معلومة

وقود من عملية التمثيل الضوئي

وقود من عملية التمثيل الضوئي


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

كنت أقرأ كيف تستفيد النباتات من ضوء الشمس وثاني أكسيد الكربون وبعض الأشياء الأخرى لتوليد الطاقة. فلماذا لا يمكننا إنشاء الألواح الشمسية الحيوية المصنّعة هندسيًا والتي ستأخذ ضوء الشمس وثاني أكسيد الكربون والماء وأشياء أخرى وتمنحنا الطاقة (ربما الكهرباء أو الحرارة وما إلى ذلك). لذلك بدلاً من الألواح الشمسية المصنوعة من السيليكون أو أي شيء آخر ، يمكننا الحصول على ألواح حيوية مصنوعة من مواد عضوية. ثم نحتاج إلى تزويده بالمياه وسوف يحول ضوء الشمس إلى كهرباء.

لقد بحثت عن هذا على الإنترنت ولم أجد أي شيء ذي صلة بهذا الصدد. لذلك أفترض أنه يجب أن يكون هناك سبب وجيه للغاية لأننا لا نحاول القيام بذلك. أريد أن أعرف ما إذا كان هناك أي بحث يجري في هذا الصدد وإذا لم يكن الأمر كذلك ، فلماذا هذه الفكرة غير مجدية.


ما تقترحه هو عامل البناء الضوئي العضوي ، لكن هذا ليس ضروريًا عندما يكون لديك بالفعل نباتات تكيفت وراثيًا لملايين السنين لمجرد أن تكون مناسبة لهذا الغرض بالذات. بالطبع ، التمثيل الضوئي الصناعي موجود بالفعل ، وذلك باستخدام نفس العملية ؛ الفوتونات ، والبلاستيدات الخضراء ، ودورة كالفين ، وأنظمة الصور 1 و 2 ، وما إلى ذلك ، وهي تستخدم المفهوم العام للكيمياء الكهروضوئية ، لذلك ببساطة يتم استبدال الأدوات العضوية بخلايا كهروضوئية اصطناعية ، والتي أيضًا يستخدم h20 والضوء ، ما تسأل عنه هو لماذا لم نطور مادة عضوية معدلة وراثيًا لإنتاج كفاءة أعلى ، في الواقع ، النباتات المعدلة وراثيًا موجودة بالفعل مع مناعة ، على الرغم من أنني لم أسمع عن الكائنات المعدلة وراثيًا التي تحفز تفاعلات التمثيل الضوئي ، و أفضل ما في الأمر ، لأن الهندسة الوراثية لا تزال في أفضل حالاتها مجالًا جديدًا معقدًا للغاية ، على سبيل المثال ، فإن الكائنات المعدلة وراثيًا العامة هي دمج الإنزيم البكتيري cas9 لفصل الحمض النووي المحدد لتغيير جينوم الكائن الحي ، مثل تثبيط مستقبلات القنب ، أو لمكافحة الآفات بمواد غير ضارة بالبشر ، وما إلى ذلك ، ولكن لها عواقب ، مثل دوام ذلك الجينوم المعدل ، لذلك إذا كان الكائن الحي / النبات يتكاثر ، فإن النسل سيظهر أيضًا نفس خصائص الكائنات المعدلة وراثيًا. التمثيل الضوئي عبارة عن سلسلة معقدة من التفاعلات التي تستخدم إنزيمات معقدة وما شابه ، على سبيل المثال ، إنزيم روبيكو الذي يغير ثاني أكسيد الكربون إلى جزيئات غنية بالطاقة مثل الجلوكوز ، من فوسفوجليسيراتس غير مستقر للغاية. co2، h20، and light ، لست متأكدا ما إذا كانت تستخدم مغذيات بيولوجية مثل التربة ، ولكن العملية تستخدم أيضا نيكوتيناميد أدينين ثنائي النوكليوتيد فوسفات ، أو NADP + ، وهي تستخدم للتفاعلات الابتنائية ، لذلك فهي تبني جزيئات ، والعكس بالعكس هي تفاعلات تقويضية ، والتي هو عندما تكسر الإنزيمات الدهون والجزيئات في عملية التمثيل الغذائي ، ومع ذلك لا أعرف على وجه اليقين ما إذا كان هذا الجزيء له نفس الغرض في التمثيل الضوئي الاصطناعي ، ولكن بالنسبة لعملية التمثيل الضوئي العامة ، نعم ، يمتص NADP + أيضًا الإلكترونات للتفاعلات المستقلة والمعتمدة لتوليد ATP و NADPH ،إلخ. آمل أن يبسط هذا بعض الأشياء ، الخلاصة: لدينا بالفعل عملية التمثيل الضوئي الاصطناعي ، لكن التمثيل الضوئي المصطنع قد يكون ضارًا على وراثة النبات إذا أضرنا بجينومه ، مما يتسبب في ضرر محتمل. يشبه Artifical إلى حد كبير العناصر العضوية ، لذلك أعتقد أنك تقول إنها ألواح حيوية ، تستخدم h20 و co2 والضوء.


التمثيل الضوئي من صنع الإنسان لإحداث ثورة في إنتاج الغذاء والطاقة

تحسين التمثيل الضوئي الطبيعي لإنتاج أنواع وقود جديدة وتعزيز إنتاج المحاصيل هو محور البحث الذي يموله مجلس أبحاث التكنولوجيا الحيوية والعلوم البيولوجية (BBSRC) والذي تم تقديمه في الاجتماع السنوي للجمعية الأمريكية لتقدم العلوم (AAAS) في 17 فبراير. أقرب إلى تعبئة طاقة الشمس أو محطات الشحن التوربيني لإنتاج المحاصيل الوفيرة.

يسمح التمثيل الضوئي للأنظمة البيولوجية بأخذ الطاقة من الشمس واستخدامها لإنتاج الغذاء والوقود. إنها واحدة من أهم العمليات البيولوجية على الأرض ولكنها ليست فعالة كما ينبغي. تؤدي المقايضات الطبيعية إلى كفاءة أقل من 1٪ في العديد من المحاصيل المهمة ، وبالتالي هناك مجال كبير للتحسين.

يعمل علماء من المملكة المتحدة والولايات المتحدة على هندسة أو تحسين التمثيل الضوئي للاستفادة من إنتاج الغذاء والوقود.

يشرح البروفيسور دوغلاس كيل ، الرئيس التنفيذي لـ BBRSC ، سبب أهمية تمويل هذا البحث: "نحن نواجه تحديات عالمية في مجال أمن الغذاء والطاقة التي يجب معالجتها. تحسين التمثيل الضوئي داخل النباتات ، أو استخدام البيولوجيا التركيبية خارجيًا ، سيحقق فوائد ضخمة."

"الورقة" الاصطناعية

يتخذ البروفيسور ريتشارد كوجديل من جامعة جلاسكو منهجًا للبيولوجيا التركيبية في محاولة لإنشاء "ورقة" اصطناعية قادرة على تحويل طاقة الشمس إلى وقود سائل.

يوضح البروفيسور كوجديل: "تمنح الشمس طاقتها مجانًا ولكن الاستفادة منها أمر صعب. يمكننا استخدام الألواح الشمسية لتوليد الكهرباء ولكنها متقطعة ويصعب تخزينها. ما نحاول القيام به هو أخذ الطاقة من الشمس واحتجزها بحيث يمكن استخدامها عند الحاجة إليها بشدة ".

يأمل الباحثون في استخدام تفاعل كيميائي مشابه لعملية التمثيل الضوئي ولكن في نظام اصطناعي. تأخذ النباتات الطاقة الشمسية وتركزها وتستخدمها لتقسيم الماء إلى هيدروجين وأكسجين. يتم إطلاق الأكسجين ويتم حجز الهيدروجين في الوقود. يهدف البحث الأخير إلى استخدام البيولوجيا التركيبية لتكرار العملية.

وأضاف البروفيسور كوجديل: "نحن نعمل على ابتكار نظام كيميائي قوي مماثل يمكنه تكرار التمثيل الضوئي بشكل مصطنع على نطاق واسع. ستخلق هذه الورقة الاصطناعية مجمعات شمسية تنتج الوقود ، على عكس الكهرباء".

يمكن للنظام الاصطناعي أيضًا تحسين عملية التمثيل الضوئي الطبيعي للاستفادة بشكل أفضل من طاقة الشمس. من خلال إعادة التمثيل الضوئي إلى مستوى من التفاعلات الأساسية ، يمكن أن يكون من الممكن تحقيق مستويات أعلى بكثير من تحويل الطاقة.

في نهاية المطاف ، يمكن للنجاح في هذا البحث أن يسمح بتطوير اقتصاد مستدام محايد للكربون يوقف مستويات ثاني أكسيد الكربون المتزايدة في الغلاف الجوي من حرق الوقود الأحفوري.

التمثيل الضوئي "الشحن التوربيني"

يأمل البروفيسور هوارد غريفيث ، من جامعة كامبريدج ، أيضًا في تعزيز إمكانات التمثيل الضوئي من خلال التركيز على إنزيم يسمى RuBisCO (أوكسيجيناز كربوكسيلاز Ribulose-1،5-bisphosphate). إنه إنزيم رئيسي في عملية التمثيل الضوئي يسمح للنباتات باستخدام ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي لإنشاء جزيئات غنية بالطاقة ، مثل السكريات البسيطة.

