صنع أوراق شبيهة بورق النبات: كيف يمكن أن يغير تقليد البناء الضوئي المجتمعَ
02-01-2018, 04:06 AM
بقلم: آنا أزفولينسكي
ترجمة: صفاء كنج
دمج الخلايا الحية مع أفضل تقنيات حصاد الضوء يمكن أن يؤدي إلى بناء مصانع سايبورغية للطاقة النظيفة وإلى مكونات جديدة. وليس على كوكب الأرض بشكل حصري.
عندما أخذ بيدونغ يانغ Peidong Yang لأول مرة كائنات حية ووصلها بأسلاك سيليكون مكهربة، لم يخطر ببال أحد أن ذلك يمكن أن يفضي إلى ما هو مفيد. ويقول يانغ “عندما طرحتُ الفكرة، لم يصدق أحد أنها يمكن أن تنجح.” ليست الجراثيم وحدها التي صُعقت، فتجارب يانغ في جامعة كاليفورنيا University of California ببيركلي، وتلك التي أجراها آخرون، تُبين أن بعض الكائنات الدقيقة لا يمكنها فحسب البقاء حية عندما تتعرض للصعق بإلكترونات خام تُضخ عبر السيليكون، وإنما يمكنها أن تعيش في مثل هذه الظروف لعدة أسابيع. وخلال العملية فتحت مساراً جديداً نحو الحصول على طاقة مستدامة. ويؤمل أن يحلّ هذا الدمج بين علم الأحياء والكهرباء إحدى أكبر مشكلات الكيمياء ألا وهي كيف يمكن التقاط الطاقة الشمسية المتوفرة بالمجان وتحويلها إلى مصدر للطاقة رخيص وأخضر وفي متناول الجميع. وليس هذا كل ما في الأمر. فعندما نجعل الجراثيم تزاوج بين بعض أفضل تقنياتنا لحصاد الضوء مع الطريقة التي تستخدم بها الطبيعة طاقة الشمس – البناء الضوئي – قد نتمكن من بناء مصانع خضراء صغيرة تنتج أي مادة كيميائية مفيدة حسب الطلب. يقول توماس مور Thomas Moore الذي يدرس التقاط الطاقة الشمسية في جامعة ولاية أريزونا Arizona State University: “إن الطبيعة تعرف كيف تنتج الكيمياء، والبشر يعرفون كيف ينتجون الكهرباء… ومن المنطقي تماماً الجمع بين الاثنين.”
تعود رغبتنا في تسخير طاقة الشمس إلى زمن بعيد. يطيب لبول كينغ Paul King من المختبر الوطني للطاقة المتجددة National Renewable Energy Laboratory في كولورادو أن يسلط الضوء على كيميائي إيطالي سابق لعصره هو جاكومو تشاميشان Giacomo Ciamician. تساءل تشاميشان في مقالة في مجلة ساينس Science في سنة 1912 إذا كان بالإمكان الاستفادة من طاقة الشمس بالطريقة نفسها التي تستخدمها النباتات. وكتب حينها إن “الحضارة الإنسانية استخدمت بشكل حصري تقريباً حتى الآن الطاقة الشمسية الأحفورية. أفليس الأجدر أن نحسن استخدام الطاقة الشعاعية؟” وإذا مضينا إلى الأمام لقرن من الزمن بعد ذلك، ربما نكون قد حققنا رؤية تشاميشان. يحوّل اللوح الشمسي Solar panel المعد للمستهلكين والمصنع من بلورات السيليكون الصلبة ما بين 15 و%20 من أشعة الشمس التي تسقط عليه إلى كهرباء. وبسرعة تكتسب أنواع أخرى من الخلايا الشمسية المرنة وقليلة التكلفة مزيداً من الكفاءة. حتى أن النباتات تبدو في الواقع هزيلة مقارنة بها؛ فالحد الأقصى من أشعة الشمس الذي يمكنها نظرياً تحويله إلى وقود حيوي هو %4.5 وفي الظروف الحقيقية، فإن معظمها يحقق فقط قرابة %1. لكن هذه المقارنة تتجاهل مشكلة أساسية تتعلق بالطاقة الشمسية, ألا وهي أن أشعة الشمس غير منتظمة. فالشمس تسطع خلال النهار وفي أحيان كثيرة تختبئ خلف الغيوم فتجعل التيار الكهربائي الذي تنتجه الخلايا الفوتوفلتية Photovoltaic cells متقطعا.
