معلومة

تكلفة الطاقة للمضغ مقابل إنتاج الإنزيمات

تكلفة الطاقة للمضغ مقابل إنتاج الإنزيمات


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.

ضع في اعتبارك حالة افتراضية أنك تتناول قطعة من النشا. أيهما أكثر تكلفة من حيث الطاقة 1) المضغ + تقليل كمية إنتاج الإنزيمات المطلوبة أو 2) الإنتاج الوحيد لجميع الإنزيمات للهضم لتحقيق نفس المقدار من امتصاص الجلوكوز مع العلم أن وقت الهضم ثابت. (يمكن أن تكون هناك إجابات مختلفة لأحجام مختلفة من النشا التي يتم تناولها)


الإنزيمات: الجزيئات الصغيرة التي تخبز الخبز

عندما بدأت في صنع الخبز لأول مرة ، كان العلم المعني دائمًا في مؤخرة ذهني. كان لدي فكرة عما حدث - رسم بياني للتفاعلات الكيميائية في العجين بدا كالتالي:

لكن عندما بدأت في إعداد دليل لصف صنع الخبز ، بدأت أتساءل حقًا عن التفاصيل. هل السكر المستخدم في التخمير جزء من الطحين؟ كيف بالضبط تقوم الخميرة بمعالجة هذا السكر؟ هل كل النكهات المعقدة للخبز تأتي حقًا من جزيء عضوي واحد ، الإيثانول؟ ساعدتني الرحلات العديدة إلى مكتبات الجامعة على فهم الإنزيمات المستخدمة في صنع العجين.

عندما أدركت أن الدقيق يحتوي على كمية صغيرة جدًا من السكر ، واحد إلى اثنين بالمائة فقط ، فكرت ، "انتظر لحظة ، كيف يمكن ذلك؟ هذا لا يكفي لجعل العجين يرتفع ". ثم اكتشفت أن النشا في الدقيق يوفر معظم السكر للتخمير ، ويجب تكسير النشا إلى سكر قبل أن يتم تخميره. هذا الانهيار هو عمل الإنزيمات.

ان إنزيم يُعرَّف بأنه جزيء كبير ، غالبًا بروتين ، يحفز تفاعلًا بيولوجيًا. هذا يعني أن الإنزيم يسرع التفاعل عن طريق تقليل أي حاجز للطاقة يمنع التفاعل من الحدوث بسرعة وسهولة.

عندما يصطدم جزيئين ببعضهما البعض ، فهناك احتمال أن يتفاعلوا لتكوين جزيئات جديدة. في بعض الأحيان يحدث هذا بسهولة - لكل من الجزيئين موقع غير مستقر ، على سبيل المثال ، وعندما يصطدمان ، تتشكل رابطة بين المواقع ، مما يؤدي إلى تكوين جزيء جديد ومستقر. ومع ذلك ، في حالات أخرى ، يجب أن تنكسر الروابط في الجزيئات المتفاعلة (الأمر الذي يتطلب طاقة) قبل أن تتشكل روابط جديدة. كمية الطاقة اللازمة لكسر الروابط القديمة هي حاجز الطاقة للتفاعل. يتم تمثيل ذلك بالخط الصلب في الرسم البياني أدناه.

إحدى طرق زيادة سرعة التفاعل هي تسخينه. تتحرك الجزيئات الأكثر سخونة بشكل أسرع فهي تمتلك طاقة أكبر. عندما يصطدم اثنان منهم ، يكون هناك احتمال أكبر أن الروابط الضرورية سوف تنكسر ويحدث رد فعل. إذا امتلك المزيد من الجزيئات الطاقة اللازمة لتجاوز الحاجز ، يحدث المزيد من التفاعل.

الطريقة الأخرى لتسريع التفاعل هي تقليل الحاجز ، كما يتضح من الخط المتقطع في الرسم التخطيطي. عندما تكون هناك حاجة إلى طاقة أقل للتفاعل ، فإن المزيد من الجزيئات ستمتلك طاقة كافية لتجاوز الحاجز. الحد من الحاجز هو عمل المحفزات. إنهم يغيرون الوضع لتقليل حاجز رد الفعل. الإنزيمات هي مجموعة فرعية من المحفزات التي تعمل على التفاعلات البيولوجية. من المعروف أن حوالي 4000 تفاعل تشمل الإنزيمات ، بما في ذلك معظم التفاعلات التي تحدث في جسم الإنسان والعديد من التفاعلات في عجينة الخبز ، الموصوفة لاحقًا.

تحفز الإنزيمات ثلاثة تفاعلات رئيسية في صنع الخبز: تحطيم النشا إلى مالتوز ، وهو سكر معقد يكسر السكريات إلى سكريات بسيطة وكسر سلاسل البروتين. يمكن أن تحدث الكسور بدون إنزيمات ، لكن حاجز الطاقة كبير جدًا لدرجة أنه من غير المحتمل جدًا. في الأساس ، تعتبر الإنزيمات ضرورية لحدوث ردود الفعل.

من السهل أن تبدأ في رؤية الإنزيمات على أنها مخلوقات صغيرة تدخل ، والتعرف على الموقع الذي يمكن أن تعمل فيه ، والبدء في مضغ الروابط أو التقاطها إلى نصفين. في حين أن هذه صورة ملائمة ، إلا أنها تضر بأعاجيب علم الأحياء. الإنزيمات لا تفكر أو تعمل ، لكنها لا تزال قادرة على الوصول إلى المواقع التي تحتاجها. كل إنزيم له وظيفة محددة للغاية ويتفاعل فقط مع الجزيئات المناسبة التي صُمم من أجلها ، متجاهلًا جميع الإنزيمات الأخرى. تعمل الإنزيمات بكفاءة ولا يتم استخدامها في العملية بعد حدوث التفاعل ، ويترك جزيء الإنزيم الأصلي سليمًا ويمكن أن ينتقل إلى موقع جديد.

إذا كان الإنزيم لا يفكر ، فكيف يمكنه أداء مهمته المحددة؟ تسمى الصورة المبسطة المقدمة في كتب الكيمياء العامة "نموذج القفل والمفتاح". إنزيم له شكل محدد يتناسب مع المادة المتفاعلة، الجزيء الذي سيعمل عليه. يرتبط الإنزيم بالركيزة برابطة كيميائية أضعف أو رابطة هيدروجينية أو رابطة كارهة للماء ، على سبيل المثال. إنه يغير الركيزة بطريقة تجعل رد الفعل مواتياً. بمجرد حدوث التفاعل ، يطلق الإنزيم المنتجات ويتحرك.

على سبيل المثال ، ركيزة السكروز عبارة عن سكر معقد يمكن أن يتفاعل مع جزيء الماء لتكوين جزيئين بسيطين من السكر ، الجلوكوز و الفركتوز.

يوجد حاجز طاقة للتفاعل لأنه يتطلب الكثير من الطاقة لكسر الرابطة الوسطى للسكروز.

الانزيم سوكراز يناسب مع السكروز (أدناه). من أجل الارتباط بالإنزيم ، يجب أن يتمدد السكروز. يؤدي هذا التمدد إلى إضعاف الرابطة الوسطى للسكروز ، والتي تصبح عرضة للهجوم بواسطة جزيئات الماء. تم تخفيض حاجز الطاقة. عندما يأتي جزيء الماء ، تنكسر الرابطة الوسطى بسهولة وتتفاعل مع جزيء الماء. يحتفظ الإنزيم الآن بجزيئات المنتج التي يطلقها. تم تكسير السكروز إلى جلوكوز وسكر الفواكه.

يؤكد مثال آخر على طبيعة الترابط للإنزيمات التي لا تتلاءم ببساطة مع ركائز مثل قطع الألغاز ، في مكانها الصحيح. يجب أن تتشكل السندات. بمجرد الارتباط ، يتم وضع الموقع النشط للإنزيم بالقرب من موقع تفاعل الركيزة ، والذي يغيره لتقليل حاجز الطاقة.

