Hvorfor intelligent design kan bidra til å utvikle rene, grønne energiløsninger
Emily Reeves; 30. september 2021 Oversatt herfra

Bilde 1. Vindmølle og solpanel

Hvis naturen er designet og ikke et produkt av ikke-styrte tilfeldige prosesser, kan den vise optimale grønne energiløsninger for økosystembegrensninger. Som jeg vil foreslå i dette og to følgende innlegg, kan og bør slike løsninger informere moderne energidesign.
Naturen, spesielt fotosyntese, har blitt kritisert for å være ineffektiv. Hvorfor? Fordi den antas å være et produkt av en tankeløs evolusjonsprosess:
-Planter er mindre effektive til å fange opp energien i sollys enn solceller, hovedsakelig fordi de har for mye evolusjonær bagasje. MSU I DAG
-Den relativt lave effektiviteten til naturlig fotosyntese kan delvis skyldes "biokjemi arven "-fotosyntetiske organismene som er arvet fra tidligere ikke-fotosyntetiske organismer som brukte biokjemiske veier med redokskofaktorer som ikke var optimalt tilpasset fotokjemiske prosesser. BLANKENSHIP ET AL. 2011

Men kanskje disse utsagnene er kortsiktige, og unnlater å erkjenne at effektivitet kan være en avveining for bærekraft og helsen til økosystemet som helhet.
Mens naturens organiske materialer ikke utkonkurrerer sine uorganiske halvleder-motstykker når det gjelder solfangst, har planter fortsatt overtaket med hensyn til fiksering. (Cestellos-Blanco et al. 2020) Selv om fotosyntesen ikke er like effektiv som visse solceller, fikserer heller ikke solceller samtidig karbon og splitter H2O til oksygen - to kritiske kjemiske reaksjoner for økosystembalansen. Dessuten er solceller heller ikke biologisk nedbrytbare og selvreplikerende. Derfor, ettersom verden forsøker bedre å forstå økosystemparametere og balansen, er det på tide å igjen se det intelligente designet som kan oppdages i naturen, som et utgangspunkt. (Cestellos-Blanco et al. 2020)

Gruveenergi
Når det gjelder energi, må biologi og ingeniører løse det samme problemet. Energi må utvinnes og styres, for å kunne utføre arbeid og skape orden. Begge står overfor et sett med vanlige begrensninger som deres design må fungere innenfor (dvs. gravitasjon, entropi, friksjon og kjernekraften). Mens begge har energiutvinningsløsninger for å gjøre nyttig arbeid, ser det ut til at naturens mekanismer står for begrensninger på økosystemnivå, mens løsningene til ingeniører har dekket energibehovet ved å ta hensyn til økosystembalansen. Dette har blitt oversett inntil nylig. En del av skylden kan være mangel på krysstale mellom biologi og ingeniørfag i tillegg til å se på naturens energivedlikehold og balanse som et resultat av en tankeløs prosess, i stedet for intelligent design.
Å oppnå bærekraftig energi krever først og fremst å forstå hvor energien kommer fra. Jeg kommer til det emnet under her.

Naturens energiutvinning er avhengig av molekylært design
Emily Reeves; 1. oktober 2021 Oversatt herfra

Bilde 2. Kloroplast(er)

Ovenfor begynte jeg å forklare hvorfor, hvis naturen er designet, at den kan vise til optimale grønne energiløsninger. Her skal vi se på hvordan energiutvinning skjer i den naturlige verden. La oss imidlertid ta et skritt tilbake og først spørre: Hvor kommer energien fra?
I Einsteins berømte ligning er energi relatert til masse og lys.
E = mc^2
Derfor er både materie (kull, tre, sukker) og lys (solskinn, varme) energikilder. Fordi energitransformasjon er så viktig, blir disse forskjellige kildene sortert og kategorisert etter hvorvidt energi har blitt omdannet eller transformert.

Primære og sekundære energikilder
Primære energikilder anses å være energiformer som ikke har blitt transformert av menneskelig ingeniørkunst eller levende organismer. Slike kilder inkluderer fossil energi, kjernekraft og fornybar energi (f.eks. sol, vind og vann). Sekundære energikilder er energiformer som er omdannet fra en primær kilde (elektrisitet, sukker).