يمكن أن يكون هذا مقبولاً عندما يكون من السهل تخزين الكهرباء لاستخدامها عند الحاجة. ولكن حتى مع تحسن التكنولوجيا للموازنة بين العرض والطلب على الكهرباء، فإننا لا نزال نعتمد إلى حد كبير على البطاريات وهي مكلفة وكبيرة الحجم وتتآكل مع كل دورة شحن.
لقد طورت النباتات ترياقاً بارعاً للتعويض عن غياب الشمس؛ فهي تخزن طاقتها ليس باستخدام جزيئات مشحونة وإنما على شكل روابط كيميائية. بمعنى آخر، إنها تنتج الوقود. يقول دان نوتشيرا Dan Nocera من جامعة هارفارد وأحد رواد البناء (التمثيل) الضوئي الصناعي Artificial photosynthesis: “لدى الوقود جوهرياً قدرة تخزين أكبر من البطارية…. لم يكن بالإمكان أن يتوفر لدى الطبيعة متسع لتخزين الطاقة مثلما تفعل البطارية.”
ولكن تطوير أنظمة اصطناعية تفعل الشيء نفسه أمر مكلف. فالنباتات تؤدي عملها الكيميائي الحيوي العجيب من خلال امتصاص الماء واستخدام طاقة الشمس لفصله إلى أكسجين وإلكترونات وأيونات هيدروجين مشحونة، أو بروتونات. ثم تُخلط هذه البروتونات والإلكترونات مع ثاني أكسيد الكربون لتشكيل السكريات (انظر الشكل). ويقود كل هذه السمفونية الحساسة جزيئات عضوية ذات هيكلية كيميائية متقنة يصعب الارتقاء إلى مثيل لها.
رقصة موزونة
نوتشيرا اجتاز على الأرجح الشوط الأبعد على طريق نسخ هذا العمل الرائع. في سنة 2011 كشف ما هو من أفضل أنظمة ورق النبات الاصطناعي، بتصميمه البسيط ومكوناته غير المكلفة؛ فهو يبدو أقرب إلى طابع بريد رمادي لامع منه إلى ورقة نباتية. إنه في الواقع رقاقة سيليكون مُشرَّبة بالمُحفزات Catalysts. ولكن يمكنها بالطبع أن تتصرف مثل ورقة نبات. ضعها في الماء تحت أشعة الشمس وسترى كيف تبدأ فقاعات من الأكسجين والهيدروجين بالتشكل. هذا الهيدروجين هو الأساس. إنه وقود يمكن تحويله إلى علب تخزين مضغوطة أو خلايا وقود يمكنها تحويله إلى كهرباء متى شئت. يبذل نوتشيرا جهودا مدهشة ولكنها غير كافية لإحداث ثورة في مجال الطاقة. والهيدروجين قد يكون وقوداً، ولكن الحلم باقتصاد قائم على الهيدروجين يداعب المخيلة منذ سنين، لكن التقدم في ذلك متعثر. وهذا عائد جزئياً إلى أن خلايا الوقود اللازمة لتحويل الهيدروجين إلى كهرباء تعتمد على محفِزات مصنعة من مواد مكلفة ونادرة مثل البلاتينوم. إضافة إلى ذلك فإن لدى المجتمع بنية تحتية ضخمة للوقود السائل القائم على الكربون. وغاز الهيدروجين لا يتناسب مع معاييرها.