في هذا المثال ، الركيزة عبارة عن بروتين. البروتينات هي سلاسل من الأحماض الأمينية مرتبطة بروابط ببتيدية. عندما تتشكل رابطة الببتيد ، يتم تحرير جزيء الماء.

يمكن لجزيء الماء أن يعود ويكسر رابطة الببتيد ، لكنه عادة لا يحتوي على طاقة كافية.

الانزيم كربوكسي ببتيداز يحفز كسر الرابطة الببتيدية الأخيرة في سلسلة البروتين ، ويطلق الحمض الأميني النهائي. يحتوي Carboxypeptidase على ذرة زنك بشحنة موجبة. ترتبط ذرة الزنك بالبروتين بالقرب من آخر رابطة ببتيدية ، مما يؤدي إلى سحب إلكترونات الرابطة بعيدًا عنها ، وبالتالي إضعافها (أدناه). يحتوي الإنزيم أيضًا على منطقة جيب تتكون من ذرات كارهة للماء إذا كان الحمض الأميني الطرفي يحتوي على مجموعة كارهة للماء ، تنجذب المجموعة إلى هذا الجيب وتحتجز به. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن يشكل carboxypeptidase روابط هيدروجينية مع الأحماض الأمينية الطرفية ، مما يؤدي إلى تثبيته في مكانه.

عندما يواجه جزيء الماء رابطة الببتيد الضعيفة ، فمن المحتمل أن يكون لديه الآن طاقة كافية لكسرها ، وإعادة الاتحاد مع الأطراف المكسورة لإصلاح الحمض الأميني الرخو. تضعف الروابط المختلفة التي تمسك الإنزيم بركيزة البروتين ، ويتم إطلاق الإنزيم.

أول إنزيم يعمل في عجينة الخبز هو الأميليز. يعمل الأميليز على النشا (إما أميلوز أو أميلوبكتين) ، مما يكسر سلسلة النشا بين حلقات السكر المجاورة. هناك نوعان من الأميليز: & # 945-amylase (alpha-amylase) يكسر السلسلة بشكل عشوائي إلى قطع أصغر بينما & # 946-amylase (beta-amylase) يكسر وحدات المالتوز من نهاية السلسلة.

تم العثور على الأميليز في الدقيق. تحتوي حبات القمح على الأميليز لأنها تحتاج إلى تكسير النشا إلى سكر لاستخدامه في الطاقة عندما تنبت الحبات. تختلف كمية الأميليز باختلاف الطقس وظروف الحصاد للقمح ، لذلك تختبر المطاحن عمومًا وتضيف دقيقًا إضافيًا أو يمزج للحصول على الكمية المناسبة.

تتم تعبئة الأميليز عند إضافة الماء إلى الدقيق. هذا هو أحد الأسباب التي تجعل العجين الذي يحتوي على نسبة عالية من الماء يتخمر بشكل أسرع - يمكن للأميلاز (والأنزيمات الأخرى) أن تتحرك بشكل أكثر فعالية. للوصول إلى جزيئات النشا ، يجب أن تخترق الأميليز حبيبات النشا ، وبالتالي فإن معظم الحركة في عجينة الخبز تحدث في حبيبات مكسورة ، حيث يكون النشا متاحًا للتفاعل. لحسن الحظ ، تتلف نسبة من حبيبات النشا أثناء الطحن ويمكن الوصول إليها بواسطة الأميليز.

الأميليز هو جزيء كبير يحتوي على مئات الأحماض الأمينية المرتبطة ببعضها البعض. تساهم العديد من المجموعات المختلفة في الترابط بين الأميليز وركيزة النشا. بالإضافة إلى ذلك ، هناك العديد من جزيئات الأميليز المختلفة ، وكل منها يعمل بشكل مختلف. تعطي أمثلة عمل الإنزيم المعروضة أعلاه الفكرة العامة.

بسبب الأميليز ، يتم تكسير بعض النشا في عجينة الخبز مالتوز، سكر مزدوج الحلقة يتكون من جزيئي جلوكوز ولكن تفاعلات التخمير تتطلب حلقات جلوكوز مفردة. السكريات البسيطة مثل الجلوكوز توفر أيضًا نكهة للخبز وتشارك في تفاعلات اللون البني التي تحدث عند القشرة أثناء الخبز.

لحسن الحظ ، تحتوي الخميرة المستخدمة في صنع الخبز على الإنزيم مالتاز، الذي يحطم المالتوز إلى جلوكوز. عندما تصادف خلية الخميرة جزيء مالتوز ، فإنها تمتصه. ثم يرتبط Maltase بالمالتوز ويقسمه إلى قسمين. تحتوي خلايا الخميرة أيضًا على إنفرتيز، إنزيم آخر يمكنه تكسير السكروز ، مثل السكروز الموصوف أعلاه. يعمل هذا الإنزيم على نسبة صغيرة من السكروز الموجودة في الدقيق. هذان الإنزيمان مسؤولان عن إنتاج الكثير من الجلوكوز الذي تحتاجه الخميرة للتخمير.

الإنزيم الرئيسي الآخر الذي يعمل في عجينة الخبز هو الأنزيم البروتيني. يعمل البروتياز على سلاسل البروتين ، مما يكسر روابط الببتيد بين الأحماض الأمينية. يعتبر الكاربوكسي ببتيداز ، الموصوف أعلاه ، مثالاً على البروتياز. يوجد المئات من البروتياز ، لكن القليل منها يوجد في عجينة الخبز ، حيث يقطعون الغلوتين إلى قطع. يحدث البروتياز بشكل طبيعي في الدقيق وخلايا الخميرة والشعير. يتم قياس مستوياتها في المصنع وتعديلها بنفس الطريقة التي يتم بها تعديل مستويات الأميليز.

كان البروتياز في عجينة الخبز موضوع بحث علمي على مدار المائة عام الماضية. كان هناك الكثير من الجدل حول أهميتها. في السنوات الأولى ، كان العلماء يحاولون إثبات وجودهم وقياس النشاط النسبي في أنواع مختلفة من الدقيق. قاموا بتضخيم نشاط الأنزيم البروتيني عن طريق إضافة ركائز غير غلوتين إلى المزيج. كانت هذه الركائز هي تلك التي تهاجم الإنزيم البروتيني بسهولة. في النهاية اعتقد شخص ما أنه ينظر إلى نشاط الأنزيم البروتيني في عجينة الخبز العادية ووجد القليل جدًا من النشاط.

ومع ذلك ، يبدو أن هذا النشاط الصغير جدًا قد يكون فقط ما هو مطلوب في عجينة الخبز. قد يؤدي الكثير من نشاط الأنزيم البروتيني إلى تفتيت الغلوتين ، مما يؤدي إلى تدمير الشبكة التي تتشكل أثناء العجن. لكن قليلاً ، يخفف العجين ويجعله أكثر قابلية للتطبيق. إذا تم السماح للعجين بالتحلل التلقائي (أي الراحة) أو إذا تم استخدام التفضيلات ، فإن البروتياز لديه وقت للعمل قبل العجن ، مما يجعل العجين أسهل. (أتساءل عما إذا كان هذا هو أصل كلمة "autolyse" من "autolysis" والتي تعني "self-break" ويمكن أن تشير إلى البروتينات البروتينية التي تعمل على سلاسل البروتين.)

بالإضافة إلى التأثير على قوام العجين ، يؤثر البروتياز على نكهته. ينتج البروتياز عن أحماض أمينية مفردة عندما يكسرون آخر رابطة ببتيدية في سلسلة البروتين. يمكن أن تشارك هذه الأحماض الأمينية في تفاعلات النكهة والتحمير التي تحدث في القشرة أثناء الخبز.

