علماء يتمكنون من زراعة النياتات في الظلام باستخدام التمثيل الضوئي الصناعي

عملية التمثيل الضوئي الطبيعي

على مدى ملايين السنين من التطور، تطورت عملية التمثيل الضوئي في النباتات كطريقة لتحويل الماء وثاني أكسيد الكربون والطاقة من ضوء الشمس إلى الكتلة الحيوية النباتية والطعام الذي نتناوله.

لكن الباحثين، بمن فيهم باحثون من جامعة كاليفورنيا، ريفرسايد في الولايات المتحدة، قالوا أن هذه العملية الطبيعية غير فعالة حيث ينتهي الأمر بحوالي 1 في المائة فقط من الطاقة الموجودة في ضوء الشمس في النبات.

يقوم الباحثون حالياً بتقييم طرق إنتاج محاصيل مثل اللوبيا والبندورة والتبغ والأرز والكانولا والبازلاء الخضراء التي تستخدم الكربون من الأسيتات عند زراعتها في الظلام.

وقالت مارثا أوروزكو كارديناس، مديرة مركز أبحاث تحويل النباتات في جامعة كاليفورنيا في ريفرسايد: "تخيل يوماً ما سفن عملاقة تزرع نباتات البندورة في الظلام وعلى سطح المريخ، ما مدى سهولة ذلك على المريخ في المستقبل؟"

التمثيل الضوئي الصناعي

كشفت دراسة جديدة نُشرت في مجلة نيتشر الأسبوع الماضي كيف وجد العلماء طريقة لصنع طعام مستقل عن ضوء الشمس باستخدام التمثيل الضوئي الاصطناعي.

استخدم الباحثون عملية كيميائية من خطوتين لتحويل ثاني أكسيد الكربون والكهرباء والماء إلى أسيتات، وهو شكل من المكونات الرئيسية للخل، وقالوا أن الكائنات الحية المنتجة للغذاء استهلكت بعد ذلك مادة الأسيتات لتنمو في الظلام باستخدام الألواح الشمسية لتوليد الكهرباء لتشغيل التفاعل الكيميائي.

قال العلماء أن النظام يمكن أن يزيد من كفاءة تحويل ضوء الشمس إلى طعام ويجعله أكثر كفاءة بنسبة 18 مرة لبعض المواد الغذائية.

استخدم العلماء المحلل الكهربائي أو الأجهزة التي تستخدم الكهرباء لتحويل المواد الخام مثل ثاني أكسيد الكربون إلى جزيئات ومنتجات مفيدة، ثم قام العلماء بتحسين إنتاج المحلل الكهربائي لدعم نمو الكائنات المنتجة للغذاء ودمج جميع مكونات النظام معاً.

المحلل الكهربائي الغني بالأسيتات

مع النظام الجديد، يمكن للباحثين زيادة كمية الأسيتات مع تقليل كمية الملح، مما يؤدي إلى أعلى مستويات الأسيتات التي تم إنتاجها في محلل كهربي حتى الآن.

وقال مؤلف الدراسة روبرت جينكرسون من جامعة كاليفورنيا في ريفرسايد في بيان: "سعينا من خلال نهجنا إلى تحديد طريقة جديدة لإنتاج الطعام يمكن أن تتخطى الحدود التي تفرضها عادة عملية التمثيل الضوئي البيولوجي".

وقال فينغ جياو، وهو مشارك آخر في الدراسة من جامعة ديلاوير أنه يمكن زراعة مجموعة واسعة من الكائنات الحية المنتجة للغذاء، بما في ذلك الطحالب الخضراء والخميرة والفطريات الفطرية التي تنتج الفطر، في الظلام مباشرة على ناتج المحلل الكهربائي الغني بالأسيتات.

وقال العلماء أن إنتاج الطحالب باستخدام هذه التكنولوجيا أكثر كفاءة في استخدام الطاقة بنحو أربعة أضعاف من زراعته بشكل تقليدي باستخدام التمثيل الضوئي الطبيعي، وإنتاج الخميرة أكثر كفاءة بنحو 18 مرة من الطريقة التي يتم زراعتها بها عادةً.

زراعة النباتات في الظلام الدامس

وقالت إليزابيث هان، المؤلفة الرئيسية للدراسة: "لقد تمكنا من زراعة الكائنات الحية المنتجة للغذاء دون أي مساهمات من التمثيل الضوئي البيولوجي، إن هذه الكائنات تُزرع عادةً على السكريات المشتقة من النباتات أو المدخلات المشتقة من البترول، وهو نتاج عملية التمثيل الضوئي البيولوجي التي حدثت منذ ملايين السنين".

وقالت الدكتور هان: "هذه التكنولوجيا هي طريقة أكثر فاعلية لتحويل الطاقة الشمسية إلى طعام، مقارنة بإنتاج الغذاء الذي يعتمد على التمثيل الضوئي البيولوجي".

وقال الباحثون أن مجموعة واسعة من المحاصيل يمكن أن تأخذ الأسيتات المنتجة وتبنيها في اللبنات الجزيئية الرئيسية اللازمة لنمو وازدهار الكائنات الحية.