أما النباتات فهي بمنأى عن مثل هذه المعضلة طالما أنها تخزن الطاقة التي تجمعها على شكل سكر أو وقود يمكنها استقلابه. حبذا لو أن الأوراق الاصطناعية تفعل شيئاً مماثلاً – تفرز وقوداً يناسب المرافق التي نملكها. غير أن هذا الوقود العضوي سينتج بالمثل ثاني أكسيد الكربون عندما يحترق ولكن، لأن الأوراق الاصطناعية تمتصه أولاً، فإن صافي الانبعاثات Net emissions سيكون قريبا من الصفر. ولكننا لم نتقن بعد تلك الخطوة الأخيرة. ويقول مور: “نعرف جيداً كيف نحول الطاقة الشمسية إلى كهرباء بالفوتوفلتية. ولكننا لا نعرف كيف نحول الطاقة الشمسية إلى وقود ذي أساس كربوني.” وهكذا بدأت ترتسم فكرة جديدة. فالنباتات فذة في تنسيق وتوجيه العمليات الكيميائية الحيوية لتخليق الوقود. ولكن التكنولوجيا التي ابتكرها البشر تتجاوزها في توليد الإلكترونات.فهل يمكن الجمع بين الاثنين وخلق نسخة سايبورغية Cyborg قوية من البناء الضوئي؟
كان نوتشيرا أول من بدأ بتقصي الأمر. ومن خلال عمله مع المهندسة الحيوية باميلا سيلفر Pamela Silver في هارفارد، بدأ بالمزاوجة بين الورقة التي تقسم الماء وتنتج الهيدروجين والتي صنعها في 2011 مع البكتيريا رالستونيا يوتروفا Ralstonia eutropha التي تعيش في التربة. تغذت هذه البكتيريا على الهيدروجين وخلطته مع ثاني أكسيد الكربون ثم لفظته على شكل وقود حيوي. وعدل مختبر سيلفر جينوم البكتيريا لجعلها تنتج أنواعاً مختلفة من الوقود الكحولي السائل.
ولكن بالكاد نجح الأمر. فالمحفِّز المنتِج للهيدروجين الذي طوره نوتشيرا من قبل أنتج كذلك ذرات أكسجين ذات تفاعلية عالية. كانت شديدة التفاعلية في الواقع حتى أنها أخلت بعمل الآليات الكيميائية الحيوية للبكتيريا وقضت عليها خلال ساعات. ولكن في مقال نشر السنة الماضية، كشف فريق نوتشيرا عن محفِّز جديد يمكن أن يتعامل بلطف مع الميكروبات. وكانت الورقة البيونية bionic كذلك أقل تكلفة من السابقة وأكثر فعالية بكثير، إذ حولت بشكل رائع %10 من الطاقة الشمسية إلى وقود (Science, vol 352, p 1210).
كان عملاً رائعاً لكن الفريق لم يكن الوحيد في المضمار. فيانغ كان قد بدأ تجاربه مع الميكروبات والكهرباء وأراد حتى المضي أبعد من نوتشيرا: لم يُرِد إطعام البكتيريا الهيدروجين بل الإلكترونات. ويقول مور: “لم يدرك المجتمع العلمي أن مثل هذه الأمور ممكنة قبل عشر سنوات.” ولكننا اكتشفنا حديثاً أن بعض أنواع البكتيريا تعيش في الطبيعة على الكهرباء وحدها عبر ابتلاع الإلكترونات بصورة مباشرة. ونعرف كذلك الآن أن ميكروبات جيوباكتر Geobacter يمكنها ابتلاع الإلكترونات واستخدامها في التفاعلات الكيميائية. ولكن ما أراد يانغ فعله هو شيء آخر تماما. فابتداءً من سنة 2013، بيَّن فريقه البحثي أن بعض أنواع البكتيريا غير ضوئية التغذية أي التي لا تقوم بالبناء الضوئي لإنتاج غذائها Non-photosynthetic bacteria يمكنها أن تنمو على أسلاك السيليكون الجزيئية النانوية الحاصدة للضوء. وبعد سنتين، اكتشف الفريق أن الأسلاك النانوية قادرة على نقل الإلكترونات مباشرة إلى البكتيريا. بدت الجراثيم سعيدة تماما بهذا الترتيب فكانت تلتهم الإلكترونات وتستخدم ثاني أكسيد الكربون والماء لصنع وقود سائل مثل الأسيتات HOAc من الهيدروجين والكربون والأكسجين. ثم حدث ما قد يُغيّر مسار الأمور. أخذ يانغ وفريقه بكتيريا أخرى غير ممثلة للضوء هي موريلا ثرموأثيتيكا Moorella thermoacetica تنتج الأسيتات بشكل طبيعي، وأضافوا خلطة من المواد الكيميائية بينها أيونات الكادميوم والحمض الأميني Amino acid سيستين cysteine. لاحظوا عندها أن الجزيئات الماصة للضوء المصنوعة من كبريتيد الكادميوم ظهرت على سطح البكتيريا. بدا أن الميكروبات صنعت ما يشبه رداء خاصا بها حاصدا لأشعة الشمس من المكونات الكيميائية (Science, vol 351, p 74). يقول يانغ: “يتطلب الأمر جهداً كبيراً من جانبنا لصنع الهياكل النانوية شبه الموصلة Semiconductor nanostructures. هنا، قامت الخلايا البكتيرية بصنع هذا السطح شبه الموصل بنفسها،” وهو مصنع وقود يعمل بالطاقة الشمسية، ويقوم بصنع نسخ مطابقة عن نفسه بنفسه. ويقول إروين رايسنر Erwin Reisner من جامعة كامبريدج University of Cambridge إن “عمل يانغ عمل رائع، إنه جديد تماما.” ويعمل رايسنر كذلك على تطوير أنظمة إلكترونية بيونية مُمَثِّلة للضوء.
