Məlumat

Bioloji sistemlərdə məlum olan enerji tutma prosesləri hansılardır?

Bioloji sistemlərdə məlum olan enerji tutma prosesləri hansılardır?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Mən bioloq deyiləm. Mən bilirəm ki, fotosintez Günəşdən elektromaqnit enerjisini tutmaq üçün əsas prosesdir. Bundan əlavə, bəzi bakteriyaların qaynar sudan, digərlərinin isə müəyyən kimyəvi maddələrdən enerji tuta biləcəyini bilirəm.

  1. Bioloji sistemlərdə fotosintezdən başqa hansı enerji tutma prosesləri məlumdur? Mən istinadlar və ya bütün məlum mexanizmlər haqqında yaxşı bir araşdırma axtarıram.

  2. Çoxlu mexanizmlər vasitəsilə enerji tutma (çevirmə) probleminin həllində təkamülün ixtirasının izahı varmı?


  1. Fototrofiyadan başqa, yalnız kemotrofiya (kimyəvi maddələrin redoks reaksiyalarından enerji əldə etmək) və radiotrofiya (qamma şüaları kimi ionlaşdırıcı şüalardan enerji əldə etmək) var. Bununla birlikdə, radiotrofiyanın bu günə qədər yalnız əlavə bir enerji rejimi olduğu və əsas deyil.

  2. Müxtəliflik təkamülün mərkəzi mövzusudur. Maraqlı olardı ki, bütün enerji ilə qidalanma rejimləri üçün, bəlkə də, kemiosmotik enerji yaradan mexanizm (kimyəvi gradientlərdən enerji yaradan ATP-sintaza bənzər sistemlər) vəziyyətinə uyğun olan vahid ümumi mexanizm mövcud idi. Əks halda, orqanizmlər müxtəlif mühitlərdə sağ qalmaq üçün təkamül etdikcə müxtəliflik gözlənilir.


1:

Mən tapa bildiyim yeganə iki enerji mənbəyi (tapa bilmədiyim və ya kəşf etmədiyim başqaları yoxdur) işıq (bitkilər) və "abioloji birləşmələr" (bəzi bakteriyalar)dır.

İstinad

http://link.springer.com/chapter/10.1007%2F10825622_4#page-1

Deyəsən, siz bu kitabı almalısınız, lakin vebsayt sualınızın cavabını özündə əks etdirən önizləmə təqdim edir (birinci abzasda).

2:

Enerji tutmaq üçün çoxlu yolların olmasının ehtimal edilən izahı adaptiv şüalanmadır. Enerji toplamaq üçün fərqli bir üsula sahib olmaq, orqanizmi başqa bir şəkildə boş qalan başqa bir ekoloji yuvaya yerləşdirərdi. Bu, orqanizmin çiçəklənməsinə imkan verir. Məsələn, heterotroflar müxtəlif birləşmələri metabolizə etmək üçün inkişaf etmişdir. Bəziləri əsasən qlükozanı həzm edir, digərləri isə sellülozu, amilozanı, proteini və s.

Əlavə Oxu

http://www.jstor.org/stable/2463047?seq=1#page_scan_tab_contents

https://en.wikipedia.org/wiki/Adaptive_radiation


2.2: Enerji

  • Metyu R. Fisher tərəfindən töhfə
  • Oregon Coast Community College-də fakültə (biologiya).
  • OpenOregon-dan qaynaqlanır

Canlı orqanizmlərin yerinə yetirdiyi faktiki olaraq hər bir iş enerji tələb edir. Bu enerji tələbatını ödəmək üçün hüceyrəyə qida maddələri və digər molekullar idxal edilir. Məsələn, molekulların sintezi və parçalanması, həmçinin molekulların hüceyrəyə daxil və hüceyrədən çıxarılması üçün enerji tələb olunur. Bundan əlavə, qidanın qəbulu və parçalanması, tullantıların və toksinlərin ixracı və hüceyrənin hərəkəti kimi proseslər enerji tələb edir.

Alimlər bu termindən istifadə edirlər bioenergetika hüceyrələr kimi canlı sistemlər vasitəsilə enerji axını anlayışını təsvir etmək. Mürəkkəb molekulların qurulması və parçalanması kimi hüceyrə prosesləri mərhələli kimyəvi reaksiyalar vasitəsilə baş verir. Bu kimyəvi reaksiyaların bəziləri kortəbii olur və enerji buraxır, digərləri isə davam etmək üçün enerji tələb edir. Enerji istehlak edən və ya istehsal edənlər də daxil olmaqla, hüceyrə daxilində baş verən bütün kimyəvi reaksiyalar birlikdə hüceyrənin rsquos adlanır. maddələr mübadiləsi.

Bu enerji haradan və hansı formada gəlir? Canlı hüceyrələr enerjini necə əldə edir və ondan necə istifadə edirlər? Bu bölmədə enerjinin müxtəlif formaları və enerji ötürülməsini idarə edən fiziki qanunlar müzakirə olunacaq.

Şəkil (PageIndex<1>). Nəhayət, əksər həyat formaları enerjini günəşdən alır. Bitkilər günəş işığını tutmaq üçün fotosintezdən istifadə edir, otyeyənlər isə enerji əldə etmək üçün bitkiləri yeyirlər. Ətyeyənlər ot yeyənləri yeyirlər və nəticədə bitki və heyvan materialının parçalanması qida hovuzuna kömək edir.


ENERJİ TƏSİRLERİ

Uyğunlaşmalar

Uyğunlaşmalar orqanizmin yaşadığı mühitdə sağ qalmasına və çoxalmasına kömək edən xüsusiyyətlər və ya etdiyi hərəkətlərdir. Hər bir orqanizmin əsas ehtiyacları vardır, o cümlədən enerji, su və sığınacaq uyğunlaşmaları orqanizmə əsas ehtiyaclarını yaşayış yerindən əldə etməyə imkan verir. Bədən strukturları, davranış xüsusiyyətləri, reproduktiv strategiyalar və fizioloji xüsusiyyətlər uyğunlaşma nümunələridir. Fərqli yaşayış yerləri orqanizmlər üçün müxtəlif problemlər yaradır və uyğunlaşmalar bu problemlərin həlli kimi düşünülə bilər. Məsələn, səhra yaşayış mühitində əhəmiyyətli uyğunlaşmalar heyvana su və enerji saxlamağa imkan verənləri əhatə edir.

Enerji uyğunlaşmaya iki əsas şəkildə təsir edir. Birincisi, bitkilər və heyvanlar yaşamaq üçün enerjiyə ehtiyac duyurlar və uyğunlaşmalar onlara enerji əldə etməyə, istifadə etməyə və bir çox hallarda qənaət etməyə imkan verə bilər. Yalnız bitkilər və heyvanlar yaşamaq üçün lazım olan kimyəvi reaksiyaları təmin etmək üçün çoxlu enerjiyə ehtiyac duymur, həm də bu enerji xüsusilə istehlakçılar üçün məhdud tədarükdə ola bilər. Müvafiq olaraq, müxtəlif növlərdə görülən bir çox uyğunlaşma enerjinin qorunması ətrafında fırlanır.

İkincisi, günəş radiasiyası yaşayış yerləri arasında təəccüblü fərqlərə səbəb ola bilər. Yağış meşəsi tundradan əsaslı şəkildə fərqlənir, çünki yağış meşəsi üçün daha çox enerji var. Alyaskanın Barrow şəhərində orta gündüz saatları yanvarda təxminən bir saatdan iyunda təxminən iyirmi dörd saata qədər dəyişir. Artan mövsümün azalması bitkilərin istehsal edə biləcəyi enerji miqdarını məhdudlaşdırır. Bunu ilin hər ayı on iki saat günəş işığı alan Uaupes, Braziliya ilə müqayisə edin. İl boyu davam edən böyümə mövsümü yağış meşələrinin yer üzündə ən məhsuldar yaşayış yerləri olmasına kömək edir.

Bədən istiliyinin tənzimlənməsi. Metabolizm bir orqanizmdə baş verən bütün kimyəvi reaksiyalara aiddir. Həyatı davam etdirə biləcək sürətlə baş verməsi üçün metabolik reaksiyalar növdən növə dəyişən ciddi temperatur tələblərinə malikdir. Bir orqanizmin maddələr mübadiləsinin baş verməsi üçün uyğun temperatura nail ola bilməsinin iki yolu var. Birincisi, müxtəlif enerji çevrilmələri nəticəsində yaranan istiliyi tutmaq və istifadə etmək, ikincisi, birbaşa günəş işığı kimi xarici enerji mənbələrinə etibar etməkdir. Başqa sözlə, bədən istiliyi daxili və ya xaricdən tənzimlənə bilər.

Endotermik heyvan öz bədən istiliyini yaradır, ektotermik heyvan isə bunu etmir. Ümumiyyətlə, endotermik heyvanların sabit bədən temperaturu var ki, bu da adətən ətraf mühitinkindən daha yüksəkdir, ektotermik heyvanlar isə dəyişkən temperaturlara malikdir. Ektotermlər davranış temperaturunun tənzimlənməsinə əsaslanır - ilan optimal bədən istiliyinə yaxın uyğun mikroiqlim tapana qədər günəşdən kölgəyə keçəcək. Birbaşa günəş işığına məruz qaldıqda, ektoterm bədən istiliyini dəqiqədə 1 ° C (32.8 ° F) qədər artıra bilər.