طورت بعض النباتات آليات تعمل مثل الشاحن التوربيني البيولوجي لتركيز ثاني أكسيد الكربون حول الإنزيم من أجل التمثيل الضوئي الأمثل. هذا يعزز النمو والإنتاج. تعمل أبحاث البروفيسور جريفيث على تطوير فهم أعمق لشواحن التوربو البيولوجية هذه بحيث يمكن دمجها يومًا ما في المحاصيل لزيادة الغلة.

يوضح البروفيسور Griffiths: "نريد تحسين كفاءة تشغيل RuBisCO في المحاصيل ونعتقد أن الطحالب قد توفر الإجابة يومًا ما. يتم احتواء شاحن التوربيني الخاص بهم داخل هيكل يسمى بيرينويد الطحالب والذي يمكن استخدامه في هياكل التمثيل الضوئي للمحصول. من خلال الجمع الطحالب والبناء الضوئي للنبات لتحسين كفاءة التمثيل الضوئي سنشهد زيادة في الإنتاجية الزراعية لإنتاج الغذاء والطاقة المتجددة ".

التقاط الطاقة الشمسية "المهدرة"

تبحث البروفيسور آن جونز من جامعة ولاية أريزونا عن طرق أخرى لضمان عدم إهدار طاقة الشمس.

يمكن أن تمتص البكتيريا الزرقاء (البكتيريا التي تحصل على طاقتها من عملية التمثيل الضوئي) طاقة شمسية أكثر بكثير مما يمكنها الاستفادة منه. يسعى بحث البروفيسور جونز إلى تطوير آلية للاستفادة من هذه الطاقة الزائدة والمهدرة عن طريق تحويلها إلى خلية منتجة للوقود.

قال البروفيسور جونز: "نريد ربط جهاز التمثيل الضوئي في نوع بكتيري واحد بعملية التمثيل الغذائي لإنتاج الوقود لنوع آخر. يمكننا بعد ذلك توجيه الطاقة الزائدة مباشرة إلى إنتاج الوقود. وسوف نرى نظامين بيولوجيين يعملان معًا لإنتاج الوقود من طاقة الشمس ".

تشبيه بسيط هو محطة طاقة غير متصلة بشبكة التوزيع. غير متصل ، تذهب الطاقة الزائدة هباءً. يأمل الباحثون في إنشاء اتصال ينقل هذه الطاقة لإنتاج الوقود. يمكن توفير هذا الاتصال عن طريق شعيرات موصلة للكهرباء تشبه الشعيرات تسمى الشعيرات.

يوضح البروفيسور جونز: "تقوم بكتيريا معينة بشكل طبيعي بتنمية شعيرات موصلة تسمى pili. يمكن استغلال هذه الشعيرات لنقل الطاقة بين الخلايا التي نريد استخدامها."


تحويل الطاقة الشمسية إلى وقود هيدروجين بمساعدة التمثيل الضوئي

الائتمان: CC0 المجال العام

يأتي النمو الاقتصادي العالمي مع زيادة الطلب على الطاقة ، ولكن زيادة إنتاج الطاقة يمكن أن يكون أمرًا صعبًا. في الآونة الأخيرة ، حقق العلماء كفاءة قياسية في تحويل الطاقة الشمسية إلى وقود ، والآن يريدون دمج آلية التمثيل الضوئي لدفعها إلى أبعد من ذلك. سيقدم الباحثون نتائجهم اليوم في الاجتماع الافتراضي والمعرض الافتراضي للجمعية الكيميائية الأمريكية (ACS) لخريف 2020.

يقول Lilac Amirav ، دكتوراه ، الباحث الرئيسي في المشروع: "نريد تصنيع نظام تحفيز ضوئي يستخدم ضوء الشمس لدفع التفاعلات الكيميائية ذات الأهمية البيئية".

على وجه التحديد ، تقوم مجموعتها في المعهد الإسرائيلي للتكنولوجيا بتصميم محفز ضوئي يمكنه تفكيك الماء إلى وقود هيدروجين. يقول أميراف: "عندما نضع الجسيمات النانوية على شكل قضيب في الماء ونسلط الضوء عليها ، فإنها تولد شحنات كهربائية موجبة وسالبة". "جزيئات الماء تكسر الشحنات السالبة تنتج الهيدروجين (الاختزال) ، وتنتج الشحنات الموجبة الأكسجين (الأكسدة). يجب أن يحدث التفاعلان ، اللذان يشتملان على الشحنات الموجبة والسالبة ، في وقت واحد. دون الاستفادة من الشحنات الموجبة ، فإن السالبة لا يمكن توجيه الشحنات لإنتاج الهيدروجين المطلوب ".

إذا تمكنت الشحنات الموجبة والسالبة ، التي تنجذب إلى بعضها البعض ، من التماسك ، فإنها تلغي بعضها البعض ، وتضيع الطاقة. لذلك ، للتأكد من أن الشحنات متباعدة بدرجة كافية ، قام الفريق ببناء هياكل غير متجانسة فريدة تتكون من مجموعة من أشباه الموصلات المختلفة ، جنبًا إلى جنب مع محفزات المعادن وأكسيد المعادن. باستخدام نظام نموذجي ، درسوا تفاعلات الاختزال والأكسدة بشكل منفصل وغيروا البنية غير المتجانسة لتحسين إنتاج الوقود.

في عام 2016 ، صمم الفريق بنية غير متجانسة مع نقطة كمومية كروية لسيلينيد الكادميوم مدمجة داخل قطعة على شكل قضيب من كبريتيد الكادميوم. يوجد جسيم معدني بلاتيني عند الحافة. اجتذب جسيم الكادميوم-سيلينيد شحنة موجبة ، بينما تراكمت الشحنات السالبة على الطرف. يقول أميراف: "من خلال تعديل حجم النقطة الكمومية وطول القضيب ، بالإضافة إلى معلمات أخرى ، حققنا تحويل 100٪ من ضوء الشمس إلى هيدروجين من تقليل المياه". وأشارت إلى أن جسيمًا نانويًا واحدًا يمكن أن ينتج 360 ألف جزيء من الهيدروجين في الساعة.

نشرت المجموعة نتائجها في مجلة ACS رسائل نانو. لكن في هذه التجارب ، درسوا نصف التفاعل فقط (الاختزال). من أجل الوظيفة المناسبة ، يجب أن يدعم نظام التحفيز الضوئي كلاً من تفاعلات الاختزال والأكسدة. يقول أميراف: "لم نكن نحول الطاقة الشمسية إلى وقود بعد". "ما زلنا بحاجة إلى تفاعل أكسدة من شأنه أن يزود الإلكترونات باستمرار بالنقطة الكمومية." يحدث تفاعل أكسدة الماء في عملية متعددة الخطوات ، ونتيجة لذلك يظل تحديًا كبيرًا. بالإضافة إلى ذلك ، يبدو أن منتجاته الثانوية تهدد استقرار أشباه الموصلات.

بالتعاون مع المتعاونين ، استكشفت المجموعة طريقة جديدة - البحث عن مركبات مختلفة يمكن أن تتأكسد بدلاً من الماء - والتي قادتهم إلى مادة البنزيلامين. وجد الباحثون أنه بإمكانهم إنتاج الهيدروجين من الماء ، مع تحويل البنزيل أمين إلى بنزالديهايد في نفس الوقت. يقول أميراف: "من خلال هذا البحث ، قمنا بتحويل العملية من التحفيز الضوئي إلى التمثيل الضوئي ، أي التحويل الحقيقي للطاقة الشمسية إلى وقود". يقوم نظام التحفيز الضوئي بإجراء تحويل حقيقي للطاقة الشمسية إلى روابط كيميائية قابلة للتخزين ، بحد أقصى 4.2٪ من كفاءة تحويل الطاقة الشمسية إلى الكيميائية. "هذا الرقم يؤسس رقما قياسيا عالميا جديدا في مجال التحفيز الضوئي ، ويضاعف الرقم القياسي السابق ،" تلاحظ. "حددت وزارة الطاقة الأمريكية نسبة 5-10٪ على أنها" حد الجدوى العملية "لتوليد الهيدروجين من خلال التحفيز الضوئي. ومن ثم ، فإننا على أعتاب عملية تحويل الطاقة الشمسية إلى الهيدروجين المجدية اقتصاديًا."

حفزت هذه النتائج الرائعة الباحثين على معرفة ما إذا كانت هناك مركبات أخرى ذات تحويلات عالية من الطاقة الشمسية إلى المواد الكيميائية. للقيام بذلك ، يستخدم الفريق الذكاء الاصطناعي. من خلال التعاون ، يقوم الباحثون بتطوير خوارزمية للبحث في الهياكل الكيميائية عن مركب مثالي لإنتاج الوقود. بالإضافة إلى ذلك ، فإنهم يبحثون عن طرق لتحسين نظام الصور لديهم ، وقد تكون إحدى الطرق هي استلهام الإلهام من الطبيعة. تم دمج مركب بروتيني في أغشية الخلايا النباتية يشتمل على الدوائر الكهربائية لعملية التمثيل الضوئي بنجاح مع الجسيمات النانوية. يقول Amirav أن هذا النظام الاصطناعي أثبت حتى الآن أنه مثمر ، حيث يدعم أكسدة الماء مع توفير تيار ضوئي أكبر بمئة مرة من تلك التي تنتجها أنظمة أخرى مماثلة.