وتبقى مع ذلك مسألة المتانة Durability. حتى الآن، تتمكن البكتيريا التي تتغذى على الإلكترونات في أنظمة يانغ من البقاء حية لعدة أسابيع فقط؛ ولا يزال يانغ يركز على فهم تركيبتها الكيميائية الحيوية أملأ بأن يساعده ذلك على تحسين كفاءة ما يسميه بـ “نظام سايبورغي للبناء الضوئي” Photosynthetic cyborg system، الذي تبلغ كفاءته في الوقت الراهن %2.5. ويقول: “كل هذا جديد ونحتاج إلى فهم التفاصيل. وإلا سيكون الأمر ضرباً من السحر الأسود.”
ويمكنكم تناسي أمر الورقة الأنيقة الاصطناعية تماماً والمصنوعة من رقاقة من السيليكون، فهذه لا تزال نماذج أولية Prototypes. ومن غير الواضح إلى أي مدى يمكن تطويرها. إذ يعمل نوتشيرا وسيلفر على مفاعل Reactor تجريبي في الهند يفترض أن يقدم بعض الإجابات. ويكابد نوتشيرا لكي يمنع نفسه من المبالغة في امتداح الأوراق البيونية. ويقول: “لن تصدر عني ادعاءات باطلة بأنني سأحل في السنة المقبلة مشكلة الطاقة العالمية.” فإنتاج الوقود من الأوراق البيونية سيبقى على الأرجح أعلى تكلفة من استخراج النفط في المستقبل المنظور.
ويقول نوتشيرا إن تدخلات السوق مثل تسعير الكربون ستكون ضرورية قبل أن تصبح مثل هذه الأنظمة مجدية اقتصاديا. ويضيف: “إن الإجابة عن سؤال متى ستصبح هذه التكنولوجيا مطبقة قلما يتوقف على ما نحققه من اكتشافات، وإنما يتعلق بتوجهات الأسواق العالمية.”
وفي الواقع، فإن ما يثير الكثير من الحماس الآن هي كل تلك الأشياء الأخرى التي يمكن للأوراق البيونية إنتاجها. ويقول مور: “الأمر لا يقتصر على إنتاج الوقود. علم الأحياء يصنع مكونات كيميائية أخرى رائعة مفيدة لمجتمعنا.”
لقد قطف الباحثون بالفعل الثمار الأولى منها. لنأخذ غاز الأمونيا على سبيل المثال الذي تتألف جزيئاته من النيتروجين والهيدروجين ويعد مكوناً لا غنى عنه في الأسمدة. في سنة 2016 بلغ استهلاكنا من هذه المادة نحو 166 مليون طن. نعم لا زلنا نصنعه باستخدام “عملية هابر” Haber process التي يبلغ عمرها مئة عام وهي تستهلك قدراً عالياً من الطاقة وتنتج الكثير من ثاني أكسيد الكربون. ولكن ضمن الخطة استنباط طريقة جديدة لإنتاج الأمونيا شبيهة بطريقة عمل الأوراق البيونية.