Endotermik heyvanlar hətta temperaturun aşağı düşdüyü və ya geniş şəkildə dəyişdiyi zaman da fəaliyyət səviyyəsinə nail ola və davam etdirə bilər. Bu, xüsusilə şimal enliklərində, gecə və ya qışda ektotermiya ilə müqayisədə böyük üstünlük ola bilər. Daha soyuq iqlimlərdə, ilan kimi ektotermik yırtıcı endotermik yırtıcıdan daha ləng və daha az müvəffəqiyyətli olur. Qütb bölgələrində sürünənlər və həşəratlar yoxdur.

Bununla belə, endotermiya bahalı uyğunlaşmadır. Fəal yem axtaran siçan istirahətdə eyni çəkidə olan yem axtaran kərtənkələdən otuz dəfəyə qədər daha çox enerji sərf edir, endotermik heyvanın metabolizmi müqayisə olunan ölçülü ektotermdən beş-on dəfə çoxdur. Müəyyən yaşayış yerlərində bu, ektotermiya üçün əhəmiyyətli bir üstünlük deməkdir. Daha çox enerji qənaətinə və daha az qida tələblərinə görə tropik ektotermlər həm növ, həm də fərdlərin sayında endotermləri üstələyir.

Quşlar və məməlilər endotermik onurğalılardır. Təsadüfi deyil ki, onlar unikal xarici bədən örtükləri olan yeganə onurğalılardır - müvafiq olaraq lələkləri və tükləri. Hər iki qrup üçün bu bədən örtükləri istilik itkisini azaltmaq üçün uyğunlaşma kimi inkişaf etmişdir. Quş lələkləri əvvəlcə uyğunlaşma qabiliyyətinə malik idi, çünki onlar heyvanın uçmasına kömək etdikləri üçün deyil, onu isti saxlamağa kömək edirdilər.

Bədən Ölçüsü Enerjisi. Böyük heyvanlar kiçik olanlara nisbətən daha az enerji tələb edir. Qram üçün məhsul yığan siçan bir fildən iyirmi dəfə çox enerji tələb edir. Ölçü üstünlüyünün bir hissəsi, ehtimal ki, daha böyük bir heyvanın daha kiçik olandan mütənasib olaraq daha az səth sahəsinə malik olmasından qaynaqlanır. İstilik bədəni tərk etdikdə bunu bədən səthindən keçir. Daha kiçik bir cismin sabit bədən istiliyini saxlamaq daha çətindir, çünki onun həcminə nisbətən daha çox səth sahəsi var. Bu əlaqənin nəticəsi odur ki, balinanın metabolik sürəti daha aşağı olduğu üçün nəfəsini tuta bilir və beləliklə, su siçanı ilə müqayisədə daha uzun müddət su altında qala bilir.

Lokomosiya xərcləri. Enerji istehsal edən metabolik reaksiyalar (tənəffüs) üçün oksigen tələb olunduğundan, istehlak edilən oksigen miqdarı ilə maddələr mübadiləsi sürəti arasında birbaşa əlaqə var. Təəccüblü deyil ki, metabolik dərəcələr fəaliyyətlə artır. Məşq zamanı bir insan istirahətdə olduğundan on beş-iyirmi dəfə çox oksigen istehlak edəcəkdir.

Fərqli növlərin müqayisəsi göstərir ki, daha böyük heyvan eyni sürətlə səyahət edən kiçik heyvandan daha az enerji sərf edir. Bu, hərəkət zamanı rast gəlinən sürüklənmənin miqdarı ilə əlaqəli görünür. Kiçik heyvanlar nisbətən böyük səth-sahə-həcm nisbətlərinə malikdirlər və buna görə də nisbətən daha çox sürüklənmə ilə qarşılaşırlar. Sürtünməni azaldan uyğunlaşmalara sadələşdirilmiş bədən formaları daxildir. Bununla belə, daha böyük bir cisim əvvəlcə daha çox ətalət miqdarını aşmalı olduğundan, sürətlənmənin daha çox dəyəri var. Buna görə də, kiçik heyvanlar birdən başlamağa və dayanmağa meyllidirlər, böyük heyvanlarda isə daha uzun başlanğıc və yavaşlama dövrləri var.

Maraqlıdır ki, oxşar bədən ölçüsünə malik iki müxtəlif növ eyni növ hərəkəti yerinə yetirərkən oxşar enerji xərclərinə malikdir. Enerji xərclərindəki fərqlər heyvan növündən çox yerinə yetirilən hərəkət növünü müqayisə edərkən görünür. Müəyyən bir sürətlə hərəkət edən müəyyən bir bədən ölçüsü üçün, üzgüçülük ən enerjili hərəkət rejimidir, uçmaq aralıq xərcdir və qaçış ən enerjili bahadır. Neytral üzmə qabiliyyəti ilə üzən bir heyvan, uçuş zamanı havada qalmağa çalışan bir heyvandan daha az səy sərf edir, əzələlərin istifadə üsuluna görə ən çox xərc çəkir.

Buna baxmayaraq, quşlar oxşar ölçülü məməlilərə nisbətən daha yüksək metabolik dərəcələrə malikdir. Əksər kiçik məməlilər, quşların vaxtlarının çoxunu açıq havada keçirdikləri qorunan mühit axtararaq enerji xərclərini azaldır. Həmçinin, yağ ağır olduğu üçün uçmaq ehtiyacı quşun enerji yığma qabiliyyətini məhdudlaşdırır. Yüksək protein qidası ilə belə, bir quş hər gün bədən çəkisinin 30 faizini yeməlidir. Təkcə bu amil çox güman ki, bəzi quşların tropiklərdən şimal enliklərinə yay miqrasiya səyahətini izah edir ki, bu da daha uzun günlər olduğuna görə quşa özünü və balalarını qidalandırmaq üçün daha çox gündüz saatı verir.

Cütləşmənin Enerjisi. Cinsi çoxalma, cütləşmə (qametlərin istehsalı daxil olmaqla) və nəslə qulluq etmək üçün rəqabət apararkən sərf edilən enerji də daxil olmaqla, xeyli miqdarda enerji tələb edir. Heyvanlar aləmində üç əsas cütləşmə sisteminə rast gəlinir: çoxarvadlılıq (bir erkək, birdən çox dişi), monoqamiya (bir erkək, bir dişi) və poliandriya (bir dişi, birdən çox erk. Hər bir sistem şərti olaraq müəyyən edilə bilər. hər cinsin nisbi enerji sərmayələri.Təkarvadlı cütlükdə hər iki cins təxminən bərabər miqdarda enerji sərf edir, nəticədə arvadbazlıq davranışları daha çox cəlb olunur və cinslər arasında rəqabət bərabərdir.Poliqinli sistemdə kişilər enerji həyat yoldaşları üçün rəqabət aparır, qadınlar isə valideyn himayəsinə daha çox sərmayə qoyurlar və buna görə də cütləşdikləri şəxslə çox xüsusi olmağa meyllidirlər.Polyandrous sistem bunun əksidir: Qadınlar rəqabətə və cütləşməyə, kişilər isə valideyn qayğısına sərmayə qoyurlar.

Yaşayış yerlərinə uyğunlaşmalar. Yerin həndəsəsinə və oxunun mövqeyinə görə ekvator qütb bölgələrinə nisbətən vahid sahəyə daha çox günəş enerjisi alır. Yerin oxu Yerin Günəş ətrafında orbitinin müstəvisinə nisbətən əyildiyi üçün bu şüalanma bucağı mövsümi olaraq dəyişir. Bu amillər Yerin fırlanması ilə birlikdə temperaturun, hava sirkulyasiyasının və yağıntıların əsas nümunələrini yaradır.

Yaşayış mühiti və ya biom, qarşılıqlı əlaqədə olan canlı və cansız elementlərdən ibarətdir. Əsas yerüstü yaşayış sahələrinə səhralar, mülayim meşələr, çəmənliklər, yağış meşələri, tundra və müxtəlif növ bataqlıqlar daxildir. Bu müxtəlif yaşayış yerlərinin sərhədləri əsasən temperatur, yağıntılar və vegetasiya dövrünün uzunluğu kimi iqlim amilləri ilə müəyyən edilir. Bu şərtlər günəş radiasiyasının təsiri ilə, çox vaxt topoqrafiya kimi yerli amillərlə birlikdə yaranır.

Yaşayış mühitində istehsal olunan biokütlənin miqdarı - yaşayış mühitinin məhsuldarlığı - bitkilərin növləri (bəzi növlər digərlərindən daha səmərəli fotosintezlərdir), günəş radiasiyasının intensivliyi və müddəti, mövcud qida maddələrinin miqdarı və iqlim amilləri ilə müəyyən edilir. temperatur və yağıntı kimi. Su yaşayış yerləri qurudakılardan daha az məhsuldar olur, çünki dərinlikdə daha az günəş işığı var və mineral qida çatışmazlığı var. Tropik yağış meşələri yüksək məhsuldarlığa üstünlük verən şərtlərə malikdir, bir nəticə ondan ibarətdir ki, onlar həm də istənilən yaşayış mühitinin ən yüksək biomüxtəlifliyinə malikdirlər.