الملخص
يعد التقسيم التحفيزي الضوئي للمياه إلى هيدروجين وأكسجين مصدرًا محتملاً للوقود النظيف والمتجدد. ومع ذلك ، فقد أثبتت أربعة عقود من الأبحاث العالمية أن رد الفعل متعدد الخطوات هذا يمثل تحديًا كبيرًا. هنا ، سأقدم استراتيجياتنا ، وأحدث النتائج ، في نقل إنتاج المحفز الضوئي إلى حدود جديدة وغير مستكشفة ، أثناء استكشاف التحويل الشمسي إلى الكيميائي الذي يتجاوز تقسيم الماء. سأركز على التصميم الفريد لجزيئات النانو المبتكرة ، والتي تسخر ظواهر النانو لتحسين النشاط ، ومنهجيات لبناء هياكل متغايرة متطورة. سوف أشارك قواعد التصميم الخاصة بنا والرؤى المتراكمة ، والتي مكنتنا من إظهار تحويلات الأكسدة والاختزال الماص للحرارة بكاملها بكفاءة واستقرار ودورة كاملة ، وتحقيق تحويل حقيقي للطاقة الشمسية إلى وقود ، مع كفاءات حديثة تصل إلى 4.2٪.


3. تعمل الطاقة الضوئية القادمة من الشمس على بدء عملية التمثيل الضوئي في البلاستيدات الخضراء في الخلايا النباتية.

تحتوي الخلايا النباتية على عضيات خاصة تسمى البلاستيدات الخضراء ، والتي تعمل كمواقع للتفاعلات التي تشكل عملية التمثيل الضوئي. تحتوي أغشية الثايلاكويد الخاصة بهم على صبغة تسمى الكلوروفيل ، والتي تمتص الفوتونات (الطاقة الضوئية) من الشمس ، وتبدأ التفاعلات المعتمدة على الضوء والتي تحدث داخل الثايلاكويدات.

خلال هذه التفاعلات ، جزيئات الماء (H2O) مفككة. يتم إنتاج NADPH و ATP - جزيئات عالية الطاقة تعمل على إنتاج الجلوكوز - أثناء التفاعلات المعتمدة على الضوء أيضًا. تُستخدم الإلكترونات وأيونات الهيدروجين من الماء لبناء NADPH. تعمل أيونات الهيدروجين أيضًا على تعزيز تحويل ADP إلى ATP.


العلم على الحدود (1992)

التمثيل الضوئي الاصطناعي: الأنظمة الكيميائية والبيولوجية لتحويل الضوء إلى كهرباء ووقود

"التمثيل الضوئي الطبيعي هو عملية يتم من خلالها تحويل ضوء الشمس إلى طاقة كيميائية" ، بدأ مارك رايتون في عرضه التقديمي في ندوة فرونتيرز. ويدير رايتون مختبرًا في قسم الكيمياء بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، حيث يتم إجراء بحث نشط في مجال التطوير التوليف المختبري العملي للعملية قيد التنفيذ. وكما عرف الكيميائيون لعقود عديدة ، فإن الطاقة الكيميائية التي أشار إليها تأتي من تكسير ثاني أكسيد الكربون (CO).2) والماء (H2O) ، مدفوعًا بفوتونات الضوء ، ويؤدي إلى إنتاج الكربوهيدرات التي تغذي النباتات والأكسجين (O2) ، وهو أمر حيوي للكائنات الهوائية. ما هو غير معروف بالتفصيل الكامل هو كيفية عمل نظام تحويل الطاقة الرائع هذا على المستوى الجزيئي. ومع ذلك ، فإن التطورات الحديثة في التحليل الطيفي ، وعلم البلورات ، وعلم الوراثة الجزيئية قد أوضحت الكثير من الصورة ، ويحاول العلماء مثل رايتون بنشاط تحويل ما يكون معروف عن العملية إلى أنظمة وظيفية وفعالة وتركيبية من شأنها الاستفادة من الإمداد اللامتناهي للطاقة القادمة من الشمس. "البناء الضوئي يعمل، "قال رايتون ،" وعلى نطاق واسع. "هذه الظاهرة الطبيعية الهائلة تحدث في جميع أنحاء المحيط الحيوي وتنتج كمية هائلة من نوع واحد من الوقود والأغذية للنباتات والحيوانات ، ووصفت شركة mdashWrighton بأنها" دليل على وجود نظام تحويل شمسي يمكن أن ينتج [أ مختلف ، على الرغم من] وقود مفيد على نطاق قادر على تلبية احتياجات '' الحضارة الإنسانية. توفر الخلايا الكهروضوئية (PV) المستخدمة بالفعل في جميع أنحاء العالم وظيفة وظيفية (إذا كانت أكثر تكلفة لكل كيلوواط / ساعة)

مصدر للكهرباء ولكنها لن تبدأ في التنافس مع محطات مصادر الوقود الأحفوري الرئيسية حتى تنخفض التكاليف أكثر.

كان العرض التقديمي الذي قدمه رايتن ، "التركيب الضوئي و mdashReal and Artificial" مناقشة منطقية عن كثب خطوة بخطوة للمراحل الحاسمة في التسلسل الكيميائي والجزيئي لعملية التمثيل الضوئي. تم اختيار زملائه في الجلسة لخبرتهم في واحد أو آخر من هذه المجالات المتخصصة الأساسية لأبحاث التمثيل الضوئي. بحلول نهاية الجلسة ، لم يكونوا قد قدموا شرحًا واضحًا للعملية فحسب ، بل قاموا أيضًا بوصف بعض البيانات التجريبية المثيرة للاهتمام التي تم إنتاجها. دوغلاس ريس من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا (حول التفاصيل الجزيئية لعملية التمثيل الضوئي البيولوجي) ، وجورج ماكليندون من جامعة روتشستر (حول نقل الإلكترون) ، وتوماس مالوك من جامعة تكساس (حول ترتيب المواد لتسهيل كيمياء نقل الإلكترونات المتعددة) ، وناثان لويس من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا (على الأنظمة الاصطناعية التي تستخدم الوصلات السائلة) استكملت جميعها نظرة عامة على رايتون بتقارير حول النتائج في مجال أبحاث البناء الضوئي الخاصة بهم.

يعتمد علم الكيمياء على النظرية الذرية للمادة. بغض النظر عن مدى تعقيد بنية الذرة أو الجزيء ، سيتم حفظ الأجزاء المكونة لها بعد تبادل تفاعل كيميائي. في الواقع ، كان تطوير مقياس التوازن في القرن الثامن عشر هو الذي أدى إلى ولادة الكيمياء الحديثة. بمجرد إدراك أن قوانين الديناميكا الحرارية ومبدأ الحفاظ على الطاقة توفر مجموعة أنيقة من القيود ، أصبحت الكيمياء العلم النهائي لحل الألغاز. يمكن للمرء أن يشعر بالثقة إلى حد ما & mdashonce معظم العناصر والمركبات الأساسية وقد تم اكتشاف علاقاتها النسبية البسيطة & mdasht أنه يمكن العثور على الإجابة في المختبر ، إذا كان من الممكن فقط تجميع القطع في الصورة المناسبة والمتماسكة. بالنسبة للكيميائيين ، يعني هذا عادةً إعادة إنشاء تفاعل في ظل ظروف قابلة للتكرار بدقة.

تم تطوير نموذج التمكين بواسطة الكيميائي البريطاني جون دالتون ، الذي اقترح النظرية الذرية للمادة في مطلع القرن التاسع عشر. على الرغم من التحسينات اللاحقة بسبب فيزياء الكم والقدرة المتزايدة للعلماء على التحقيق في هذه التفاعلات وفحصها بشكل مباشر ، فإن وصف دالتون الأساسي لسلوك وانتقال البروتونات والإلكترونات بين العناصر والمركبات و mdashthe الافتتاحي أطلق على كل طالب كيمياء في المدرسة الثانوية و [مدش] لا يزال يحدد مرحلة البحث الكيميائي الأكثر تقدمًا. يوفر التمثيل الضوئي مثالًا حيًا على نوع الدراما التي يتم لعبها دون عناء في الطبيعة ولكن أعيد تمثيلها بشكل متقن في المختبرات الكيميائية مع الاهتمام الجاد بالأمور الداخلية.