استخلص كينغ حديثاً الآليات الكيميائية الحيوية التي تستخدمها بعض أنواع البكتيريا لتحويل النيتروحين الموجود في الهواء إلى أمونيا. ضع هذا في محلول وضخ النيتروجين عبره وأضف كبريتيد الكادميوم شبه الموصل وستحصل على ورقة اصطناعية مُفكَّكة ومُعدَّلة: يمكنها الآن إنتاج الأمونيا من الشمس. يقول كينغ “لقد نزعنا الخلية الحية وتعقيداتها وعملنا ببساطة مع إنزيم.”
السايبورغات تتطور
لا يتوقع توسيع نطاق عملية تنقية إنزيم نيتروجينيز Nitrogenase من البكتيريا نظراً لأنه يستهلك الكثير من الوقت. وبدلا من ذلك يأمل كينغ في تبيان كيف يعمل إنزيم النيتروجينيز ومن ثم مساعدة المختصين بالكيمياء التخليقية لتقليد عمله بفضل نظائر اصطناعية يسهل التعامل معها.
ويتوقع يانغ معالجة الأمر بطريقة مختلفة؛ ليس من خلال تفكيك الخلايا وإنما تطويرها. فأوراقه لا تزال الآن خلايا بسيطة، رزمة من الإنزيمات والآليات الحيوية محاطة بغشاء. ولكن إذا نجح الباحثون في تطويرها إلى خلايا أكثر تعقيداً مع وحدات داخلية كل منها مجهزة لتقوم بتحولات كيميائية متخصصة سيحصلون في نهاية المطاف على خلايا تعمل مثل خطوط الصناعة لتصنيع تراكيب كيميائية مركبة ومفيدة. “يمكننا أن نبدأ بالتفكير بهذا بصفته منصة عامة متجددة للتخليق الكيميائي،” كما يقول نوتشيرا. ونظراً لإمكان التلاعب جينياً بالبكتيريا، من الممكن جعلها تصنع البلاستيك، وأدوية صيدلانية أو مركبات تحتاج عند إنتاجها بطريقة أخرى إلى الكثير من الوقود. يظن نوتشيرا أن هذا النوع من التطبيق سيكون أول نوع مُجد اقتصاديا.
ويوضح قائلا: “مع التوصل إلى جعل هذه المعالجات أقل تكلفة، ستتمثل الخطوة التالية المهمة في إنتاج الوقود.” جاء ختم موافقة لطيف على مثل هذه الأفكار حديثاً من ناسا NASA إذ تسلم يانغ حزمة تمويل من مركز استخدام الهندسة الحيوية في الفضاء Center for the Utilization of Biological Engineering in Space لديها والذي يخطط لاستخدام كائنات حية لإنتاج بعض المواد الأساسية لرواد الفضاء ومنها الطعام والوقود والأكسجين.
وتقوم الخطة على جعل أوراق يانغ البيونية تتبنى طريقة كينغ في امتصاص النيتروجين وثاني أكسيد الكربون وإنتاج الأمونيا ليكون سماداً للمحاصيل في الفضاء وكذلك الأكسجين للتنفس. “على الأرض، الوقود ثمين والأكسجين لا قيمة له،” يقول رايسنر. أما في الفضاء فالأكسجين لا غنى عنه بالطبع.
بل ويتخيل يانغ بناء نظام يجمع عدة أنواع من الخلايا البيونية ذات وظائف مختلفة. بهذه الطريقة ستعمل هذه الخلايا مثل كائن حي، فتقوم خلايا الاستشعار بفحص وقت تدني مخزون الأكسجين، على سبيل المثال، وتجعل خلايا الورقة تفعِّل عملية البناء الضوئي.
لا شك أننا قطعنا شوطاً كبيراً منذ أن حاول يانغ لأول مرة توصيل البكتيريا بالكهرباء. “الأمر يقترب أكثر من فيلم المريخي The Martian،” كما يقول نوتشيرا. وربما ستتمكن الأوراق البيونية يوماً من تناول إلكتروناتها على كوكب آخر.
آنا أزفولينسكي Anna Azvolinsky صحافية علمية تقيم في نيويورك.
