האמצעי: ללמד את הצמחים לפעול ביעילות * האם בני-האדם יכולים ללמד את הצמחים כיצד לשפר את תהליך הפוטו-סינתזה?
ייתכן כי הפתרון למשבר האנרגיה מצוי ממש מעבר לחלון – בצמחים. הם יצרני המזון וממירי האנרגיה, והם גם האחראים על האיזון האקולוגי באמצעות ויסות הרכב הגזים באטמוספירה. הצמחים המציאו “תאים פוטו-וולטאיים” – אשר מסוגלים לקלוט את אנרגיית השמש ולהמיר אותה בחומר עתיר אנרגיה, שבו הם משתמשים כבדלק – כחלק מהתהליך הקרוי פוטוסינתזה. כמות הפחמן הדו-חמצני השנתית שהצמחים קולטים לצורך תהליך זה עומדת על 300 מיליארד טונות – פי 10 מכל הפחמן הדו-חמצני שמייצר האדם בשנה. מנגנוני הפוטוסינתזה עשויים, אם כן, להוות מפתח לניצול יעיל יותר של המשאבים הטבעיים העומדים לרשותנו, למשל להגברת קצב הצמיחה של גידולים חקלאיים ושל צמחים המשמשים כדלק ביולוגי, כמו אצות. המגבלה העיקרית נעוצה בעובדה שאפילו הצמחים – שהמציאו את התהליך ושיכללו אותו במהלך מיליוני שנות אבולוציה – הגיעו כבר מזמן לקצה גבול יכולתם.
הפוטוסינתזה היא תהליך שאינו ממצה את הפוטנציאל הטמון באנרגיית השמש.
האם בני-האדם יכולים ללמד את הצמחים כיצד לשפר את תהליך הפוטו-סינתזה?
מחקר של ד”ר רון מילוא וחברי קבוצתו, ארן בר-אבן ואלעד נור מהמחלקה למדעי הצמח במכון ויצמן למדע, שהתפרסם באחרונה בכתב-העת המדעי “רשומות האקדמיה האמריקאית למדעים” (PNAS), רומז כי התשובה לכך עשויה להיות חיובית. ד”ר מילוא משתמש בכלים ובגישות מתחום הביולוגיה המערכתית כדי לחקור היבטים כמותיים של תהליך הפוטוסינתזה במטרה לייעל אותם. עבודתו משלבת שיטות חישוביות-תיאורטיות עם שיטות ניסיוניות, במטרה “לפרק” את המכונה הפוטוסינתטית לרכיביה – אנזימים שנוצרו והותאמו לתפקידם בתהליך אבולוציוני שנמשך מיליוני שנים. באופן זה הוא מקווה ליצור שילובים יעילים יותר של הרכיבים השונים של התהליך.
כיצד פועלת המכונה? הצמחים יודעים לקחת אטומי פחמן אי-אורגני המצויים באטמוספירה בצורת גז פחמן דו-חמצני, ולהעביר אותם אל עולם החיים בכך שהם מייצרים מהם מולקולות סוכר – תהליך הקרוי “קיבוע פחמן”. המולקולה הפחמנית הראשונית שהם מייצרים מהווה אבן בניין בסיסית לחומרים רבים אחרים, ובנוסף, היא מתפקדת גם כ”סוללה” אוגרת אנרגיה. ייצור הסוכר ממולקולות של פחמן דו-חמצני נעשה באמצעות רצף מעגלי של תהליכים אנזימטיים הקרוי “מעגל קלווין”. קיימים גם חיידקים אשר יודעים לקבע פחמן בכששה מסלולים אחרים.
