الوسيلة: تعليم النباتات التصرف بكفاءة * هل يستطيع الإنسان تعليم النباتات كيفية تحسين عملية التمثيل الضوئي؟
من الممكن أن يكون حل أزمة الطاقة موجودًا خارج النافذة مباشرةً - في النباتات. وهم منتجو الغذاء ومحولو الطاقة، كما أنهم مسؤولون عن التوازن البيئي من خلال تنظيم تكوين الغازات في الغلاف الجوي. وابتكرت النباتات "خلايا كهروضوئية" - قادرة على امتصاص طاقة الشمس وتحويلها إلى مادة عالية الطاقة، تستخدمها كوقود - كجزء من عملية تسمى التمثيل الضوئي. وتبلغ الكمية السنوية من ثاني أكسيد الكربون التي تستقبلها النباتات في هذه العملية 300 مليار طن - أي أكثر بعشرة أضعاف من إجمالي ثاني أكسيد الكربون الذي ينتجه الإنسان في عام واحد. وبالتالي فإن آليات التمثيل الضوئي قد تكون مفتاحًا لاستخدام أكثر كفاءة للموارد الطبيعية المتاحة لنا، على سبيل المثال لزيادة معدل نمو المحاصيل الزراعية والنباتات المستخدمة كوقود حيوي، مثل الطحالب. ويكمن القيد الرئيسي في حقيقة أنه حتى النباتات - التي اخترعت العملية وأتقنتها على مدى ملايين السنين من التطور - قد وصلت منذ فترة طويلة إلى الحد الأقصى لقدرتها.
التمثيل الضوئي هو عملية لا تستنفد الإمكانات الكامنة في الطاقة الشمسية.
هل يستطيع البشر تعليم النباتات كيفية تحسين عملية التمثيل الضوئي؟
دراسة أجراها الدكتور رون ميلو وأعضاء مجموعته آران بار إيفان وإيلاد نور من قسم علوم النبات في معهد وايزمان للعلوم والتي نشرت مؤخرا في المجلة العلمية "سجلات الأكاديمية الأمريكية للعلوم" ( PNAS)، يشير إلى أن الإجابة على هذا قد تكون إيجابية. يستخدم الدكتور ميلو أدوات وأساليب من مجال بيولوجيا الأنظمة لدراسة الجوانب الكمية لعملية التمثيل الضوئي بهدف تحسينها. يجمع عمله بين الأساليب الحسابية النظرية والأساليب التجريبية، بهدف "تفكيك" آلة التمثيل الضوئي إلى مكوناتها - الإنزيمات التي تم إنشاؤها وتكييفها مع دورها في عملية تطورية استمرت ملايين السنين. وبهذه الطريقة يأمل في إنشاء مجموعات أكثر فعالية من مختلف مكونات العملية.
كيف تعمل الآلة؟ وتعرف النباتات كيفية أخذ ذرات الكربون غير العضوية الموجودة في الغلاف الجوي على شكل غاز ثاني أكسيد الكربون، ونقلها إلى العالم الحي عن طريق إنتاج جزيئات السكر منها - وهي عملية تسمى "تثبيت الكربون". يعد جزيء الكربون الأولي الذي ينتجونه بمثابة لبنة أساسية للعديد من المواد الأخرى، وبالإضافة إلى ذلك، فهو يعمل أيضًا بمثابة "بطارية" تخزن الطاقة. يتم إنتاج السكر من جزيئات ثاني أكسيد الكربون من خلال سلسلة دائرية من العمليات الأنزيمية تسمى "دورة كلفن". هناك أيضًا بكتيريا تعرف كيفية تثبيت الكربون في ستة مسارات أخرى.
