Φωτοσύνθεση και… φωτοαποσύνθεση!

Στα μαθηματικά, στη φιλοσοφία και στις τέχνες ο κύκλος θεωρείται το τέλειο σχήμα διότι δεν έχει ούτε αρχή ούτε τέλος. Αλλά και στη ζωή μας, αν το καλοσκεφθείτε, όλα τα «στραβά» προκύπτουν όταν παρασυρόμαστε σε συνεχή αγώνα δρόμου και ξεχνούμε πως όλα κάνουν κύκλο. Στην πανανθρώπινη κλίμακα, δείτε τι έχει συμβεί με τη φενάκη της «διαρκούς εξέλιξης»: η ακόρεστη αναζήτηση νέων πόρων καταστρέφει το περιβάλλον και εξαντλεί τα ενεργειακά αποθέματα της Γης, χωρίς ποτέ να σκεφθούμε ότι για να παραμείνει ο πλανήτης μας ζωντανός χρειάζεται να ανακυκλώνει τα πάντα.

Το πάθημα αυτό ενδέχεται να μας γίνει μάθημα χάρη σε δύο επιστημονικές ανακοινώσεις που τις χωρίζει έτος: Τον Φεβρουάριο του 2015 παρουσιάστηκε ένα «βιονικό φύλλο» που επιτελεί φωτοσύνθεση πολύ πιο αποτελεσματικά απ’ ό,τι τα ίδια τα φυτά της φύσης. Και στις 4 Απριλίου 2016 δημοσιεύθηκε μέθοδος αντιστροφής της φωτοσύνθεσης, δηλαδή η επίτευξη φωτοαποσύνθεσης.

Το ότι το πρώτο είναι σημαντικό δεν χρειάζεται και πολλές εξηγήσεις, καθ’ όσον όλοι έχουν ακουστά για το «εργαστήρι της ζωής», τη φωτοσύνθεση, όπου η χλωροφύλλη λειτουργεί ως καταλύτης για να μετατραπεί το φως του ηλίου σε ενέργεια και σάκχαρα που θρέφουν τα φυτά. Το δεύτερο όμως; Γιατί θεωρείται επιτυχία η αντιστροφή του φαινομένου της πρώτης; Και γιατί αυτά τα δύο μαζί μπορούν να κάνουν τον κύκλο που θα μας δώσει την πολυπόθητη λύση στο ενεργειακό δράμα του πλανήτη μας;

Η γνωστή «βιομηχανική επανάσταση» έστησε τις υποδομές του σύγχρονου τεχνολογικού μας πολιτισμού και δόμησε στη συνέχεια την καταναλωτική μας κοινωνία πάνω στην ανακάλυψη του πλαστικού. Ωστόσο τόσο για την κίνηση των μηχανών όσο και για την παραγωγή των πλαστικών θεμέλιος λίθος ήταν και παραμένει η εξόρυξη υδρογονανθράκων και η επεξεργασία τους από την πετροχημική βιομηχανία. Το τίμημα αυτής της ανάπτυξης είναι η ταχύτατη αποστράγγιση των ενεργειακών μας αποθεμάτων, η επεκτεινόμενη μετατροπή του πλανήτη σε χωματερή πλαστικών και η αλλαγή του κλίματος από τις καύσεις των υδρογονανθράκων.

Την προηγούμενη δεκαετία μεγάλες ελπίδες εναποτέθηκαν στη σταδιακή απεξάρτησή μας από το πετρέλαιο, μέσω της παραγωγής αιθανόλης από την κυτταρίνη της βιομάζας. Σύμφωνα με το υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ, η καύση αιθανόλης μειώνει την εκπομπή αερίων θερμοκηπίου κατά 86% έναντι της βενζίνης. Ωστόσο η φθηνή μέθοδος που είχε βρεθεί για τη διάσπαση της κυτταρίνης και την παραγωγή αιθανόλης –η κατάλυση με ένζυμα –αποδείχθηκε ιδιαίτερα αργή. Ετσι αντιμέτωπα και με την επέλαση του σχιστελαίου και με την τεχνητή πτώση τιμών του σαουδαραβικού πετρελαίου τα περισσότερα εργοστάσια βιομάζας έκλεισαν.