حتى الآن ، يبدو الرسم التخطيطي المبسط للتفاعلات الكيميائية في عجينة الخبز كما يلي:

يتضمن هذا الرسم البياني وجود الإنزيمات. بدون الإنزيمات ، لن يكون صنع الخبز ممكنًا. ثم مرة أخرى ، لن نفعل ذلك أيضًا.

الآراء المعبر عنها هي آراء المؤلف (المؤلفين) وليست بالضرورة آراء Scientific American.


تكلفة الطاقة للمضغ مقابل إنتاج الإنزيمات - علم الأحياء

تدفق الطاقة: الإنتاج الأولي إلى مستويات غذائية أعلى

"كل جسد عشب".
- اشعياء

هناك حاجة لثلاثمائة سمك السلمون المرقط لدعم رجل واحد لمدة عام. سمك السلمون المرقط ، بدوره ، يجب أن يستهلك 90 ألف ضفدع ، وهذا يجب أن يستهلك 27 مليون ضفدع الجنادب التي تعيش على 1000 طن من العشب.
- جي تايلر ميلر الابن كيميائي أمريكي (1971)

  • ما مقدار طاقة الشمس المتاحة للنباتات واستيعابها ، وكيف يتم قياسها؟
  • كيف يرتبط إجمالي الإنتاج وصافي الإنتاج وإنتاج النظام البيئي؟
  • كيف ترتبط المحاصيل الدائمة ومعدل الدوران وصافي الإنتاج الأولي؟
  • ما هي أنواع النظم البيئية التي تتمتع بأعلى معدلات الإنتاج ، والتي تقدم أكبر مساهمات في الإنتاج الأولي في جميع أنحاء العالم؟
  • ما هي العوامل التي تحد من كمية الإنتاج الأولي محليًا وعالميًا؟
  • ما هي الكفاءة التي يتم بها تحويل الطاقة من المستوى الغذائي إلى المستوى الغذائي؟
  • ما هي الاختلافات بين كفاءة الاستيعاب وكفاءة الإنتاج الصافي والكفاءة البيئية؟
  • كيف تختلف النظم البيئية في كمية الكتلة الحيوية أو عدد الكائنات الحية الموجودة في أي وقت ، والتي تتولد بمرور الوقت ، في كل مستوى غذائي؟
  • ما مقدار الطاقة المتاحة للبشر ، وكم نستخدمها ، وهل هذا المقدار مستدام؟

انتقل إلى: [مقدمة] [الإنتاج] [نقل الطاقة] [مثال فوكس والأرنب] [نماذج الأهرامات] [استهلاك الطاقة البشرية] [ملخص]

مقدمة - تدفقات الطاقة في شبكات الغذاء

تعد كل من الطاقة والمواد ضرورية لهيكل النظام البيئي ووظيفته وتكوينه. لقد تعرفت بالفعل على المفاهيم الأساسية لدورات المغذيات في هذه المحاضرة نركز على الطاقة. لاحظ أنه فيما يتعلق بدورة الكربون ، يمكن تحويل "المواد" والطاقة. على سبيل المثال ، نعرف عدد السعرات الحرارية (مقياس للطاقة) التي يحتوي عليها جرام من بعض مركبات الكربون مثل الدهون أو الكربوهيدرات.

آيات التغذية الذاتية

كمراجعة موجزة ، ندرك أن بعض الكائنات الحية قادرة على تخليق الجزيئات العضوية من السلائف غير العضوية ، وتخزين الطاقة الكيميائية الحيوية في هذه العملية. تسمى هذه التغذية الذاتية، وتعني "التغذية الذاتية". يشار إلى Autotrophs أيضًا باسم المنتجين الأساسيين. الكائنات الحية قادرة على تصنيع جزيئات عضوية معقدة من مركبات غير عضوية بسيطة (ماء ، أول أكسيد الكربون2والمغذيات) تشمل النباتات وبعض الطلائعيات وبعض البكتيريا. عادة ما تكون العملية التي يقومون بذلك من خلالها البناء الضوئيوكما يوحي اسمه ، يتطلب التمثيل الضوئي الضوء (انظر الشكل 1).

من أجل الاكتمال ، يجب أن نذكر المسار المعروف باسم التخليق الكيميائي. يمكن لبعض الكائنات الحية المنتجة ، ومعظمها من البكتيريا المتخصصة ، تحويل العناصر الغذائية غير العضوية إلى مركبات عضوية دون وجود ضوء الشمس. توجد عدة مجموعات من البكتيريا المُصنّعة كيميائيًا في البيئات البحرية والمياه العذبة ، خاصة تلك الغنية بالكبريت أو غاز كبريتيد الهيدروجين. مثل النباتات الحاملة للكلوروفيل والكائنات الحية الأخرى القادرة على التمثيل الضوئي ، فإن كائنات التخليق الكيميائي التغذية الذاتية (انظر ملاحظات محاضرة الميكروبات لمزيد من المعلومات). يمكن للكثير من الكائنات الحية الحصول على طاقتها فقط عن طريق التغذية على الكائنات الحية الأخرى. تسمى هذه غيرية التغذية. وهي تشمل مستهلكي أي كائن حي ، بأي شكل من الأشكال: النباتات ، والحيوانات ، والميكروبات ، وحتى الأنسجة الميتة. وتسمى أيضا مغايرة التغذية المستهلكين.

في هذه المحاضرة سنبدأ بالتفكير في الإنتاج الأولي ، وفي المحاضرة التالية سوف ندرس ما يحدث لهذه الطاقة أثناء نقلها عبر سلسلة غذائية.

عملية الإنتاج الأولي

سواء كان المرء يقيس معدل حدوث التمثيل الضوئي ، أو معدل زيادة كتلة النبات الفردي ، فإن المرء يهتم بـ الإنتاج الأولي (التعريف: تخليق وتخزين الجزيئات العضوية أثناء نمو وتكاثر كائنات التمثيل الضوئي). الفكرة الأساسية هي إنتاج مركبات كيميائية جديدة وأنسجة نباتية جديدة. بمرور الوقت ، ينتج عن الإنتاج الأولي إضافة الكتلة الحيوية النباتية الجديدة إلى النظام. يستمد المستهلكون طاقتهم من المنتجين الأساسيين ، إما بشكل مباشر (الحيوانات العاشبة ، بعض الحيوانات الحارقة) ، أو بشكل غير مباشر (الحيوانات المفترسة ، وغيرها من المواد الحارقة).

هل هناك حد أعلى للإنتاج الأولي? الإجابة المختصرة هي & quotyes & quot. دعونا نفكر بإيجاز في مقدار الطاقة التي يتم التقاطها في الواقع بواسطة autotrophs ، ونفحص مدى كفاءة عملية التمثيل الضوئي. تذكر أن شدة الإشعاع الشمسي التي تصل إلى سطح الأرض تعتمد جزئيًا على الموقع: يتم تلقي أقصى شدة للطاقة عند خط الاستواء ، وتقل الشدة كلما تحركنا نحو القطبين. كما رأينا في المحاضرة حول النظم البيئية ، فإن هذه الاختلافات لها تأثيرات عميقة على المناخ ، وتؤدي إلى الأنماط الجغرافية المرصودة للمناطق الأحيائية.

علاوة على ذلك ، نعلم أن جزءًا صغيرًا فقط من إشعاع الشمس يتم استخدامه فعليًا في تفاعل التمثيل الضوئي في النباتات على سطح الأرض. من إجمالي الإشعاع الشمسي الذي يضرب الغلاف الجوي الخارجي للأرض ، ينعكس حوالي نصفه مرة أخرى إلى الفضاء عن طريق الجليد أو الثلج أو المحيطات أو الصحاري ، أو تمتصه الغازات في الغلاف الجوي - على سبيل المثال ، تمتص طبقة غاز الأوزون في الغلاف الجوي جميع الأشعة فوق البنفسجية تقريبًا الضوء الذي يشكل حوالي 9٪ من إشعاع الشمس.