Energiomdanning
Planter henter energi fra en primær kilde (sol) og transformerer denne energien til en sekundær kilde (sukker) som andre levende organismer bruker til vekst og reproduksjon. På samme måte forvandler solenergi (fotovoltaikk) en primær kilde (sol) til en sekundær kilde (elektrisitet) som strømmer gjennom kraftledninger og gir mulighet for moderne infrastruktur.
Fordi plantens mekanisme for energitransformasjon (fotosyntese) ikke påvirker bærekraften negativt, er den klassifisert som grønn energitransformasjon. Solceller sies også å produsere grønn energitransformasjon fordi de ikke strømmer ut til atmosfæren. Produksjonen deres er imidlertid ikke nødvendigvis uten miljøpåvirkning, og det nåværende flertallet gjenvinner ikke karbon fra atmosfæren.
Forbrenning av fossilt brensel for å lage elektrisitet er et eksempel på energitransformasjon fra en primærkilde til en sekundærkilde som øker karbonutslipp til atmosfæren uten en kompenserende gjenfangstmekanisme.
Selv om vi sannsynligvis ikke for øyeblikket setter pris på alle mekanismene for økosystembalanse, er det likevel tilrådelig å merke seg at naturens design gjenvinner fra atmosfæren og gjør den til kjemiske bindinger, som driver energibehovet til levende organismer og holder en balanse av karbon i atmosfæren.

Bilde 3. Balansen i økosystemet er sentral

Økosystembalanse
Planter genererer ikke elektrisitet, men de henter likevel energi fra sollys. Planter utvinner lysenergi for å produsere ATP (kjemisk energi), oksygen (viktig for økosystembalansen) og sukker (lagret kjemisk energi). I tillegg fjerner planter fra atmosfæren, og flytter karbonet tilbake til deilige frukter og grønnsaker som vi kan konsumere.
Alt om fotosyntese taler for økosystemdesign, ettersom planter tilfredsstiller behovene til levende organismer ved å gi oksygen og transformert energi (karbohydrater) mens de resirkulerer et avfallsprodukt fra levende organismer () som må balanseres i et økosystem. Mekanismen plantene bruker for å generere disse produktene er nøye konstruert, ned til utformingen av molekyler.

Molekylære maskiner driver fotosyntese
Planter er i stand til å lage disse nyttige produktene for økosystembalanse på grunn av individuelle enheter kalt kloroplaster. Kloroplaster ligner mye på solceller. De inneholder tusenvis av antenner (molekyler spesialdesignet for å absorbere lys) som kan motta fotoner. Når et foton er fanget opp av en antenne, forårsaker det elektroneksitasjon og overføring av et høyenergielektron fra et klorofyllmolekyl til en spesialisert molekylær maskin som bærer elektroner. Dette molekylære leveringssystemet driver det eksiterte elektronet til en annen molekylær maskin som bruker den til å pumpe protoner over en membran. Prosessen ser ut til å være drevet av attraksjonsegenskaper, som er iboende for utformingen av disse makromolekylære maskinene.
Jeg vil her understreke at spesialisert molekylært maskineri er ansvarlig for både elektronfangst og bevegelse. Fysikkens egenskaper (diffusjon, tiltrekning og frastøting) utnyttes også, men i motsetning til med solceller, er ikke utnyttelse av fysiske egenskaper alt som skjer. Det er spesifikke molekyler og dynamiske makromolekylære komplekser designet for å lette elektronfangst og -overføring.

-Biologiske organismer engasjerer en hær av enzymer og reduktive veier for å produsere langkjedede hydrokarboner fra naturlig tilgjengelige bestanddeler inkludert , og . Enzymer og proteiner innenfor cellenes metabolske veier drar nytte av en inngrodd byggekode i genetisk informasjon og repareres og replikeres etter behov. CESTELLOS-BLANCO ET AL. 2020

Bilde 4. Modell av ATP-maskineri

Når protoner pumpes over membranen til kloroplasten, skaper dette spenning som utnyttes av en molekylær maskin for å drive produksjonen av ATP ved hjelp av rotasjonsenergi. For å fylle på det tapte elektronet, stjeler klorofyllmolekylet, i samarbeid med en annen molekylær maskin, tilbake et elektron ved å splitte . Det er denne reaksjonen som til slutt resulterer i at planter puster ut oksygen.

