นักวิทยาศาสตร์ต้องการแฮ็กการสังเคราะห์แสงสำหรับดาวเคราะห์ที่ ‘เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม’
พืชทำหน้าที่เป็นแรงบันดาลใจสำหรับเทคโนโลยีพลังงานใหม่ — และการเกษตรที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น
การสังเคราะห์ด้วยแสงเกิดขึ้นตามธรรมชาติกับพืชเช่นเดียวกับการหายใจในมนุษย์ กระบวนการนี้แปลงส่วนผสมง่ายๆ ของคาร์บอนไดออกไซด์ น้ำ และแสงแดดให้เป็นพลังงาน การสังเคราะห์ด้วยแสงทำให้พืชเจริญเติบโตได้ ในทางกลับกัน เราอาศัยการสังเคราะห์ด้วยแสงเป็นรากฐานสำหรับชีวิตของเราบนโลก
Carina Baskett เล่าถึงครั้งแรกที่เธอได้เรียนรู้เกี่ยวกับการสังเคราะห์แสง เธอพูดว่า “ฉันจำได้ว่ารู้สึกเหมือนว่ามันวิเศษมาก”
ปัจจุบันเธอเป็นนักชีววิทยาพืชที่สถาบันวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีออสเตรียใน Klosterneuburg “มันวิเศษมากที่พืชรับอากาศ น้ำ และแสง – สิ่งที่เราเดินไปมาตลอดเวลา – และพวกมันเปลี่ยนสิ่งนั้นเป็นพลังงานและอาหารสำหรับคนทั้งโลก”
พลังงานของดวงอาทิตย์ทำให้เรารู้สึกอบอุ่นเมื่อกระทบกับผิวที่เปลือยเปล่าของเรา แต่เมื่อแสงแดดกระทบใบพืช มันให้พลังงานแก่ปฏิกิริยาเคมีที่แปลงพลังงานประเภทหนึ่งเป็นพลังงานอื่น ใบพืชเหล่านั้นมีน้ำปริมาณมาก น้ำนั้นทำจากอะตอมของออกซิเจนที่ผูกมัดกับอะตอมของไฮโดรเจน พลังงานของดวงอาทิตย์สามารถกระตุ้นอิเล็กตรอนภายในโมเลกุลของน้ำได้มากพอที่พันธะจะแตกออก
สิ่งนี้ทำให้เกิดปฏิกิริยา “ที่นำออกซิเจนออกจากน้ำ และนั่นก็กลายเป็นออกซิเจนในอากาศที่เราทุกคนหายใจเข้าไป” Baskett อธิบาย ในขณะเดียวกัน เธอตั้งข้อสังเกตว่า “ไฮโดรเจนจากน้ำจะถูกอัดรวมกับคาร์บอนไดออกไซด์ [ในอากาศ] และนั่นก็ทำให้เกิดน้ำตาล”
ผู้คนและสัตว์อื่น ๆ ทั้งหมดใช้น้ำตาลนี้ — กลูโคส — เป็นแหล่งพลังงานจากอาหาร พืชกลายเป็นอาหารที่ร่างกายของเราสามารถแปลงเป็นพลังงานได้ โดยพื้นฐานแล้ว การสังเคราะห์ด้วยแสงคือเหตุผลที่เราสามารถดำรงอยู่ได้ Baskett อธิบาย
ไม่ต้องสงสัยเลยว่าทำไมการสังเคราะห์ด้วยแสงจึงดึงดูดใจเธอและนักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ หลายคนต้องการทราบข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับเรื่องนี้ เลียนแบบ หรือปรับปรุงให้ดีขึ้น
พืชกะพริบ
พื้นฐานของการสังเคราะห์ด้วยแสงเป็นที่รู้จักกันดี คลอโรฟิลล์ เม็ดสีเขียวในพืช ใช้แสงแดดทำน้ำตาล แต่ยังมีอะไรอีกมากมายให้เรียนรู้เกี่ยวกับวิธีที่พืชควบคุมกระบวนการและประสิทธิภาพของกระบวนการ เข้าอาวีไฮดานอน เขาเป็นนักชีววิทยาพืชที่สถาบันวิทยาศาสตร์ Weizmann ใน Rehovot ประเทศอิสราเอล เขาศึกษาวิธีที่พืชควบคุมหรือควบคุมการสังเคราะห์ด้วยแสง ในบทความที่ตีพิมพ์เมื่อปีที่แล้วใน iScience ทีมของเขาได้อธิบายกระบวนการดังกล่าว เขาอธิบายว่าเป็นพืช “กะพริบ”
“แสงที่มากเกินไปสามารถเผาผลาญเซลล์ของพืชได้จริง” Danon กล่าว เขาเปรียบเทียบต้นไม้ที่เปิดรับแสงมากเกินไปกับคนที่กำลังเล่นไฟฟ้า “ถ้าจู่ๆ ระดับแสงเพิ่มขึ้น พวกเขาจะรับมืออย่างไร? พวกมันถูกเผาไหม?”