واختبر البحث الذي أجراه الدكتور ميلو وأعضاء مجموعته إمكانية استخدام تركيبات من إنزيمات مختلفة، من مجموعة مكونة من 5,000 إنزيم معروف علميا، واستخدامها كمكونات يمكن "قصها ولصقها" لإنشاء أسرع دائرة (على غرار طريقة ربط المكونات الإلكترونية لتكوين الدائرة الكهربائية الأكثر نجاحاً). تقوم الخوارزمية المحوسبة التي طوروها بمسح جميع التركيبات الممكنة، بدءًا من الإنزيمات الرئيسية التي تلتقط الكربون من الغلاف الجوي، مرورًا بمراحل إنتاج جزيء السكر. وبهذه الطريقة نجح العلماء في اكتشاف نظام نظري تبلغ كفاءته ضعفين إلى ثلاثة أضعاف كفاءة عملية التمثيل الضوئي الطبيعي. واليوم يقومون بالمحاولات الأولى لإنتاج النظام عمليًا، واختبار فعاليته في المختبر. الدكتور ميلو: "هذه النتائج قد تفتح طريقا جديدا لمواجهة التحدي المتمثل في زيادة إنتاج الغذاء ومصادر الطاقة المتجددة باستخدام أساليب الهندسة الحيوية."
العلم بالأرقام
كم عدد الخلايا الموجودة في جلد الإنسان؟ ومن كم خلية عصبية تتكون القشرة الدماغية؟ ما هو حجم الخلايا الموجودة في الرئة؟ إن مثل هذه البيانات مهمة ليس فقط لجامعي الحقائق التافهة، بل أيضًا لعلماء الأحياء بشكل خاص، الذين يُطلب منهم بشكل متزايد في السنوات الأخيرة "التحدث بالأرقام". يكتسب البحث الكمي في مجالات علوم الحياة والأحياء مكانة مركزية في عالم البحث النوعي. ومع ذلك، فإن البيانات الرقمية التي يحتاجها العلماء لعملهم متناثرة في مصادر مختلفة، والوصول إليها أمر معقد ويتطلب الكثير من استثمار الوقت. الدكتور رون ميلو، الذي واجه هذه الصعوبات في أبحاث ما بعد الدكتوراه في جامعة هارفارد، بدأ وأنشأ مع زملائه، بول جورجنسن ومايك سبرينغر، موقع Bio Numbers، الذي يجمع البيانات الكمية التي يحتاجها العلماء. ويستخدم الموقع كل شهر أكثر من 3,000 عالم وطالب بحث من حوالي 50 دولة، ويتضمن ما يقرب من 5,000 بيانات رقمية عن أكثر من 200 نوع من الحيوانات والنباتات والبكتيريا المختلفة.
شخصي
ولد رون ميلو في حيفا عام 1975، وبدأ مسيرته العلمية في سن الخامسة عشرة، عندما فاز بالأولمبياد الوطني للفيزياء عام 15. كطالب في المدرسة الثانوية، شارك في ورشة عمل شاليط في معهد وايزمان للعلوم، و وفي عام 1990 تم اختياره للمشاركة ضمن وفد من العلماء الشباب إلى مؤتمر دولي في لندن. في عام 1992
حصل على درجة البكالوريوس مع مرتبة الشرف في الفيزياء والرياضيات من الجامعة العبرية في القدس ضمن برنامج تلبيوت، وبعد ثلاث سنوات حصل على درجة الماجستير في الهندسة الكهربائية من جامعة تل أبيب. ثم ذهب لدراسة الدكتوراه في مختبر البروفيسور أوري ألون في معهد وايزمان للعلوم. وفي عام 2005 حصل على درجة الدكتوراه، وبعد ذلك أجرى أبحاث ما بعد الدكتوراه في معهد وايزمان للعلوم وجامعة هارفارد. وفي عام 2008 التحق بقسم علوم النبات في المعهد.
الدكتور ميلو متزوج من هيلا، ولديه ابنتان، جيفين البالغة من العمر خمس سنوات ويوري البالغة من العمر عامين. يقضي معظم وقت فراغه في السفر إلى إسرائيل والعزف على الهارمونيكا.