Soyuq yaşayış yerləri. Bədən kütləsinə nisbətdə səth sahəsi nəzərə alındığından, soyuq yaşayış mühitlərində yaşayan heyvanlar, isti yaşayış yerlərindəki həmkarları ilə müqayisədə daha böyük bədən ölçülərinə və daha kiçik ətraflara (xüsusilə qulaq və ayaqlara) malik olurlar. Soyuq yaşayış yerlərində yaşayan heyvanlar da yağ, xəz və ya lələk kimi daha çox izolyasiyaya malikdirlər. Davranış uyğunlaşmalarına qruplarda toplaşma daxildir ki, bu da hər bir fərdin məruz qalan səthini effektiv şəkildə azaldır.

Əgər enerji resursları mövsümi olaraq aşağıdırsa, bəzi heyvanlar daha çox ehtiyata malik ərazilərə köç etmək strategiyasını qəbul edirlər. Həşərat yeyən quşun köçəri olma ehtimalı toxum yeyən quşdan daha çoxdur. Qış yuxusu mövsümi enerji çatışmazlığına cavab olaraq başqa bir uyğunlaşmadır. Həqiqi qış yuxusunun bədən istiliyi ətrafdakıların temperaturuna çox uyğun gəlir. Ürək yavaşlayır (torpaq dələsinin ürək döyüntüləri dəqiqədə 200-dən 400-dən 7-10-a qədər azalır), maddələr mübadiləsi normadan 20-100 dəfə aşağı düşür. Qışlayanlar qışlamayanlara nisbətən daha uzun ömürlü olurlar.

Soyuq yaşayış yerlərində yaşayan insan populyasiyalarında da fərqlər görünə bilər. Inuitlər arasında bədən çox miqdarda yağ və zülal yandıraraq yüksək temperatur saxlayır. Qollara, ayaqlara, barmaqlara və ayaq barmaqlarına qan axınının artması donmaların qarşısını alır. Avstraliya aborigenləri dondan aşağı temperaturda az paltar və ya sığınacaqla yata bilər, lakin ayaq və ayaqlarda temperaturun aşağı düşməsinə imkan verərək enerjiyə qənaət edir. İstilik ən çox ehtiyac duyulan yerdə gövdədə saxlanılır.

İsti yaşayış yerlərinə uyğunlaşmalar. Su ətrafa buxarlandıqda, buxarlanmış molekullar özləri ilə çoxlu istilik daşıyırlar. Heyvanın bədənini soyutmağın ən yaxşı yollarından biri suyun səthindən buxarlanmasıdır. Bu xüsusiyyətdən istifadə edən uyğunlaşmalara tərləmə, nəfəs alma və bədəni yalama daxildir. Ancaq su çox vaxt səhralar kimi isti yaşayış yerlərində məhdud bir mənbədir, buna görə də bir çox səhra heyvanlarının bədəndən buxarlanan suyun miqdarını azaldan uyğunlaşmaları var. Kiçik səhra heyvanlarının əksəriyyəti gecə və yuvalarda yaşayaraq istidən qaçır və su itkisini azaldır. Böyük ətraflar, xüsusən də qulaqlar, istiliyi bədəndən uzaqlaşdırmağa və ətrafa yaymağa kömək edir.

Digər uyğunlaşmalar, bəlkə də, çox konsentrasiyalı sidik ifraz edərək su saxlaya bilən dəvənin tədqiqi ilə ən yaxşı nümunə ola bilər. Həmçinin, yuxarı dodaq parçalanır, buna görə də burundan damcılanan nəm ağızdan bədənə yenidən daxil olur. Daha da əhəmiyyətlisi, dəvə susuzluğa dözə bilir: Suda heç bir zərər vermədən bədən çəkisinin 25 faizini itirə bilər. Onun daxili bədən istiliyi 6°C (10.8°F) qədər dəyişə bilər. Gündüz temperaturunu artıraraq, gecə isə aşağı salmaqla, xarici temperaturun dəyişməsini daha yaxından izləyə bilir. Bu, həm də gündə beş litrə qədər su itkisini azaltmağa kömək edir. Dəvənin donqarında yığılan yağ, onun yaşadığı seyrək bitki örtüyündə mühüm enerji təchizatını təmsil edir.


Bioloji sistemlərdə məlum olan enerji tutma prosesləri hansılardır? - Biologiya

Bioloji enerji istehsalı CO 2-nin biokütləyə (nişastalar, liqnoselülozlar və s.) fotosintetik fiksasiyası ilə başlayır və daha sonra əvvəlki fəsillərdə müzakirə edildiyi kimi biokütlənin müxtəlif mikrob prosesləri vasitəsilə yanacağa (etanol, metan, hidrogen, yağlar) çevrilməsi ilə davam edir. Hidrogen və bitki yağlarının yosun istehsalı vəziyyətində hər iki proses tək bir orqanizm tərəfindən aparılır. Hətta bu hallarda CO 2 fiksasiyasının (və oksigen istehsalının) fotosintetik prosesləri və sonradan fiksasiya məhsullarının bərpa olunan yanacağa çevrilməsi arasında aydın fərq var. Tullantıların biokütləsinin istehsalı tullantı materiallarının çevrilməsində, məsələn, metan fermentasiyalarında az narahatlıq doğurur. Yenə də nəticədə bütün bioloji yanacağın mənbəyi bitkilər və yosunlar tərəfindən həyata keçirilən fotosintezdir. Fotosintezin səmərəliliyi (Fəsil 2) bu bərpa olunan bioloji enerji mənbələrinin gələcək inkişafının əsas məsələsidir.

Bioloji enerji sistemlərinin gələcəyi ilə bağlı digər əsas məsələlər biokütlənin faydalı yanacağa çevrilməsinin ümumi səmərəliliyi, bu cür proseslərin iqtisadiyyatı, onların ətraf mühitə təsiri, biokütlənin termokimyəvi çevrilmə prosesləri ilə rəqabət qabiliyyəti (yanma, qazlaşdırma), onların resurs potensialı və , bəlkə də ən vacibi, onların inkişaf edən iqtisadi və siyasi strukturlarla uyğunluğu. Məsələn, bioyanacaqlar gələcəyin bərpa olunan enerji qarışığında günəş enerjisini tamamlayacaq. Bu fəsildə 21-ci əsrdə bərpa olunan bioloji enerji sistemlərinin inkişafı ilə bağlı bəzi proqnozlar təqdim olunur.

Bəşər övladı artıq birbaşa və dolayısı ilə planetin ümumi ilkin istehsalının böyük bir hissəsini, demək olar ki, yarısını (1) kənd təsərrüfatı, balıqçılıq, meşə təsərrüfatı və digər fəaliyyətlər vasitəsilə istismar edir. Həqiqətən də, bütün dünyada az sayda məhsuldar ekosistem bəşəriyyətin hərəkətləri ilə azalmadan öz təbii vəziyyətində qalır. Qlobal ekosistemin istismarı və məhvi növbəti əsrin birinci yarısında öz son nöqtəsinə çatdıqca və təbii mühitlər az-çox qorunan bir neçə anklavdan kənarda mövcud olmağı dayandırdıqca, bizim təbiətin nemətlərinə etibarımız sona çatacaq. O zaman biz bütünlüklə planetimizin qalan bioloji və fiziki sərvətlərini nə qədər yaxşı idarə edə biləcəyimizdən asılı olacağıq, insan əhalisinin mövcudluğunu davam etdirəcəyik, onun mövcud artım tempi yalnız təbii resursların sürətləndirilməsi istehlakı ilə üstələnə bilər. Bundan əlavə, biz bu resursları sürətlə dəyişən qlobal mühit, gözlənilməz iqlim, getdikcə daha az xammal və məskunlaşmaların əhatə etdiyi və ya istismar təcrübələri ilə dağıdılan məhsuldar torpaqları kontekstində idarə etməliyik. Gələcək nəsillərə qoyduğumuz çətinliklərdən yalnız bir neçəsini qeyd etmək lazımdır.

Əgər fəlakətin - iqtisadi və əhalinin dağılmasının qarşısını almaq istəyiriksə, biz təkcə əhalini və istehlakı cilovlamaqla kifayətlənməməliyik, həm də texnoloji iqtisadiyyatımızın üstünlüklərindən istifadə etməyən böyük əhali üçün daha səmərəli və ekoloji cəhətdən səmərəli texnologiyalar hazırlamalı və tətbiq etməliyik. . Bioloji enerji sistemləri 21-ci əsrdə yaşamaq üçün zəruri olan insan iqtisadiyyatının və vəziyyətinin bu transformasiyasında mühüm rol oynaya bilər.