بشكل عام ، من الضوء الذي يصل إلى سطح الأرض ، يوجد حوالي نصفه فقط في نطاق الطول الموجي الذي يمكن أن تستخدمه النباتات في عملية التمثيل الضوئي (

الطول الموجي 400-700 نانومتر) - وهذا ما يسمى بالإشعاع النشط الضوئي ، أو PAR. تمتص النباتات بشدة ضوء الأطوال الموجية الزرقاء والحمراء (ومن هنا جاء لونها الأخضر نتيجة انعكاس الأطوال الموجية الخضراء) ، وكذلك الضوء في منطقة الأشعة تحت الحمراء البعيدة ، وتعكس الضوء في منطقة الأشعة تحت الحمراء القريبة. حتى لو كان الطول الموجي صحيحًا ، لا يتم تحويل الطاقة الضوئية كلها إلى كربون عن طريق التمثيل الضوئي. يغيب بعض الضوء عن البلاستيدات الخضراء للأوراق ، حيث تحدث التفاعلات الضوئية ، ويتم استخدام الكثير من الطاقة من الضوء الذي يتم تحويله عن طريق التمثيل الضوئي إلى مركبات الكربون في الحفاظ على الكيمياء الحيوية والنباتات & quot في النبات تعمل بشكل صحيح - تسمى هذه الخسارة عمومًا & quot؛ ويشمل أيضًا خسائر الديناميكا الحرارية. لا تستخدم النباتات إذن كل الطاقة الضوئية المتاحة لها نظريًا (انظر الشكل 2).


الشكل 2: تقليل الطاقة المتاحة للنباتات

في المتوسط ​​، يبلغ إجمالي الإنتاج الأولي للنبات على الأرض حوالي 5.83 × 10 6 كالوري م -2 عام -1. يمثل هذا حوالي 0.06٪ من كمية الطاقة الشمسية التي تسقط لكل متر مربع على الحافة الخارجية للغلاف الجوي للأرض سنويًا (يُعرف باسم ثابت شمسي ويساوي 1.05 × 10 10 كال م -2 عام -1). بعد تكاليف التنفس ، ينخفض ​​صافي الإنتاج الأولي للنبات إلى 4.95 × 10 6 كالوري م -2 سنة - 1 ، أو حوالي 0.05٪ من ثابت الطاقة الشمسية. لاحظ أن هذه هي الكفاءة "المتوسطة" ، ويمكن أن تصل هذه القيمة في النباتات البرية

2-3٪ وفي النظم المائية يمكن أن تصل هذه القيمة

1٪.هذه الكفاءة المنخفضة نسبيًا لتحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة في مركبات الكربون تحدد الكمية الإجمالية للطاقة المتاحة للكائنات غيرية التغذية في جميع المستويات الغذائية الأخرى.

بعض التعاريف

حتى الآن لم نكن دقيقين للغاية بشأن تعريفاتنا "للإنتاج" ، وعلينا أن نجعل المصطلحات المرتبطة بالإنتاج واضحة للغاية.

* إجمالي الإنتاج الأولي، GPP ، هو المبلغ الإجمالي لثاني أكسيد الكربون2 يتم إصلاحه بواسطة النبات في عملية التمثيل الضوئي.

* التنفس، R ، هي كمية ثاني أكسيد الكربون2 التي فقدت من كائن حي أو نظام من النشاط الأيضي. يمكن تقسيم التنفس أيضًا إلى مكونات تعكس مصدر ثاني أكسيد الكربون2.

صص = التنفس بالنباتات

صح = التنفس عن طريق التغاير

صد = التنفس بواسطة المُحلِّلات (الميكروبات)

* صافي الإنتاج الأولي، NPP ، هو المبلغ الصافي للإنتاج الأولي بعد تضمين تكاليف تنفس النبات. وبالتالي، NPP = GPP - R

* صافي إنتاج النظام البيئي، نيب ، هو المبلغ الصافي للإنتاج الأولي بعد تضمين جميع تكاليف التنفس من قبل النباتات ، وغيرية التغذية ، والمحللات. وبالتالي، NEP = GPP - (Rص + رح + رد)

يعتبر قياس صافي إنتاج النظام البيئي ذا أهمية كبيرة عند تحديد ثاني أكسيد الكربون2 التوازن بين النظم البيئية المختلفة ، أو الأرض بأكملها ، والغلاف الجوي. سيتم مناقشة هذا أكثر في محاضراتنا حول تغير المناخ ودورة الكربون العالمية.

ملحوظة أننا في هذه التعريفات نهتم فقط بالإنتاج "الأولي" وليس الإنتاج "الثانوي". الإنتاج الثانوي هو زيادة الكتلة الحيوية أو تكاثر الكائنات غيرية التغذية والمحللات. معدلات الإنتاج الثانوي ، كما سنرى في محاضرة قادمة ، هي أقل بكثير من معدلات الإنتاج الأولي.

مثال يومي لكيفية ارتباط GPP و NPP و R. لفهم العلاقة بين التنفس (R) والإنتاج الأولي الإجمالي والصافي (GPP و NPP) بشكل أفضل ، ضع في اعتبارك المثال التالي. لنفترض أن لديك وظيفة بدوام جزئي وتجني 100 دولار في الأسبوع تذهب مباشرة إلى حسابك المصرفي. هذا هو & quot إجمالي الإنتاج & quot من المال ، وهو مشابه للإنتاج الإجمالي للكربون المثبت في السكريات أثناء عملية البناء الضوئي. لنفترض الآن أنك تنفق 50 دولارًا في الأسبوع من حسابك المصرفي على الطعام ، وهو أمر ضروري جزئيًا لك للبقاء على قيد الحياة وبصحة جيدة وقادرًا على الاستمرار في العمل بدوام جزئي. هذا هو & quotcost & quot الذي تدفعه للاستمرار في العمل ، وهو مشابه لتكلفة التنفس التي يتحملها النبات عندما تستخدم خلاياها بعض الطاقة المثبتة في عملية التمثيل الضوئي لبناء إنزيمات جديدة أو الكلوروفيل لالتقاط الضوء أو التخلص من النفايات في الخلية. وبالتالي ، في حسابك المصرفي ، يبلغ إجمالي إنتاجك 100 دولار في الأسبوع ، وتكلفة المعيشة (التنفس) هي 50 دولارًا في الأسبوع ، ومبلغ & quotnet & quot من المال الذي تنتجه كل أسبوع (صافي إنتاجك) هو 100 دولار - 50 دولارًا = 50 دولارًا. يمكنك أن ترى أن رصيد حسابك المصرفي قد تم تحديده على النحو التالي: صافي إنتاجك يساوي إجمالي الإنتاج مطروحًا منه التنفس ، وهو نفس المعادلة أعلاه التي تنص على صافي الإنتاج الأولي (NPP) = إجمالي الإنتاج الأولي (GPP) ناقص التنفس (ص).

قياس الإنتاج الأولي

(أ) معدل التمثيل الضوئي :

أنت تعرف معادلة التمثيل الضوئي من محاضرة سابقة:

إذا تمكنا من وضع مصانعنا في نظام مغلق وقياس نضوب ثاني أكسيد الكربون2 لكل وحدة زمنية ، أو جيل O2، سيكون لدينا مقياس مباشر للإنتاج الأولي.

