيل المثال.

“كل ما يتطلبه الأمر هو بعض الاختراقات الأساسية لتغيير المجال تمامًا. تتطلب هذه الاختراقات وقتًا ، ولكنها تتطلب أيضًا استثمارًا في العلوم الأساسية والبحوث متعددة التخصصات. هذا العمل هو عرض جميل لهذا ، لقد قمنا بتغيير المشاركات الهدف التي يمكن أن تكون هذه التكنولوجيا ،قال تشانغ.

بقلم أليكس كيماني لموقع Oilprice.com

المزيد من أهم قراءات من Oilprice.com: