محققان روشی برای فتوسنتز مصنوعی به منظور پرورش گیاه بدون حضور نور خورشید ابداع کرده‌اند و این پیشرفت می‌تواند به روش‌های جدیدی برای تولید مواد غذایی در کره زمین، و شاید هم روزی در مریخ، بینجامد.

فتوسنتز در پی میلیون‌ها سال تکامل در گیاهان شکل گرفته است و روشی برای تبدیل آب، دی‌اکسید کربن، و انرژی آفتاب به زیست‌توده گیاهی و مواد غذایی‌ای است که مصرف می‌کنیم.

اما محققان، از جمله محققان دانشگاه کالیفرنیا ریورساید، می‌گویند این فرایند طبیعی، با کسب فقط حدود یک درصد انرژی آفتاب که طی آن نصیب گیاه می‌شود، ناکارآمد است.

این محققان اینک در حال سنجش راه‌هایی برای پرورش محصولات زراعی مثل لوبیا چشم‌بلبلی، گوجه‌فرنگی، تنباکو، برنج، کانولا، و نخودفرنگی در تاریکی‌اند که کربن برگرفته از«نمک جوهر سرکه» (acetate) را جذب می‌کنند.

مارتا اروزکو-کاردناس، مدیر پژوهشکده دگرگونی‌های گیاهی دانشگاه کالیفرنیا ریورساید (UC Riverside Plant Transformation Research Center)، می‌گوید: «تصور کنید روزی بتوان در تاریکی و در مریخ درون محفظه‌هایی غول‌آسا گوجه‌فرنگی پرورش داد. [در آن صورت] کارها چقدر برای مریخ‌نشینان آینده آسان‌تر می‌شود؟»

در پژوهش جدیدی که هفته پیش در مجله نیچر فود(Nature Food) منتشر شد، راهی که محققان با به‌کارگیری فتوسنتز مصنوعی و مستقل از نور خورشید برای تولید مواد غذایی یافته‌‌اند، شرح داده شده است.

محققان با استفاده از فرایندی شیمیایی و دو مرحله‌ای، دی‌اکسید کربن، الکتریسیته، و آب را به «نمک‌جوهر- استات» (acetate) تبدیل کردند که جزء اصلی سرکه است.

«مقاله ما با عنوان «سامانه ترکیبی غیرارگانیک فتوسنتز مصنوعی بیولوژیکی برای تولید کارآمد مواد غذایی »در نیچرفود منتشر شد! فناوری جدیدی را برای تولید غذا به گونه‌ای کارآمد از لحاظ مصرف انرژی و مستقل از فتوسنتز بیولوژیکی معرفی کرده‌ایم.»

رابرت جینکرسن(@JinkersonLab)

۲۳ ژوئن ۲۰۲۲

آن‌ها می‌گویند سپس ارگانیسم‌های تولیدکننده غذا با مصرف کردن «استات»، در تاریکی رشد می‌کنند.

محققان می‌گویند این سامانه با استفاده از پنل‌های خورشیدی برای تامین توان لازم برای واکنش شیمیایی، می‌تواند کارایی تبدیل نور خورشید به مواد غذایی را افزایش دهد، و این روش برای برخی از اقلام غذایی تا ۱۸ برابر کارآمدتر است.

آن‌ها از الکترولایزرها یا افزاره‌هایی استفاده کردند که مواد خام مثل دی‌اکسیدکربن را با استفاده از الکتریسیته، به فراورده‌ها و مولکول‌های مفید تبدیل می‌کنند.

محققان سپس خروجی این الکترولایزرها را بهینه‌سازی کردند تا از رشد ارگانیسم‌های تولید مواد غذایی پشتیبانی شود و تمام اجزای این سامانه را با هم یکپارچه کردند.

محققان با این سامانه جدید می‌توانند مقدار استات را افزایش، و مقدار نمک را کاهش دهند و به بالاترین تراز استات دست یابند که تاکنون در الکترولایزر تولید شده است.

