Φωτοσύνθεση, σωτήρα μας!

Ετος 2050 μ.Χ. Ο πληθυσμός της Γης έχει ξεπεράσει τα 9,5 δισεκατομμύρια, με την Ινδία να είναι πληθυσμιακά μεγαλύτερη της Κίνας και τη Νιγηρία των ΗΠΑ. Καθώς όμως τα πόσιμα ύδατα του πλανήτη έχουν μειωθεί κατά 40% από το 2030, η αναζήτηση νερού και φαγητού έχει γίνει ο καθημερινός εφιάλτης των περισσοτέρων ανθρώπων.

Δεν είναι σενάριο ταινίας. Είναι το πόρισμα των πιο πρόσφατων επιστημονικών προβλέψεων του ΟΗΕ για τον υπερπληθυσμό (www.un.org/apps/news/story.asp?NewsID=45165) και για το νερό (www.unesco-ihe.org/sites/default/files/wwdr_2015.pdf). Και αν προσθέσει κανείς στη συνταγή την κορύφωση της κλιματικής αλλαγής, της ενεργειακής κρίσης και του οικονομικού αδιεξόδου ενός καπιταλισμού χωρίς ζήτηση, οι τωρινές χολιγουντιανές ταινίες «Αποκάλυψης» θα είναι τα ντοκιμαντέρ του μέλλοντος.

Είναι λοιπόν αναπόφευκτο να ζήσουν τα εγγόνια μας τη «δύση των ανθρώπων»; Θα δικαιωθεί ο Χόκινγκ, που μας προέτρεψε να εποικίσουμε τον Αρη για να επιβιώσει το είδος μας; Προτού σπεύσετε να… κλειστείτε σε μοναστήρια, αναθαρρήστε. Η επιστήμη δεν έχει ακόμη παραδώσει τα όπλα. Και μάλιστα θαρρεί ότι έχει βρει τη λύση στο πιο απλόχερα χαρισμένο γιατρικό του πλανήτη μας: τη φωτοσύνθεση.

Το κόκκινο χρώμα δηλώνει στον επάνω χάρτη τις ελλειμματικές περιοχές φυτικής παραγωγής το 2003 και στον κάτω τις προβλεπόμενες περιοχές λειψυδρίας του 2030

Ολοι γνωρίζουμε ότι το θεμέλιο της ζωής στον πλανήτη μας είναι το οξυγόνο. Και όλοι μάθαμε στο σχολείο ότι η φυσική γεννήτρια παραγωγής οξυγόνου είναι το φαινόμενο της φωτοσύνθεσης: η ηλιακή ενέργεια απορροφάται από τη χλωροφύλλη και «ξυπνάει» στα φυτά ένα ένζυμο, το οποίο συνδέει χημικά το διοξείδιο του άνθρακα (CO₂) με το νερό (H₂O), παράγοντας τελικά σάκχαρα (CΗ₂O). Το οξυγόνο (Ο₂) είναι το… απόβλητο αυτής της ημερήσιας διεργασίας των φυτών. Το μόνο κακό είναι ότι κατά τη διάρκεια της νύχτας τα φυτά «αναπνέουν», εκπέμποντας πια διοξείδιο του άνθρακα αντί για οξυγόνο.

Ως πριν από λίγες δεκαετίες νομίζαμε ότι η φωτοσύνθεση ήταν ενός μόνον είδους, όπου η κατάλυση του CO₂ επιτελείται από το ένζυμο RuBisCO (Ribulose-1,5-Bisphosphate Carboxylase/Oxygenase) και η σύνθεση του σακχάρου γίνεται από δύο μόρια φωσφογλυκερικού οξέoς, που εμπεριέχουν έκαστο τρία άτομα άνθρακα –εξ ου και ονομάστηκε φωτοσύνθεση C3.

Ανακαλύψαμε μετέπειτα ότι τα αγγειόσπερμα (όπως η αγριάδα, το σόργο, το ζαχαροκάλαμο και ο αραβόσιτος) έχουν αναπτύξει μια διαφορετική μέθοδο φωτοσύνθεσης, που μειώνει την «εκπνοή» διοξειδίου του άνθρακα. Συγκεκριμένα, αντί να ενεργοποιούν το ένζυμο RuBisCO, χρησιμοποιούν το φωσφο-ενολ-πυρουβικό οξύ (PEP) για να διασπάσουν το CO₂σε οξαλοοξικό οξύ, που εμπεριέχει τέσσερα άτομα άνθρακα –οπότε ο τύπος αυτός της φωτοσύνθεσης ονομάστηκε C4.

Και ύστερα ανακαλύψαμε ότι τα παχύφυτα (οι κάκτοι, τα βρύα και τα έρποντα πετρόχορτα) της οικογένειας των Κρασουλοειδών έχουν αναπτύξει ένα ακόμη πιο περίεργο μεταβολικό σύστημα –ονόματι Crassulacean Acid Metabolism (CAM). Τα φυτά αυτά εισπνέουν διοξείδιο του άνθρακα τη νύχτα και το μετατρέπουν, μέσω του φωσφο-ενολ-πυρουβικού οξέος σε οξαλοοξικό οξύ και στη συνέχεια σε μηλικό και ασπαρτικό οξύ. Οταν με το καλό έρθει το φως της μέρας, το μηλικό και το ασπαρτικό οξύ ξαναδιασπώνται σε CO₂ και PEP. Αυτό το τρίτο είδος φωτοσύνθεσης ονομάζεται CAM.

Πέρα από το προφανές προσδόκιμο της παραγωγής οξυγόνου, τα τρία είδη φωτοσύνθεσης και οι αντίστοιχοι μηχανισμοί τους εξήψαν το ενδιαφέρον των επιστημόνων για τρεις ακόμη λόγους: ο πρώτος είναι διότι ελέγχοντας τον μεταβολισμό των φυτών ελέγχεις και τον ρυθμό ανάπτυξής τους. Ο δεύτερος είναι διότι αυξάνοντας τον βαθμό δέσμευσης του CO₂ μπορείς να ελπίζεις σε μείωση του φαινομένου του θερμοκηπίου. Ο τρίτος είναι ότι η φωτοσύνθεση μετατρέπει την ηλιακή ενέργεια σε χημική. Αρα, αν κατορθώναμε να μιμηθούμε τον μηχανισμό της στα φωτοβολταϊκά μας, θα είχαμε ίσως τη συγκομιδή ενέργειας που λαχταράει ο πλανήτης των ανθρώπων. Ολα αυτά ακούγονται οραματικά και αρκούντως μακρινά. Ομως, τον μήνα που μας πέρασε, δύο επιστημονικές ανακοινώσεις τα κατέστησαν στόχους απτούς και έθρεψαν τις ελπίδες μας για ένα 2050 όπου… δεν θα ζητιανεύουμε για τροφή και ενέργεια.

Αύξηση του ρυθμού φωτοσύνθεσης κατά 30% πέτυχε ο καθηγητής S. Long, προσθέτοντας στα φυτά ένα γονίδιο κυανοβακτηρίων

Η ανακοίνωση που έκαναν στις 26 Μαρτίου 2015 στο περιοδικό «Cell» οι ερευνητές του Πανεπιστημίου του Ιλινόις και του Ινστιτούτου Υπολογιστικής Βιολογίας της Σαγκάης (www.cell.com/cell/abstract/S0092-8674%2815%2900306-2) είχε στοιχεία τεχνοκρατικού μανιφέστου. Διακήρυτταν ότι η μεγαλύτερη ελπίδα μας να αυξήσουμε τις σοδειές σε βαθμό ικανό να θρέψει τα 9,5 δισεκατομμύρια ανθρώπων του 2050 βρίσκεται στη χρήση υπερ-υπολογιστών και γενετικής μηχανικής προκειμένου να πολλαπλασιάσουμε τη φωτοσυνθετική ικανότητα των φυτών. «Γνωρίζουμε πια τα της διεργασίας φωτοσύνθεσης τύπου C3 σε φυτά όπως η σόγια, ή τύπου C4 σε φυτά όπως το καλαμπόκι» δήλωσε ο επικεφαλής της μελέτης καθηγητής Φυτοβιολογίας Stephen Long. «Επίσης έχουμε πρωτοφανείς υπολογιστικούς πόρους που μας επιτρέπουν να μοντελοποιούμε κάθε στάδιο της φωτοσύνθεσης και να εντοπίζουμε τα σημεία συμφόρησης, όπως έχουμε και προόδους στη γενετική μηχανική που θα μας βοηθήσουν να ξεπεράσουμε τα βήματα εκείνα που κρατούν χαμηλή την απόδοση της φωτοσύνθεσης».