توضح الطريقة المستخدمة في دراسات الإنتاج الأولي للأحياء المائية هذه الطريقة جيدًا. في المياه السطحية للبحيرات والمحيطات ، النباتات هي في الأساس طحالب وحيدة الخلية ، ومعظم المستهلكين من القشريات المجهرية والبروتوزوان. كل من المنتجين والمستهلكين صغار جدًا ، ويمكن احتواؤهم بسهولة في لتر من الماء. إذا وضعت هذه الكائنات في زجاجة وقمت بتشغيل الأنوار ، فإنك تحصل على عملية التمثيل الضوئي. إذا قمت بإطفاء الأنوار ، فإنك تطفئ الإنتاج الأساسي.

ومع ذلك ، فإن الظلام ليس له تأثير على التنفس. تذكر ذلك الخلوي التنفس هي عملية عكسية من عملية التمثيل الضوئي ، على النحو التالي.

تخزن عملية التمثيل الضوئي الطاقة ، ويطلقها التنفس لاستخدامها في وظائف مثل التكاثر والصيانة الأساسية. عند حساب كمية الطاقة التي يخزنها النبات ككتلة حيوية ، والتي تتوفر بعد ذلك للكائنات غيرية التغذية ، يجب أن نطرح تكاليف تنفس النبات من إجمالي الإنتاج الأولي.

الإجراء العام بسيط للغاية لدرجة أنه تم تحديد الإنتاج الأولي لمحيطات العالم بتفصيل كبير ، كما تم فحص العديد من بحيرات المياه العذبة في العالم (الشكل 3). يأخذ المرء سلسلة من الزجاجات الصغيرة ذات السدادات ، ونصفها ملفوف ببعض المواد مثل رقائق القصدير بحيث لا يخترق الضوء. هذه تسمى الزجاجات "الخفيفة" و "الداكنة" ، على التوالي.

الشكل 3. "علماء البحار" (الأشخاص الذين يدرسون البحيرات والجداول) يعملون
على بحيرة فيكتوريا في شرق إفريقيا (يسارًا) وبحيرة ميشيغان (يمينًا).

تمتلئ الزجاجات بالمياه المأخوذة من مكان معين ، ويحتوي عمق هذه المياه على النباتات والحيوانات الصغيرة في النظام البيئي المائي. يتم إغلاق الزجاجات بسدادات لمنع أي تبادل للغازات أو الكائنات الحية مع المياه المحيطة ، ثم يتم تعليقها لبضع ساعات على نفس العمق الذي أخذت منه المياه في الأصل. داخل الزجاجات CO2 يتم استهلاكه ، و O2 يتم إنتاجه ، ويمكننا قياس التغيير بمرور الوقت في أي من هذه الغازات.

على سبيل المثال ، يمكن قياس كمية الأكسجين المذابة في الماء بسهولة عن طريق المعايرة الكيميائية. قبل تعليق الزجاجات ، يكون الحرف الأول O2 يتم تحديد التركيز والتعبير عنه كمليجرام من O2 لكل لتر من الماء (ملغم / لتر). بعد ذلك ، يتم قياس القيمة النهائية في كل من الزجاجات الفاتحة والداكنة بعد فترة زمنية محددة من الحضانة. ما هي العمليات التي تحدث في كل زجاجة والتي قد تغير O الأصلي2 أو CO2 تركيزات؟ المعادلات أدناه تصفهم.

زجاجة خفيفة: يوجد في الزجاجة الخفيفة عملية التمثيل الضوئي ، أو الإنتاج الأولي الإجمالي (GPP) ، وهناك التنفس (R). الفرق بين هاتين العمليتين ، كما رأينا أعلاه ، هو صافي الإنتاج الأولي = NPP = (GPP - R)

زجاجة داكنة:لا يوجد في الزجاجة المظلمة عملية التمثيل الضوئي والتنفس فقط. (في هذا المثال ، قد يكون لدينا أيضًا بعض تنفس المستهلك في الزجاجتين ، إلا إذا استخدمنا شبكة لتصفية الكائنات غيرية التغذية الصغيرة).

الآن فكر في المثال البسيط التالي. يوضح كيف نأخذ في الاعتبار التغييرات من تركيزات الأكسجين الأولية في الماء التي حدثت أثناء الحضانة. سنفترض أن فترة الحضانة كانت ساعة واحدة. تركيزات الأكسجين المقاسة:

الزجاجة الأولية = 8 مجم O2 / ل زجاجة خفيفة = 10 مجم O2 / ل زجاجة داكنة= 5 مجم O2 / ل

زاد الأكسجين في الزجاجة الخفيفة مقارنة بالأول بسبب التمثيل الضوئي ، وانخفض الأكسجين في الزجاجة المظلمة بسبب التنفس. بهذه المعلومات يمكننا حساب التنفس, NPP، و GPP لنظامنا:

(الضوء - الأولي) = (10-8) = 2 مجم / لتر / ساعة = (GPP - R) = NPP

(الأولي - الظلام) = (8-5) = 3 مجم / لتر / ساعة = التنفس

(فاتح - داكن) = (10-5) = 5 مجم / لتر / ساعة = (NPP + R) = GPP

وبالتالي لدينا مقياس للإنتاج الأولي الصافي والإجمالي بالإضافة إلى تنفس نظامنا. تكون تقنية الأكسجين محدودة في الحالات التي يكون فيها الإنتاج الأولي منخفضًا للغاية. في هذه الحالات ، يكون الشكل المشع للكربون ، C 14 (14 CO2) ، لرصد امتصاص الكربون وتثبيته. يمكنك أيضًا تحويل النتائج بين طريقتي الأكسجين والكربون بضرب قيم الأكسجين في 0.375 لوضعها في مكافئات الكربون (يأتي العامل من الاختلافات في الكتلة الذرية).

(ب) معدل تراكم الكتلة الحيوية:

ماذا تفعل بالنباتات الكبيرة جدًا بحيث لا يمكن وضعها في الزجاجات؟ تأمل المثال التالي. لنفترض أننا نرغب في معرفة الإنتاج الأولي لمحصول الذرة. نزرع بعض البذور ، وفي نهاية عام واحد نحصد عينات من النباتات بأكملها بما في ذلك الجذور التي كانت موجودة في متر مربع واحد من المساحة. نقوم بتجفيفها لإزالة أي اختلاف في محتوى الماء ، ثم نوزنها للحصول على "الوزن الجاف". وبالتالي ، فإن قياسنا للإنتاج الأولي سيكون جرامًا في الثانية من العام -1 من السيقان والأوراق والجذور والأزهار والفواكه ، مطروحًا منها كتلة البذور التي ربما تكون قد تطايرت بعيدًا. ما الذي قمنا بقياسه؟

إنه ليس GPP ، لأن بعض الطاقة الناتجة عن عملية التمثيل الضوئي ذهبت لتلبية احتياجات التمثيل الغذائي لنباتات الذرة نفسها. هل هو NPP؟ حسنًا ، إذا استبعدنا جميع المستهلكين مثل حشرات نبات الذرة ، فسنحصل على مقياس NPP. لكننا نفترض أن بعض الحشرات ومفصليات الأرجل أخذت حصة من الكتلة الحيوية للنبات ، وبما أننا لم نقيس هذه الحصة ، فقد قمنا في الواقع بقياس شيء أقل من NPP. لاحظ أن هذا هو بالضبط نفس الموقف في طريقة الزجاجة التي وصفناها أعلاه إذا تم تضمين الكائنات غيرية التغذية الصغيرة التي ترعى الطحالب في الزجاجة ، وفي هذه الحالة تقيس الطريقتان نفس الشيء.

في السنوات الأخيرة ، أصبح من الممكن أيضًا تقدير GPP و R في النباتات الكبيرة أو الغابات بأكملها باستخدام أدوات التتبع وتقنيات تبادل الغازات. تشكل هذه القياسات الآن أساس تحقيقاتنا في كيفية تأثير الإنتاج الأولي على محتوى ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي.

