אנרגיה סולארית בטבע
30/08/2023
פוטוסינתזה היא מהתהליכים החשובים בטבע, מכיוון שהיא מאפשרת המרה של אנרגיה סולארית לאנרגיה כימית, שבתורה הופכת לבסוף למזון עבור היצורים הפוטוסינתטיים. עבודות חדשות שופכות אור על האופן שבו קליטה והעברה של האנרגיה הסולארית מתרחשות בטבע באופן יעיל, ונותנות השראה לתכנון תאים סולאריים עמידים ויעילים יותר.
מאת ד"ר דביר הריס, בשיתוף עמותת סיינס אברוד
פוטוסינתזה היא המנגנון שבאמצעותו יצורים שונים בטבע, לדוגמה צמחים, אצות וחיידקים, משתמשים באנרגיית השמש לייצור מזון המאפשר את קיומם. אנרגיית השמש גורמת לפירוק יעיל של חומר לכמה תוצרים, ובכלל זה גם אלקטרונים חופשיים אשר משמשים ליצירת מולקולות עתירות אנרגיה עבור היצורים הפוטוסינתטיים. חומר המוצא לתהליך הוא לרוב מים, ואחד מתוצריו הוא גז החמצן, המאפשר את קיומנו בעולם [1].
ניתן לחלק את תהליך הפוטוסינתזה לכמה שלבים: קליטת אנרגיית השמש, העברת אנרגיית השמש למקום שבו נעשה בה שימוש, זרימת אלקטרונים כתוצאה משימוש באנרגיית השמש, ולבסוף – הפיכת האלקטרונים למולקולות עתירות אנרגיה. אומנם ריבוי השלבים בתהליך מגביל את הניצולת הכוללת שלו, אבל ידוע שיעילותם של שני השלבים הראשונים בתהליך, קרי קליטת האנרגיה הסולארית והעברתה, עולה על 95% [2]. פיענוח האופן שבו היצורים הפוטוסינתטיים בונים מערכות כה יעילות לקליטה והעברה של אנרגיית השמש הוא אמצעי חשוב לתכנון בהשראת הטבע של מערכות מעשה ידי אדם להמרה יעילה של אנרגיה סולארית.
בטבע המערכות להמרת אנרגיה סולארית מבוססות על חלבונים, אשר משמשים מעין שלד מבני מתוחכם, שבו משובצות מולקולות קטנות אשר יכולות לקלוט אנרגיה ולהעבירה ביניהן, דוגמת מולקולת הכלורופיל. רוב החלבונים הפוטוסינתטיים נמצאים בקרום שומני בתוך התא, אשר נקרא 'הממברנה הפוטוסינתטית'. החלבונים שתפקידם לקלוט ולהעביר אנרגיה נקראים 'חלבוני אנטנה', שכן בהם נקלטים הפוטונים מהשמש. החלבונים שאחראים להפיכת האנרגיה הסולארית לזרם אלקטרונים נקראים 'חלבוני מרכז ריאקציה', מכיוון שבהם מתרחשת הריאקציה הכימית [3].
בשני מחקרים חדשים [4, 5] בהובלת כותב הפוסט, ד"ר דביר הריס מ-MIT, שהתפרסמו לאחרונה בכתבי העת היוקרתיים Nature Communications ו-PNAS, התבררו שני נושאים משמעותיים לבניית מערכת יעילה שכזו: איך לתכנן מערכת שתוכל להעביר אנרגיה למרחקים ארוכים, ואיך לתכנן מערכת שתהיה מסוגלת להתמודד עם שינויים במיקום היחסי של המולקולות שמעבירות אנרגיה זו לזו.
כדי להבין איך לתכנן מערכת כזאת, עלינו להבין כיצד המבנה התלת-ממדי של המערכת משפיע על התפקוד שלה. לכן, בשני המחקרים נעשה שימוש בטכניקות שאפשרו לנו גם לפתור את המבנה המרחבי של החלבונים השונים במערכת וגם לחקור את אופן מעבר האנרגיה בין חלקי המערכת השונים.
בעבודה הראשונה [4] בודדנו שני חלבוני אנטנה מחיידק פוטוסינתטי ממערכת החיידקים הסגולים [6]. לאחר בידוד החלבונים עשינו שימוש בננו-דיסק, המהווה מערכת ממברנלית קטנה, שניתן לשלוט על גודלה ברמה הננומטרית וגם להכניס לתוכה חלבונים ממברנליים. על ידי שליטה בגודל הדיסק הצלחנו לכפות על האנטנות להתארגן במרחקים שונים זו מזו, וכך גם לכפות מרחקים שונים בין מולקולות הכלורופיל המשובצות באנטנות.
התארגנות לא אחידה של חלבוני אנטנה נצפתה בעבר בממברנות שלמות, אך בשל הכמות העצומה שלהם בממברנה והשונות הרבה ביניהם היה קשה מאוד למדוד את קצב מעבר האנרגיה בין צמדי חלבונים ולקבוע מהי התלות בין המרחק שבין החלבונים לבין הזמן הדרוש לאנרגיה כדי לעבור מאחד לשני.
