إذا كان البشر يأملون يومًا في استعمار المريخ، فسيحتاج المستوطنون إلى تصنيع مجموعة كبيرة من المركبات العضوية على كوكب الأرض؛ من الوقود إلى الأدوية وهي مكلفة للغاية لشحنها من الأرض.
ولكن لدى الكيميائيين في جامعة كاليفورنيا، ومختبر لورنس بيركلي الوطني خطة لذلك، فعلى مدى السنوات الثماني الماضية، عمل الباحثون على نظام هجين يجمع بين البكتيريا والأسلاك النانوية التي يمكنها التقاط طاقة ضوء الشمس لتحويل ثاني أكسيد الكربون والماء إلى كتل بناء للجزيئات العضوية. وتلك الأسلاك النانوية عبارة عن أسلاك من السيليكون الرقيق يبلغ عرضها مائة عرض شعر الإنسان، وتستخدم كمكونات إلكترونية، وأيضًا كمستشعرات وخلايا شمسية.
من جهته، قال “بيدونج يانج”؛ رئيس المشروع: “على كوكب المريخ، حوالي 96% من الغلاف الجوي عبارة عن ثاني أكسيد الكربون. كل ما نحتاجه هو أسلاك أشباه الموصلات السليكونية هذه لاستيعاب الطاقة الشمسية ونقلها”.
وأضاف “يانج”: “بالنسبة لمهمة الفضاء البعيد، فإنك تهتم بوزن الحمولة، والأنظمة البيولوجية تتمتع بميزة إعادة إنتاجها ذاتيًا: لست بحاجة إلى إرسال الكثير. ولهذا السبب فإن نسختنا الهجينة الحيوية جذابة للغاية”.
ولانتاج هذا النظام الهجين يتم استخدام جهاز خاص، لالتقاط ثاني أكسيد الكربون من الهواء وتحويله إلى منتجات عضوية مفيدة. بالجانب الأيسر من الجهاز فتوجد به الغرفة التي تحتوي على الهجين من الأسلاك النانوية / البكتيريا التي تقلل من ثاني أكسيد الكربون لتكوين أسيتات. أما على اليمين فتوجد الغرفة التي يتم إنتاج الأكسجين فيها.
وأوضح أن الشرط الآخر الوحيد، إلى جانب ضوء الشمس، هو الماء الذي يوجد بكثرة على سطح المريخ في الأغطية الجليدية القطبية ومن المحتمل أن يكون مجمدًا تحت الأرض فوق معظم الكوكب.
يمكن أن يتولى الهجين الحيوي أيضًا سحب ثاني أكسيد الكربون من الهواء على الأرض لصنع المركبات العضوية ومعالجة تغير المناخ في الوقت نفسه، والذي ينجم عن زيادة ثاني أكسيد الكربون التي ينتجها الإنسان في الغلاف الجوي.
ونشرت مجلة “Joule” نتائج البحث، وهي الإنجاز المهم في تعبئة هذه البكتيريا (Sporomusa ovata) في “غابة من الأسلاك النانوية” لتحقيق كفاءة قياسية؛ حيث يتم تحويل 3.6% من الطاقة الشمسية الواردة وتخزينها في روابط كربونية، على شكل جزيء ثنائي الكربون يسمى أسيتات: حمض الأسيتيك بشكل أساسي أو الخل.
يمكن أن تكون جزيئات الأسيتات بمثابة بناء لمجموعة من الجزيئات العضوية، من الوقود والبلاستيك إلى الأدوية،ويمكن تصنيع العديد من المنتجات العضوية الأخرى من الأسيتات داخل الكائنات المعدلة وراثيًا، مثل البكتيريا أو الخميرة.