Τα λόγια αυτά δεν είναι κενά περιεχομένου: στα εργαστήριά τους οι ερευνητές είχαν κατορθώσει να αυξήσουν τον ρυθμό της φωτοσύνθεσης κατά 30%, απλώς προσθέτοντας ένα γονίδιο κυανοβακτηρίων στα φυτά. Οπως έγραψαν στο κείμενο της μελέτης τους, ορισμένα βακτήρια και φύκη περιέχουν χρωστικές ουσίες που απορροφούν μεγαλύτερο τμήμα του ηλιακού φωτός απ’ ό,τι οι φυτικές χρωστικές ουσίες.Κάποιοι άλλοι ερευνητές επιχειρούν το γενετικό μπόλιασμα της φωτοσύνθεσης τύπου C4 σε καλλιέργειες φυτών με φωτοσύνθεση τύπου C3, αλλάζοντας και την ανατομία τους. Αλλά η ομάδα της συγκεκριμένης μελέτης πιστεύει ότι θα είναι πολύ πιο εύκολο το να προσθέσουν στους χλωροπλάστες της C3 το σύστημα μεταβολισμού ενός κυανοπράσινου φύκους. Κάτι τέτοιο θα αύξανε δραματικά την απόδοση του ενζύμου RuBisCO. Τουλάχιστον αυτό διαβεβαιώνει το υπολογιστικό μοντέλο της ερευνητικής ομάδας, που υπόσχεται ότι έτσι ο ρυθμός της φωτοσύνθεσης θα αυξηθεί κατά 60%!

Ενας άλλος τρόπος αύξησης της παραγωγής είναι να αυξηθεί η… διαφάνεια των φύλλων. Στα περισσότερα φυτά τα φύλλα που βρίσκονται κοντά στην κορυφή των φυτών δέχονται το περισσότερο φως, ενώ εκείνα που βρίσκονται χαμηλά βρίσκονται σχεδόν συνεχώς υπό σκιά. Αν λοιπόν μπορούσαμε να «ξανοίξουμε» γονιδιακά το χρώμα των επάνω φύλλων, τα κάτω φύλλα θα δέχονταν περισσότερο φως, άρα και η συνολική σοδειά θα αυξανόταν. «Το υπολογιστικό μας μοντέλο», λέει ο Stephen Long, «προβλέπει ότι επαναρρυθμίζοντας κάποια γονίδια των φυτών, μπορούμε να έχουμε μια βελτίωση της τάξης του 60%, χωρίς κανένα άλλο πρόσθετο».

Πότε μπορούν και πρέπει να γίνουν όλα αυτά; Ο δρ Long είναι κατηγορηματικός: «Η όποια τωρινή μας επιτυχία δεν πρόκειται να φτάσει στα χωράφια των αγροτών προτού περάσουν το λιγότερο 15 χρόνια. Αρα πρέπει να αρχίσουμε να κάνουμε σήμερα όσα θα χρειαστούν για να αντιμετωπίσουμε το έπειτα από 30 χρόνια αύριο».

Φωτοβολταϊκά με «τεχνητά φύλλα» θα μας παρέχουν σύντομα καύσιμο υδρογόνο

Η διεξοδική μελέτη του φαινομένου της φωτοσύνθεσης δεν οδήγησε μόνο σε τρόπους βελτίωσής της, αλλά και ενέπνευσε τον σχεδιασμό φωτοβολταϊκών που μιμούνται τα φύλλα. Το πιο πρόσφατο και επιτυχημένο δείγμα αυτής της εξέλιξης παρουσιάστηκε στις 9 Μαρτίου 2015, στο Proceedings of the National Academy of Sciences(www.pnas.org/content/112/12/3612.abstract).

Πρόκειται για ένα «τεχνητό φύλλο» που κατασκευάζεται στο Κέντρο Τεχνητής Φωτοσύνθεσης (JCAP) του Πολυτεχνείου της Καλιφόρνιας (Caltech) και απαρτίζεται από τρία μέρη: μία μεμβράνη και δύο ηλεκτρόδια – μία φωτοάνοδο και μία φωτοκάθοδο. Η πρόσληψη ηλιακού φωτός από τη φωτοάνοδο αξιοποιείται για να οξειδώσει τα μόρια του νερού ώστε να παράγει οξυγόνο, πρωτόνια και ηλεκτρόνια. Αντίστοιχα, στην φωτοκάθοδο, τα πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια ανασυνδέονται ώστε να σχηματίσουν υδρογόνο. Η μεταξύ των δύο πλαστική μεμβράνη διαχωρίζει τα δύο αέρια (οξυγόνο και υδρογόνο) και διευκολύνει την ασφαλή συλλογή τους υπό πίεση.