الإنتاج والمحاصيل الدائمة والدوران

المحصول الثابت، من ناحية أخرى ، هو مقياس للكتلة الحيوية للنظام في نقطة زمنية واحدة ، ويتم قياسه بالسعرات الحرارية أو الجرامات لكل م 2. يعتبر الفرق بين الإنتاج والمحاصيل الدائمة أمرًا بالغ الأهمية ، ويمكن توضيحه من خلال السؤال التالي. هل يجب على الحراج ، المهتم بحصاد أكبر محصول من قطعة أرض ، أن يهتم أكثر بمحصول الغابة الدائم أو إنتاجه الأساسي؟ حسنًا ، العنصر الأساسي للإجابة هو "زمن". إذا كان الحراج يريد استثمارًا قصير الأجل (أي قطع الغابة وبيع الأشجار لتحقيق أقصى ربح فوري) ، فكلما زاد المحصول الدائم كان ذلك أفضل. إذا أراد الحراج بدلاً من ذلك إدارة الغابة بمرور الوقت (بيع بعض الأشجار مع زيادة النمو كل عام) ، فإن معدل إنتاج الغابة للكتلة الحيوية يعد أمرًا بالغ الأهمية.

نسبة المحصول الدائم إلى الإنتاج (المحاصيل الدائمة / الإنتاج) تساوي دوران النظام. بقسمة المحصول الثابت (وحدات جم / م 2) على الإنتاج (وحدات جم / م 2 / سنة) ، يمكنك أن ترى أن معدل الدوران بوحدات 1 / (1 / سنة) = السنة في هذا المثال. وبالتالي فإن المخزون أو المحصول الدائم لأي مادة مقسومًا على معدل الإنتاج يمنحك مقياسًا للوقت. لاحظ كيف أن وقت الدوران هذا مشابه (حقًا ، متطابق) مع وقت الإقامة الذي تعلمته في المحاضرات السابقة. من المهم حقًا مراعاة عنصر "الوقت" هذا عندما تفكر في أي جانب تقريبًا من جوانب كائن حي أو نظام بيئي أو مشكلة في الاستدامة. يعد التعرف على مقدار ما يحدث ومدى سرعة تغيره جانبًا مهمًا لفهم النظام جيدًا بما يكفي لاتخاذ القرارات على سبيل المثال ، قد يكون قرار الحراج أعلاه مدفوعًا بمخاوف اقتصادية أو مخاوف تتعلق بالحفظ ، ولكن " لا يزال الخيار الأفضل "لأي من هذه الاهتمامات يعتمد على فهم الإنتاج والمحاصيل الدائمة ودوران الغابة. يسلط هذا الضوء على النقطة التي أثيرت في المحاضرات السابقة وهي أن اتخاذ قرارات بشأن الاستدامة يجب أن تفهم هذه المفاهيم العلمية الأساسية.

أنماط وضوابط الإنتاج الأولي في النظم البيئية في العالم

الشكل 4. صافي الإنتاج الأولي لكل وحدة مساحة للأنظمة البيئية المشتركة في العالم.

إذا كنا نرغب في معرفة المقدار الإجمالي لـ NPP في العالم ، فيجب علينا مضاعفة هذه القيم في المنطقة التي تشغلها النظم البيئية المختلفة. عند القيام بذلك ، نجد أن الأنظمة الأكثر إنتاجية الآن هي المحيطات المفتوحة ، والغابات الاستوائية المطيرة ، والسافانا ، والغابات الاستوائية الموسمية. (انظر الشكل 5).

الشكل 5. متوسط ​​صافي الإنتاج الأولي العالمي لمختلف النظم البيئية.

ما الذي يفسر هذه الاختلافات في الإنتاج لكل وحدة مساحة؟ الجواب في الأساس هو أن المناخ والمغذيات يتحكمان في الإنتاجية الأولية. المناطق الدافئة والرطبة بشكل عام تكون أكثر إنتاجية (انظر الشكلين 6 أ و 6 ب). بشكل عام ، فإن كمية المياه المتاحة تحد من الإنتاج الأساسي للأرض في عالمنا ، ويرجع ذلك جزئيًا إلى مساحات الصحراء الكبيرة الموجودة في قارات معينة. تعتبر المحاصيل الزراعية منتجة بشكل خاص بسبب الدعم "الاصطناعي" للمياه والأسمدة ، فضلاً عن مكافحة الآفات.

الشكلان 6 أ و 6 ب. الرسوم البيانية تظهر العلاقة
بين NPP وهطول الأمطار ، وبين NPP ودرجة الحرارة.

على الرغم من أن درجة الحرارة وخاصة هطول الأمطار مرتبطة بالإنتاج ، ستلاحظ درجة كبيرة من "التشتت" حول خط أفضل ملاءمة مرسومًا في الرسوم البيانية أعلاه. على سبيل المثال ، انظر إلى نطاق قيم الإنتاج (المحور ص) عند قيمة درجة حرارة 10 درجة مئوية أو قيمة هطول الأمطار 1000 ملم. يُعزى التشتت أو الاختلاف في الإنتاج جزئيًا إلى جوانب أخرى لأنظمة معينة (محلية) ، مثل توافر المغذيات أو معدلات دورانها. على سبيل المثال ، يمكن أن يكون للأراضي العشبية معدل إنتاج أولي مرتفع نسبيًا يحدث خلال موسم نمو قصير ، ومع ذلك فإن الكتلة الحيوية للمحاصيل الدائمة ليست كبيرة جدًا على الإطلاق. هذا يدل على معدل دوران مرتفع. في الغابة ، من ناحية أخرى ، الكتلة الحيوية للمحاصيل من الخشب الموجود فوق الأرض والجذور الموجودة تحت الأرض كبيرة. يمثل إنتاج المادة النباتية الجديدة كل عام جزءًا صغيرًا من إجمالي المحاصيل الدائمة ، وبالتالي فإن معدل دوران الكتلة الحيوية للغابات أقل بكثير.

يُلاحظ مثال جيد آخر في المحيطات ، حيث يتركز معظم الإنتاج الأولي في الطحالب المجهرية. تتمتع الطحالب بدورات حياة قصيرة ، تتكاثر بسرعة ، ولا تولد الكثير من الكتلة الحيوية بالنسبة لأعدادها ، وتأكلها العواشب بسرعة. في أي وقت من الأوقات ، من المحتمل أن يكون المحصول الدائم من الطحالب في المحيط منخفضًا ، لكن معدل الدوران يمكن أن يكون مرتفعًا (انظر أدناه) لقد درسنا الآن الخطوة الأولى في تدفق الطاقة عبر النظم البيئية: تحويل الطاقة من قبل المنتجين الأساسيين في شكل يمكن استخدامه من قبل غيرية التغذية ، وكذلك من قبل المنتجين أنفسهم. في المحاضرة التالية سوف ندرس كيف تتحرك هذه الطاقة عبر بقية النظام البيئي ، مما يوفر الوقود للحياة عند مستويات غذائية أعلى.

تدفق الطاقة إلى مستويات غذائية أعلى

معظمكم الآن على دراية بمفهوم المستوى الغذائي (انظر الشكل 1). إنه ببساطة مستوى تغذية ، كما يتم تمثيله غالبًا في سلسلة غذائية أو شبكة غذائية. يشتمل المنتجون الأساسيون على المستوى الغذائي السفلي ، يليهم المستهلكون الأساسيون (العواشب) ، ثم المستهلكون الثانويون (الحيوانات آكلة اللحوم التي تتغذى على العواشب) ، وهكذا. عندما نتحدث عن الانتقال "لأعلى" في السلسلة الغذائية ، فإننا نتحدث مجازيًا ونعني أننا ننتقل من النباتات إلى الحيوانات العاشبة إلى الحيوانات آكلة اللحوم. هذا لا يأخذ في الحسبان المُحلِّلات والمُحفِّزات (الكائنات الحية التي تتغذى على المواد العضوية الميتة) ، والتي تُكوِّن مساراتها الغذائية بالغة الأهمية.