ويعمل النظام مثل نظام التمثيل الضوئي، الذي تستخدمه النباتات بشكل طبيعي لتحويل ثاني أكسيد الكربون والماء إلى مركبات الكربون، معظمها من السكر والكربوهيدرات. ومع ذلك، فإن النباتات ذات كفاءة منخفضة إلى حد ما، عادة ما تحول أقل من نصف بالمائة من الطاقة الشمسية إلى مركبات الكربون.
ولكن نظام “يانغ” الجديد مشابه للمصنع الذي يحول ثاني أكسيد الكربون بشكل أفضل إلى سكر: قصب السكر، وهو فعال بنسبة تصل إلى 4 أو 5%.
ويعمل “يانج” أيضًاعلى أنظمة لإنتاج السكريات والكربوهيدرات بكفاءة من أشعة الشمس وثاني أكسيد الكربون، ما قد يوفر الغذاء لمستعمري المريخ.
وعندما أظهر “يانج” وزملاؤه لأول مرة مفاعلهم الهجين للبكتيريا النانوية قبل خمس سنوات، كانت كفاءة التحويل الشمسي حوالي 0.4% فقط، مقارنة بالنباتات، ولكنها لا تزال منخفضة مقارنة بالكفاءة النموذجية بنسبة 20% أو أكثر لألواح السليكون الشمسية التي تحول الضوء على الكهرباء. وكان “يانغ” من أوائل من حولوا الأسلاك النانوية إلى ألواح شمسية، منذ حوالي 15 عامًا.
وحاول الباحثون في البداية زيادة الكفاءة عن طريق تعبئة المزيد من البكتيريا على الأسلاك النانوية، التي تنقل الإلكترونات مباشرة إلى البكتيريا للتفاعل الكيميائي. لكن البكتيريا انفصلت عن الأسلاك النانوية، وكُسرت الدائرة.
ووجد “يانج” وطلابه في نهاية المطاف طريقة للحفاظ على حموضة الماء أكثر قليلًا، لمواجهة تأثير ارتفاع درجة الحموضة نتيجة للإنتاج المستمر للأسيتات. هذا سمح لهم بحزم المزيد من البكتيريا في غابة الأسلاك النانوية، ما رفع الكفاءة تقريبًا بعامل 10؛لذلك، تمكنوا من تشغيل المفاعل، وهو غابة من الأسلاك النانوية المتوازية لمدة أسبوع دون تقشر البكتيريا.
في هذه التجربة بالذات، تم استخدام الأسلاك النانوية كأسلاك موصلة فقط، وليس كامتصاصات شمسية. ومع ذلك، في النظام الواقعي تمتص الأسلاك النانوية الضوء وتولد الإلكترونات وتنقلها إلى البكتيريا المتكتلة على الأسلاك النانوية. تستوعب البكتيريا الإلكترونات، وعلى غرار الطريقة التي تصنع بها النباتات السكريات، تحول جزيئين من ثاني أكسيد الكربون والماء إلى أسيتات وأكسجين.
وقال “يانج”: “هذه الأسلاك السليكونية تلتقط الفوتون الشمسي تمامًا مثل الألواح الشمسية. وداخل هذه الأسلاك السليكونية النانوية، سوف تولد إلكترونات وتغذيها بهذه البكتيريا. ثم تمتص البكتيريا ثاني أكسيد الكربون، وتقوم بالكيمياء وتبصق الأسيتات”.
وقام “يانج” بتعديل النظام بطرق أخرى، على سبيل المثال لتضمين النقاط الكمومية في غشاء البكتيريا نفسها الذي يعمل كألواح شمسية، ويمتص أشعة الشمس ويتجنب الحاجة إلى أسلاك سليكونية نانوية. كما تصنع بكتيريا السايبورج حمض الأسيتيك.
ويواصل المختبر البحث عن طرق لزيادة كفاءة الهجين الحيوي، ويستكشف أيضًا تقنيات هندسة البكتيريا وراثيًا لجعلها أكثر تنوعًا وقادرة على إنتاج مجموعة متنوعة من المركبات العضوية.