Fotosintetik effektivlik bioloji enerji istehsalında son məhdudlaşdırıcı amildir. Hazırda kənd təsərrüfatı və meşə təsərrüfatının səmərəliliyi nadir hallarda bərpa oluna bilən məhsula çevrilən ümumi günəş enerjisi girişinin 1%-dən çox olur. Bununla belə, mövcud məhsuldarlığa baxmayaraq, fotosintezin qida, lif, yanacaq və meşə məhsulları istehsal etmək potensialı həqiqətən böyükdür. Ümumi ilkin məhsuldarlıq cari qalıq yanacaq istehlakını böyüklük dərəcəsi ilə üstələyir. Bu yaxınlarda bir qrup ekspertlər CO 2-ni uzunmüddətli biokütlə və torpaq karbonuna ayırmaqla və qalıq yanacaqları bioyanacaqla əvəz etməklə istixana effektini azaltmaq üçün təkmilləşdirilmiş meşə mühafizəsi, idarə olunması və kənd təsərrüfatı təcrübələrinin potensialını proqnozlaşdırdılar. Onlar bütün qalıq yanacaq CO 2 emissiyalarının bioloji sistemlərlə balanslaşdırıla biləcəyi qənaətinə gəldilər (2). Bundan əlavə, bu, qida, lif və meşə məhsullarının istehsalını azaltmadan həyata keçirilə bilər. Hətta bu qrupun mühafizəkar proqnozları göstərirdi ki, bioloji proseslər atmosferdəki cari illik CO 2 artımının demək olar ki, yarısına bərabər və nisbətən aşağı xərclərlə istixana qazları çıxara bilər. Bu hərəkətlər hətta bəziləri tərəfindən təklif olunan “planetar idarəetmə”nin qəhrəmancasına tədbirlərini tələb etmir, məsələn, okean və yer mühitinin iz elementlərinin mayalanması yolu ilə ilkin məhsuldarlığın artırılması (3).

Bu cür qlobal proqnozlar təbii ki, biokütlə enerji sistemlərinin spesifik yerli və regional imkanlarının daha ətraflı qiymətləndirilməsi ilə tənzimlənməlidir. Məsələn, istixana qazlarının azaldılması üçün biokütlə sistemlərinin əksər proqnozlarında belə hesab edilir ki, fotosintetik yolla sabitlənmiş CO uzun müddətə (> 100 il) yerüstü biokütlə, torpaq karbonu və digər uzunmüddətli saxlama formalarına salına bilər. Bu problemlidir və bir neçə onillik ərzində meşələr maksimum (klimaks) biokütlə səviyyələrinə çatdıqca məhdudlaşdırıcı faktora çevriləcək. Beləliklə, əsas diqqət qalıq yanacaqları əvəz etmək üçün biokütlə yanacaqlarından istifadə edən və bununla da CO 2 və digər istixana qazlarının emissiyalarını azaldan bioloji enerji sistemlərinin inkişafı olmalıdır. Bu cür sistemlərin əsasını proseslərin + fotosintezin birinci mərhələsinin səmərəliliyini maksimuma çatdırmaqdır.

2-ci Fəsildə nəzərdən keçirildiyi kimi, maksimal fotosintetik effektivliklər hazırda laboratoriya tədqiqatlarına əsaslanaraq ümumi günəş enerjisinin çevrilməsinin 10%-i səviyyəsində proqnozlaşdırılır. Praktikada bunun yarısından azı hətta ən məhsuldar açıq təcrübələrdə sənədləşdirilmişdir və bitki becərməsində maksimum 1-3% çevrilmə səmərəliliyi əldə edilir ki, bunun da yarıdan az hissəsi adətən faktiki məhsulda (taxıl, lif) bərpa olunur. və s.). Ağaclar üçün məhsuldarlığın xeyli aşağı olduğu qeyd olunur, bu da əsasən meşə təsərrüfatına minimal giriş (gübrələr, zərərvericilərlə mübarizə, idarə) hesabınadır.

Çox yüksək məhsuldarlığa malik mikroyosun sistemləri üçün eksperimental və kommersiya sistemlərinin nəticələri oxşar iqlimlərdə daha məhsuldar yüksək bitkilərdən əhəmiyyətli dərəcədə fərqlənmir. Bununla belə, əgər açıq gölməçələrdə mikroyosun kulturası ilə laboratoriya nəticələrinə nail olmaq mümkün olarsa, günəş enerjisinə çevrilmənin 10% səmərəliliyi mümkün olmalıdır, yəni hazırda əldə edilmiş məhsuldarlığa nisbətən təxminən üç dəfə artım, 200 mt/ha/il (metrik ton/ha/) il). Niyə bu günə qədər belə yüksək günəş səmərəliliyi və məhsuldarlıq əldə edilməyib?

Cavab işığın doyma effektidir: artan işıq intensivliyi ilə fotosintez sürəti artmır. Bunun səbəbi yüksək işıq intensivliyində, məsələn. günəş işığında, bir fotonu udan xlorofil molekullarının sayı fotosintetik aparatın bu sıxılmış enerji nemətini emal etmək qabiliyyətini xeyli üstələyir. Həddindən artıq fotonlar istilik və ya flüoresan kimi qövslə itir, nəticədə işıq səthə yaxın yosunlar tərəfindən israf edilir, aşağıda olanlar isə kölgələnir, nəticədə məhsuldarlıq azalır. Baxmayaraq ki, bu problem onilliklər əvvəl (4) və hətta o dövrdə təklif edilən mümkün həll yolları tanınsa da, bir neçə onillikdə bu sahədə az irəliləyiş əldə edilmişdir.

Təklif olunan həll yollarından biri işığı gölməçələrin daha dərin təbəqələrinə ötürən prizmaların və ya optik liflərin istifadəsidir. Laboratoriya şəraitində mümkün olsa da, bu cür cihazların istifadəsi iqtisadi cəhətdən qadağandır. Başqa bir yanaşma, mədəniyyətin sürətlə qarışdırılmasıdır ki, orta hesabla, bir foton fotosintetik aparat tərəfindən udulduqdan sonra, yosunlar nisbi boş vaxtlarında foton enerjisini emal edə bildikləri qaranlıq yerə köçürülür. Bununla belə, bu, o qədər sürətli qarışdırma tələb edir ki, həm də yalnız laboratoriya marağı (böyük fundamental maraq olsa da).

Bu, foton udulmasının qarşısını almaq və ya ən azı minimuma endirmək üçün yosunların xlorofil tərkibini azaltmaq üçün üçüncü yanaşmanı + tərk edir və beləliklə, yüngül israf və öz-özünə kölgə salır. Azaldılmış xlorofil tərkibi genetik mühəndisliyin müasir üsulları ilə həyata keçirilə bilər və bu yanaşma açıq havada (tam günəş işığında) yosun kulturaları ilə nəzəri maksimuma yaxınlaşaraq yüksək fotosintetik effektivliyə nail olmaq üçün ən aydın metodu təqdim edir (5).

Bununla belə, etiraf etmək lazımdır ki, bu, yüksək məhsuldarlıq, aşağı qiymətli mikroalq istehsalı sistemlərinin inkişafı üçün ümumi səydə kritik əhəmiyyətli olsa da, ilk addım olardı. Başqa bir addım, etanola, bitki yağlarına, karbohidrogenlərə və ya hidrogenə fermentasiya üçün nişastalar olsun, arzu olunan məhsulun yüksək məhsuldarlığını təmin edə bilən yosun suşlarının inkişafıdır. Bu məqsədlərə çatmaq üçün müasir molekulyar biologiyanın səlahiyyətlərinə, xüsusən də bütün ferment yollarının manipulyasiyasına və nəzarətinə imkan verən sürətlə inkişaf edən metabolik mühəndislik texnologiyasına müraciət edə bilərik. Metabolik mühəndislik eyni vaxtda fotosintetik effektivliyin və məhsulun formalaşmasının optimallaşdırılmasına imkan verə bilər. İki mərhələli proses, ehtimal ki, vegetativ biokütlə istehsalının ardınca taxıl əmələ gəlməsi ilə müşayiət olunan ali bitki əkinçiliyinə bənzər optimal olardı.

Aşağı xlorofilli yosun ştammları və daha ümumən, yüksək səviyyədə arzu olunan məhsullar istehsal edən metabolik mühəndislik üsulu ilə hazırlanmış suşlar, bitki bitkiləri alaq otları növləri ilə rəqabət apara bilmədiyi kimi, yabanı tip yosunlarla rəqabət apara bilməzdi. Kənd təsərrüfatı sistemləri kimi, yosun gölməçələri də otlaqların işğalından və xəstəliklərdən əziyyət çəkir. Bu cür çirklənmənin qarşısını almaq, ən azı minimuma endirmək və seçilmiş növlərin, xüsusən də genetik/metabolik cəhətdən hazırlanmış ştammların açıq gölməçə kütləvi mədəniyyətinə imkan vermək üçün yeni “mikroekoloji mühəndislik” texnologiyası işlənib hazırlanmalıdır. Alternativ yanaşma, qapalı fotobioreaktorlar, kiçik inokulum istehsalı mərhələsi istisna olmaqla, praktik deyil. Aşağıda qeyd edildiyi kimi, mikroekoloji mühəndislik, molekulyar və fermentasiya biotexnologiyalarının mikrob ekologiyası ilə inteqrasiyası bu hesabatda müzakirə olunan digər bioloji enerji çevrilmə proseslərinin gələcək inkişafı + etanol və metan fermentasiyaları üçün də tələb olunacaq.

