سقف سخت ۶.۰ درصدی: فیزیک فتوسنتز چگونه تولید جهانی غذا و سوخت زیستی را محدود می‌کند

حداکثر بازدهی نظری فتوسنتز برای پیشرفته‌ترین محصولات کشاورزی دقیقاً روی ۶.۰ درصد قفل شده است؛ این یعنی ۹۴ درصد از انرژی خورشیدی که به یک برگ می‌تابد، برای همیشه در هزارتوی فیزیک و بیوشیمی گم می‌شود. این سقف سخت ترمودینامیکی، دقیقاً دیکته می‌کند که یک هکتار زمین چقدر غذا می‌تواند تولید کند و از نظر ریاضی تضمین می‌کند که محصولات بیولوژیکی هرگز به گرد پای چگالی انرژی پنل‌های خورشیدی تجاری نخواهند رسید.[1][4]

این فرض که طبیعت در طول میلیاردها سال جذب انرژی را به کمال رسانده، از اساس غلط است. تکامل، گیاهان را برای بقا و تولیدمثل در محیط‌های رقابتی و کم‌منابع بهینه‌سازی کرده است، نه برای تولید حداکثر زیست‌توده در یک مزرعه کشاورزی کوددهی‌شده و آبیاری‌شده.

وقتی در سال ۲۰۰۸ پژوهشگران شروع به محاسبه دقیق تلفات انرژی در مسیر فتوسنتز کردند، با سیستمی روبه‌رو شدند که پر از نشت‌های ترمودینامیکی اجتناب‌ناپذیر بود. از ۱۰۰ درصد کل تشعشعات خورشیدی که به یک برگ برخورد می‌کند، تقریباً نیمی از آن پیش از آنکه اصلاً فرآیندی آغاز شود، دور ریخته می‌شود.[1][6]

این هدررفت اولیه به این دلیل رخ می‌دهد که گیاهان تنها قادر به جذب «تشعشعات فعال فتوسنتزی» (PAR) هستند؛ نوار باریکی از طیف الکترومغناطیسی بین ۴۰۰ تا ۷۰۰ نانومتر. نور ماوراء بنفش و مادون قرمز کاملاً نادیده گرفته می‌شوند. همین محدودیت طیفی، بلافاصله ۴۷ درصد از انرژی خورشیدی ورودی را کسر می‌کند.

از ۵۳ درصد باقی‌مانده، ۱۶ درصد دیگر نیز از دست می‌رود، زیرا فوتون‌های خارج از طول موج بهینه، حامل انرژی مازادی هستند که گیاه نمی‌تواند از آن استفاده کند و برای جلوگیری از آسیب سلولی، صرفاً به شکل گرما دفع می‌شود.[1][5]

فیزیکِ بازده کوانتومی، جریمه سنگین بعدی را تحمیل می‌کند. تبدیل دی‌اکسید کربن به گلوکز نیازمند یک توالی دقیق از انتقال الکترون‌هاست. برای تثبیت تنها یک مولکول CO2 به حداقل هشت تا ده فوتون نیاز است. وقتی پژوهشگران هزینه ترمودینامیکی این الزام کوانتومی را محاسبه می‌کنند، می‌بینند که ۲۴ درصد دیگر از انرژی خورشیدی اولیه نیز بر باد می‌رود. تا زمانی که گیاه واقعاً یک کربوهیدرات را سنتز کند، حداکثر بازدهی نظری تبدیل انرژی به ۱۱ درصد سقوط کرده است.[1][3]

سپس زیست‌شناسی از طریق تنفس و تنفس نوری، سهم خود را طلب می‌کند. گیاهان مجبورند بخشی از قندهای تولیدی خود را صرفاً برای حفظ زیرساخت‌های سلولی‌شان بسوزانند؛ یک مالیات متابولیک پایه که حدود یک‌سوم از کل انرژی جذب‌شده آن‌ها را می‌بلعد.

