دانشمندان قرن‌ها فتوسنتز در گیاهان را مطالعه کرده‌اند، اما یک تیم بین‌المللی اکنون بر این باورند که اسرار جدیدی را در ماشین بزرگ طبیعت کشف کرده‌اند که می‌تواند سوخت‌های پایدار را متحول کند و با تغییرات آب و هوایی مبارزه کند.

تیم می گوید مشخص شده است که استخراج بار الکتریکی در بهترین نقطه ممکن در فتوسنتز امکان پذیر است. این به معنای برداشت حداکثر الکترون از فرآیند برای استفاده بالقوه در شبکه های برق و برخی از انواع باتری ها است. همچنین می تواند توسعه سوخت های زیستی را بهبود بخشد. در حالی که هنوز روزهای اولیه است، این یافته ها که در مجله Nature گزارش شده است، می تواند گازهای گلخانه ای را در جو کاهش دهد و بینشی برای بهبود پانل های خورشیدی فتوولتائیک ارائه دهد.

پیشرفت کلیدی زمانی حاصل شد که محققان فرآیند فتوسنتز را در مقیاس های زمانی فوق سریع مشاهده کردند.

تومی بایکی، از آزمایشگاه کاوندیش دانشگاه کمبریج، به CNET گفت: «ما می‌توانیم در زمان‌های مختلف عکس بگیریم که به ما امکان می‌دهد تغییرات نمونه را واقعاً خیلی سریع تماشا کنیم – یک میلیون میلیارد بار سریع‌تر از آیفون شما».

این تیم از تکنیکی به نام طیف‌سنجی جذب گذرا فوق سریع استفاده کردند که به سادگی می‌توان آن را روشن کردن یک نمونه با پالس‌های لیزر و ثبت آنچه در فواصل بسیار کوتاه اتفاق می‌افتد درک کرد. این امر امکان تماشای الکترون ها را در حین حرکت در کل فرآیند فتوسنتزی فراهم می کند.

تظاهرات قبلی سیانوباکتری‌ها، جلبک‌ها و گیاهان دیگر را به الکترودها متصل می‌کردند تا سلول‌های به اصطلاح بیوفوتو الکتروشیمیایی ایجاد کنند که به فرآیند فتوسنتز برای تولید الکتریسیته ضربه می‌زنند.

بایکی گفت که محققان از کشف یک مسیر ناشناخته قبلی از جریان انرژی در ابتدای فرآیند شگفت زده شدند که می تواند استخراج بار را به روشی کارآمدتر امکان پذیر کند.

ما برای هر چیزی که می خوریم و تمام هوایی که تنفس می کنیم به گیاهان متکی هستیم و شاید بتوانیم از الکترون های آنها نیز استفاده کنیم.

دانشمندان دریافتند که مکانی در سلول که در آن فتوسنتز شروع می شود، الکترون های “نشت کننده” است. در طبیعت، این می تواند گیاهان را از قسمت های مضر نور خورشید محافظت کند.

کشف مسیر جدید و نشتی می‌تواند پیامدهای عمده‌ای برای تولید سوخت‌های زیستی تجدیدپذیر، که معمولاً از گیاهان یا جلبک‌ها به دست می‌آیند، داشته باشد. سوخت‌های زیستی می‌توانند کربن خنثی باشند، زیرا هم دی اکسید کربن را هنگام رشد گیاهان جذب می‌کنند و هم در صورت سوختن آن را به اتمسفر باز می‌گردانند، در مقابل سوخت‌های فسیلی که کربنی را آزاد می‌کنند که برای سال‌ها در اعماق زمین ذخیره شده است. اینکه چه مقدار سوخت زیستی کربن از جو اضافه یا کم می کند به نحوه رشد گیاهان و نحوه تولید سوخت بستگی دارد.

این تحقیق می تواند برای توسعه فرآیندهای کارآمدتر برای ایجاد سوخت های زیستی مورد استفاده قرار گیرد.

جنی ژانگ، هماهنگ‌کننده تحقیقات، همچنین از کمبریج، از طریق ایمیل گفت: “این یک رویکرد کاملاً جدید برای تولید سوخت زیستی است. ما در حال جمع‌آوری الکترون‌ها از اولین و قوی‌ترین نقاط فتوسنتز و تغییر مسیر آنها در آنجا هستیم.”

ژانگ می‌گوید دیگران تلاش کرده‌اند تا الکترون‌ها را از نقطه‌ای قبلی در فرآیند فتوسنتز جمع‌آوری کنند، اما به این نتیجه رسیده‌اند که این کار غیرممکن است. او می گوید که در ابتدا، تیم متقاعد شده بود که اشتباه کرده است.

ژانگ در بیانیه ای گفت: “مدتی طول کشید تا خودمان را متقاعد کنیم که این کار را انجام داده ایم.”

این پیشرفت اساساً وعده می دهد که در زمان تبدیل نور خورشید به انرژی از کارایی باورنکردنی فتوسنتز بهره می برد.

بایکی توضیح داد: «آنچه فتوسنتز را واقعاً خاص می‌کند، کارایی تقریباً 100 درصدی آن در تبدیل نور به الکترون است. با درک مکانیسم‌های فتوسنتز، می‌توانیم از این دانش برای الهام بخشیدن به بهبود فناوری سلول‌های خورشیدی موجود استفاده کنیم.»

علاوه بر تولید انرژی موثرتر، تنظیم دقیق فتوسنتز همچنین می تواند امکان استفاده از گیاهان را برای جذب و ذخیره بهتر دی اکسید کربن فراهم کند و به مبارزه با تغییرات آب و هوایی در این فرآیند کمک کند.

ژانگ آینده‌ای را تصور می‌کند که در آن بهره‌برداری از فتوسنتز به ما امکان می‌دهد «انرژی خود را همانطور که غذای خود را پرورش می‌دهیم، پرورش دهیم» اما این کار را از طریق ارگانیسم‌هایی مانند سیانوباکتری‌ها انجام می‌دهد، که نیازی به رقابت با تولید غذا ندارند.

در واقع، او گفت، بینش های جدید به دست آمده از این تحقیق می تواند محصولات را با تحمل بیشتر در برابر نور شدید خورشید تقویت کند.

در درازمدت، اگر بتوانیم انرژی و سوخت های تجدیدپذیر را از مواد زنده، خودبازیافتی و زنده تولید کنیم، این یکی از سبزترین گزینه هایی است که می توان برای پیشرفت پایدار تصور کرد.