Bu yaxınlarda Greenbaum et al. (6) Chlamydomonas yaşıl yosununun mutantlarının CO 2 fiksasiyası və hidrogen istehsalı ilə əlaqəli fotosintetik aparatın yarısını itirdiyinə görə hər iki reaksiyanı hələ də normal sürətlə həyata keçirməsi ilə bağlı təəccüblü bir tapıntı bildirdi. Bu onu göstərir ki, yosun kulturları, qəbul edilmiş fotosintez mexanizmləri tərəfindən təklif olunan bir CO 2 molekulunu karbohidratlara endirmək üçün lazım olan 8-10 kvant fotondan daha az tələb edə bilər. Baxmayaraq ki, bu cür artan fotosintetik effektivlik hələ nümayiş etdirilməlidir, bu bizə xatırladır ki, bioloji prosesləri başa düşməyimizin ən fundamental səviyyələrində belə sürprizlər hələ də baş verir. Bu həm də gələcək texnologiyanın layihələndirilməsinin çətinliyini nümayiş etdirir. İstənilən halda, açıq havada, günəş işığında həm mikroyosunlar, həm də daha yüksək bitki ilə cari effektivliyə nail olmaq məqsədi inandırıcı görünür və davamlı və diqqətli tədqiqat və inkişafa haqq qazandırır. Mikroyosunların kütləvi mədəniyyətinin məhsuldarlığını artırmaq üçün işlənib hazırlanmış anlayışlar və üsullar daha yüksək bitki fotosintezinə də tətbiq edilə bilər. İşığın doyma məhdudiyyətləri ümumiyyətlə yosun gölməçələrində olduğu kimi ciddi olmasa da, daha yüksək bitki istehsalı sistemlərinin məhsuldarlığını artırmaq üçün kifayət qədər imkanlar mövcuddur. Həm məhsuldarlığın artırılması, həm də qlobal biokütlə resurslarının artırılması baxımından ən böyük potensial bu cür texnikaların meşə təsərrüfatına tətbiqi olacaqdır. Beləliklə, qısa generasiya müddətlərinə görə tədqiqat və inkişaf etdirmələri sürətləndirilə bilən mikroyosun sistemləri gələcəkdə nəinki mikroalq enerji sistemlərinin xüsusi məqsədlərinə töhfə verə bilər (Fəsil 5 və 6, aşağıya da baxın), həm də bəlkə də ən vacibi, daha yüksək bitki fotosintezinin və ümumiyyətlə bioloji enerji sistemlərinin daha səmərəli, məhsuldar və qənaətli istismarına səbəb olur.

Bioloji enerji sistemlərinin ən təcili və vacib tətbiqlərindən biri biokütlədən etanolun istehsalında ola bilər. ABŞ-da ildə 5 milyard litrdən çox etanol yanacağı hazırda substrat kimi qarğıdalı nişastasından istifadə edərək fermentasiya yolu ilə istehsal olunur. Bu, yalnız qarğıdalı istehsalını və onun etanola çevrilməsini təşviq etmək üçün böyük dövlət subsidiyaları sayəsində iqtisadi cəhətdən rəqabətə davamlı olan ənənəvi texnologiyadır. Bəzi proseslərin təkmilləşdirilməsi mümkün olsa da, dünya əhalisinin artan qida ehtiyacları fonunda heç bir böyük irəliləyişlər nəzərdə tutulmur və qarğıdalı nişastasının dəyərinin daha cəlbedici olacağı ehtimalı yoxdur. Enerji və istixana qazı emissiyaları balansları da kom-etanol sistemləri üçün xüsusilə əlverişli deyil, ən yaxşı halda bir qədər müsbətdir və yalnız daha bahalı, kapital tutumlu texnologiyadan istifadə edildikdə. Daha aşağı qiymətli fermentasiya substratları və prosesləri tələb olunur.

3-cü Fəsildə nəzərdən keçirildiyi kimi, liqnoselüloz biokütləsi etanol fermentasiyası üçün potensial substratdır. Bunun üçün əvvəlcə biokütlənin liqnoselülozik polimerləri açmaq, onların fermentlər və ya turşular vasitəsilə hidrolizinə imkan vermək üçün əvvəlcədən müalicə edilməsi, ardınca isə müvafiq olaraq sellüloza və hemiselüloz fraksiyalarından əldə edilən heksoza və pentoza şəkərlərinin fermentasiyası tələb olunur. Qalıq liqnin qazan yanacağı kimi və ya daha yüksək dəyərli məhsullar (fenollar, polimerlər və s.) üçün başlanğıc material kimi istifadə edilə bilər. Bu sahədə onilliklər ərzində geniş tədqiqatlar aparılmışdır (7), lakin praktiki proseslər hələ nümayiş etdirilməmişdir. Həqiqətən də bir neçə problem belə proseslərə mane olur: ilkin müalicə çətin olur fermentin hidrolizi ləng gedir və böyük miqdarda fermentlər tələb edir, turşu hidrolizi isə sürətlidir, lakin məhsuldarlığın aşağı olması ilə nəticələnir və fermentasiyaları maneə törədən bir çox deqradasiya məhsulları və fermentasiyaların özləri iki növə görə çətinləşir. mövcud şəkərin miqdarı, eləcə də çirklənmə potensialı. As regards contamination, the sterilizable fermenters used in laboratory research, and even most demonstration projects, are not practical for large-scale commercial operations. In conventional corn starch fermentations, contamination is minimized by the relatively rapid batch fermentation process, selective conditions (e.g. low pH), inoculation and clean (though not sterile) start-up and operating conditions. The key problem for ethanol fermentation of lignocellulosics is the long times required for the enzymatic saccharification, which is preferred over acid hydrolysis as it results in higher yields. The exponential increase of contamination problems with cycle time, is a major limitation of the enzyme hydrolysis process.

Recently research has concentrated on the development of improved processes for enzymatic hydrolysis and fermentation of the pentose sugars using genetically engineered microbes (8). As in the case of microalgae culture in open ponds, microecological engineering techniques will need to be developed to maintain such strains in large systems, subject to invasion and contamination by potentially much faster growing wild microbes. Such microecological techniques would relieve the constraints of having to maximize the amounts and activities of the enzymes used in this process, or maintain strictly (expensive) aseptic conditions.

Projections of the future cost of producing ethanol from lignocellulosic biomass are as low as .13/liter (.50/gallon) of ethanol (9), compared to almost thrice this for current processes. Such low-cost projections are based on numerous favorable assumptions one being that the same microbial culture would simultaneously provide the cellulolytic enzymes and ferment the whole suite of carbohydrates generated by enzymatic hydrolysis. This eliminates the costly enzyme production and separate fermentation stages of the process. Although such projections are very optimistic, they point out the critical R&D objectives required to achieve the very low cost processes that would make this technology viable, not only in competition with fossil fuels but also with alternative, lower cost, biomass conversion processes, such as gasification and combustion.

For the near-term future, the technology for producing ethanol from cellulosic biomass will likely begin with utilization of the most readily fermentable and lowest cost resources available, such as paper mill and food processing wastes. In the longer-term, agricultural residues, less suitable for thermochemical conversion processes because of their high ash content, are very large potential resources for ethanol production. However, this still requires a major R&D effort. Planned demonstration projects in the U.S. should allow an assessment of how far the technology has progressed, and how much it may still need to be advanced. It is difficult to predict' the relative market shares of the various technologies for lignocellulosic biomass energy conversion: combustion, gasification, pyrolysis, ethanol fermentation, or, considered next, methane fermentations. Whatever the conversion technology, in the future lignocellulosic biomass will certainly continue to be a, if not the, major renewable energy source, as it already is for the majority of people on earth.

Methane fermentations, reviewed in Chapter 4, are currently widely used in the conversion of municipal sludge and some industrial (e.g. food processing) wastes to biogas, a mixture of methane and CO 2 . Some animal manures are also converted to biogas in developed countries (in particular Denmark) and low-cost farm-scale systems fed agricultural and animal wastes are in widespread use in some less-developed countries, in particular China and India. In addition, over the past decade several advanced processes were commercialized for the utilization of low-strength wastes (Chapter 4). Despite these applications, only a small percentage of the potential resources suitable for methane fermentations is currently utilized.

One reason for this, being that the technologies for biogas utilization have lagged behind the processes for methane fermentations (also called anaerobic digestion). Biogas is produced in relatively small amounts, so replacement of natural gas is generally not feasible, after considering the costs of gas clean-up (to remove CO 2 and other impurities) and compression. Biogas storage is generally not practical, at least not more than about one day's worth of biogas. Thus, biogas must be used essentially as and where produced. For moderate to relatively large facilities electricity generation from biogas is the best option (10). However, this requires generators, which, after capital and operating costs are considered, add about .025/kWhr to the price of the electricity, in addition to the cost of the biogas. Alternatively, biogas can be used as a vehicular fuel, after removing most of the CO 2 and moderate compression. Such systems have been used at several municipalities in the U.S., and can provide cost competitive transportation fuels for specialized applications (e.g. local service fleets). However, such approaches are only suitable where sufficiently large and sustained waste resources are available, and local costs of conventional power or transportation fuels are high. For smaller-scale systems, the utilization of the biogas has to be coupled with domestic or small commercial/industrial uses, in cooking, water heating, and similar applications.

Apart from biogas utilization, the technology for its production still requires improvement, particularly for high solid, high lignocellulosic wastes and residues. Agricultural residues, just as in the case of ethanol, could provide a very large potential resource for biogas production. However high solid fermentation processes must still be developed. The highly mechanical systems currently in use in Europe for anaerobic digestion of municipal solid waste are generally not practical, except where cost is (almost) no object. Low-cost, high solids methane fermentations using plastic liner-enclosed batch pits, can be considered. However, their practicality remains to be demonstrated. The management of such systems, including addition of moisture, nutrients, and inoculation with adapted microbial cultures, to prevent volatile acid overproduction (which would inhibit the process) and rate limitations, remains to be developed, as is the control of gas production to better match biogas production with utilization.

Biogas production is certainly the simplest, potentially lowest cost, biological energy production process, compared with the other technologies highlighted in this report. The large greenhouse effect of methane gas, some ten times that of CO 2 , makes any mitigation (capture, use) of anthropogenic sources of methane, such as from animal wastes, even more valuable than other biological energy sources, which mitigate CO 2 emissions by replacing fossil fuels. Thus, biogas technologies, including recovery of gas from landfills and from animal manure, should receive additional consideration based on this benefit.

Methane fermentations require the development of microecological engineering techniques geared toward predictable, controlled, maximal gas production, better fitting production with utilization. Such process control techniques could initially best be applied to stirred tank fermenters and the innovative and multistage continuous hydraulic processes reviewed in Chapter 4. Additionally, hydrogen fermentations should be included in this management concept, either for the production of methane-hydrogen mixtures for vehicular fuels (a volumetric mixture of about 70:30 CH 4 :H 2 significantly reduces tail pipe emissions) or even production of pure hydrogen (11). The greater challenge will be the development of process control techniques for high solids batch processes or covered lagoons, systems which provide both the largest future potential and greatest technological challenges for methane fermentations.

Microalgae mass cultures have been considered for almost fifty years as potential biofuel sources, with the first conceptual engineering analysis presented in the late 1950's (12). Initially proposals were for the production of biomass suitable for methane fermentation in combination with waste water treatment (13). More recently, emphasis has been on higher value fuels, particularly hydrogen (11, 14, see Chapter 5) and vegetable oils (15, see Chapter 6), in stand-alone energy production systems, preferably coupled to utilization of CO 2 from power plants. Compared to other biological energy systems, either combined with waste conversion or as stand-alone systems (growing of energy crops followed by utilization as, or conversion to, fuels), microalgae systems are relatively undeveloped, requiring longer-term R&D.

In the case of hydrogen production by microalgae, two fundamentally different processes can be considered: those involving direct electron transfer from water to hydrogen, or indirect processes, in which first CO 2 is fixed into a fermentable substrate, which then is converted to hydrogen via algal metabolism (16). The former approach suffers from the oxygen sensitivity of the hydrogen evolution reaction, among other limitations, while the latter is more complex, requiring multiple stages and more challenging metabolic control. A recent economic analysis of a large-scale (over 100 hectares) two-stage indirect process, concluded that this concept had economic potential, with costs projected at $12 to 15 per million BTU (million British thermal units) (17). Direct biophotolysis systems would be more expensive, as the entire surface area would need to be covered in closed photobioreactors, vs. only one tenth of this for two-stage process. The above cost estimate was based on a 10% solar conversion efficiency in the first (CO 2 fixation) stage and a 100% solar conversion efficiency in the second (H 2 evolution) stage ambitious, but not unreasonable long-term R&D goals. (In the second stage most of the energy comes from stored starch, allowing for such high solar efficiencies). Of course, this is a largely conceptual process at present, although based on known metabolic processes in microalgae.

Apart from photosynthesis, the hydrogen evolution reactions themselves must also be efficient. This eliminates, almost a priori, the enzyme nitrogenase in hydrogen production, as this enzyme has a high ATP requirement + reducing efficiencies by about half. Although the reversible hydrogenase enzyme has a much higher inherent efficiency, high yields with this enzyme remain to be demonstrated. In dark anaerobic fermentations of organic substrates to hydrogen, yields are low, typically 20% or less of stoichiometric (18,19).

By contrast, photosynthetic bacteria can convert many organic substrates, including waste materials, stoichiometrically to hydrogen (and CO 2 ), assisted by light energy. These high yields have made this process a subject of much R&D. Unfortunately these bacteria use the nitrogenase enzyme, lowering potentially achievable solar conversion efficiencies. Similarly, most research on indirect hydrogen production by cyanobacteria has used nitrogen-fixing species. In the future, microalgae that produce hydrogen via a reversible hydrogenase should be favored. In any event, photosynthetic hydrogen production will require long-term R&D. Among the many challenges the design of closed, low-cost, photobioreactors, in which the light-driven hydrogen evolution reactions would take place, is of importance.

Similarly, the production of lipids, that is vegetable oils and hydrocarbons, by microalgae is a long-term R&D objective. Essentially a similar two-stage process to that conceived for hydrogen production could be envisaged: in the first of which algal biomass would be produced, followed by a lipid induction stage. Both stages would however be open ponds, of much lower cost than the closed photobioreactors envisioned for the hydrogen production stage discussed above. Lipids would be used as vehicular fuels, either directly or after processing to "biodiesel" (methyl or ethyl esters). The CO 2 required for growing the algae would be obtained from power plant flue-gases, or similar sources. Thus, this process would be a method for directly reducing greenhouse gas emissions from power plants. Although likely more expensive than most other biomass energy systems, microalgae ponds provide one of the lower cost methods for directly utilizing and mitigating power plant CO 2 emissions, compared to other options such as ocean disposal (15).

Microalgae biotechnology has advanced considerably over the past few decades, from a laboratory curiosity to relatively large-scale (> 10 hectares) commercial systems based on open ponds and, in total, producing several thousand tons of biomass. However, this technology is only in its infancy. Only two algal species, Spirulina platensis and Dunaliella salina, can be cultivated outdoors with assurance, by providing chemically selective growth media (high bicarbonate and salinity, respectively). Cultivation of high-lipid microalgae in open ponds has been successful at the 0.2 hectare demonstration-scale (20), but remains to be developed as a practical process. By combining such processes with other objectives, in particular waste water treatment and the production of higher value products, including foods and chemicals, nearer-term development and applications of microalgae processes for renewable energy production are likely.

The biofuels discussed above and in prior chapters are only a few of the renewable energy products that can be produced with higher plants and microbes. Plant and algal photosynthesis is the engine that drives the global biological carbon cycle, which greatly exceeds the fossil fuel carbon cycle, while providing us with all our food and forest products, and, even today, a significant fraction of our fiber and fuel needs. There is great potential for a major expansion of biomass systems, both for "green energy" and for other renewable resources. Such expansion must primarily come from increases in productivity, i.e solar conversion efficiencies, without, however, as has been the case in the "agricultural revolution", increased fertilizers, chemicals, and other non-renewable inputs into the cultivation systems.

Microalgae can help guide the way to these objectives, by demonstrating the fundamental approaches to increasing photosynthetic efficiencies. Microalgae production systems can also lead in the development of microecological engineering techniques, required to achieve the process stability and low costs in "open" microbial processes for production of ethanol, methane, and hydrogen from conventional biomass sources. Microalgae processes, combining waste treatment with the production of higher value products and renewable fuels, can demonstrate how multipurpose/multiproduct systems maximize environmental and economic benefits, compared to dedicated, single purpose, energy farming systems.

The future success of biomass energy products will depend on their economics, relative to the competitive costs of other sources. Currently biomass energy sources are generally not economically competitive, due to the low prices of fossil fuels. However, low fossil fuel prices are due not only to the low cost of extracting fossil fuels, but, and perhaps most important, to the fact that their prices do not reflect their true costs: to the environment, society, and our future. These "externality" costs of fossil fuel resources are paid by all, in particular future generations, in environmental degradation, climate change and unsustainability of our economic systems. Although biomass energy systems are already competitive with fossil fuels in some specific cases, major expansion of renewable bioenergy will require not only advances in technology but also in economic accounting of their lower environmental and societal costs, compared to fossil fuels.

Of course, bioenergy systems have actual and potential environmental impacts of their own. Agriculture and managed forestry represent the largest-scale human intervention, often wholesale destruction, of natural ecosystems, leading to loss of their benefits, from biodiversity to management of the hydrological cycles (1). Adding to this environmental insult the injury of large-scale, intensive biomass systems, could make their environmental impacts greater than even those of fossil fuels. However, there is another way: the development of sustainable, multi-purpose, integrated biomass systems, based on highly efficient photosynthesis and microbial processes, generating a variety of products, including fuels. Such systems have the potential of reducing the environmental impacts of agriculture and forestry, while providing the food, fiber and even much of the fuel, required for an acceptable standard of living for all of mankind in the 21st Century.


Jshen99

Without the sun, life on earth would cease to exist. In a world of increasing entropy, earth is merely a small island of low entropy in a universe of ever increasing decay. Living organisms however, require the constant input of free energy to maintain the processes of existence. There is no purely autonomous complex in the universe.

Cells run on catabolic processes which do not require energy, thus there is always a net loss of energy in everything a cell does. Energy will always be given off in the form of heat, and thus this energy must be replaced. For animals, that means the consumption of organic molecules, which when broken down, are converted from chemical energy to ATP, the molecule that drives most cellular work. This is only possible with the existence of plants, which take in light and convert light energy to chemical energy.