המחקר של ד”ר מילוא וחברי קבוצתו בדק אפשרות שימוש בהרכבים של אנזימים שונים, מתוך מאגר של 5,000 אנזימים מוכרים למדע, והשתמש בהם כברכיבים שאפשר “לגזור ולהדביק” כדי ליצור את המעגל המהיר ביותר (בדומה לאופן בו מחברים רכיבים אלקטרוניים כדי ליצור את המעגל החשמלי המוצלח ביותר). האלגוריתם הממוחשב שפיתחו סורק את כל השילובים האפשריים, כשהוא מתחיל באנזימי המפתח שלוכדים את הפחמן מהאטמוספירה,ומתקדם לאורך השלבים של ייצור מולקולת הסוכר. באופן זה הצליחו המדענים לגלות מערכת תיאורטית שיעילותה עולה פי שניים עד שלושה על זו של הפוטוסינתזה הטבעית. כיום הם עושים ניסיונות ראשונים לייצר את המערכת בפועל, ולבחון את יעילותה במבחנה. ד”ר מילוא: “ממצאים אלה עשויים לפתוח נתיב חדש להתמודדות עם האתגר שבהגדלת ייצור המזון ומקורות האנרגיה המתחדשת, באמצעות שיטות ביו-הנדסיות”.
מדע במספרים
כמה תאים מצויים בעור של בן-אדם? ומכמה תאי עצב מורכבת קליפת המוח? מהו גודלם של התאים בריאה? נתונים כאלה חשובים לא רק לאספנים של עובדות טריוויה, אלא בעיקר לביולוגים, שבשנים האחרונות נדרשים יותר ויותר “לדבר במספרים”. המחקר הכמותי בתחומי מדעי החיים הביולוגיה הולך וכובש לו מקום מרכזי בעולם המחקר האיכותי. עם זאת, הנתונים המספריים הדרושים למדענים לצורך עבודתם מפוזרים במקורות שונים, והנגישות אליהם מסובכת ומחייבת השקעת זמן רב. ד”ר רון מילוא, שנתקל בקשיים האלה במחקרו הבתר-דוקטוריאלי באוניברסיטת הרווארד, יזם והקים יחד עם עמיתיו, פול יורגנסן ומייק ספרינגר, את האתר Bio Numbers, אשר מרכז נתונים כמותיים הדרושים למדענים. באתר משתמשים מדי חודש יותר מ-3,000 מדענים ותלמידי מחקר מכ-50 מדינות, והוא כולל קרוב ל-5,000 נתונים מספריים על יותר מ-200 בעלי-חיים, צמחים וחיידקים שונים.
אישי
רון מילוא נולד בחיפה בשנת 1975, והתחיל את הקריירה המדעית שלו כבר בגיל 15, כאשר זכה באולימפיאדה הארצית לפיסיקה בשנת 1990. כתלמיד בבית-ספר תיכון השתתף בסדנאותדה-שליט במכון ויצמן למדע, ובשנת 1992 נבחר להשתתף במשלחת מדענים צעירים לכנס בין-לאומי בלונדון. בשנת 1996
קיבל תואר ראשון בהצטיינות בפיסיקה ובמתמטיקה מהאוניברסיטה העברית בירושלים במסגרת תוכנית תלפיות, וכעבור שלוש שנים קיבל תואר שני בהנדסת חשמל מאוניברסיטת תל אביב. לאחר מכן המשיך ללימודי תואר שלישי במעבדתו של פרופ’ אורי אלון במכון ויצמן למדע. בשנת 2005 קיבל תואר דוקטור, ולאחר מכן ביצע מחקרים בתר-דוקטוריאליים במכון ויצמן למדע ובאוניברסיטת הרווארד. בשנת 2008 הצטרף למחלקה למדעי הצמח במכון.
ד”ר מילוא נשוי להילה, ואב לשתי בנות, גפן בת חמש ויערה בת שנתיים. את עיקר זמנו הפנוי הוא מקדיש לטיולים בארץ ולנגינה במפוחית.