Solceller bruker fysikk, ikke molekylære maskiner
Menneskeskapte solcellepaneler mangler disse spesialiserte molekylære maskinene, i stedet stoler de utelukkende på utnyttelsen av fysikk og materiens egenskaper. Solcellepaneler består hovedsakelig av silisium (sand) i stedet for en molekylær fabrikk. Silisiumet er høyrenset, dopet med spesifikke kjemikalier, og deretter skåret i tynne skiver for å lage silisiumskiver. Skivene har et positivt lag forårsaket av bordoping og et negativt lag forårsaket av fosfordoping. Dette forårsaker polaritet i silisiumplaten. Når et foton av sollys treffer waferen, kan det fortrenge et elektron (negativ ladning) som deretter vil strømme til det positive laget (utnytter en fysisk egenskap). Så bevegelse av elektroner skjer på grunn av egenskapene til materialene, ikke på grunn av dynamiske molekylære maskiner. Resultatet er fortsatt lade-separasjon eller spenning. Men fordi de molekylære aktørene mangler, er det ikke evnen til å gjøre andre kule ting samtidig som å fjerne karbon fra atmosfæren.
Når vi snakker om kule ting, i neste avsnitt skal jeg snakke om den utrolige molekylære maskinen som har mottatt mye urettferdig kritikk, men som er ansvarlig for all gjeldende karbonbalanse. Se under.

Den molekylære maskinen bak karbonbalansen
Emily Reeves; 2. oktober 2021
Oversatt herfra.

Jeg har ovenfor forklart hvorfor, hvis naturen er designet, at den kan vise frem optimale grønne energiløsninger. Nå vil jeg tilby en illustrasjon.
Handlingen med å fjerne karbon fra atmosfæren og gjøre det om til et sukkermolekyl er gjort mulig i planter, av en veldig fancy molekylær maskin kalt rubisco. Til tross for å være unik, har rubisco mottatt mye tyn gjennom årene for å være 'treg'. Mange enzymer behandler tusen molekyler per sekund, men rubisco kan bare behandle tre per sekund. På grunn av dette har den blitt kalt 'treg' og 'notorisk ineffektiv'. (Bathellier et al. 2018) Begrunnelse for disse nedsettende adjektivene eksisterer ikke etter min personlige mening fordi, etter omfattende studier i femti år, har ingen klart å gjøre det bedre. (Bathellier et al. 2018) Jeg vil gjerne foreslå (Bathellier et al. 2018) at dens langsomhet kan skyldes kompleksiteten til den kjemiske reaksjonen. Hvis en eller annen funksjon av rubisco ble droppet, kan dens mekanisme kunne forbedres i visse henseender. Imidlertid vil det nesten helt sikkert være avveininger. Så jeg antyder ikke at rubisco ikke kan optimaliseres for et annet formål, da optimalitet alltid er knyttet til funksjon. Men jeg spår at det med tiden vil bli anerkjent for sin optimalitet, gitt de generelle begrensningene til økosystemet.

Bilde 5. Rubisco

Glem det du har hørt, Rubisco er kul.
Hva rubisco faktisk gjør er komplisert. Rubisco griper et molekyl (mesteparten av tiden) og fester det til en sukkerkjede. (Bathellier et al. 2018) Rubisco tar deretter den forlengede karbonkjeden og klipper den, og produserer dermed to identiske fosfoglyseratmolekyler. (PDB-101 Månedens molekyl) å lage identiske molekyler er fordelaktig fordi det da kun kreves et enkelt sett med enzymer resten av veien. I tillegg er fosfoglyserat et svært kjent molekyl for cellen. De fleste av molekylene vil bli ført tilbake til karbonfikseringssyklusen, men noen av dem vil også bli filtrert vekk, for å produsere sukker. Hver matbit du noen gang har tatt er direkte eller indirekte et resultat av dette fantastiske enzymet.

Bare en annen promiskuøs bireaksjon?
Jeg sa at rubisco tar tak i mesteparten av tiden fordi det av og til tar tak i i stedet. Dermed har vi kommet til paradokset der konkurrerer med rubiscos -bindingssted, og dette har blitt sagt å "initiere en sløsende fotorespiratorisk vei som fører til tap av fiksert karbon." (Satagopan og Spreitzer 2008) Jeg vil gjerne kaste ut en vill idé om at dette kan være en mulig regulatorisk funksjon, designet for å balansere karbon og oksygen i atmosfæren, og bremse rubisco ned hvis oksygen allerede er rikelig tilstede og er knapp. (Galmés et al. 2014) Andre har gitt bedre tekniske forklaringer, og antyder at bindingen av oksygen sannsynligvis er et resultat av et kompromiss mellom kjemiske og metabolske begrensninger:

-Det er mulig at den kjemiske begrensningen pålagt av -inerthet eller -mangel (spesielt i en lav -kontekst) er slik at den observerte spesifisiteten representerer det beste kompromisset som tillater karboksylering med en fysiologisk akseptabel hastighet. Faktisk antyder en nylig katalytisk undersøkelse av Rubisco fra kiselalger, som har karbonkonsentrerende mekanismer, sterkt at når trykket på Kc (tilsynelatende Michaelis konstant for ) avlastes (dvs. når ikke er begrensende), er det et alternativ evolusjonært vei til en bedre spesifisitet ved å undertrykke oksygenaseaktivitet, uten å svekke karboksylaseaktivitet. Derfor er det svært sannsynlig at oksygenaseaktiviteten er et resultat av en avveining: den aktive stedsstrukturen tilpasser seg for å tillate maksimal vridning av enolat og posisjonering for -reaktivitet (ved den rådende molfraksjonen) selv om også kan reagere; alternativt kan det aktive enzymet justere strukturen sin (inkludert Mg2+-koordinasjon) for dramatisk å redusere sannsynligheten for at enolatet danner en triplett og deretter reagerer med , men -reaktiviteten reduseres også. I kinetiske termer påvirker manipulering av oksygenaseaktivitet via geometrien til enolatet selve overgangstilstandene for oksygenering og karboksylering og kan følgelig forventes å endre energibarrieren for - og -tilsetning (og dermed spesifisitet) så vel som 12C/13C-isotopen effekt assosiert med -tilsetning, som observert eksperimentelt. BATHELLIER ET AL. 2018

Bilde 6. Karbon sentral byggesten i livet

Uansett er rubisco intet mindre enn en utrolig design, som bekreftet av dens overflod i økosystemet, ingeniørers manglende evne til å drastisk forbedre den etter femti+ års studier, og dens evne til å trekke ut av atmosfæren og slik balansere atmosfæren. (Bathellier et al. 2018)

Darwinismens tilfeldigheter?
Som jeg har antydet, er planter ikoner for bærekraft. De lager kritiske produkter for andre levende organismer mens de bruker avfallsprodukter - enhver miljøingeniørs drømmedesign. Er disse designene på økosystemnivå bare tilfeldigheter, fra darwinismen? Kan hensynet til økosystembegrensninger virkelig skje uten framsyn?
Dette er viktige spørsmål å vurdere. Et annet nøkkelspørsmål er: Er det mulig at fordi vi har kalt rubisco 'treg', at vi har gått glipp av visdommen i designet? Kanskje prioriterer vi effektivitet fremfor bærekraft feil. Ville dette ha skjedd hvis vi hadde mer respekt for det intelligente designet i naturen for ren, grønn energi?

Kilder:
Bathellier, Camille, Guillaume Tcherkez, George H. Lorimer, and Graham D. Farquhar. 2018. "Rubisco Is Not Really so Bad." Plant, Cell & Environment.
Blankenship, Robert E., David M. Tiede, James Barber, Gary W. Brudvig, Graham Fleming, Maria Ghirardi, M. R. Gunner, et al. 2011. "Comparing Photosynthetic and Photovoltaic Efficiencies and Recognizing the Potential for Improvement." Science 332 (6031): 805-9.
Cestellos-Blanco, Stefano, Hao Zhang, Ji Min Kim, Yue-Xiao Shen, and Peidong Yang. 2020. "Photosynthetic Semiconductor Biohybrids for Solar-Driven Biocatalysis." Nature Catalysis 3 (3): 245-55.
Galmés, J., M. À. Conesa, A. Díaz-Espejo, A. Mir, J. A. Perdomo, U. Niinemets, and J. Flexas. 2014. "Rubisco Catalytic Properties Optimized for Present and Future Climatic Conditions." Plant Science: An International Journal of Experimental Plant Biology 226 (September): 61-70.
Satagopan, Sriram, and Robert J. Spreitzer. 2008. "Plant-like Substitutions in the Large-Subunit Carboxy Terminus of Chlamydomonas Rubisco Increase / Specificity." BMC Plant Biology 8 (July): 85.

Emily Reeves
Emily Reeves er en biokjemiker, metabolsk ernæringsfysiolog og aspirerende systembiolog. Doktorgradsstudiene hennes ble fullført ved Texas A&M University i biokjemi og biofysikk. Emily er for tiden en aktiv kliniker for metabolsk ernæring og ernæringsgenomikk ved Nutriplexity. Hun liker å identifisere og designe ernæringsintervensjon for subtile medfødte feil i stoffskiftet. Hun jobber også med stipendiater fra Discovery Institute og det større vitenskapelige samfunnet for å fremme integrering av ingeniørvitenskap og biologi. Hun tilbringer helgene sine på eventyr med mannen sin, brygger kombucha og løper i nærheten av Puget Sound.

Bilde 7. Emily Reeves