Η πρόσφατη ανακάλυψη της «φωτοαποσύνθεσης», την οποία ανακοίνωσαν γερμανοί και δανοί ερευνητές στο περιοδικό Nature (www.nature.com/ncomms/2016/160404/ncomms11134/full/ncomms11134.html), είναι… εξοργιστικά απλή: ανακάλυψαν ότι όταν εξέθεταν σε άπλετο ηλιακό φως τα ένζυμα πολυσακχαρικής μονο-οξυγενάσης (LPMO), η διάσπαση της κυτταρίνης δεκαπλασιαζόταν!

«Ηταν ανέκαθεν κάτω από τη μύτη μας, αλλά κανένας δεν το είχε προσέξει» δήλωσε ο επικεφαλής καθηγητής Κλάους Φέλμπι. «Η ίδια διαδικασία που επιτρέπει στη χλωροφύλλη να δεσμεύσει το ηλιακό φως, να εκκινήσει τη φωτοσύνθεση και να βοηθήσει στην ανάπτυξη του φυτικού οργανισμού μπορεί να αξιοποιηθεί και για την αποικοδόμηση της φυτικής ύλης και την απελευθέρωση χημικών ουσιών. Με άλλα λόγια, το τεράστιο ενεργειακό δυναμικό του ηλιακού φωτός μπορεί να αξιοποιηθεί με άμεσο τρόπο ώστε χημικές διεργασίες να επιτελούνται χωρίς την ανάγκη πρόσθετης ενέργειας». Οπως αποδείχθηκε από τα πειράματα της ομάδας, η φωτοαποσύνθεση επιτρέπει την παραγωγή βιοκαυσίμων και βιοχημικών σε συνθήκες δωματίου και μέσα σε 10 λεπτά της ώρας, ενώ προηγουμένως η παραγωγή αυτή απαιτούσε ολόκληρο 24ωρο.

Το ότι υπήρχε στη φύση ένα φαινόμενο αντίστροφο της φωτοσύνθεσης ήταν μια υποψία ριζωμένη από χρόνια στους φυσιοδίφες, όταν παρατηρούσαν τον «μαγικό τρόπο» με τον οποίο μύκητες και βακτήρια απομυζούσαν σάκχαρα και λοιπές θρεπτικές ουσίες από τα φυτά. Η απάντηση στο πώς το κατόρθωναν δόθηκε μόλις τώρα, από την εργασία των ερευνητών του Κέντρου Επιστήμης Φυτών του Πανεπιστημίου της Κοπεγχάγης. «Την ονομάσαμε φωτοαποσύνθεση επειδή τα ένζυμα χρησιμοποιούν το ηλιακό φως και το οξυγόνο της ατμόσφαιρας για να διασπάσουν και να μετασχηματίσουν δεσμούς του άνθρακα» εξήγησε ο μεταδιδακτορικός φοιτητής της ομάδας Κλάους Μπένεντικτ Μέλερς, «Αντί να δομήσουν φυτικά μόρια και οξυγόνο, όπως γίνεται κατά τη φωτοσύνθεση».

Το τι σημαίνει αυτό για το μέλλον προκύπτει από τα λόγια του καθηγητή Κλάους Φέλμπι: «Πρόκειται για κάτι που αλλάζει ριζικά το παιχνίδι» δήλωσε. «Δυνητικά θα μπορούσε να μετασχηματίσει τη βιομηχανική παραγωγή καυσίμων και χημικών, με τρόπο ώστε να μειωθούν σημαντικά οι ρύποι».