تفاصيل كاتي. ليس من المبالغة في التبسيط القول إنه إذا تمكن العلماء من معرفة كيفية وضع الإلكترونات المحررة بواسطة النباتات التي تضرب الضوء بكفاءة عالية في التحولات الكيميائية اللاحقة ، فقد يتم تطوير أنظمة مماثلة يمكن أن تساعد بشكل كبير في تلبية احتياجات الطاقة في العالم. وبالتالي ، فإن المخاطر التي يواجهها المجتمع كبيرة ، والتباين مثير: يعمل الكيميائي على ردود أفعال منظمة بدقة ومعقدة في المختبر وعلى نطاق صغير جدًا ، ومع ذلك فإن الآثار والتطبيقات الخاصة بعمله قد تؤدي إلى تحولات دراماتيكية ، على على نطاق واسع ، من العالم المادي.

في حالة البحث عن التمثيل الضوئي الاصطناعي ، يمكن أن يؤدي هذا العمل إلى الإنتاج الاقتصادي لبديل لتضاؤل ​​المعروض من الوقود الأحفوري. وقد تكون الفائدة الأخرى هي تقليل المنتجات الكبريتية المنبعثة من احتراق الوقود الكربوني. أوضح رايتون أن هذه الأنواع من الوقود هي نفسها "نتيجة عمليات التمثيل الضوئي التي تم دمجها على مر العصور." يجب أن يؤخذ في الاعتبار أنه قبل وقت طويل من تطوير النباتات للقدرة على إنتاج الأكسجين الجزيئي كمنتج ثانوي لعملية التمثيل الضوئي ، كانت دائمًا تدور حول عملها الحقيقي المتمثل في تحويل ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي إلى كربوهيدرات لقوتها. في الواقع ، لا تزال بعض هذه النباتات اللاهوائية موجودة اليوم في بعض المنافذ البيئية المتخصصة. وأشار رايتون إلى أن نظام التمثيل الضوئي تطور إلى حالته الحالية خلال التاريخ الطبيعي للأرض ، وهو يستغل المواد المتوفرة بكثرة وغير مكلفة بشكل طبيعي. كما تم تصميمها من قبل الطبيعة ، فهي عملية إعادة التدوير النهائية و [مدش] نظرًا لأنها تستخدم أكثر موارد الكوكب وفرة ، أول أكسيد الكربون2 و ح2O ، توفير الوقود وتفكيك الملوثات.

يقبل رايتون وآخرون في البحث عن نسخة تركيبية من عملية التمثيل الضوئي التي من شأنها أن تولد طاقة قابلة للتطبيق تجاريًا هذين الشرطين الأساسيين: يجب أن تكون رخيصة ، ويجب أن تكون مدخلات المواد الخام وفيرة. طورت التكنولوجيا الكهروضوئية الحالية كفاءات شمسية (أي نسبة معينة من الطاقة المتلقاة من الشمس التي يتم توصيلها ككهرباء) بنسبة 28.5 في المائة للخلايا الشمسية السليكونية البلورية بنقطة التلامس و 35 في المائة لخلية تقاطع مكدسة من زرنيخيد الغاليوم أنتيمونيد ( Brodsky ، 1990) ، لكن تكاليف تصنيع هذه المنتجات لا تسمح لها بالمنافسة حيث تتوفر المصادر البديلة التقليدية. إذا كان مدخلا التمثيل الضوئي الطبيعي ، CO2 و ح2قال رايتون ، "يمكن تسخير مخاليط الوقود التي ستكون مفيدة في الإطار التكنولوجي الحالي و [مدش] حيث تهيمن عمليات الاحتراق على استخدام الوقود الموجود لدينا" و mdashare المتوقعة. يمكن أن تكون إحدى الفوائد الإضافية لمثل هذه العملية هي "جلب ثاني أكسيد الكربون العالمي2 التركيزات لقيمة الحالة الثابتة ، "بوضوح هدف مرغوب فيه ،

قال رايتون. ولكن كما أشار ، هناك مرشحون آخرون لمصدر إدخال موجود في كل مكان ، بما في ذلك SiO2 (ثاني أكسيد السيليكون في الصخور) ، N2 و O2 (النيتروجين الجزيئي والأكسجين من الهواء) ، وكلوريد الصوديوم (ملح الطعام الشائع).

إذا كان من الممكن تنشيط أحد الموارد الطبيعية الوفيرة للأرض بواسطة ضوء الشمس لإنتاج (ربما عن طريق انهيار أحد عناصره وإطلاقه) مصدرًا يمكن استخدامه للوقود ، فقد يتم تجنب دورة الوقود الأحفوري بأكملها والمشاكل المرتبطة به . إذا كان هذا المورد هو الماء ، على سبيل المثال ، وكان مصدر الوقود الناتج هو الهيدروجين ، فإن حرق الهيدروجين السائل في الهواء لن ينتج سوى الماء كمنتج احتراق. يستخدم الهيدروجين السائل بالفعل كمصدر للوقود وكان دائمًا الوقود الأساسي الذي يغذي المركبات الفضائية ، لأنه ينتج حرارة لكل جرام من الوزن أكثر من أي وقود آخر معروف. إذا كان من الممكن تطوير نظام التمثيل الضوئي الذي يوفر الهيدروجين القابل للاستخدام ، فإن العملية ستجدد مصدر المياه الأصلي ، ويمكن إنشاء إعادة تدوير جديدة تمامًا للموارد الطبيعية. لكن هذه المرة ، كان التطور الثقافي وليس الطبيعي هو الذي سيحظى بالاهتمام. مع مثل هذه العملية الرئيسية الجديدة لإنتاج الوقود ، نأمل أن يكون العلم قادرًا على توفير منهجية للتنبؤ والتحكم بشكل أفضل في التأثير العالمي لأي منتج ثانوي أو انبعاثات.

يتضمن البحث عن طريقة جديدة لتسخير طاقة الشمس أولاً دراسة كيفية عمل التمثيل الضوئي في الطبيعة ، ثم محاولة ابتكار نظام جديد يحاكي إلى حد ما المثال الناجح أو يقدم نموذجًا له. قدم رايتون وزملاؤه وصفًا واضحًا لكلا المجهودين.

PHOTOSYNTHESIS في الطبيعة

الفوتونات وفيزياء الطاقة الضوئية

أصبح التمثيل الضوئي ممكنًا بسبب فيضان الطاقة الحرة التي تمطر على الكوكب من الشمس. من الواضح أن هذه الطاقة تستخدم بشكل جيد من قبل النباتات وبعض البكتيريا التي طورت قدرات مماثلة في التمثيل الضوئي. يتم إجراء العديد من الدراسات حول التمثيل الضوئي على هذه الكائنات الحية ، والتي تكون شديدة التحمل ويمكن التلاعب بها وراثيًا في ظل ظروف المختبر.

ولكن مما تتكون هذه الطاقة المتدفقة من الضوء؟ كيف يمكن لهياكل معينة تحويلها إلى طاقة كيميائية مفيدة لها؟ تتضمن خلفية الإجابة على هذا السؤال اثنين من عمالقة فيزياء القرن العشرين و mdashPlanck و Einstein & mdash الذين قدموا عملهم في بداية هذا القرن رؤى أساسية مهمة حول طاقة الضوء. الفيزيائي الألماني ماكس بلانك عام 1900


التمثيل الضوئي الاصطناعي

في مراكز التفاعل الضوئي الاصطناعية هذه ، يتم تنظيم متبرع ومقبول للإلكترون بشكل مناسب لنقل الإلكترون المستحث ضوئيًا. عادةً ما يكون المتبرع الأساسي بورفيرين (يشبه المتبرع الأساسي بالكلوروفيل في الطبيعة) أو مركب بوليبيريديل المعدني ، وغالبًا ما يكون المستقبل الأساسي بورفيرين ، أو فيولوجين ، أو كينون ، أو بيريلين إيميد ، أو فوليرين. يؤدي الإثارة الضوئية إلى نقل الإلكترون المستحث ضوئيًا ، مما يؤدي وظيفيًا إلى محاكاة فصل الشحنة الكهروضوئية في عملية التمثيل الضوئي الطبيعي. يمكن ربط مانحين أو متقبلات الإلكترون الثانوية بمركز التفاعل هذا ، مما يسمح بتفاعلات تحويل الشحنة اللاحقة التي تفصل الإلكترون والثقب مكانيًا ، وبالتالي زيادة عمر حالة فصل الشحنة. يتم التحكم في معدلات فصل الشحنة ، وتحول الشحنة ، وتفاعلات إعادة تركيب الشحنة بواسطة الديناميكا الحرارية ، والاقتران الإلكتروني بين الحالة الأولية والنهائية ، وطاقة إعادة التنظيم اللازمة لتحويل الحالة الأولية إلى الحالة النهائية. في العديد من الأنظمة ، يتم التحكم بدقة في الاقتران الإلكتروني بين شقوق المتبرع والمقبول عن طريق الارتباط التساهمي. يتم التحكم في حيوية عمليات نقل الإلكترون وطاقات إعادة التنظيم من خلال اختيار المتبرعين والمقبلين والوسيط. بصرف النظر عن نقل الإلكترون المستحث ضوئيًا ، تم تكرار عمليات التمثيل الضوئي الأخرى مثل نقل الطاقة من نظام الهوائي إلى مركز التفاعل والحماية من الضوء عند شدة الضوء العالية في الأنظمة الجزيئية. 26 ، 27

