يوفر التمثيل الضوئي بشكل مباشر أو غير مباشر الطاقة لجميع الكائنات الحية تقريبًا على الكوكب. تستخدم جميع النباتات الخضراء والطحالب والكائنات الحية الدقيقة نفس الآلية لإنتاج الجلوكوز من الماء وثاني أكسيد الكربون تحت تأثير أشعة الشمس. ومع ذلك ، فإن كفاءة التمثيل الضوئي منخفضة: في الجلوكوز ومنتجات أخرى من التمثيل الضوئي ، وعادة ما يتم تخزين 1-2 ٪ من الطاقة من الضوء الحادث.
جزئيًا ، التمثيل الضوئي غير فعال بسبب حقيقة أن التمثيل الضوئي ظهر منذ أكثر من ملياري سنة ، عندما لم يكن هناك أكسجين في الغلاف الجوي للأرض. لهذا السبب ، عند تثبيت ثاني أكسيد الكربون ، يرتكب الإنزيم الرئيسي (المسمى RuBisCO) خطأ في حالة واحدة من كل أربع حالات ، وبدلاً من ثاني أكسيد الكربون ، يحدث التفاعل مع الأكسجين. تسمى هذه العملية التنفس بالصور وتقلل من كفاءة التمثيل الضوئي وإنتاجية المحاصيل بمقدار النصف تقريبًا.
هناك عدة طرق للتغلب على التنفس الضوئي. يمكنك إزالة الأكسجين من الجو واستبداله بثاني أكسيد الكربون ، وهو ما تفعله البشرية بحرق الوقود الأحفوري. ومع ذلك ، فإن هذه العملية (بعبارة ملطفة) تؤدي إلى العديد من الآثار الجانبية ولا توفر حلاً كاملاً لمشكلة التنفس الضوئي. الحل الآخر هو استخدام النباتات ، والتي يمكن أن تخلق جوًا غنيًا بالكربون داخل خلايا التمثيل الضوئي وبالتالي تزيد من كفاءتها. هذا هو في المقام الأول الذرة وقصب السكر. ومع ذلك ، لا يمكن تمديد هذه الطريقة لتشمل محاصيل أخرى.
أخيرًا ، يمكنك تجربة التعديل الوراثي للنباتات في المرحلة الأكثر أهمية من التمثيل الضوئي. من الناحية النظرية ، يمكن تصنيع النباتات لإنتاج نسخة محسنة من RuBisCO والتي لن تتفاعل مع الأكسجين. هذا ممكن ، لكننا لم نفهم بعد ما يجب أن تكون عليه هذه النسخة المحسنة: فهمنا لعمل الإنزيمات لا يزال غير كافٍ لتصميم إصداراتهم المحسّنة. يجري الآن الكثير من العمل باستخدام الذكاء الاصطناعى لحل هذه
المشكلة ، لكن من غير الواضح تمامًا كم سيستغرق الأمر.
قام أحد مؤلفي المقال بتجميد النباتات التجريبية باستخدام النيتروجين السائل للتحليل الكيميائي.ولكن هناك طريقة أخرى. في
منشور حديث
صادر عن مجموعة من العلماء من جامعة إلينوي ، أوضحوا كيفية تقليل تكاليف الطاقة للتخلص من آثار التنفس الضوئي عن طريق إدخال جينات جديدة من بكتيريا التمثيل الضوئي في النباتات. في الوقت نفسه ، تتغير المسارات الكيميائية الحيوية الرئيسية في هذه النباتات. حتى الآن ، تم الحصول على زيادة في الكفاءة تبلغ حوالي 13 ٪ ، ولكن هذه ليست سوى البداية. يمكن لهذا النهج العمل على أي نباتات ويؤدي إلى ثورة جديدة في الزراعة.