Η ιστορία του «βιονικού φύλλου» που παρουσιάστηκε πέρυσι ξεκίνησε τo 2008, όταν o καθηγητής Χημείας στο ΜΙΤ Ντάνιελ Νοσέρα δημιούργησε έναν φθηνό καταλύτη από κοβάλτιο και άλας του φωσφόρου που επέτρεπε τη διάσπαση του νερού από το ηλιακό φως και την παραγωγή οξυγόνου και πρωτονίων, με την προοπτική να παράγει και υδρογόνο μέσω ενός καταλύτη από πλατίνα. Ως το 2011 ο Νοσέρα κατάφερε να παρουσιάσει το πρακτικά πρώτο «τεχνητό φύλλο». Ηταν ένα προηγμένο ηλιακό κύτταρο σε μέγεθος τραπουλόχαρτου, ικανό να διασπά το νερό σε οξυγόνο και υδρογόνο με αποτελεσματικότητα δεκαπλάσια εκείνης της φυτικής φωτοσύνθεσης. Ωστόσο το σταδιακά μειούμενο ενδιαφέρον για «οικονομία του υδρογόνου» απογοήτευσε τον καθηγητή: πούλησε την εφεύρεσή του στη Lockheed Martin και πήρε μεταγραφή για το Χάρβαρντ.

Η εκεί συνεργασία του με τη βιοχημικό Πάμελα Σίλβερ της Harvard Medical School οδήγησε στη μετάλλαξη του αρχικού «τεχνητού φύλου» σε «βιονικό φύλλο»: στην εργασία που παρουσίασε στις 9 Φεβρουαρίου 2015 η ομάδα των Νοσέρα και Σίλβερ, στο «Proceedings of the National Academy of Sciences» (www.pnas.org/content/112/8/2337.full.pdf), ο συνδυασμός φωτοβολταϊκού, καταλύτη και ενός γενετικά τροποποιημένου βακτηρίου Ralstonia eutropha παρήγαγε 216 χιλιοστόγραμμα ισοπροπανόλης από ένα λίτρο νερού. Σημειώστε ότι η ισοπροπανόλη (C₃H₈O) είναι ένα καύσιμο εξίσου καλό με την αιθανόλη ή τη βενζίνη.

Η πειραματική διάταξη του βιονικού φύλλου περιελάμβανε ένα σφραγισμένο γυάλινο βάζο με νερό, που εμπεριείχε διοξείδιο του άνθρακα, υδρογόνο και το εν λόγω βακτήριο. Η απλή περιοδική ανάδευση του βάζου έκανε το πεινασμένο βακτήριο να αρχίσει να τρέφεται άμεσα με υδρογόνο. Τα πολλαπλασιασμένα βακτήρια που προέκυψαν βρέθηκαν σε ένα βάζο παρέα με τον καταλύτη διάσπασης του νερού και ένα ηλεκτρόδιο από ανοξείδωτο χάλυβα που είχε συνδεθεί σε μια φωτοβολταϊκή διάταξη. Επειτα από λίγες ημέρες το «βιονικό φύλλο» άρχισε να εκπέμπει φως και να παράγει ισοπροπανόλη.

Ποσοτικά η τεχνητή αυτή φωτοσύνθεση είναι απίστευτα αποδοτική, καθ’ όσον αξιοποιεί ως και το 80% του προσλαμβανόμενου ηλιακού φωτός, όταν η φωτοσύνθεση των φυτών αξιοποιεί μόλις το 1%. Ποιοτικά όμως εκείνο που αξίζει είναι αυτό που κρύβει μέσα της: η αντιστροφή της καύσης. Δηλαδή το ότι μέσω ηλιακού φωτός και βακτηρίων μπορούμε να πάρουμε το μέγιστο κατάλοιπο των καύσεων παγκοσμίως, το διοξείδιο του άνθρακα, και να το ξανακάνουμε καύσιμο! Και σε όλο αυτό το απόθεμα απόβλητου άνθρακα ως πρώτη ύλη θα πρέπει να προσθέσουμε τον εκατονταπλάσιο άνθρακα που παράγει κάθε έτος ο πλανήτης, από τη φυσική φωτοσύνθεση των φυτών.

Τελικά όλα δείχνουν ότι η επόμενη βιομηχανική επανάσταση μόλις ξεκίνησε. Μόνο που αντί για το πετρέλαιο ως κινητήριο δύναμη θα έχει πλέον την ανακυκλούμενη φωτοσύνθεση και φωτοαποσύνθεση, μέσω ηλεκτροβιολογικών κυκλωμάτων. Ο κύκλος, επιτέλους, θα κλείσει.