13 תגובות
לאהוד, תודה על ההסבר הממצה לגבי כורים דור iv
לגבי כורים דור IV (הכתוב בתגובה 9 הוא טעות הקלדה) הללו הם כורים שנמצאים כרגע בפיתוח. הכורים הללו הם כורים מהירים בהם הניטרונים כמעט ואינם מואטים אחרי הביקוע. עובדה זו מייחדת אותם מדורי הכורים הקודמים. כורים דור IV אמורים לתת מענה לבעיות הבאות: ניצול החומר הבקיע. כיום בכורים מנוצל אחוז קטן מהחומר הבקיע בדלק הכורים. האחוז הזה אמור לגדול באופן משמעותי בכורים דור IV. חומרי פסולת הגרעינית. בדלק המשומש של כורי כוח כיום ישנם הרבה איזוטפיים רדיו-אקטיבבים בעלי זמני מחצית חיים ארוכה, הניטרונים המהירים בכורים דור IV אמורים לשרוף(גרעינית) את תוצרי הביקוע ולהפוך את הפסולת לפחות בעייתית.מוטות הדלק המשומש בכורים דור IV לא יאפשרו ניצול שלהם להפקת פלוטוניום ובנוסף לכל זאת הם אמורים להיות בטוחים כמעט לחלוטין גם לגבי כל טעויות האנוש שיתכן ויתרחשו.
לאהוד, אשמח ללמוד מה המייחד את הכורים דור VI לעומת דורות ישנים יותר?
נכון שהשמש היא המקור לרוב האנרגיה הזמינה לנו אבל אין זה אומר דבר על מה הוא מקור האנרגיה העדיף.ההנחה כי אנרגיה סולרית היא עדיפה כי מקורה בשמש דומה לטענה כי מקור השטרות במדינה ולכן עלינו לצפות להרוויח כסף ישיירות מהמדינה. דבר שברוב המקרים לא מוכח כיעיל…
השאלות הרלוונטיות לגבי אנרגיה הן: עלות מקור האנרגיה, דלק פוסילי,גז, אורניום או מקורות אנרגיה חינמיים: שמש, רוח, גיאותרמיים. המחירים של מקורות האנרגיה משתנים בהתאם להיצע. הנצילות או כמה אנרגיה ניתן להפיק ממקור אנרגיה . לגבי הנצילות יש מגבלות פיסיקליות כלליות למשל לגבי תאים סולריים יש מגבלה של נצילות תיאורטית העומדת על כ-40%, כיום רחוקים מאד מגבול זה. ישנה השאלה לגבי הנצילות כיום, דבר שיכול להשתנות עם הטכנולוגיה אבל לוקח זמן יחסית רב. עלות המכשירים או המפעלים המפיקים אנרגיה ממקורות האנרגיה. פסולת ופנוי פסולת, שאלה משמעותית ביותר לגבי כורים גרעיניים. תחזוקה שוטפת שהיא בעיה עבור תאים סולריים שיש לנקות אותם מאבק. בטיחות שהיא במיוחד שאלת הרת גורל לגבי כורים גרעיניים. בנוסף יש לנסות להעריך כמה זמן נוכל לנצל מקור אנרגיה זו ומה הסיכוי לכך (ישנם מחשבות על כורי היתוך שלא ברור אם ניתן ליישמן).
בשורה התחתונה הבשלות של הטכנולוגיה כיום בהקשר של ניצול מקור אנרגיה היא חשובה ביותר ולכן
לטעמי כפי שכבר ציינתי מספר פעמים מקור האנרגיה העדיף היא אנרגיה גרעינית במיוחד עם התוכניות לכורים דור VI.
מאמר מעניין מאוד. אך גם בשיטה זו יכולים להיות חסרונות משמעותיים בפן הסביבתי. אחת מהן הוזכרה במאמר עצמו והיא ההשפעה של הגידול המואץ על מאזן הפחמן באוטמוספירה, אחרת הוזכרה במאמר אחר שהתפרסם כאן ונגע לשימוש בדשנים ומאזן החנקן בעולם.