ชาวสวนทุกคนรู้ดีว่าพันธุ์พืชถูกปรับให้เข้ากับแสงแดดโดยเฉพาะ แต่สภาพแสงย่อมเปลี่ยนแปลงไปตามธรรมชาติ เมฆเคลื่อนผ่านท้องฟ้า ลมพัดใบไม้ และตำแหน่งของดวงอาทิตย์เคลื่อนไปตลอดทั้งวัน เพื่อศึกษาว่าการสังเคราะห์ด้วยแสงปรับให้เข้ากับการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้อย่างไร Danon ได้ศึกษาพืชมัสตาร์ดในห้องทดลองของเขาภายใต้แสงน้อย
ในการทดสอบหนึ่งครั้ง เขาเพิ่มความเข้มของแสงทุกๆ 10 นาที นี่คือการเลียนแบบพระอาทิตย์ขึ้น เมื่อแสงเปลี่ยนไป Danon ก็วัดการเรืองแสงของพืช (Fluor-ESS-ents) นี่คือรูปแบบของพลังงานแสงที่ปล่อยออกมาจากการสังเคราะห์ด้วยแสง การวัดการเรืองแสงช่วยให้ Danon เห็นว่ามีการสังเคราะห์แสงมากน้อยเพียงใดภายใต้ระดับแสงต่างๆ
เมื่อวันสว่างขึ้น Danon คาดว่าจะเห็นการสังเคราะห์แสงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง แต่รูปแบบนั้นดูคล้ายการสั่นไหวมากกว่า การสังเคราะห์ด้วยแสงจะช้าลงและกลับขึ้นเล็กน้อย ลงแล้วก็ขึ้น ครั้งแล้วครั้งเล่า ค่อยๆ ปรับให้เข้ากับแสงเสริมความแข็งแกร่ง
“มันใช้แนวทางที่ดีกว่าปลอดภัยกว่าขอโทษ” Danon อธิบาย เขากล่าวว่าโรงงานกำลังคาดการณ์สภาวะที่เลวร้ายที่สุดก่อนที่จะปรับให้เข้ากับการเปลี่ยนแปลงที่แท้จริง
Danon อดไม่ได้ที่จะเปรียบเทียบว่าดวงตาของมนุษย์ตอบสนองต่อแสงแดดจ้าอย่างฉับพลันได้อย่างไร เมื่อเราออกไปข้างนอกในวันที่แดดจ้า รูม่านตาของเราจะหดตัว การตอบสนองนั้นช่วยปกป้องดวงตาของเราจากความเสียหาย ในขณะที่ทำให้แน่ใจว่าเรายังมองเห็นสิ่งสำคัญรอบตัวเรา
พืชไม่สามารถเคลื่อนไหวได้ ดังนั้น “การกะพริบ” ของพวกมันจึงช่วยป้องกันการเผาไหม้หรือการฟอกขาวเมื่ออยู่กลางแดดจ้า มาตรวัดแสงของต้นไม้ ซึ่งคุณสามารถมองได้ว่าเป็นเสาอากาศ — ลงทะเบียนเมื่อระดับแสงเปลี่ยนไป เสาอากาศเหล่านี้หดตัวและในกระบวนการลดการสังเคราะห์ด้วยแสง การหดตัวนี้ยังปกป้องพวกเขาจากการเปลี่ยนแปลงอย่างกะทันหันที่อาจสร้างความเสียหายทั้งโรงงาน
Danon ได้รับแรงบันดาลใจจากสิ่งที่พืชสามารถทำได้ “ถ้าพืชได้พัฒนาการตอบสนองที่ซับซ้อนเช่นนี้ และประสบความสำเร็จมาเป็นเวลาหลายร้อยล้านปี มันอาจช่วยเราได้ในด้านวิศวกรรมของเราเอง” เขากล่าว
การสังเคราะห์ด้วยแสงเทียม