رابرت جینکرسن از دانشگاه کالیفرنیا ریورساید و از نویسندگان این مطالعه، با صدور بیانیه‌ای اعلام کرد: «با این رهیافت در پی یافتن راه جدیدی برای تولید مواد غذایی بودیم که حدومرز عادی تعیین شده با فتوسنتز بیولوژیکی را پشت سر بگذارد.»

فنگ جیائو از دانشگاه دلاور و نویسنده دیگر این پژوهش، می‌گوید: «با استفاده از چیدمان پیشرفته پشت‌به‌پشت دو مرحله‌ای در الکترولیز دی‌اکسیدکربن که آزمایشگاه ما ابداع کرد، توانستیم به گزینندگی (selectivity) بالایی در قبال استات دست یابیم که در مسیرهای متعارف الکترولیز دی‌اکسیدکرین قابل حصول نیست.»

به گفته این محققان، گستره وسیعی از ارگانیسم‌های تولیدکننده مواد غذایی، شامل جلبک سبز، مخمر، و جلینه قارچی (fungal mycelium) که قارچ‌ها را تولید می‌کند، در تاریکی و با استفاده مستقیم از خروجی سرشار از استات  الکترولایز، قادر به رشد خواهند بود.

به گفته این محققان، از لحاظ مصرف انرژی، تولید جلبک با استفاده از این فناوری از پرورش آن به روش متعارف و با استفاده از فتوسنتز طبیعی حدود چهار برابر کارآمدتر است، و تولید مخمر نیز با این روش حدود ۱۸ برابر از کشت عادی آن کارآمدتر است.

الیزابت هان، از نویسندگان اصلی این مطالعه، می‌گوید: «توانستیم  بدون هیچ کمکی از فتوسنتز بیولوژیکی، ارگانیسم‌های تولیدکننده مواد غذایی پرورش دهیم. این ارگانیسم‌ها معمولا روی قند برگرفته از گیاهان یا نهادهای مشتق از نفت کشت می‌شوند که خود محصول فتوسنتز بیولوژیکی رخ‌داده در میلیون‌ها سال قبل است.»

دکتر هان می‌گوید: «در قیاس با تولید مواد غذایی مبتنی بر فتوسنتز بیولوژیکی، این فناوری روش کارامدتری برای تبدیل انرژی خورشید به مواد غذایی است.»

محققان می‌گویند گستره وسیعی از محصولات زراعی می‌توانند استات تولیدی را جذب کنند و اجزای سازنده مولکولی مهمی بسازند که برای رشد و بالیدن ارگانیسم‌ها لازمند.

محققان می‌گویند این رهیافت در کنار سامانه‌های موجود تولید انرژی از نور خوشید، می‌تواند در قیاس با فتوسنتز طبیعی، «کارایی تبدیل انرژی از نور خورشید به مواد غذایی را حدود چهار برابر کند»، و افزودند که این فناوری امکان می‌دهد «که بتوان در چگونگی تولید مواد غذایی در محیط‌های کنترل شده بازنگری کرد».

محققان می‌گویند خلاص کردن محصولات زراعی از وابستگی به خورشید و تولید آن‌ها با استفاده از فتوسنتز مصنوعی، می‌تواند در دشواری‌های فزاینده‌ای که بحران تغییرات اقلیمی ناشی از فعالیت‌های انسان به بار آورده است و چالش‌های امنیت غذایی حاصل از آن برای تولید مواد غذایی، ره‌گشا باشد.

دکتر جینکرسن می‌گوید: «رویکردهای تولید مواد غذایی با استفاده از فتوسنتز مصنوعی می‌تواند در الگویی که برای تامین مواد غذایی مردم به کار می‌بریم، تغییر ایجاد کند. در صورتی که کارایی تولید مواد غذایی افزایش یابد، زمین کم‌تری لازم خواهد بود و اثر منفی کشاورزی بر محیط زیست کاهش می‌یابد.»

او می‌افزاید: «در کشاورزی در محیط‌های نامتعارف، مثل فضای خارج از زمین، هم افزایش کارایی انرژی می‌تواند کمک کند تا با نهاده‌های کمتر، بتوان برای سرنشینان بیشتری غذا تامین کرد.»