يمكن استخدام مراكز التفاعل التخليقية هذه لتحويل طاقة الفوتون إلى pmf ، كما هو موضح باستخدام ثالوث جزيئي (يحتوي على كاروتينويد ، وقاعدة بورفيرين حرة ، ونافثوكينون حاملة للكربوكسيلات) يتم إدخالها في غشاء شحمي يحتوي على مكوك كينون دهني قابل للذوبان (الشكل. 2). بسبب الطابع البرمائي للثالوث ، يتم إدراج ذيل البوليين بشكل تفضيلي في الغشاء الدهني ، مما يوفر اتجاهًا متجهًا لمجموعة مراكز التفاعل. يؤدي امتصاص الفوتون بواسطة البورفيرين إلى انتقال إلكترون الحالة المثارة إلى الكينون المتصل تساهميًا ، متبوعًا بنقل الثقب من البورفيرين المؤكسد إلى المتبرع الثانوي الكاروتيني. تكون الحالة النهائية لفصل الشحنة طويلة الأمد بما يكفي للسماح بنقل الإلكترون من الجانب المختزل للثالوث (الكينون) إلى مكوك كينون الدهني القابل للذوبان. إلى جانب تقليل هذا الكينون ، يتم استخراج البروتون من المحلول المائي الخارجي ، مما يؤدي إلى تكوين semiquinone محايد ينتشر عبر الغشاء الدهني إلى الجانب المؤكسد من الثالوث (كاروتينويد). هنا يتبرع semiquinone بإلكترون إلى كاروتينويد المؤكسد ، في هذه العملية يطرد بروتونًا إلى المحلول المائي الداخلي ، ويولد pmf. يمكن لمثل هذا النظام أن يدفع إنتاج ATP من ADP والفوسفات غير العضوي ، عندما يتم دمج سينسيز ATP في الغشاء الشحمي. تعمل أنظمة الليبوزومات هذه كدليل على المفهوم القائل بأن فصل الشحنات الضوئية في الأنظمة الجزيئية يمكن استخدامه لتخزين الطاقة الشمسية العارضة عن طريق توليد pmf بطريقة مماثلة لعملية التمثيل الضوئي البكتيري. بدلاً من ذلك ، أظهرت النتائج الحديثة تحويل emf إلى pmf عبر طبقة ثنائية من الدهون المستوية تحتوي على مكوك بروتون نشط الأكسدة والاختزال. يعد تطوير تركيبات للتحويل البيني emf – pmf مركزيًا لبعض مناهج التمثيل الضوئي الاصطناعي وسيفتح الباب أمام استخدام محفزات تحويل الطاقة البيولوجية ، مقترنة بـ pmf ، في الأجهزة الهجينة القادرة على تخليق المركبات الغنية بالطاقة.

الصورة 2 غشاء اصطناعي ضوئي يحول الطاقة الضوئية إلى pmf ، وبالتالي يقود تخليق ATP. يتم إدخال جزيئات الثالوث الجزيئي (C – P – Q) في جسيم يحتوي على مكوك الكينون الدهني القابل للذوبان (Qس). يؤدي فصل الشحنات الضوئية إلى ضخ البروتون عبر Qس. مع دمج ATP في الغشاء ، يتم استخدام pmf الناتج لتخليق ATP. يوضح الرسم البياني مقدار ATP الناتج كدالة لوقت التشعيع لـ [ATP] = [ADP] = 0.2 ملي مولار و [Pأنا] = 5 ملم ، مثلثات مفتوحة و [ATP] = 0.2 ملم ، [ADP] = 0.02 ملم و [Pأنا] = 5 مم ، دوائر مملوءة ، وكذلك لتجارب التحكم. الرقم مقتبس من المرجع. 28.

تم أيضًا ربط فصل الشحنة الكيميائية الضوئية في الأنظمة الجزيئية بأكسدة أيونات المنغنيز المنسقة. في أحد الأمثلة ، يؤدي نقل الإلكترون في الحالة المثارة من صبغة الروثينيوم-بوليبريديل إلى متقبل فيولوجين قابل للذوبان إلى توليد Ru 3+ . يسحب هذا النوع إلكترونًا من مركز منجنيز متصل تساهميًا. في بعض أكثر المركبات نجاحًا ، يمكن لثلاث جولات من الإثارة الضوئية تجميع ثلاث مكافئات مؤكسدة على ثنائيات المنغنيز ، مما يؤدي إلى تحويل المنغنيز الأولي 2+ - مليون 2+ الكتلة في المنغنيز 3+ - مليون 4+ . 30 في هذه العملية ، يحدث تبادل أسيتات ليجند أكو ، مع إمكانية نزع البوتون من ليجاند أكو بالتزامن مع الوصول إلى المنغنيز. 3+ - مليون 4+ حالة. مثل هذا العمل له العديد من أوجه التشابه مع الجانب المانح من PSII ، وهو خطوة مهمة نحو ربط مراكز التفاعل الاصطناعية بمحفزات أكسدة الماء الوظيفية. يعد كل من توليد pmf وأكسدة الماء متعدد الإلكترونات مجالات بحث تتطلب فهمًا تفصيليًا لكيفية اقتران حركة البروتون بنقل الإلكترون ، وهو موضوع تمت مناقشته أدناه.


قفزة كبيرة للورقة الاصطناعية

يقول دانيال نوسيرا ، أستاذ علوم الطاقة بجامعة هارفارد ، والذي كان رائدًا في استخدام التمثيل الضوئي الاصطناعي ، إنه وزميلته باميلا سيلفر ابتكروا نظامًا يكمل عملية صنع الوقود السائل من ضوء الشمس وثاني أكسيد الكربون والماء. وقد فعلوا ذلك بكفاءة 10 في المائة ، باستخدام ثاني أكسيد الكربون النقي - بعبارة أخرى ، يتم التقاط عُشر الطاقة في ضوء الشمس وتحويلها إلى وقود. وهذا أعلى بكثير من التمثيل الضوئي الطبيعي ، الذي يحول حوالي 1 في المائة من الطاقة الشمسية إلى الكربوهيدرات التي تستخدمها النباتات ، ويمكن أن يكون علامة فارقة في التحول بعيدًا عن الوقود الأحفوري. تم وصف النظام الجديد في ورقة جديدة بلغة علم.

“Bill Gates has said that to solve our energy problems, someday we need to do what photosynthesis does, and that someday we might be able to do it even more efficiently than plants,” says Nocera. “That someday has arrived.”

In nature, plants use sunlight to make carbohydrates from carbon dioxide and water. Artificial photosynthesis seeks to use the same inputs—solar energy, water, and carbon dioxide—to produce energy-dense liquid fuels. Nocera and Silver’s system uses a pair of catalysts to split water into oxygen and hydrogen, and feeds the hydrogen to bacteria along with carbon dioxide. The bacteria, bioengineered to specific characteristics, convert the carbon dioxide and hydrogen into liquid fuels.

Several companies, including Joule Unlimited and LanzaTech, are working to produce biofuels from carbon dioxide and hydrogen, but they use bacteria that consume carbon monoxide or carbon dioxide, rather than hydrogen. Nocera’s system, he says, can operate at lower temperatures, higher efficiency, and lower costs.

Nocera’s latest work “is really quite amazing,” says Peidong Yang of the University of California, Berkeley. Yang has developed a similar system with much lower efficiency. The performance of this system is “unparalleled” in any other artificial photosynthesis system reported to date, he says.

The new system can use pure carbon dioxide in gas form, or carbon dioxide captured from the air—which means it could be carbon-neutral, introducing no additional greenhouse gases into the atmosphere. “The 10 percent number, that’s using pure CO2,” says Nocera. Allowing the bacteria themselves to capture carbon dioxide from the air, he adds, results in an efficiency of 3 to 4 percent—still significantly higher than natural photosynthesis. “That’s the power of biology: these bioörganisms have natural CO2 concentration mechanisms.”

Nocera’s research is distinct from the work being carried out by the Joint Center for Artificial Photosynthesis, a U.S. Department of Energy-funded program that seeks to use inorganic catalysts, rather than bacteria, to convert hydrogen and carbon dioxide to liquid fuel. According to Dick Co, who heads the Solar Fuels Institute at Northwestern University, the innovation of the new system lies not only in its superior performance but also in its fusing of two usually separate fields: inorganic chemistry (to split water) and biology (to convert hydrogen and carbon dioxide into fuel). What’s really exciting is the “hybrid approach” to artificial photosynthesis, says Co: “It’s exciting to see chemists pairing with biologists to advance the field.”

Commercializing the technology is likely to take years. In any case, the prospect of turning sunlight into liquid fuel suddenly looks a lot closer.


Scientists look to hack photosynthesis for a ‘greener’ planet

Scientists are looking at how plants turn sunlight into sugars — a process known as photosynthesis — as a model for cleaner ways to produce energy for people and industry. Their research even suggests ways people can help plants photosynthesize more efficiently.

Xurzon/iStock /Getty Images Plus

شارك هذا:

December 5, 2019 at 6:45 am

Photosynthesis comes as naturally to plants as breathing does to people. This process converts the simple ingredients of carbon dioxide, water and sunlight into energy. Photosynthesis allows plants to grow. In turn, we rely on photosynthesis as the foundation for our life on Earth.