Για την κατασκευή των δύο ηλεκτροδίων η ερευνητική ομάδα χρησιμοποίησε κοινούς ημιαγωγούς, όπως πυρίτιο ή αρσενικούχο γάλλιο, που απορροφούν το φως και χρησιμοποιούνται ήδη σε ηλιακούς συλλέκτες. Αντιμετώπισε όμως ένα σοβαρό πρόβλημα: τα υλικά αυτά αναπτύσσουν ένα στρώμα σκουριάς όταν εκτίθενται σε νερό. Η λύση θα ήταν σίγουρα να φτιάξουν μια προστατευτική επικάλυψη για τα ηλεκτρόδια. Αλλά ποια επικάλυψη θα ήταν ταυτόχρονα αδιαπέραστη από το νερό, εξαιρετικά διαφανής στο εισερχόμενο φως, χημικά συμβατή με τους ημιαγωγούς που προσπαθεί να προστατεύσει, ηλεκτρικά αγώγιμη και ιδιαίτερα καταλυτική ώστε να λαβαίνει χώρα η επιθυμητή αντίδραση;

Επειτα από πολλές αποτυχημένες δοκιμές με διάφορα υλικά, η ομάδα βρήκε ότι μια επικάλυψη από οξείδιο του νικελίου (NiO) ικανοποιούσε με θαυμαστά αποτελέσματα όλα τα ζητούμενα. Για να την παράσχει σε μορφή ταινίας (φιλμ), η ομάδα ανέπτυξε μια πολύ ιδιαίτερη τεχνική: μέσα σε περιβάλλον πλούσιο σε οξυγόνο, ρίχνουν με μεγάλη ταχύτητα άτομα αργού πάνω σε έναν σβώλο ατόμων νικελίων. Τα θραύσματα του νικελίου που πετάγονται από τον σβώλο κατά την πρόσκρουση με τα άτομα αργού, αντιδρούν με τα άτομα του περιβάλλοντος οξυγόνου και παράγουν μια οξειδωμένη μορφή του νικελίου, που στη συνέχεια επικαλύπτει τον ημιαγωγό των ηλεκτροδίων.

Καταπώς δηλώνουν οι ερευνητές, «παρακολουθήσαμε τις φωτοανόδους να δουλεύουν με αποδόσεις ρεκόρ και χωρίς καμία απώλεια επί 24 ώρες, έπειτα επί 100 ώρες, και μετά επί 500 ώρες… οπότε ξέραμε πια ότι είχαμε καταφέρει αυτό που κανένας άλλος επιστήμονας δεν είχε καταφέρει πριν». Εξίσου σημαντικό είναι ότι αυτή η επικάλυψη αποδείχτηκε ότι συνεργάζεται περίφημα με τη διαχωριστική μεμβράνη μεταξύ των ηλεκτροδίων, όπως και το ότι είναι συμβατή με διάφορα είδη ημιαγωγών –από το πυρίτιο και το φωσφορούχο ίνδιο μέχρι το τελλουριούχο κάδμιο.

Τι ακριβώς σημαίνει αυτό το εύρημα; Αμεσα «με την ταινία επικάλυψης που αναπτύξαμε, μπορούμε να οικοδομήσουμε μια ασφαλή συσκευή που δεν θα εκρήγνυται, που θα διαρκεί και θα είναι αποτελεσματική… όλα μονομιάς» λέει ο επικεφαλής της ομάδας και καθηγητής Χημείας στο Caltech, Nate Lewis. Και συμπληρώνει: «Τώρα εργαζόμαστε για να τελειοποιήσουμε και τη φωτοκάθοδο. Επειτα, θα μας μένει να αποδείξουμε ότι το όλο σύστημα δουλεύει τέλεια. Δεν θα είναι κάτι το εύκολο, αλλά έχουμε πλέον το κομμάτι του ψηφιδωτού που μας διέφευγε τον τελευταίο μισό αιώνα!».

Εμμεσα, λοιπόν, και ίσως έπειτα από λίγα χρόνια, θα έχουμε «τεχνητά φύλλα» ως εμπορικό προϊόν, που θα μετατρέπουν το ηλιακό φως σε οξυγόνο και καύσιμο υδρογόνο. Οπότε, με τη μεν ενίσχυση της φυσικής φωτοσύνθεσης θα έχουμε σοδειές ικανές να θρέψουν τον υπερπληθυσμό του 2050, με τα δε φωτοβολταϊκά «τεχνητής φωτοσύνθεσης» θα έχουμε την ενέργεια που θα χρειάζεται. Ο Αρης… μπορεί να περιμένει.

ΥΓ.: Στην ερευνητική ομάδα του Caltech συμμετείχε ως διευθύντρια ερευνών η Ελληνοαμερικανίδα Kimberly Papadantonakis.