تحسين التمثيل الضوئي / ديفيد بايلو

ويأمل العلماء في إنتاج وقود حيوي مفيد اقتصاديا عن طريق تغيير الطريقة التي تحول بها النباتات ضوء الشمس إلى طاقة كيميائية

ظل العلماء لسنوات يحاولون اكتشاف أفضل طريقة لجعل النباتات تنتج الوقود الحيوي. المشكلة هي أن عملية التمثيل الضوئي، التي تقوم النباتات من خلالها بتحويل ضوء الشمس إلى طاقة كيميائية يمكن تخزينها بسهولة، هي عملية غير فعالة على الإطلاق. تقوم النباتات بتحويل 1٪ إلى 3٪ فقط من ضوء الشمس إلى كربوهيدرات. وهذا هو أحد الأسباب التي تجعل محاصيل الذرة المستخدمة في إنتاج الإيثانول، وغيرها من الأفكار السيئة لإنتاج الوقود الحيوي، تشغل مثل هذه المساحات الشاسعة من الأرض. لكن للنباتات أيضًا العديد من المزايا: فهي تمتص ثاني أكسيد الكربون بتركيزات منخفضة مباشرة من الجو، وعندما تتضرر أي خلية في النبات، يمكنها إصلاح نفسها.

ولذلك، يحاول العلماء مؤخرًا إعادة تصميم عملية التمثيل الضوئي، حتى يتمكن الإنسان من إنتاج وقود "أكثر خضرة". وقد قامت الوكالة الأمريكية لمشاريع الأبحاث المتقدمة في مجال الطاقة، والمعروفة باسم ARPA-e، بتمويل 10 مشاريع من هذا القبيل حتى الآن، ويستخدم معظمها الهندسة الوراثية لتغيير تعليمات تشغيل النبات المشفرة بالحمض النووي وتحديد نموه، طبيعة أصباغه، الخ. تم تقديم أكبر منحة، أكثر من 6 ملايين دولار، إلى جامعة فلوريدا لأبحاث تهدف إلى هندسة أشجار الصنوبر لإنتاج المزيد من زيت التربنتين، والذي يمكن استخدامه كوقود. وهناك مشروع آخر، تحت إدارة شركة Arcadia Biosciences من مدينة ديفيس بولاية كاليفورنيا، يهدف لأول مرة في التاريخ إلى تصنيع الأعشاب سريعة النمو، مثل الدخن، لإنتاج الزيت.

وقد يقوم العلماء في المستقبل بإنشاء نبات أسود يمتص ضوء الشمس بكل ألوانه، أو نبات يستخدم ضوءًا بطول موجي مختلف لدفع مراحل مختلفة من عملية التمثيل الضوئي. اليوم تستخدم النباتات نفس الطول الموجي في جميع مراحل العملية. قد تكون للنباتات المعدلة وراثيا التي تنتج الوقود الحيوي أوراق أصغر، بحيث يتم هدر طاقة أقل على نموها، أو قد لا تخزن الطاقة في شكل سكريات، ولكنها تحولها على الفور إلى هيدروكربونات، والتي يمكن للبشر استخدامها كوقود.

كما سيتعين على العلماء المشاركين في البرنامج، المعروف باسم PETRO (الاختصار الإنجليزي لعبارة "النباتات المهندسة لتحل محل النفط")، أن يواجهوا تحديات مثل محدودية إمدادات المياه لأغراض الري والشكوك العامة تجاه منتجات الهندسة الوراثية. وسيتعين عليهم أيضًا التنافس مع الباحثين الذين يسعون إلى استبدال عملية التمثيل الضوئي تمامًا، كما هو الحال في مشروع الوقود الكهربائي، الذي تروج له وكالة ARPA-e نفسها وهو مصمم لجعل البكتيريا تنتج الهيدروكربونات، أو في الدراسات التي تهدف إلى بناء أوراق اصطناعية يمكنها إنتاج الهيدروكربونات. سوف تستخدم الكهرباء التي تنتجها الألواح الشمسية، لتحليل جزيئات الماء إلى أكسجين وهيدروجين يمكن استخدامهما كوقود. اليوم، لا يكفي أن تكون مجرد نبات أخضر.