Carina Baskett recalls the first time she learned about photosynthesis. She says, “I remember feeling like, this seems so magical.”

She’s now a plant biologist at the Institute of Science and Technology Austria in Klosterneuburg. “It’s just so amazing that plants are taking air, water and light — things we walk around in, all the time — and they’re turning that into energy and food for the whole world.”

The sun’s energy makes us feel warm when it hits our bare skin. But when sunlight touches the leaves of a plant it does more. It powers a chemical reaction that converts one type of energy into another. Those plant leaves contain plenty of water. That water is made of oxygen atoms bonded to hydrogen atoms. The sun’s energy can excite electrons inside the water molecule enough that the bonds split.

This triggers a reaction “that takes the oxygen away from the water. And that becomes the oxygen in the air that we all breathe,” explains Baskett. Meanwhile, she notes, “Hydrogen from the water gets smushed together with the carbon dioxide [in air], and that makes sugar.”

People and all other animals use this sugar — glucose — as an energy source from food. Plants become the food that our bodies can convert into energy. Essentially, photosynthesis is the reason we can exist, Baskett explains.

It’s no mystery why photosynthesis fascinates her and other scientists. Many of them now want to know more about it, imitate it — even improve upon it.

Blinking plants

The basics of photosynthesis are well-known. Chlorophyll, the green pigments in plants, use sunlight to make sugars. But there’s still a lot to learn about how plants control the process and its efficiency. Enter Avihai Danon. He’s a plant biologist at the Weizmann Institute of Science in Rehovot, Israel. He studies how plants regulate, or control, photosynthesis. In a paper published last year in iScience, his team described one such process. He describes it as plants “blinking.”

“Too much light can actually burn the plant’s cells,” says Danon. He compares a plant exposed to too much light to a person playing with electricity. “If suddenly there is a rise in light level, how do they handle it? Do they get burned?”

Any gardener knows plant species are adapted to live in particular amounts of sunlight. But light conditions naturally change. Clouds travel across the sky, wind ruffles leaves and the sun’s position moves throughout the day. To study how photosynthesis adjusts to these changes, Danon studied mustard plants in his lab under low light.

In one test, he increased the light’s intensity every 10 minutes. This was to mimic the rising sun. As the light changed, Danon measured the plant’s fluorescence (Fluor-ESS-ents). This is a form of light energy released by photosynthesis. Measuring the fluorescence helped Danon see how much photosynthesis occurred under different levels of light.

As the day brightened, Danon expected to see a steady increase in photosynthesis. Instead, the pattern resembled more of a flicker. Photosynthesis would slow way down, and then bump back up a little. Down, and then up. Again and again, little by little, it adjusted to the strengthening light.

“It’s taking a better-be-safe-than-sorry approach,” Danon explains. The plant was anticipating the worst conditions, he says, before adjusting to the actual changes.

Danon couldn’t help but draw a comparison to how human eyes respond to sudden, bright sunlight. When we step outside on a sunny day, our pupils constrict. That response protects our eyes from damage while making sure we still can see important things around us.

Plants can’t move, so their “blinking” helps protect them from burning or bleaching when they are in bright sun. A plant’s light gauges — you can think of them as antennae — register when light levels change. These antennae shrink, and in the process reduce photosynthesis. This shrinking also protects them from sudden changes that might damage the entire plant.

Danon is inspired by what plants can do. “If plants have developed this type of very تعقيدا response, and they are successful for hundreds of millions of years, maybe it can help us in our own engineering,” he says.

التمثيل الضوئي الاصطناعي

Scientists have already begun copying, or mimicking, photosynthesis. Their artificial processes also use light to split oxygen and hydrogen — for energy. The dream is to eventually replace fossil fuels. If people could make energy from sun, air and water — as plants do — it would cut down on planet-warming releases of carbon dioxide. It also could create a huge new source of renewable energy.

Many researchers look to solar fuels — fuels made from sunlight — as “green” replacements for today’s carbon-based fossil fuels. These include oil, gas and coal.

Solar fuels can take many forms. They might look like traditional carbon-based fuels, using carbon dioxide to “recycle” emissions from fossil fuels. Hydrogen and oxygen, the chemical products of photosynthesis, can power fuel cells that allow cars to run on electricity. Also, solar energy can convert sunlight into electricity that could be stored in batteries. No matter what form solar fuels take, the first step is splitting water into its elemental building blocks.

“Nature has this power,” explains Julien Warnan. He’s a chemist working with Erwin Reisner on solar fuels at the University of Cambridge in England. Nature has had a lot of time to figure out how to do this efficiently, he notes. When it comes to splitting up water’s building blocks, engineers are “a bit more limited,” he says. “Everyone is trying to develop different tools to do it.”

Last year in the journal Nature Energy, Warnan’s team described a new way to use sunlight to split water. The idea, Warnan explains, “is to take water and air and put that together in a box.” Then you add a catalyst. This is some material that can trigger chemicals to react. Later, he says, “You shine light on this box. And what comes out is fuel — like what you put in your car or a plane.”

Scientists around the world are experimenting with devices — think of them as artificial leaves. Like the processes in leaves, they split water into hydrogen and oxygen. Warnan’s team wasn’t the first to do it. But they did it with a different type of catalyst. It’s the same one that a plant uses to jump-start a chemical reaction.

They extract that catalyst from a plant, rather than creating it from chemicals in a lab. That means fewer harsh chemicals would go into making their solar fuel. But more work is needed before people can produce a solar fuel from water as easily as plants can.

“The great power of the plant is that it can always regenerate and replenish [the catalyst] if it breaks down,” says Warnan. “We cannot.” This type of solar fuel, therefore, “is still very expensive,” he points out.

Explainer: What is a catalyst?

So don’t expect to gas up with solar fuels in the near future. The current devices cannot harvest enough sunlight affordably. That’s why plants are such good teachers. Having done photosynthesis for millions of years, they’ve already figured out how to do it efficiently.

Energy analysts predict that people will use twice as much energy by 2050 as they do now. Artificial leaves could be one way to wean humanity off its dependence on fossil fuels.

Hacking plants

Nearly 8 billion people share our planet today. The United Nations estimates that there will be 9.7 billion people living on this warming world by 2050. They will stretch the demand for food and energy to its limits.

Photosynthesis has evolved to work as well as it needs to — for plants. One group of scientists is now looking to improve upon photosynthesis — this time, for people. RIPE, which stands for Realizing Increased Photosynthetic Efficiency, is a global research effort. It aims to “hack” photosynthesis in ways that could yield more crops.

Amanda Cavanaugh is a plant biochemist at the University of Illinois in Urbana. She works with RIPE. Her research focuses on one tiny enzyme that has a big impact on photosynthesis. It’s known as Rubisco (Rew-BIS-koh).

“It doesn’t get a lot of credit, but it has arguably the most important job in the world,” she says.

Rubisco grabs carbon dioxide out of the air and helps convert it to sugar, or glucose. That’s the process that makes plants into an energy-conversion system that fuels the growth of animals.

All photosynthetic life relies on the Rubisco enzyme, Cavanaugh says. And while “it’s critically important,” she adds, “it’s not particularly good at its job.”

She’s talking about a common mistake that plants make during photosynthesis. About one in every five times, a plant will “grab” an oxygen molecule from the air instead of carbon dioxide. That’s like accidentally putting salt in coffee rather than sugar. So instead of making energy for the day, the plant produces toxic compounds.

Plants have come up with a way to recycle the unwanted compounds. But doing this uses energy that the plant might otherwise put into growth. If science could figure out a way to correct Rubisco’s mistake, Cavanaugh estimates, agriculture could feed another 200 million people a year.

“For years, people have been fascinated by the possibility of engineering a better Rubisco,” she says. Doing so might allow farmers to “grow more food on less land.” And that, she argues, is “the ultimate goal for a plant biologist.”

When Rubisco makes those mistaken compounds, a plant gets rid of them. It does that by transporting these unwanted chemicals to three different structures within the plant cell. Cavanaugh and her colleagues saw this “recycling” process as wasting a plant’s precious energy and time. “We wondered if there was a way to speed that up,” she says.

RIPE scientists at the University of Illinois are working with researchers at the Agriculture Department to make plant photosynthesis more efficient. They have begun focusing on the role of an enzyme known as Rubisco.
IGBIllinois/YouTube

To find out, she and her colleagues worked with tobacco plants in a greenhouse. (Tobacco is not a food crop, but they used it because it’s quick to grow.) The researchers tested plants having somewhat different genetic traits. Then they “starved” these plants of the carbon dioxide they needed to grow. The plants’ Rubisco responded by making lots of mistakes.

The plants that thrived under these conditions proved to be the best recyclers of the toxic compounds.

Then the scientists grew the super recyclers in farm fields. These tobacco plants grew 40 percent larger than normal. The researchers described their engineering feat last Jan. 4 in علم.

The next step is to apply the lessons learned in tobacco to crops, such as potatoes, cow peas and soybeans. Cavanaugh is excited about the likely success of moving this photosynthetic hack into food plants.