นักวิทยาศาสตร์ได้เริ่มคัดลอกหรือเลียนแบบการสังเคราะห์ด้วยแสงแล้ว กระบวนการประดิษฐ์ของพวกเขายังใช้แสงแยกออกซิเจนและไฮโดรเจนออกเป็นพลังงาน ความฝันคือการแทนที่เชื้อเพลิงฟอสซิลในที่สุด หากผู้คนสามารถสร้างพลังงานจากแสงแดด อากาศ และน้ำ เช่นเดียวกับพืช ก็จะลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่ก่อให้เกิดภาวะโลกร้อน นอกจากนี้ยังสามารถสร้างแหล่งพลังงานหมุนเวียนใหม่ขนาดใหญ่ได้
นักวิจัยหลายคนมองว่าเชื้อเพลิงพลังงานแสงอาทิตย์ – เชื้อเพลิงที่ทำจากแสงแดด – เป็นการทดแทน “สีเขียว” สำหรับเชื้อเพลิงฟอสซิลที่ใช้คาร์บอนในปัจจุบัน ซึ่งรวมถึงน้ำมัน ก๊าซ และถ่านหิน
เชื้อเพลิงแสงอาทิตย์มีได้หลายรูปแบบ พวกมันอาจดูเหมือนเชื้อเพลิงคาร์บอนแบบดั้งเดิม โดยใช้คาร์บอนไดออกไซด์เพื่อ “รีไซเคิล” การปล่อยมลพิษจากเชื้อเพลิงฟอสซิล ไฮโดรเจนและออกซิเจน ซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์ทางเคมีของการสังเคราะห์ด้วยแสง สามารถให้พลังงานแก่เซลล์เชื้อเพลิงที่ทำให้รถยนต์วิ่งด้วยไฟฟ้าได้ นอกจากนี้ พลังงานแสงอาทิตย์ยังสามารถแปลงแสงแดดเป็นไฟฟ้าที่สามารถเก็บไว้ในแบตเตอรี่ได้ ไม่ว่าเชื้อเพลิงจากแสงอาทิตย์จะเป็นอย่างไร ขั้นตอนแรกคือการแยกน้ำออกเป็นองค์ประกอบพื้นฐาน
“ธรรมชาติมีพลังนี้” Julien Warnan อธิบาย เขาเป็นนักเคมีที่ทำงานร่วมกับเออร์วิน ไรส์เนอร์ เรื่องเชื้อเพลิงพลังงานแสงอาทิตย์ที่มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ในอังกฤษ ธรรมชาติมีเวลามากมายในการค้นหาวิธีการทำสิ่งนี้อย่างมีประสิทธิภาพ เขากล่าว เมื่อพูดถึงการแยกหน่วยการสร้างของน้ำ วิศวกร “มีข้อจำกัดอีกเล็กน้อย” เขากล่าว “ทุกคนพยายามพัฒนาเครื่องมือต่างๆ เพื่อทำสิ่งนี้”
ปีที่แล้วในวารสาร Nature Energy ทีมงานของ Warnan ได้อธิบายวิธีใหม่ในการใช้แสงแดดเพื่อแยกน้ำ Warnan อธิบายว่าแนวคิดนี้ “คือการนำน้ำและอากาศมารวมกันในกล่อง” จากนั้นคุณเพิ่มตัวเร่งปฏิกิริยา นี่คือวัสดุบางอย่างที่สามารถกระตุ้นให้สารเคมีทำปฏิกิริยาได้ ต่อมาเขาพูดว่า “คุณส่องแสงบนกล่องนี้ และสิ่งที่ออกมาคือเชื้อเพลิง เช่น สิ่งที่คุณใส่ในรถหรือเครื่องบิน”
นักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกกำลังทดลองกับอุปกรณ์ต่างๆ – คิดว่าเป็นใบไม้เทียม เช่นเดียวกับกระบวนการในใบไม้ พวกเขาแยกน้ำออกเป็นไฮโดรเจนและออกซิเจน ทีมของ Warnan ไม่ใช่คนแรกที่ทำมัน แต่พวกเขาทำด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาประเภทอื่น เป็นชนิดเดียวกับที่พืชใช้ในการเร่งปฏิกิริยาเคมี