Storing internal heat as a means of keeping a constant operating environment is the reason why organisms can be active at non –optimal temperatures. This preservation of internal heat, homeostasis, is taxing in terms of energy, and is a the leading factor in consumption of energy.

The difference between the living and inanimate is living organisms must have an energy source. Furthermore, in order to replicate, organisms need a good source to create the exchange of energy. Every organism is a cell-making machine, requiring a constant input of energy to repair and replace cells, and possibly reproduce.

Everything an organism does is ultimately exergonic. However like a river running, the original source of water must be resupplied. Thus, all systems require the constant input enerji.

Organisms capture and store energy in a variety of ways. Life is entirely nourished by photosynthesis, whether directly or indirectly. An organism acquires organic compounds for consumption in one of two ways: Autotrophic or heterotrophic nutrition. Plants are self-feeders, or Autotrophs, that sustain themselves without consuming anything fro other living organisms. Autotrophs produce their organic molecules from CO2 and other nonliving materials in the environments

Almost all autotrophs are plants that acquire all their nutrients from water, minerals in the soil, and carbon dioxide. The process of photosynthesis is the means that makes this possible. Carbon dioxide is converted into sugars in a process called carbon fixation. Carbon fixation is an endothermic redox, so photosynthesis need to supply both a source of energy to drive this process and electrons to convert carbon dioxide into carbohydrates. These come in the form of water and sunlight.

In general, photosynthesis is the opposite of Cellular respiration, the process by which cells convert chemical energy in sugars and other organic molecules into ATP. Cellular respiration is a endothermic redox reaction which releases heat. Living cells slowly release energy from a series of reactions. From Carbohydrates and oxygen, the organisms manufacture carbon dioxide, water, and ATP. The chemical energy stored in ATP can be used to drive diverse processes that require energy, such as transportation of molecules, biosynthesis, or locomotion.


Oxy subsidiary, Cemvita hope to produce bio-ethylene

Oxy Low Carbon Ventures, a subsidiary of Occidental, and the Houston-based bioengineering startup Comvita Factory said Tuesday they are partnering on a bio-ethylene project.

Bloomberg photo by Callaghan O'Hare.

Occidental Petroleum's carbon subsidiary and a Houston-based bioengineering startup said Tuesday they are working together to create a green version of ethylene, the building block of the globe's most common plastic.

Oxy Low Carbon Ventures, created in 2018, and Cemvita Factory, launched in 2017 to help decarbonize industries with synthetic biology, will build and operate a bio-ethylene plant at Cemvita&rsquos Houston facility. The plant, scheduled to begin operations next year, will use captured carbon &mdash instead of hydrocarbons from oil &mdash and genetically engineered microorganisms to create bio-ethylene. At scale, the process would reduce the carbon emissions associated with climate change compared with current methods of ethylene production, the companies said.

The Oxy-Cemvita process starts with captured carbon dioxide that is exposed to light, water and microorganisms &mdash made with a gene taken from bananas &mdash that consume carbon dioxide. The finished product would be competitive with ethylene produced by heating natural gas or petroleum and used in products such as plastic films and PVC piping.

The world consumed more than 150 million metric tons of ethylene in 2017, according to energy research firm Wood Mackenzie, and that could reach 200 million metric tons by 2025. The partnership hopes to produce up to one metric ton per month of bio-ethylene that could be used by Occidental&rsquos chemicals operation known as OxyChem.

"This technology could provide an opportunity to offer a new, non-hydrocarbon-sourced ethylene product to the market, reducing carbon emissions, and in the future, benefit our affiliate, OxyChem, which is a large producer and consumer of ethylene in its chlorovinyls business," said Robert Zeller, vice president of technology at Oxy Low Carbon Ventures.

Companies are increasingly looking to reduce global warming caused by greenhouse gas emissions, including carbon dioxide. President Joe Biden's energy plan calls for the U.S. to reach net-zero greenhouse gas emissions by 2050 by reducing the use of fossil fuels, using more renewable energy sources and capturing emissions such as carbon dioxide.

Oxy Low Carbon Ventures in 2019 invested in Cemvita Factory to explore how advances in synthetic biology, man-made creations of biological systems, can be used in the bio-manufacturing of OxyChem's products.

Oxy Low Carbon Ventures, which focuses on carbon capture and low-carbon technologies, partnered with private equity investor Rusheen Capital Management in August to form Texas development firm 1PointFive to capture carbon dioxide from the air and bury it underground. United Airlines committed to a multimillion-dollar investment to support the company's carbon capture technology.

Tesla co-founder Elon Musk have pledged $100 million to support carbon capture technology. Cemvita Factory says it can turn carbon dioxide into 30 different molecules, including methane and glucose.

The methane could be used by Musk's SpaceX company to help propel rockets and the glucose could help astronauts survive on Mars.


Model checking

Model checking is an approach that evaluates a logical expression against a model that describes the behavior of the system. It is used extensively to check the properties of computer systems and is now being applied to systems biology. In a biological context, model checking might seek to answer the question: 'In the model, will the concentration of a given metabolite exceed a certain value within a certain time?' With the aim of exploring how model checking could be used to estimate parameters in simulation models, Aurélien Rizk (INRIA, Rocquencourt, France) presented a logic language that replaces the usual yes/no satisfaction of a condition with a measure of how close the model is to satisfying the condition. Rizk then relies on optimization algorithms to find sets of parameters that minimize the distance of the model to the formal condition on the basis of observed data and assumed algorithms. It performed well on a MAP kinase (MAPK) signal transduction model with 22 unknowns (examples of unknowns include reaction rates).

In an independent study with the same objective, David Gilbert (Brunel University, London, UK) also estimated parameters in a MAPK signal transduction model. The genetic algorithm Gilbert uses for optimization is not as fast as the algorithms employed by Rizk, but could have other benefits, such as being less affected by local optima. It is too early to assess how these two approaches compare, or to advise on which should be adopted for a particular problem. Future work will have to show how they will compare with established statistical methods for parameter estimation such as maximum likelihood or Bayesian approaches.


Future direction

Fundamental studies on mechanics in biology and their extension towards bio-inspired designs have set the stage for many promising future directions of engineering and scientific research. In particular, natural systems with mechanofunctionality can inform engineering endeavours far beyond simple material selection. Biological structures often reach high performance through system organization and interactions among materials across scales, as found in spider silk or stomatopod dactyl clubs. These mechanofunctional design principles can inform the design of synthetic systems, and many potential technologies could emerge that are inspired by natural passive and active actuation mechanisms and how they promote biological functions.

Across many areas of potential applications, and medicine in particular, the need for dynamically responsive, multifunctional materials and stimuli-responsive systems could be met through bio-inspired approaches. To translate fundamental biological discoveries to engineered designs, an integrative viewpoint of length and timescales in responsive systems is needed, with considerations ranging from plants reconfiguring their structures based on environmental changes, to drug delivery mechanisms operating via mechanochemical cues. In particular, synthetic actuation mechanisms independent of specific chemical pathways, and instead based on concepts of scale, structure and geometry have the potential to enjoy wide-spread reception in engineered designs. Passively responsive systems capitalizing on anisotropy at both material and structure length scales are finding use in areas such as architecture, where wooden elements are used to open and close in response to humidity fluctuations to achieve building-scale homeostasis 94 . At smaller scales, active biomimetic materials could be used in artificial cells for in vivo travel to targeted sites for drug administration in a non-invasive manner 95 .

Many challenges lie ahead in transferring mechanisms observed in nature to fully engineered systems. Most notably, many ideas are specific to material domains and length and timescales that cannot be synthetically replicated precisely, and rather require consideration of capturing the principles of a design. For example, in mimicking nacre or bone, not only is the brick-and-mortar geometry universally important, but also the relative stiffness of the two constituent phases both of these strategies are representative of general design principles that could inform many engineered systems regardless of the material being used. In addition, the hierarchical complexity and functional disorder in biological materials calls for a shift in traditional preferences of designing single-scale, highly ordered systems. If these organizational considerations of natural systems are ignored, advances in the engineering of nanobiocomposites that utilize nanoblocks directly obtained from nature may fall short of reproducing and surpassing the impressive mechanical properties of natural materials in a scalable fashion 96,97 .

Advances through recombinant techniques provide a systematic way of discerning emergent properties of natural building blocks in distinct material phases that could assist the transfer of natural principles to synthetic designs. A recombinant approach allows for the rearrangement/reshaping of naturally occurring building blocks that evolved in unrelated contexts (for example, elastin/resilin blends) to achieve unforeseen mechanical functionalities. Recombinant techniques eliminate the complexities of direct biomimicry, and hypothesis testing of structure–property relationships, especially when synthesis is combined with mechanical cues that mimic biological processes. Extending these studies to resolve size effects and interfacial mechanics of multiphasic systems could lead to new insights of how complex hierarchies and biological structures/chemistries affect emergent properties and functionalities relating to mechanics. Even with this knowledge, understanding how hybrid systems that interface biological building blocks with synthetic building blocks in non-obvious environments remains a challenge. Further research is necessary to optimize the resulting recombinant and composite materials for mechanofunctional biosystems, and is an important step in creating, for example, composites with increased toughness, tissues with increased elasticity/wear properties or structures that mimic the behaviour of natural systems.