في هذه العملية ، يتم عمل التمثيل الغذائي ويتم تحويل الطاقة في الروابط الكيميائية إلى طاقة حرارية. إذا لم يتم استهلاك NPP ، فسوف يتراكم في مكان ما. عادةً لا يحدث هذا ، ولكن خلال فترات من تاريخ الأرض مثل العصر الكربوني والبنسلفاني ، كانت كميات هائلة من NPP تزيد عن تدهور المواد العضوية المتراكمة في المستنقعات. تم دفنها وضغطها لتشكيل رواسب الفحم والنفط التي نستخرجها اليوم. عندما نحرق هذه الرواسب (نفس التفاعل الكيميائي على النحو الوارد أعلاه فيما عدا أن هناك طاقة أكبر منتجة) فإننا نطلق الطاقة لقيادة آلات الصناعة ، وبالطبع ثاني أكسيد الكربون2 يذهب إلى الغلاف الجوي كغاز دفيئة. هذا هو الوضع الذي لدينا اليوم ، حيث فائض ثاني أكسيد الكربون2 من حرق هذه الرواسب (NPP الزائدة السابقة) يذهب إلى الغلاف الجوي ويتراكم بمرور الوقت ، ويغير مناخنا بشكل كبير.

  • يتم نقل جزء بسيط فقط من الطاقة المتاحة على مستوى غذائي واحد إلى المستوى الغذائي التالي. القاعدة العامة هي 10٪ ، لكن هذا تقريبي للغاية.
  • عادةً ما تنخفض أعداد الكائنات الحية وكتلتها الحيوية مع صعود المرء إلى السلسلة الغذائية.

مثال: الثعلب والأرنب

يستخدم الأرنب جزءًا كبيرًا من الطاقة المندمجة لكونه مجرد أرنب - يحافظ على درجة حرارة عالية وثابتة للجسم ، ويصنع البروتينات ، ويقفز. تُعزى هذه الطاقة المستخدمة (المفقودة) إلى التنفس الخلوي. يذهب الباقي إلى صنع المزيد من الكتلة الحيوية للأرنب من خلال النمو والتكاثر (أي زيادة الكتلة الحيوية الكلية للأرانب عن طريق تكوين نسل). يسمى تحويل الطاقة المستوعبه إلى أنسجة جديدة الإنتاج الثانوي في المستهلكين ، وهو من الناحية المفاهيمية نفس الإنتاج الأولي أو NPP للنباتات. في مثالنا ، الإنتاج الثانوي للأرنب هو الطاقة المتاحة للثعالب التي تأكل الأرانب لاحتياجاتها. من الواضح أنه بسبب كل تكاليف الطاقة للأرانب التي تمارس أنشطة التمثيل الغذائي العادية ، فإن الطاقة المتاحة للثعالب أقل بكثير من الطاقة المتاحة للأرانب.

تمامًا كما حسبنا كفاءة الاستيعاب أعلاه ، يمكننا أيضًا حساب كفاءة الإنتاج الصافية لأي كائن حي. هذه الكفاءة تساوي الإنتاج مقسومًا على استيعاب الحيوانات ، أو NPP مقسومًا على GPP للنباتات. يشير "الإنتاج" هنا إلى النمو بالإضافة إلى التكاثر. في شكل معادلة ، لدينا كفاءة الإنتاج الصافية = (الإنتاج / الاستيعاب) ، أو للنباتات = (NPP / GPP). تقيس هذه النسب الكفاءة التي يقوم بها الكائن الحي بتحويل الطاقة المستهلكة إلى إنتاج أولي أو ثانوي.

تختلف هذه الكفاءات بين الكائنات الحية ، ويرجع ذلك إلى حد كبير إلى اختلاف متطلبات التمثيل الغذائي على نطاق واسع. على سبيل المثال ، في المتوسط ​​، تستخدم الفقاريات ذوات الدم الحار مثل الثدييات والطيور حوالي 98٪ من الطاقة المستهلكة لعملية التمثيل الغذائي ، مما يترك 2٪ فقط للنمو والتكاثر. في المتوسط ​​، تستخدم اللافقاريات فقط

80٪ من الطاقة المستهلكة لعملية التمثيل الغذائي ، وبالتالي تظهر كفاءة إنتاج صافية أكبر (

20٪) من الفقاريات. تتمتع النباتات بأعلى كفاءة إنتاجية صافية ، والتي تتراوح بين 30-85٪. السبب في أن بعض الكائنات الحية لديها كفاءات إنتاجية صافية منخفضة هو أنها كذلك حرارة المنزل، أو الحيوانات التي تحافظ على درجة حرارة الجسم الداخلية ثابتة (الثدييات والطيور). هذا يتطلب طاقة أكثر بكثير مما تستخدمه بويكلوثيرمس، والتي تُعرف أيضًا باسم & quot؛ ذوات الدم البارد & quot الكائنات (جميع اللافقاريات وبعض الفقاريات وجميع النباتات ، على الرغم من أن النباتات لا تحتوي على & quotblood & quot) التي لا تنظم درجات الحرارة داخليًا.

مثلما يمكننا بناء فهمنا للنظام من الفرد إلى السكان إلى المجتمع ، يمكننا الآن فحص المستويات الغذائية بالكامل من خلال حساب الكفاءة البيئية. الكفاءة البيئية يُعرَّف بأنه مصدر الطاقة المتاح للمستوى الغذائي N + 1 مقسومًا على الطاقة المستهلكة على المستوى الغذائي N.قد تفكر في الأمر على أنه كفاءة الأرانب في تحويل النباتات إلى طعام الثعلب. في شكل معادلة على سبيل المثال لدينا ، الكفاءة البيئية = (إنتاج الثعلب / إنتاج الأرنب). لاحظ أن الكفاءة البيئية عبارة عن مقياس & quot؛ مجمّع & quot؛ يأخذ في الاعتبار كلاً من الاستيعاب وكفاءات الإنتاج الصافية. يمكنك أيضًا الجمع بين أنواع مختلفة من النباتات والحيوانات في مستوى تغذوي واحد ، ثم فحص الكفاءة البيئية على سبيل المثال لجميع النباتات في الحقل الذي يتم تغذيته على جميع حيوانات الرعي المختلفة من الحشرات إلى الأبقار.

التفكير في الكفاءة البيئية الشاملة في النظام يعيدنا إلى قاعدتنا الأولى لنقل الطاقة من خلال المستويات الغذائية وحتى السلسلة الغذائية. بشكل عام ، يتوفر فقط حوالي 10٪ من الطاقة المستهلكة في مستوى واحد إلى المستوى التالي. على سبيل المثال ، إذا استهلكت الأرانب 1000 كيلو كالوري من الطاقة النباتية ، فقد تكون قادرة فقط على تكوين 100 كيلو كالوري من أنسجة الأرنب الجديدة. لكي يكون عدد سكان الأرانب في حالة مستقرة (لا يزيد ولا يتناقص) ، يجب أن يساوي استهلاك الأرانب البرية من قبل الثعالب سنويًا إنتاج الكتلة الحيوية للأرنب الجديدة كل عام تقريبًا. لذا فإن الثعالب تستهلك حوالي 100 سعرة حرارية من الكتلة الحيوية للأرنب ، وتحول ربما 10 كيلو كالوري إلى كتلة حيوية ثعلب جديدة. في الواقع ، هذه الكفاءة البيئية متغيرة تمامًا ، حيث يتراوح متوسط ​​درجة الحرارة المنزلية من 1 إلى 5 ٪ ومتوسط ​​درجة الحرارة من 5 إلى 15 ٪. يعد الفقد الإجمالي للطاقة من المستويات الغذائية المنخفضة إلى المستويات الأعلى أمرًا مهمًا في تحديد العدد المطلق لمستويات التغذية التي يمكن أن يحتويها أي نظام بيئي.