اما ویرانگرتر از آن، نقص موجود در روبیسکو (RuBisCO) است؛ آنزیم اصلی مسئول تثبیت کربن. روبیسکو در اتمسفر باستانی زمین که غنی از دی‌اکسید کربن و فقیر از اکسیژن بود، تکامل یافت. در اتمسفر غنی از اکسیژنِ امروز، این آنزیم غالباً اشتباه می‌کند و به جای CO2، یک مولکول اکسیژن را می‌قاپد.[2][5]

این خطا که به عنوان تنفس نوری شناخته می‌شود، گیاه را مجبور می‌کند تا مقادیر عظیمی از انرژی خود را برای بازیافت محصولات جانبی سمی هدر دهد. برای گیاهان استاندارد C3 - دسته‌ای که شامل گندم، برنج و سویا می‌شود - این باگ بیوشیمیایی، حداکثر بازدهی نظری مطلق آن‌ها را روی ۴.۶ درصد متوقف می‌کند.

گیاهان C4 مانند ذرت و نیشکر، یک پمپ فضایی تخصصی را تکامل داده‌اند تا CO2 را در اطراف روبیسکو متمرکز کرده و خطای اکسیژن‌گیری را سرکوب کنند. اما حتی با این ارتقای تکاملی، مسیر C4 نیز در نهایت به سقف سخت و غیرقابل‌عبور ۶.۰ درصدی برخورد می‌کند.[1][2]

این محدودیت‌های سخت، پیامدهای عمیقی برای گذار جهانی به سمت انرژی‌های تجدیدپذیر دارند. سال‌هاست که سوخت‌های زیستی مایعِ به‌دست‌آمده از ذرت یا علف ترکه، به عنوان جایگزینی بدون کربن برای سوخت‌های فسیلی تبلیغ می‌شوند. با این حال، وقتی مبدل اصلی انرژی در سقف ۶.۰ درصدی کار می‌کند، ریاضیاتِ استفاده از زمین بی‌رحمانه است. تحلیل سال ۲۰۱۲ سرویس تحقیقات کشاورزی وزارت کشاورزی ایالات متحده (USDA ARS) با مقایسه مستقیم جذب انرژی بیولوژیکی با فتوولتائیک‌های مهندسی‌شده، این اختلاف فاحش را عیان کرد.[4][6]

پژوهشگران USDA ARS به این نتیجه رسیدند که «سلول‌های خورشیدی در حال حاضر در تبدیل نور خورشید به انرژی، بسیار کارآمدتر از گیاهان هستند.» در حالی که یک مزرعه علف ترکه به زحمت می‌تواند ۱ درصد از نور سالانه خورشید را به زیست‌توده قابل برداشت تبدیل کند، پنل‌های خورشیدی سیلیکونی تجاری به طور معمول به بازدهی تبدیل ۲۰ تا ۲۲ درصدی دست می‌یابند.

این اختلاف عظیم به این معناست که تولید یک مگاوات برق از طریق سوخت‌های زیستی، در مقایسه با تولید همان یک مگاوات از طریق آرایه خورشیدی، به زمین‌های زراعی بسیار وسیع‌تری نیاز دارد.[4]

استدلال متقابل متخصصان کشاورزی این است که گیاهان اساساً کار متفاوتی نسبت به پنل‌های خورشیدی انجام می‌دهند. یک سلول فتوولتائیک جریان الکتریکی گذرا تولید می‌کند که باید فوراً مصرف شود یا در باتری‌های لیتیوم-یونی گران‌قیمت و پرمصرف ذخیره گردد. اما یک گیاه، ساختار فیزیکی خود را می‌سازد، خود را ترمیم می‌کند و انرژی جذب‌شده‌اش را در پیوندهای شیمیایی متراکم و پایداری ذخیره می‌کند که ماه‌ها بعد قابل برداشت، حمل‌ونقل و مصرف هستند. سقف بازدهی ۶.۰ درصدی، در واقع بهایی است که زیست‌شناسی برای استقلال و ذخیره‌سازی شیمیایی می‌پردازد.[3][6]

با این وجود، در حالی که صنعت سوخت‌های زیستی می‌تواند به سمت انرژی خورشیدی تغییر مسیر دهد، تامین غذای جهانی چنین امکانی ندارد. تا سال ۲۰۵۰، تولیدات کشاورزی باید حدود ۷۰ درصد افزایش یابد تا بتواند جمعیت پیش‌بینی‌شده ۹.۷ میلیارد نفری را تغذیه کند.