Beyond understanding the role of mechanics in natural systems, learning from these systems presents numerous opportunities for implementing findings in engineered designs using synthetic approaches. Specifically, these implementations are observable when comparing engineering metrics such as fracture toughness across scales in natural 98,99,100,101,102,103,104,105 and synthetic 106,107,108 systems, as we demonstrate in Fig. 6. Here, the fracture toughness is defined as the energy required to fracture the system/material per unit area (J m −2 ) when considering relevant length scales.

Systems are mapped according to the fracture toughness they achieve at varied length scales relevant to their spatial organization. Categories are differentiated based on approaches used in the mechanical fabrication of the systems, such as bone 101 , nacre 98 and wood 100 emerging naturally through multiscale/multiphasic organizations and spider silk 105 , fibrin adhesives 104 and resilin-based locust shells 102 emerging through bottom-up assembly processes. Systems with actuating functionality include EAP muscle’s 99 passive actuation and human muscle’s 103 active actuation. Artificial nacre 106 , chitin composites 108 and CNC composites 107 are representative of synthetic system approaches for biomimetic, recombinant and hybrid design strategies, respectively.

When examining the systems shown in Fig. 6, there is a diversity of performance for natural and synthetic systems with a multitude of strategies for achieving fracture toughness that could inform bio-inspired approaches. These strategies include multiscale organization as found in bone 101 , nacre 98 and wood 100 and systems constructed from the bottom-up to leverage emergent properties based on nanoscale characteristics (for example, polypetides in Fig. 2) such as spider silk 105 , fibrin adhesive 104 and locust shells 102 . These systems serve to inform engineering endeavours developed using biomimetic, hybrid and recombinant design approaches that mimic or surpass natural systems in their functionality and performance. There is still much research required for engineered systems to match natural system performance, such as artificial nacre 106 only achieving similar fracture toughness at higher length scales when compared with natural nacre. In some cases, however, engineered technologies closely match the performance of their biological analogues: electroactive polymer muscles 99 serve as an interesting passive alternative to active biological muscle 103 that achieve similar fracture toughness at a given length scale. Therefore, engineers can differentiate between these systems based on further criteria specific to a particular design scenario, which provides a greater number of feasible designs to explore in constructing mechanofunctional systems.

The ability to understand how biological systems achieve beneficial functions through material designs and organizations can open many new routes in creating effective mechanofunctional technologies for diverse applications. Moreover, lessons learned from biology and biological systems are giving rise to applications beyond our own physiology and the medical field, where mechanical approaches to biological understanding and intervention have often been linked. The central role of mechanics in these systems will assist in developing novel engineering applications ranging from mechanically responsive synthetic muscle, to building better mechanical materials with functional silk, to creating stimuli-activated drug delivery systems—the areas where mechanics and biology intersect are numerous. Success in bringing experimental and computational approaches to bear with intricate mechanical and biological underpinnings will open a world of opportunities for fundamental scientific discoveries, while also leading the way towards ingenious and well-designed biomimetic technologies of the future.


Biological systems using energy to maintain homeostasis for survival

Bioloji sistemlər böyümək, çoxalmaq və dinamik homeostazı saxlamaq üçün sərbəst enerji və molekulyar tikinti bloklarından istifadə edir.

Enduring Understanding 2.A. Growth, reproduction and maintenance of the organization of living systems require free energy and matter

2.A.1: All living systems require constant input of free energy
2.A.2: Organisms capture and store free energy for use in biological processes
2.A.3: Organisms must exchange matter with the environment to grow, reproduce and maintain organization

Enduring understanding 2.B: Growth, reproduction and dynamic homeostasis require that cell create and maintain internal environments that are different from their external environments

2.B.1: Cell membranes allows gas and liquid to pass through it due to their structure
2.B.2: Growth and dynamic homeostasis are maintained by the constant movement of molecules across membranes.
2.B.3: Eukaryotic cells maintain internal membranes that partition the cell into specialized regions

Enduring understanding 2.C: Organisms use feedback mechanisms to regulate growth and reproduction, and to maintain dynamic homeostasis.

2.C.1: Organisms use feedback mechanisms to maintain their internal environments and respond to external environmental changes.
2.C.2: Organisms respond to changes in their external environments.

Enduring understanding 2.D: Growth and dynamic homeostasis of a biological system are influenced by changes in the system’s environment

2.D.1: All biological systems from cells and organisms to populations, communities and ecosystems are affected by complex biotic and abiotic interactions involving exchange of matter and free energy
2.D.2: Homeostatic mechanisms reflect both common ancestry and differences due to adaptation in different environments
2.D.3: Biological systems are affected by disruptions to their dynamic homeostasis.
2.D.4: Plants and animals have a variety of chemical defenses against infections that affect dynamic homeostasis.

Enduring understanding 2.E: Many biological processes involved in growth, reproduction and dynamic homeostasis include temporal regulation and coordination.

2.E.1: Timing and coordination of specific events are necessary for the normal development of an organism, and these events are regulated by a variety of mechanisms
2.E.2: Timing and coordination of physiological events are regulated by multiple mechanisms.
2.E.3: Timing and coordination of behavior are regulated by various mechanisms and are important in natural selection.


Scientists harvest energy from light using bio-inspired artificial cells

By replicating biological machinery with non-biological components, scientists have found ways to create artificial cells that accomplish a key biological function of converting light into chemical energy.

In a study from the U.S. Department of Energy’s ( DOE ) Argonne National Laboratory, scientists created cell-like hollow capsule structures through the spontaneous self-assembly of hybrid gold-silver nanorods held together by weak interactions. By wrapping these capsules’ walls with a light-sensitive membrane protein called bacteriorhodopsin, the researchers were able to unidirectionally channel protons from the interior of the artificial cells to the external environment.

“ Our goal was to make a replica of nature in a way that used inanimate materials to probe how cells accomplish biological tasks in living systems.” — Elena Rozhkova, nanoscientist, Argonne’s Center for Nanoscale Materials

“ Nature uses compartmentalization to accomplish biological functions because it brings in close vicinity the ingredients needed for chemical reactions,” said Argonne nanoscientist Elena Rozhkova, a corresponding author of the study. ​ “ Our goal was to replicate nature, yet use inanimate materials to probe how cells accomplish their biological tasks.”

Because the bacteriorhodopsin is arranged on the capsules’ surface in an oriented manner, the protons that are pumped out by the bacteriorhodopsin eventually form an electrochemical gradient, where regions of high proton concentration develop outside of the cell.

The key to the research, according to Rozhkova, came from coupling the group of artificial cells that were generating protons to a second, distinct group of artificial cells. These cells contain molecular motor machinery that uses the proton gradient to generate a molecule called ATP , which is well known as the fundamental unit of energy currency in biological systems. ​ “ We measured ATP in biologically significant concentrations upon exposure to visible light,” Rozhkova said.

“ The whole idea is that you have two systems that are communicating with each other,” added postdoctoral researcher Zhaowei Chen, the first author of the study. ​ “ One responds to light and pumps the protons, while the other uses this proton gradient to produce ATP , converting light into energy that is stored within a chemical bond.”

By using protons as exchangeable ions, the scientists were able to construct a pathway by which two different groups of artificial cells could communicate. ​ “ By using a minimalistic artificial cell, we’ve stripped away pretty much all the major cellular functions, leaving behind only the basic function needed for communication and synthesis of energy-rich carrier molecules,” said Argonne biophysicist Philip Laible, another author of the study.

The notion of modeling cellular communication with bioinspired materials is of special interest to scientists as they attempt to reproduce more complex biofunctional systems. ​ “ Some of our ideas for future experiments involve extending these capsules so that they resemble artificial neurons,” added Argonne nanoscientist Chris Fry.

According to Rozhkova, the proton gradient represents only one example of an electrochemical signaling pathway that could be created using these artificial cells. ​ “ Conceivably, you could have sodium ions or calcium ions as the medium of exchange,” she said.

One additional benefit of the inorganic support is that metallic nanoparticles act like a lens to focus and amplify the incoming light near the light-harvesting protein, leading to enhanced biological function.

In addition to the experimental work, which was conducted at Argonne’s Center for Nanoscale Materials, a DOE Office of Science User Facility, Argonne researchers simulated the photonic properties of the artificial cells, as well as how they assembled.

A paper based on the study, ​ “ Light-gated synthetic protocells for plasmon-enhanced chemiosmotic gradient generation and ATP synthesis,” appeared in the January 30 online edition of Angewandte Chemie. Other Argonne authors of the study included Xuedan Ma, Yunsong Xie, Yimin Wu, Edward Barry, Tijana Rajh and former Argonne researcher Gleiciani De Queiros Silveira.

This work was supported by Laboratory Directed Research and Development funds and by DOE ’s Office of Science.


Videoya baxın: MEKANİK ENERJİ VE KORUNUMU - FİZİK - EĞİTİM TOKAT TV (Iyul 2022).


Şərhlər:

  1. Rutger

    Preuvelichivaete.

  2. Nikotilar

    Fikirləşdim və o cümləni susdurdu

  3. Dalan

    Congratulations, you just visited brilliant idea



Mesaj yazmaq