พวกเขาสกัดตัวเร่งปฏิกิริยานั้นออกจากพืช แทนที่จะสร้างจากสารเคมีในห้องปฏิบัติการ นั่นหมายความว่าสารเคมีที่รุนแรงน้อยลงจะนำไปใช้ในการผลิตเชื้อเพลิงพลังงานแสงอาทิตย์ แต่จำเป็นต้องมีการทำงานมากขึ้นก่อนที่ผู้คนจะสามารถผลิตเชื้อเพลิงพลังงานแสงอาทิตย์จากน้ำได้อย่างง่ายดายอย่างที่พืชสามารถทำได้
“พลังอันยิ่งใหญ่ของโรงงานคือมันสามารถงอกใหม่และเติมเต็ม [ตัวเร่งปฏิกิริยา] ได้เสมอถ้ามันพัง” Warnan กล่าว “เราไม่สามารถ.” เชื้อเพลิงพลังงานแสงอาทิตย์ประเภทนี้ “ยังมีราคาแพงมาก” เขาชี้ให้เห็น
ดังนั้นอย่าคาดหวังว่าจะเติมเชื้อเพลิงด้วยพลังงานแสงอาทิตย์ในอนาคตอันใกล้นี้ อุปกรณ์ปัจจุบันไม่สามารถเก็บเกี่ยวแสงแดดได้อย่างเพียงพอ นั่นเป็นเหตุผลที่พืชเป็นครูที่ดี หลังจากสังเคราะห์แสงมาหลายล้านปีแล้ว พวกเขาได้ค้นพบวิธีการสังเคราะห์แสงอย่างมีประสิทธิภาพแล้ว
นักวิเคราะห์ด้านพลังงานคาดการณ์ว่าผู้คนจะใช้พลังงานเป็นสองเท่าภายในปี 2050 เท่ากับที่พวกเขาทำในปัจจุบัน ใบไม้ประดิษฐ์อาจเป็นวิธีหนึ่งในการหย่านมของมนุษย์จากการพึ่งพาเชื้อเพลิงฟอสซิล
แฮ็คพืช
เกือบ 8 พันล้านคนแบ่งปันโลกของเราในวันนี้ องค์การสหประชาชาติคาดการณ์ว่าจะมีผู้คนอาศัยอยู่บนโลกที่ร้อนขึ้นนี้ 9.7 พันล้านคนภายในปี 2050 พวกเขาจะขยายความต้องการอาหารและพลังงานไปจนถึงขีดจำกัด
การสังเคราะห์ด้วยแสงได้พัฒนาขึ้นเพื่อให้ทำงานได้ดีและจำเป็นสำหรับพืช นักวิทยาศาสตร์กลุ่มหนึ่งกำลังมองหาการปรับปรุงการสังเคราะห์ด้วยแสง คราวนี้สำหรับผู้คน RIPE ซึ่งย่อมาจาก Realizing Increased Photosynthetic Efficiency เป็นความพยายามในการวิจัยระดับโลก มีจุดมุ่งหมายเพื่อ “แฮ็ก” การสังเคราะห์ด้วยแสงในลักษณะที่สามารถให้ผลผลิตพืชผลได้มากขึ้น
Amanda Cavanaugh เป็นนักชีวเคมีพืชที่มหาวิทยาลัยอิลลินอยส์ในเมืองเออร์บานา เธอทำงานกับ RIPE งานวิจัยของเธอมุ่งเน้นไปที่เอนไซม์ขนาดเล็กตัวหนึ่งที่มีผลกระทบอย่างมากต่อการสังเคราะห์ด้วยแสง เป็นที่รู้จักกันในชื่อ Rubisco (Rew-BIS-koh)
“มันไม่ได้รับเครดิตมากนัก แต่ก็มีงานที่สำคัญที่สุดในโลก” เธอกล่าว
Rubisco ดึงคาร์บอนไดออกไซด์ในอากาศและช่วยเปลี่ยนเป็นน้ำตาลหรือกลูโคส นั่นคือกระบวนการที่ทำให้พืชกลายเป็นระบบแปลงพลังงานที่เป็นเชื้อเพลิงในการเจริญเติบโตของสัตว์
สิ่งมีชีวิตสังเคราะห์แสงทั้งหมดอาศัยเอนไซม์ Rubisco Cavanaugh กล่าว และในขณะที่ “มันสำคัญอย่างยิ่ง” เธอกล่าวเสริมว่า “มันทำงานได้ไม่ดีนัก”