انقلاب سبز در دهه ۱۹۶۰ با تغییر نحوه توزیع منابع در گیاهان - پرورش گونه‌های کوتوله گندم و برنج که انرژی بیشتری را به دانه‌ها و انرژی کمتری را به ساقه‌ها اختصاص می‌دادند - به افزایش چشمگیر محصول دست یافت. اما پتانسیل آن استراتژی اکنون تا حد زیادی ته کشیده است.[2][5]

ارقام برتر و مدرن امروزی، تقریباً تمام نور موجود را جذب کرده و حداکثر مقدار ممکن از زیست‌توده را به دانه‌های قابل برداشت اختصاص می‌دهند. همان‌طور که مقاله‌ای در سال ۲۰۱۵ در مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم (PNAS) خاطرنشان کرد: «فتوسنتز تنها فرآیند بیولوژیکی عمده‌ای است که می‌توان آن را برای افزایش پتانسیل عملکرد محصول به طور قابل‌توجهی بهبود بخشید.» اگر علم کشاورزی نمی‌تواند با افزودن کود بیشتر یا تغییر معماری گیاه، اندازه کیک را بزرگ‌تر کند، پس باید بازدهی بنیادین خودِ موتور را تغییر دهد.[2]

اکنون متخصصان ژنتیک فعالانه در تلاشند تا سقف ۶.۰ درصدی را هک کنند. یکی از ابتکارات مهم، دور زدن کامل تنفس نوری است. پژوهشگران با وارد کردن مسیرهای ژنتیکی مصنوعی به محصولات کشاورزی، قصد دارند محصولات جانبی سمیِ ناشی از خطای اکسیژن‌گیری روبیسکو را در داخل کلروپلاست پردازش کنند و گیاه را از هزینه عظیم انرژی برای انتقال این مولکول‌ها در بین بخش‌های سلولی نجات دهند. آزمایش‌های میدانی اولیه روی تنباکو نشان داده است که استفاده از این مسیرهای جایگزین مصنوعی می‌تواند زیست‌توده را تا ۴۰ درصد افزایش دهد.[2][5]

تیم‌های دیگر روی گسترش طیف PAR متمرکز هستند. برخی از سیانوباکتری‌ها و باکتری‌های ارغوانی از اشکال متفاوتی از کلروفیل استفاده می‌کنند که قادر به جذب نور مادون قرمز نزدیک هستند. اگر متخصصان ژنتیک گیاهی بتوانند تاج‌پوش محصولات را برای استفاده از این طول موج‌های گسترده مهندسی کنند، از نظر تئوری می‌توانند سقف ترمودینامیکی را از مرز ۶.۰ درصد فراتر برده و آن ۴۷ درصد از تشعشعات خورشیدی را که در حال حاضر بی‌فایده از روی برگ بازتاب می‌شود، به دام بیندازند.[3][5]

جدول زمانی برای استقرار این محصولات مهندسی‌شده هنوز نامشخص است؛ موانع نظارتی و پیچیدگی‌های تثبیت ژنتیکی، تجاری‌سازی آن‌ها را به دهه ۲۰۳۰ موکول می‌کند. با این حال، ریاضیاتِ تقاضای جهانی برای کالری، جایگزین‌های معدودی باقی می‌گذارد. فیزیک فتوسنتز دیکته می‌کند که کشاورزی سنتی در حال نزدیک شدن به یک دیوار سخت ترمودینامیکی است و عبور از آن، نیازمند بازنویسی معادلات بنیادین انرژی برای حیات روی زمین خواهد بود.[6]