“Photosynthesis is one of the best understood biological processes in life,” says Cavanaugh. “But there’s so much we don’t know about it. It’s now starting to open up in a really neat way.”

Power Words

الزراعة نمو النباتات أو الحيوانات أو الفطريات لاحتياجات الإنسان من غذاء ووقود وكيماويات وأدوية.

atmosphere The envelope of gases surrounding Earth or another planet.

atom The basic unit of a chemical element. Atoms are made up of a dense nucleus that contains positively charged protons and uncharged neutrons. The nucleus is orbited by a cloud of negatively charged electrons.

مادة الاحياء دراسة الكائنات الحية. العلماء الذين يدرسون لهم معروفون ب علماء الأحياء.

رابطة (in chemistry) A semi-permanent attachment between atoms — or groups of atoms — in a molecule. It’s formed by an attractive force between the participating atoms. Once bonded, the atoms will work as a unit. To separate the component atoms, energy must be supplied to the molecule as heat or some other type of radiation.

كربون The chemical element having the atomic number 6. It is the physical basis of all life on Earth. Carbon exists freely as graphite and diamond. It is an important part of coal, limestone and petroleum, and is capable of self-bonding, chemically, to form an enormous number of chemically, biologically and commercially important molecules.

نشبع (or CO2) A colorless, odorless gas produced by all animals when the oxygen they inhale reacts with the carbon-rich foods that they’ve eaten. Carbon dioxide also is released when organic matter burns (including fossil fuels like oil or gas). Carbon dioxide acts as a greenhouse gas, trapping heat in Earth’s atmosphere. Plants convert carbon dioxide into oxygen during photosynthesis, the process they use to make their own food.

catalyst A substance that helps a chemical reaction to proceed faster. Examples include enzymes and elements such as platinum and iridium.

cell The smallest structural and functional unit of an organism. Typically too small to see with the unaided eye, it consists of a watery fluid surrounded by a membrane or wall. Depending on their size, animals are made of anywhere from thousands to trillions of cells. Most organisms, such as yeasts, molds, bacteria and some algae, are composed of only one cell.

المواد الكيميائية مادة تتكون من ذرتين أو أكثر تتحدان (رابطة) بنسب وبنية ثابتة. For example, water is a chemical made when two hydrogen atoms bond to one oxygen atom. Its chemical formula is H2O. Chemical also can be an adjective to describe properties of materials that are the result of various reactions between different compounds.

تفاعل كيميائي عملية تتضمن إعادة ترتيب جزيئات أو بنية مادة ما ، على عكس التغيير في الشكل المادي (من مادة صلبة إلى غاز).

chlorophyll Any of several green pigments found in plants that perform photosynthesis — creating sugars (foods) from carbon dioxide and water.

كلية Someone who works with another a co-worker or team member.

مجمع (often used as a synonym for chemical) A compound is a substance formed when two or more chemical elements unite (bond) in fixed proportions. على سبيل المثال ، الماء مركب مكون من ذرتين هيدروجين مرتبطتين بذرة أكسجين واحدة. رمزها الكيميائي هو H2س.

crop (في الزراعة) نوع من النباتات يزرع عن قصد ويرعاها المزارعون ، مثل الذرة أو البن أو الطماطم. Or the term could apply to the part of the plant harvested and sold by farmers.

كهرباء A flow of charge, usually from the movement of negatively charged particles, called electrons.

electron A negatively charged particle, usually found orbiting the outer regions of an atom also, the carrier of electricity within solids.

engineer A person who uses science to solve problems. As a verb, to engineer means to design a device, material or process that will solve some problem or unmet need.

إنزيم Molecules made by living things to speed up chemical reactions.

excite (in chemistry and physics) To transfer energy to one or more outer electrons in an atom. They remain in this higher energy state until they shed the extra energy through the emission of some type of radiation, such as light.

fluoresce To absorb and then later reemit light in a different wavelength. That reemitted light is known as ضوئي.

الوقود الاحفوري Any fuel — such as coal, petroleum (crude oil) or natural gas — that has developed within the Earth over millions of years from the decayed remains of bacteria, plants or animals.

gauge A device to measure the size or volume of something. For instance, tide gauges track the ever-changing height of coastal water levels throughout the day. Or any system or event that can be used to estimate the size or magnitude of something else. (v. to gauge) The act of measuring or estimating the size of something.

وراثي Having to do with chromosomes, DNA and the genes contained within DNA. يُعرف مجال العلوم الذي يتعامل مع هذه التعليمات البيولوجية باسم علم الوراثة. الأشخاص الذين يعملون في هذا المجال هم علماء وراثة.

greenhouse A light-filled structure, often with windows serving as walls and ceiling materials, in which plants are grown. It provides a controlled environment in which set amounts of water, humidity and nutrients can be applied — and pests can be prevented entry.

hack (in computing) To get unapproved — often illegal — access to a computer, usually to steal or alter data or files. Someone who does this is known as a hacker. (outside computing) To take over a process and control it by some clever means.

هيدروجين The lightest element in the universe. وكغاز ، فهو عديم اللون والرائحة وقابل للاشتعال بدرجة كبيرة. إنه جزء لا يتجزأ من العديد من أنواع الوقود والدهون والمواد الكيميائية التي تشكل الأنسجة الحية. إنه مصنوع من بروتون واحد (يعمل كنواة له) يدور حوله إلكترون واحد.

مركب An electrically neutral group of atoms that represents the smallest possible amount of a chemical compound. Molecules can be made of single types of atoms or of different types. For example, the oxygen in the air is made of two oxygen atoms (O2), but water is made of two hydrogen atoms and one oxygen atom (H2س).

oxygen غاز يشكل حوالي 21٪ من الغلاف الجوي للأرض. All animals and many microorganisms need oxygen to fuel their growth (and metabolism).

البناء الضوئي (الفعل: التمثيل الضوئي) العملية التي من خلالها تستخدم النباتات الخضراء وبعض الكائنات الحية الأخرى ضوء الشمس لإنتاج الأطعمة من ثاني أكسيد الكربون والماء.

التلميذ (in biology) The dark center of an eye. The pupil is actually a hole in the eye that allows light to pass through and hit the retina, the part of our eye that is sensitive to light.

إعادة التدوير للعثور على استخدامات جديدة لشيء ما - أو أجزاء من شيء - يمكن التخلص منها أو التعامل معها على أنها نفايات.

تنظيم (n. regulation) To control with actions. Governments write rules and regulations — laws — that are enforced by police and the courts.

renewable energy Energy from a source that is not depleted by use, such as hydropower (water), wind power or solar power.

Rubisco This term is actually an acronym for ribulose bisphosphate carboxylase/oxygenase. It is the most common protein on Earth. In its role as an enzyme, it plays a pivotal role in photosynthesis.

ملح A compound made by combining an acid with a base (in a reaction that also creates water). The ocean contains many different salts — collectively called “sea salt.” Common table salt is a made of sodium and chlorine.

solar cell A device that converts solar energy to electricity.

تعقيدا A term for something that is advanced, complex and/or elegant.

محيط A group of similar organisms capable of producing offspring that can survive and reproduce.

تقنية The application of scientific knowledge for practical purposes, especially in industry — or the devices, processes and systems that result from those efforts.

تبغ A plant cultivated for its leaves, which many people burn in cigars, cigarettes, and pipes. Tobacco leaves also are sometimes chewed. The main active drug in tobacco leaves is nicotine, a powerful stimulant (and poison).

سامة Poisonous or able to harm or kill cells, tissues or whole organisms. The measure of risk posed by such a poison is its toxicity.

سمة السمة المميزة لشيء ما. (في علم الوراثة) صفة أو خاصية يمكن توريثها.

فطم (adj. and v. weaning) The process in young mammals of transitioning from a diet of mother’s milk to other foods.

اقتباسات

مجلة: K.E. Dalle et al. Electro- and solar-driven fuel synthesis with first row transition metal complexes. Chemical Reviews. المجلد. 119, Feb. 15, 2019, p. 2752. doi: 10.1021/acs.chemrev.8b00392.

مجلة: P.F. South et al. Synthetic glycolate metabolism pathways stimulate crop growth and productivity in the field. علم. المجلد. 363, Jan 4, 2019, p. eaat9077. doi: 10.1126/science.aat9077.

مجلة: A. Tendler et al. Fold-change response of photosynthesis to step increases of light level. iScience، المجلد. 8, Sept. 25, 2018 p. 126. doi: 10.1016/j.isci.2018.09.019.

Classroom Resources for This Article Learn more

Free educator resources are available for this article. Register to access:


Fossil fuels are running out

Since the mid nineteenth century, humans have progressively mastered the discovery, extraction, and combustion of fossil fuels. Fossil fuels are the remains of organisms, mostly thick growths of plants from more than 500 million years ago, that were buried under heavy layers of sediment and slowly heated and compressed, under conditions without oxygen, into carbon-rich deposits. These are now used as the energy source for almost all modern transportation and electricity generation systems.