تعليقات 13
لحود، شكراً لك على الشرح الشامل بخصوص عمال المناجم من الجيل الرابع
فيما يتعلق بعمال المناجم من الجيل الرابع (ما هو مكتوب في الرد 9 هو خطأ مطبعي) هؤلاء هم عمال المناجم الذين هم قيد التطوير حاليًا. هذه المفاعلات هي مفاعلات سريعة لا تكاد تتباطأ فيها النيوترونات بعد الانشطار. هذه الحقيقة تميزهم عن الأجيال السابقة من عمال المناجم. ومن المفترض أن تعالج مفاعلات الجيل الرابع المشاكل التالية: استغلال المواد المتشققة. اليوم في المفاعلات يتم استخدام نسبة صغيرة من المواد الانشطارية في وقود المفاعلات. ويجب أن تزيد هذه النسبة بشكل كبير في مفاعلات الجيل الرابع. مواد النفايات النووية. يوجد في الوقود المستخدم في مفاعلات الطاقة اليوم العديد من النظائر المشعة ذات عمر النصف الطويل، ومن المفترض أن تحرق النيوترونات السريعة في مفاعلات الجيل الرابع (النووية) منتجات الانشطار وتجعل النفايات أقل إشكالية. ولن تسمح المفاعلات الرابعة باستخدامها لإنتاج البلوتونيوم، وبالإضافة إلى ذلك كله، ينبغي أن تكون آمنة تماماً تقريباً أيضاً فيما يتعلق بجميع الأخطاء البشرية التي قد تحدث.
لحود، أود أن أعرف ما الذي يميز عمال المناجم من الجيل السادس عن الأجيال الأكبر سنا؟
صحيح أن الشمس هي مصدر معظم الطاقة المتوفرة لدينا، ولكن هذا لا يقول شيئا عن ما هو المصدر المفضل للطاقة، والافتراض بأن الطاقة الشمسية هي الأفضل لأنها تنشأ من الشمس يشبه الافتراض الادعاء بأن أصل الفواتير موجود في الولاية وبالتالي يجب أن نتوقع كسب المال بأعداد كبيرة من الولاية. وهو أمر لم يثبت فعاليته في معظم الحالات.
الأسئلة ذات الصلة المتعلقة بالطاقة هي: تكلفة مصدر الطاقة، الوقود الأحفوري، الغاز، اليورانيوم أو مصادر الطاقة المجانية: الطاقة الشمسية، وطاقة الرياح، والطاقة الحرارية الأرضية. وتختلف أسعار مصادر الطاقة حسب العرض. الكفاءة أو مقدار الطاقة التي يمكن إنتاجها من مصدر الطاقة. فيما يتعلق بالكفاءة هناك قيود فيزيائية عامة، فمثلا فيما يتعلق بالخلايا الشمسية هناك حد نظري للكفاءة يبلغ حوالي 40%، وهي اليوم بعيدة جدا عن هذا الحد. هناك سؤال يتعلق بالمنفعة اليوم، وهو أمر يمكن أن يتغير مع التكنولوجيا ولكنه يستغرق وقتًا طويلاً نسبيًا. تكلفة الأجهزة أو المصانع التي تنتج الطاقة من مصادر الطاقة. النفايات والنفايات الحرة، سؤال مهم للغاية فيما يتعلق بالمفاعلات النووية. الصيانة الدورية وهي مشكلة للخلايا الشمسية التي يجب تنظيفها من الغبار. السلامة هي مسألة حاسمة بشكل خاص فيما يتعلق بالمفاعلات النووية. بالإضافة إلى ذلك، ينبغي للمرء أن يحاول تقدير المدة التي يمكننا فيها استخدام مصدر الطاقة هذا وما هي الفرص (هناك أفكار حول مفاعلات الاندماج، وليس من الواضح ما إذا كان من الممكن تزويدها بالوقود).
خلاصة القول، إن نضج التكنولوجيا اليوم في سياق استخدام مصدر للطاقة أمر في غاية الأهمية، وبالتالي
وفي رأيي، وكما ذكرت عدة مرات، أن المصدر المفضل للطاقة هو الطاقة النووية، خاصة مع خطط مفاعلات الجيل السادس.
مقالة مثيرة جدا للاهتمام. ولكن حتى هذه الطريقة يمكن أن يكون لها عيوب كبيرة من الناحية البيئية. أحدهما ذكر في المقال نفسه وهو تأثير النمو المتسارع على توازن الكربون في الغلاف الجوي، والآخر ذكر في مقال آخر نشر هنا ويتعلق باستخدام الأسمدة وتوازن النيتروجين في العالم.