באמצעות השימוש בננו-דיסק יכולנו לבודד ולאפיין את אופן התארגנות החלבונים בעזרת מיקרוסקופיית אלקטרונים בטמפרטורה נמוכה, והשתמשנו בלייזר בעל יכולת אבחנה מהירה מאוד כדי לקבוע את קצב מעבר האנרגיה ביניהם באופני התארגנות שונים. בנוסף, ערכנו חישוב מתמטי שהראה כי סידור אקראי של החלבונים בממברנה מאפשר מעבר אנרגיה לטווח ארוך יותר בהשוואה למערכת לא אקראית, ובכך המחשנו שבמערכות "מבולגנות" יותר, שבהן הייתה שונות רבה יותר במרחקים בין חלקי המערכת השונים, קצב העברת האנרגיה היה מהיר יותר. כדי להשיג ניצול יעיל של אנרגיה, השאיפה היא להעביר את האנרגיה בין חלבוני האנטנה למרחק ארוך ככל האפשר (כלומר במהירות הגבוהה ביותר), כך שהאנרגיה תגיע אל חלבוני מרכז הריאקציה, לביצוע התגובה הכימית.
בעבודה השנייה [5] בודדנו מערכת שלמה של חלבוני אנטנה המחוברים למרכז ריאקציה פוטוסינתטית מחיידק שנקרא ציאנובקטריה (אצה כחולית), שנחשב לאחד היצורים הראשונים שהיו מסוגלים לבצע פוטוסינתזה פולטת חמצן [6]. השאלה שניסינו לפתור היא כיצד יעילות המערכת כה גבוהה למרות השינויים בהתארגנות של חלבוני האנטנה ביחס לחלבוני מרכז הריאקציה. השתמשנו במיקרוסקופיית אלקטרונים בטמפרטורה נמוכה כדי לפענח את המבנה של המערכת, ואף הצלחנו לזהות את טווח המיקומים האפשריים של חלבוני האנטנה ביחס לחלבוני מרכז הריאקציה. הפעם השתמשנו בספקטרוסקופיה מסוג שונה, ספקטרוסקופיית מולקולות בודדות, אשר מאפשרת לקבל אות ממולקולה בודדת בכל פעם, ובכך מאפשרת לאפיין את השונות בין מולקולות בדוגמה גם ברמת התפקוד.
למרות השונות שנצפתה בהתארגנות המבנית, המערכת הראתה מעבר אנרגיה יעיל מאוד מהאנטנה למרכז הריאקציה בכל המקרים. כדי ליישב את הסתירה חישבנו כיצד הדבר אפשרי, ומצאנו כי בעוד המערכת עוברת שינויי מבנה משמעותיים, המיקומים הספציפיים של מולקולות הכלורופיל במערכת מאפשרים כמה מסלולים אלטרנטיביים שבהם האנרגיה יכולה לעבור מהאנטנה למרכז הריאקציה, שבאים לידי ביטוי באופן שונה, כתלות בשינויי המבנה של המערכת.
לעומת פאנל סולארי עשוי חומר קשיח, שכמעט ואינו משנה את המבנה המולקולרי שלו, במערכות הפוטוסינתטיות הטבעיות, המבוססות על חלבונים שטבועים בממברנה שומנית דקה וגמישה, החלבונים עצמם אינם מקובעים במקומם והם יכולים לנוע בחופשיות על גבי הקרום. למעשה, ריבוי המסלולים מקנה יציבות אנרגטית אל מול השינויים הבלתי נמנעים בטמפרטורות שבהן החיים מתקיימים.
הממצאים משתי העבודות מקנים לנו עקרונות עבודה לתכנון מערכות, לדוגמה תאים סולאריים להפקת חשמל או כבלים אופטיים להעברת נתונים, שיוכלו לקלוט אנרגיה ולהעבירה למרחקים ארוכים תוך כדי מזעור כמות האנרגיה שדולפת מהמערכת כתוצאה משינויים בלתי נמנעים בתפקוד עם השתנות טמפרטורת הסביבה.
ד"ר דביר הריס הוא פוסט־דוקטורנט בפקולטה לכימיה במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT), וחוקר בהנחייתה של פרופ' גבריאלה שלאו-כהן. הוא השלים את לימודי הדוקטורט שלו, בהנחייתו של פרופ' נעם אדיר, במסלול האנרגיה בפקולטה לכימיה בטכניון. מחקרו של ד"ר הריס מתמקד בהבנת מנגנוני קליטת השמש על ידי יצורים פוטוסינתטיים ובהשמה של עקרונות מנגנונים אלו בפיתוחים יישומיים לשימוש יעיל באנרגיית השמש.
ארגון המדענים הישראלים בחו"ל ScienceAbroad הוא ארגון ללא כוונות רווח, הפועל מאז 2006 לשמירת קשר עם חוקרים ישראלים בעולם והשבת המוחות לישראל. ScienceAbroad הוא קהילה בינלאומית עבור יותר מ־4,500 חוקרים ישראלים ב־300 קמפוסים ברחבי העולם. הארגון מפעיל 30 מרכזים בצפון אמריקה, אירופה ואוסטרליה וחמישה תחומים מקוונים המנוהלים על ידי מדענים מתנדבים. הארגון מעניק כלים, מפתח קשרים ופותח דלתות למדענים ישראלים המבקשים לשוב לישראל על מנת שיביאו עימם את הידע, הכישרון, הניסיון והקשרים שצברו לאקדמיה ולתעשייה כמנוע צמיחה לישראל.
עריכה: סמדר רבן
מקורות והרחבות
[1] מאמר סקירה שמציג את עקרונות הפוטוסינתזה
[2] מאמר סקירה שמתאר את יעילות הקליטה וההעברה של אנרגיה סולארית במערכות פוטוסינתטיות
[3] מאמר סקירה שמסביר על החלקים השונים של מנגנון הפוטוסינתזה
[5] מאמר המחקר בהובלת ד"ר הריס שהראה כיצד קומפלקסים פוטוסינתטיים שומרים על יציבות אנרגטית גבוהה