There are many reasons why this is now believed to be unsustainable. Fossil-based fuels are just the remains of photosynthetic activity that once took place on the earth’s surface over hundreds of millions of years — when plants converted solar energy and carbon dioxide into biomass. However, by burning all this carbon very rapidly, we are returning carbon dioxide, sulfur and nitrous oxides to the atmosphere in very high concentrations and rates that cannot be balanced by the planet’s natural cycles. Hence, we are beginning to observe several adverse affects of this build up including global warming and increased incidences of asthma and pulmonary disorders.

It is obvious that, since we are burning fuels at a pace far exceeding that of their creation, we will eventually exhaust them. By most estimates we have 50-100 years’ worth of oil and gas left under the earth’s surface. The search for renewable fuels is thus well motivated.

تيhe challenge of renewable fuels

Solar energy is the most abundant renewable resource available, and photosynthesis is a great template for how this energy can be converted into chemical energy (which is the energy stored in the chemical bonds connecting atoms together in matter). The ability to transform sunlight into fuel is, after all, what has always powered human societies, starting from the use of firewood as our primary fuel, to the use of coal, oil and gas. It is therefore natural that, when looking for sustainability, we turn back to the sun and photosynthesis to transform its energy into biofuels.

The total solar energy falling on the earth exceeds the energy humans consume globally by several thousand fold [1]. However, the two main challenges of harvesting this energy are its diffuse nature and the low efficiencies in capturing and storing it. Sunlight is diffuse in two ways – it is distributed across a wide range of wavelengths (a property of light manifested through the different colors of light, which carry different amounts of energy), and is also spread across the surface of the earth.

One way to capture this solar energy is biofuels. Biofuels are fuels, which are chemically similar to gasoline and diesel, but are produced by processing crops, algae or microbial culture. The carbon in biofuels comes from carbon dioxide that plants convert to their biomass through photosynthesis. Hence, burning them for energy doesn’t add any net carbon dioxide to the atmosphere, making them ‘carbon neutral’. However, by some estimates, we would need to use an area as large as a quarter of the total land used for agriculture in the US today to generate enough biofuels to meet American transportation fuel use [1]. It is thus easy to see that, to avoid biofuel production from competing with food production and other land-use, there is a need for much more efficient biological conversion of sunlight into chemicals. Synthetic biology may be part of the answer.

What is Synthetic Biology?

In its earliest days, biology was a largely observational endeavor, looking at how whole organisms act and survive. But in the last 6-7 decades biology has undergone a revolutionary transformation with an understanding of the molecular processes underlying how cells and organisms work. Synthetic biology is a new field of biological engineering that aims to use and build upon our vast leaps in the molecular understanding of biological systems to make it easier and more systematic to redesign microorganisms, plants, animals and algae by tinkering with their genetic materials.

Molecular biology has revealed that there are many common and basic genetic motifs that combine in innumerable ways to create the brilliant diversity of life on earth. Now that we know some of these basic parts, engineers are beginning to try building new biological functions by rearranging these parts in new patterns. Synthetic biology methods can, for instance, help make plants more resistant to drought and pests by artificially enhancing genes responsible for those tasks. An example is DroughtGard Hybrid corn, a drought tolerant variety engineered by Monsanto [2] to produce a protein (cspB) that helps bacteria deal with heat, cold and dryness stresses. In a similar vein, engineers can now create yeast and bacteria that can convert substantial amounts of plant husk into ethanol or oils that can then be used as fuel [3]. Synthetic biology has the potential to be breeders’ dreams come true. What traditional plant breeders would rarely achieve after generations of mixing plant varieties and selecting for different traits, synthetic biology offers the ability to quickly engineer in a lab simply by directly giving organisms the genes to produce the wanted traits.

Making fuels faster and cheaper

Biofuel production involves a few interesting design choices for synthetic biologists. These include picking organism(s) to engineer and choosing the elements of their genetic make up to tinker with. Microbes are a favorite for many researchers since they are relatively easy and cheap to grow in labs. The workflow for most engineers involves repeats of a “Design-Build-Test” cycle, which can be performed more quickly and cheaply in microbes than in larger plants. However, working with plants does have the advantage that they are more compatible with current agricultural setups. Photosynthetic microbes like algae and cyanobacteria often need special reactors designed for them, which involve pumping large amounts of water and have high maintenance.

Once the choice of organism is made, the actual engineering is done on two main fronts. Efforts are being made to increase the efficiency of sunlight and carbon dioxide capture so that organisms can grow faster and, secondly to change the chemical composition that these organisms grow into. While plants or microbes typically convert sunlight and carbon dioxide into their biomass (mostly in the form to of substances like sugars and proteins), scientists are trying to engineer them produce and secrete oily substances, fatty acids, alcohols etc. These are chemicals that carry much more energy per pound and are much better suited for use as fuels than cellular biomass.

Many synthetic biologists are also attempting to get heterotrophic microbes (ones that can’t make their own food with photosynthesis but instead need to be fed with organic compounds) to convert the biomass from plants into usable fuels. Creating biofuels this way would then involve a two-step approach in producing the fuel, where plants are first engineered to grow as quickly as possible and then are ground up and fed to E. coli, yeast, etc., that would convert that biomass into ethanol and other fuels. The efforts to produce corn ethanol with engineered yeast have become popular recently, and can be considered an extension of what beer and malt brewers have been doing for centuries. Synthetic biology aims to make this process many fold more efficient and better suited for fuels, like octane, that can be used to run existing gasoline engines much more efficiently than ethanol can, which is crucial in making the transition from a fossil fuel to a biofuel-based society as easily as possible.

Concerns, prospects and a look towards the future

Synthetic biology, with its promise of being a means to design desired features into organisms, is understandably faced with controversy. Criticisms range from concerns about the environmental effects of creating ‘super-bugs’ in labs, to ethical questions about humans’ efforts to play intelligent re-designers of natural beings. Safety and environmental impact are very important considerations that scientists are actively trying to address already by making these organisms unable to grow outside of controlled laboratory, farm or bioreactor conditions. In terms of the ethical question, it might be argued that most engineers aren’t necessarily creating new “unnatural” entities – they are just using the repertoire of very powerful biological functions created by nature and rearranging them, much in the same way as a gardener selects for desirable traits when breeding flowers. As synthetic biology is just in its early stages of development, it will be important to involve all stakeholders in a reasoned consideration of all possible concerns, and an open and democratic deliberation on the pace and extent that we as a society will pursue synthetic biology. With these issues properly addressed, synthetic biology may yet fulfill its promise as a way forward in our quest for clean, sustainable fuel.

Gairik Sachdeva is a PhD student in Bioengineering at the Harvard School of Engineering and Applied Sciences.

[1] Savage, DF, Way, J, Silver, PA. (2008) Defossiling Fuel: How Synthetic Biology Can Transform Biofuel Production. ACS Chemical BiologyDavid F. Savage, Jeffrey Way and Pamela A. Silver. ACS Chemical Biology 3(1):12-16.


البناء الضوئي

Plants, algae and cyanobacteria use a chemical reaction known as photosynthesis to create the materials they need from what’s around them. Plucking carbon dioxide from the air, water from the ground and light from the sun, land plants make sugar and kick out oxygen as a waste product. Which is lucky for us. Without this oxygen supply to counterbalance the carbon dioxide we breathe out, most life on this planet, including us, would suffocate.

In plants, photosynthesis takes place in structures within their cells called chloroplasts. Chloroplasts, like the mitochondria in our own cells that drive our metabolism, are thought to have originated from bacterial cells that came to live in symbiosis inside their host.

Plants can harvest light because their chloroplasts are stuffed full of a pigment called chlorophyll, which absorbs red and blue light. When the sun’s rays hit plants, they absorb these colours but not green, which gets reflected, giving most plants their distinctive hue.

Plants use the sugars they make to fuel their growth and combine them into more complex molecules like cellulose to make material. This process of taking carbon from the air and using it to make large polymers makes plants an extremely useful ally in combating climate change, which is predominantly caused by carbon dioxide emissions. Ironically, photosynthesis is also behind many of the world’s fossil fuels, which formed from decayed prehistoric plants and animals.

الإعلانات

Some organisms depend on pigments other than chlorophyll to photosynthesise, such as carotenoids, which are red, orange or yellow and absorb blue-green light.

While plants, algae and cyanobacteria all use oxygen-based photosynthesis, there is also a version of the reaction called anoxygenic photosynthesis. This typically occurs in bacteria, such as purple bacteria and green sulphur bacteria, in aquatic habitats. These organisms photosynthesise use chemicals like hydrogen sulphide instead of water and produce sulphur as a by-product rather than oxygen.

Some animals also seem to be able to photosynthesise. The emerald green sea slug, for example, consumes algae and uses its chloroplasts. And it is thought that some green aphids can also harness light using their pigments. Chris Simms


شاهد الفيديو: Biomass Energy - More Grades 9-12 Science on Harmony Square (يوليو 2022).


تعليقات:

  1. Yardane

    في رأيي أنت مخطئ. أدخل سنناقش. اكتب لي في PM ، سنتعامل معها.

  2. Kall

    في رأيي ، هم مخطئون. أقترح مناقشته.

  3. Mogar

    أتفق معها تمامًا. فكرة عظيمة ، أوافق.

  4. Nikolas

    يمكن أن يكون بدون حصيرة ..



اكتب رسالة