เธอกำลังพูดถึงข้อผิดพลาดทั่วไปที่พืชทำระหว่างการสังเคราะห์ด้วยแสง ประมาณหนึ่งในทุก ๆ ห้าครั้ง พืชจะ “จับ” โมเลกุลออกซิเจนจากอากาศแทนคาร์บอนไดออกไซด์ นั่นเหมือนกับการใส่เกลือลงในกาแฟโดยไม่ได้ตั้งใจแทนที่จะใส่น้ำตาล ดังนั้นแทนที่จะสร้างพลังงานสำหรับวัน พืชจะผลิตสารพิษ
พืชได้คิดค้นวิธีการรีไซเคิลสารประกอบที่ไม่ต้องการ แต่การทำเช่นนี้ใช้พลังงานที่พืชอาจนำไปใช้ในการเจริญเติบโต หากวิทยาศาสตร์สามารถหาวิธีแก้ไขข้อผิดพลาดของ Rubisco ได้ Cavanaugh ประมาณการว่าการเกษตรสามารถเลี้ยงคนอีก 200 ล้านคนต่อปี
“หลายปีที่ผ่านมา ผู้คนต่างรู้สึกทึ่งกับความเป็นไปได้ในการสร้าง Rubisco ที่ดีขึ้น” เธอกล่าว การทำเช่นนี้อาจทำให้เกษตรกร “ปลูกอาหารได้มากขึ้นในที่ดินที่น้อยลง” และเธอให้เหตุผลว่า “เป้าหมายสูงสุดสำหรับนักชีววิทยาพืช”
เมื่อรูบิสโกทำสารประกอบที่ผิดพลาด ต้นไม้ก็จะกำจัดมันออกไป โดยขนส่งสารเคมีที่ไม่ต้องการเหล่านี้ไปยังโครงสร้างที่แตกต่างกันสามแบบภายในเซลล์พืช Cavanaugh และเพื่อนร่วมงานของเธอเห็นว่ากระบวนการ “รีไซเคิล” นี้เป็นการสิ้นเปลืองพลังงานและเวลาอันมีค่าของโรงงาน “เราสงสัยว่ามีวิธีที่จะทำให้เร็วขึ้นได้หรือไม่” เธอกล่าว
เธอและเพื่อนร่วมงานได้ทำงานกับพืชยาสูบในเรือนกระจกเพื่อหาคำตอบ (ยาสูบไม่ใช่พืชอาหาร แต่พวกเขาใช้มันเพราะมันโตเร็ว) นักวิจัยได้ทดสอบพืชที่มีลักษณะทางพันธุกรรมที่แตกต่างกันบ้าง จากนั้นพวกเขาก็ “อดอาหาร” พืชเหล่านี้จากคาร์บอนไดออกไซด์ที่จำเป็นสำหรับการเจริญเติบโต Rubisco ของพืชตอบสนองด้วยการทำผิดพลาดมากมาย
พืชที่เจริญเติบโตภายใต้สภาวะเหล่านี้ได้พิสูจน์แล้วว่าสามารถรีไซเคิลสารพิษได้ดีที่สุด
จากนั้นนักวิทยาศาสตร์ได้ขยายซุปเปอร์รีไซเคิลในไร่นา พืชยาสูบเหล่านี้เติบโตมากกว่าปกติถึง 40 เปอร์เซ็นต์ นักวิจัยได้อธิบายผลงานด้านวิศวกรรมของพวกเขาเมื่อวันที่ 4 มกราคมที่ผ่านมาใน Science
ขั้นตอนต่อไปคือการนำบทเรียนที่ได้จากยาสูบไปใช้กับพืชผล เช่น มันฝรั่ง ถั่วลันเตา และถั่วเหลือง Cavanaugh รู้สึกตื่นเต้นกับความสำเร็จในการย้ายกระบวนการสังเคราะห์แสงนี้ไปสู่พืชอาหาร
“การสังเคราะห์ด้วยแสงเป็นหนึ่งในกระบวนการทางชีววิทยาที่เข้าใจได้ดีที่สุดในชีวิต” คาวานเนากล่าว “แต่ยังมีอีกมากที่เราไม่รู้เกี่ยวกับมัน ตอนนี้มันเริ่มเปิดขึ้นอย่างเรียบร้อยจริงๆ”
สามารถอัพเดตข่าวสารเรื่องราวต่างๆได้ที่ rapturearabians.com