אנונימי (5):
לא טענתי שיש מקורות שאינם מן השמש. להיפך. אני תמיד טוען שהשמש היא המקור לכל האנרגיה הזמינה לנו. אתה יכול לראות זאת, למשל, בתגובתי זו:
https://www.hayadan.org.il/new-solar-energy-conversion-process-1308108/#comment-274777
בתגובה הנוכחית ניסיתי לכוון ישירות לדברי רענן ולכן התייחסתי לתעשייה בנפרד.
אמנם גם האנרגיה המשמשת אותנו בתעשייה מגיעה ברובה מן השמש אבל קיומה אינו מעיד על כמות האנרגיה המגיעה מן השמש באופן שוטף אלא רק על כמות האנרגיה שנצברה במשך מיליארדי השנים שבהן כדור הארץ כבר היה קיים והאדם עדיין לא בזבז אותו.
אנונימי (6):
זה שיש בשמש המון אנרגיה אינו אומר דבר על כך שמספיק ממנה זמין לאדם. את התשובה לשאלה זו יש לבסס על החלק מאותה אנרגיה שמגיע לכדור הארץ.
למרבה המזל – חלק זה גדול די והותר כדי לספק את כל צרכינו.
אגב – הרוב המכריע של האנרגיה הנפלטת מן השמש כלל לא מגיע לשום פלנטה.
רענן
בשמש יש כל כך הרבה אנרגיה, שלא רק שהיא משפיעה על כל כדה’א, גם נותר לה הרבה אנרגיה לפלנטות אחרות.
למיכאל,
איזה מקור אנרגיה רציני, למעט ממקור רדיואקטיבי, איננו מהשמש? גם נפט זה חומר אורגני שבשעתו קובע בעזרת השמש (ומעט מאוד בכמוסינתיזה – בעיקר פוטוסינתיזה).
אנרגיות רוח וגלים גם הן בעקיפין קשורות בשמש (ובירח).
עיקר האנרגיה, שהיא אנרגיה של מחצבים או אנרגיה פוסילית ביידיש, מקורה בקיבוע על ידי השמש.
לרענן,
הגישה שלך בהודעתך הראשונה שגויה, לדעתי: זה שגאדג’ט כזה או אחר לא הומצא עדין לא אומר שהוא לא יכול להתקיים. אבולוציה היא עניין שמשתנה כל הזמן ובהחלט יכול להיות שתהליכים שכיום אינם יעילים יקבלו תפניות שונות ומשונות בעתיד. מה שהחבר’ה הטובים הללו עושים במעבדה זו אבולוציה מואצת עם תכנון. לא נתווכח על המשפט האחרון שלי – יש בו יותר מדי מטען דתי. הרעיון הוא שא. לא כל מה שקיים הוא היעיל ביותר וב. אין סיבה שמשהו יותר יעיל ייווצר, בן אם על ידי הטבע או ע”י האדם במעבדה.
בברכת חברים,
עמי בכר
רענן:
איזו חשיבות יש לאופן ה”ישיר”? האם האופן ה”ירקוד” לא טוב?
העניין הוא שיש מספיק אנרגיה שמגיעה מן השמש.
אני מדבר על האופן הישיר.
רענן:
אתה מדבר ברצינות?
כל האנרגיה שמשמשת את כל בני האדם ואת כל החיות (למחיה – לא לתעשייה) מגיעה מן השמש.
אמנם לא באופן ישיר – אבל דרך מה שהם אוכלים.
אם היה אפשר לקבל מספיק אנרגיה מהשמש לא היו נוצרים בני אדם שאוכלים, אלא בני אדם שמשתזפים. אנרגיה סולרית מספיקה אולי אם אתה צמח פאסיבי. זה לא שלא צריך לפתח את התחום הסולארי רק שאין סיכוי שהוא יוכל להיות תחליף לנפט, צריך להתמקד באנרגיה גרעינית.