مجهول (5):
ولم أزعم أن هناك مصادر أخرى غير الشمس. على العكس تماما. أنا أدعي دائمًا أن الشمس هي مصدر كل الطاقة المتاحة لنا. ويمكنك أن ترى ذلك، على سبيل المثال، في ردي هذا:
https://www.hayadan.org.il/new-solar-energy-conversion-process-1308108/#comment-274777
في الرد الحالي، حاولت أن أتناول كلام رعنان بشكل مباشر، لذلك تناولت الصناعة بشكل منفصل.
على الرغم من أن الطاقة التي نستخدمها في الصناعة تأتي في معظمها من الشمس، إلا أن وجودها لا يدل على كمية الطاقة التي تأتي من الشمس بشكل مستمر، بل يدل فقط على كمية الطاقة التي تراكمت على مدى مليارات السنين التي مرت بها الأرض كانت موجودة بالفعل ولم يضيعها الإنسان بعد.
مجهول (6):
وحقيقة وجود الكثير من الطاقة في الشمس لا تعني أن ما يكفي منها متاح للإنسان. والجواب على هذا السؤال يجب أن يعتمد على جزء تلك الطاقة الذي يصل إلى الأرض.
لحسن الحظ - هذا الجزء كبير بما يكفي لتلبية جميع احتياجاتنا.
وبالمناسبة - فإن الغالبية العظمى من الطاقة المنبعثة من الشمس لا تصل إلى أي كوكب على الإطلاق.
طازج
تمتلك الشمس الكثير من الطاقة التي لا تؤثر على كل الكواكب فحسب، بل لديها أيضًا الكثير من الطاقة المتبقية للكواكب الأخرى.
إلى مايكل ،
ما هو مصدر الطاقة الخطير، باستثناء المصدر المشع، الذي لا يأتي من الشمس؟ الزيت أيضًا مادة عضوية تحدد وقتها بمساعدة الشمس (وقليل جدًا في عملية التركيب الكيميائي - عملية التمثيل الضوئي بشكل أساسي).
ترتبط طاقات الرياح والأمواج أيضًا بشكل غير مباشر بالشمس (والقمر).
معظم الطاقة، وهي طاقة معدنية أو طاقة أحفورية باللغة اليديشية، تنشأ من التثبيت بواسطة الشمس.
ينعش،
أسلوبك في مشاركتك الأولى خاطئ، في رأيي: حقيقة أن هذه الأداة أو تلك لم يتم اختراعها بعد لا يعني أنها غير موجودة. التطور أمر يتغير طوال الوقت، ومن المؤكد أنه من الممكن أن تأخذ العمليات غير الفعالة اليوم منعطفات مختلفة في المستقبل. ما يفعله هؤلاء الأخيار في المختبر هو التطور المتسارع حسب التصميم. لن نتجادل حول جملتي الأخيرة، فهي تحتوي على الكثير من الشحنات الدينية. الفكرة هي أن ليس كل ما هو موجود هو الأكثر فعالية و. ولا يوجد سبب لإنشاء شيء أكثر فعالية، سواء بالطبيعة أو بواسطة الإنسان في المختبر.
تحيات أصدقاء،
عامي بشار
طازج:
ما أهمية الطريقة "المباشرة"؟ هل طريقة "الرقص" ليست جيدة؟
النقطة المهمة هي أن هناك ما يكفي من الطاقة القادمة من الشمس.
أنا أتحدث عن الطريق المباشر.
طازج:
هل أنت جاد
كل الطاقة التي يستخدمها جميع البشر وجميع الحيوانات (للعيش - وليس للصناعة) تأتي من الشمس.
وإن لم يكن بشكل مباشر - ولكن من خلال ما يأكلونه.
لو كان من الممكن الحصول على ما يكفي من الطاقة من الشمس، فلن يكون هناك بشر يأكلون، بل بشر يسمرون. قد تكون الطاقة الشمسية كافية إذا كنت نباتًا سلبيًا. لا يعني ذلك أننا لا نحتاج إلى تطوير قطاع الطاقة الشمسية، بل إنه لا توجد فرصة لأن يكون بديلاً للنفط، فنحن بحاجة إلى التركيز على الطاقة النووية.