من هذا الفهم ، يجب أن يكون واضحًا أن كتلة الثعالب يجب أن تكون أقل من كتلة الأرانب ، وكتلة الأرانب أقل من كتلة النباتات. هذا صحيح بشكل عام ، ويمكننا تمثيل هذا المفهوم بشكل مرئي من خلال بناء هرم من الكتلة الحيوية لأي نظام بيئي (انظر الشكل 3).

الشكل 3. هرم من الكتلة الحيوية يظهر المنتجين والمستهلكين في النظام البيئي البحري.

أهرامات الكتلة الحيوية والطاقة والأرقام

يمكننا أيضًا إنشاء ملف هرم الأعداد، والذي كما يوحي اسمه يمثل عدد الكائنات الحية في كل مستوى غذائي (انظر الشكل 4 - أعلى). بالنسبة للأراضي العشبية الموضحة في الشكل 4-أعلى ، سيكون المستوى السفلي كبيرًا جدًا ، نظرًا للعدد الهائل من النباتات الصغيرة (الأعشاب). بالنسبة للأنظمة البيئية الأخرى مثل الغابات المعتدلة ، قد ينقلب هرم الأعداد: على سبيل المثال ، إذا كان مجتمع نباتات الغابة يتكون من عدد قليل فقط من الأشجار الكبيرة جدًا ، ومع ذلك كان هناك عدة ملايين من راعي الحشرات الذين أكلوا المواد النباتية .

تمامًا كما هو الحال مع هرم الأرقام المقلوب ، في بعض الاستثناءات النادرة ، يمكن أن يكون هناك هرم مقلوب من الكتلة الحيوية ، حيث تكون الكتلة الحيوية للمستوى الغذائي الأدنى أقل من الكتلة الحيوية للمستوى الغذائي الأعلى التالي. تعتبر المحيطات استثناءً لأنه في أي وقت يكون الحجم الإجمالي للكتلة الحيوية في الطحالب المجهرية صغيرًا. وهكذا يمكن أن يظهر هرم الكتلة الحيوية للمحيطات معكوسًا (انظر الشكل 4 ب الوسط). يجب أن تسأل الآن "كيف يمكن أن يكون ذلك؟" إذا كانت كمية الطاقة في الكتلة الحيوية عند مستوى معين تحدد حد الطاقة في الكتلة الحيوية عند المستوى التالي ، كما كان الحال مع الأرانب البرية والثعالب ، فكيف يمكنك الحصول على طاقة أقل عند المستوى الغذائي الأدنى؟ هذا سؤال جيد ، ويمكن الإجابة عليه من خلال النظر ، كما ناقشنا أعلاه ، في كل جانب مهم من "الوقت". على الرغم من أن الكتلة الحيوية قد تكون صغيرة ، إلا أن معدل إنتاج الكتلة الحيوية الجديدة قد يكون كبيرًا جدًا. وبالتالي ، بمرور الوقت ، فإن كمية الكتلة الحيوية الجديدة التي يتم إنتاجها ، بغض النظر عن المخزون الدائم للكتلة الحيوية ، أمر مهم للمستوى الغذائي التالي.

يمكننا فحص هذا الأمر بشكل أكبر من خلال إنشاء ملف هرم الطاقة، والتي تظهر معدلات الإنتاج بدلاً من المحاصيل الدائمة. بمجرد الانتهاء من ذلك ، سيكون شكل المحيط على شكل هرم مميز (انظر الشكل 4-أسفل). يمكن أن تتضاعف أعداد الطحالب في غضون أيام قليلة ، في حين أن العوالق الحيوانية التي تتغذى عليها تتكاثر بشكل أبطأ وقد يتضاعف عددها في غضون بضعة أشهر ، وقد تتكاثر الأسماك التي تتغذى على العوالق الحيوانية مرة واحدة فقط في السنة. وهكذا ، فإن هرم الطاقة يأخذ في الاعتبار معدل دوران الكائنات الحية ، و لا يمكن عكسها. لاحظ أن هذا الاعتماد على مستوى غذائي واحد على مستوى غذائي أقل للطاقة هو السبب ، كما تعلمت في المحاضرات حول الافتراس ، ترتبط أعداد الفريسة والحيوانات المفترسة ولماذا تختلف معًا عبر الزمن (مع الإزاحة).

الشكل 4: أهرامات الأرقام والكتلة الحيوية والطاقة لأنظمة بيئية مختلفة.

وقت إقامة الطاقة. نرى أن التفكير في أهرامات الطاقة ووقت الدوران يشبه مناقشاتنا حول مدة بقاء العناصر. ولكن هنا نتحدث عن وقت إقامة "الطاقة". وقت بقاء الطاقة يساوي الطاقة في الكتلة الحيوية مقسومة على صافي الإنتاجية ، صر = (الطاقة في الكتلة الحيوية / صافي الإنتاجية). إذا قمنا بحساب وقت بقاء الطاقة في المنتجين الأساسيين للأنظمة البيئية المختلفة ، نجد أن فترات الإقامة تتراوح من حوالي 20-25 عامًا للغابات (كل من الغابات الاستوائية المطيرة والغابات الشمالية) ، وصولاً إلى

3-5 سنوات للأراضي العشبية ، وأخيراً وصولاً إلى 10-15 يومًا فقط للبحيرات والمحيطات. ينعكس هذا الاختلاف في وقت الإقامة بين النظم البيئية المائية والبرية في أهرامات الكتلة الحيوية ، كما تمت مناقشته أعلاه ، كما أنه مهم جدًا للنظر فيه عند تحليل كيفية استجابة هذه النظم البيئية المختلفة للاضطراب ، أو ما هو المخطط الأفضل استخدامه للإدارة موارد النظام البيئي ، أو أفضل طريقة لاستعادة النظام البيئي الذي تدهور (على سبيل المثال ، بسبب العواصف أو من قبل البشر).

استهلاك البشر والطاقة

المدخلات: NPP ، محسوبة على أنها حصاد سنوي. في NPP الأراضي الزراعية والحصاد السنوي يحدث في نفس العام. في الغابات ، يمكن أن يتجاوز الحصاد السنوي NPP السنوي (على سبيل المثال ، عندما يتم قطع الغابة ، يكون الحصاد لسنوات عديدة من النمو) ، ولكن لا يزال بإمكاننا حساب المتوسطات السنوية. لاحظ أنه يتم مراجعة التقديرات التالية تباعاً في الأدبيات ، لكن نهج المشكلة هو نفسه دائمًا.


طاقة مجانية و ATP

أفضل وصف لطاقة التفاعلات الكيميائية الحيوية من حيث الوظيفة الديناميكية الحرارية المسماة جيبس الطاقة الحرة (جي)، على اسم يوشيا ويلارد جيبس. التغيير في الطاقة الحرة (& # x00394جي) من التفاعل بين تأثيرات التغيرات في المحتوى الحراري (الحرارة التي يتم إطلاقها أو امتصاصها أثناء تفاعل كيميائي) والإنتروبيا (درجة الاضطراب الناتج عن التفاعل) للتنبؤ بما إذا كان التفاعل مواتًا للطاقة أم لا. تسير جميع التفاعلات الكيميائية تلقائيًا في الاتجاه الملائم للطاقة ، مصحوبًا بانخفاض في الطاقة الحرة (& # x00394جي & # x0003c 0). على سبيل المثال ، ضع في اعتبارك رد فعل افتراضي يتم فيه تحويل أ إلى ب:

إذا & # x00394جي & # x0003c 0 ، سيستمر رد الفعل هذا في الاتجاه الأمامي ، كما هو مكتوب. إذا & # x00394جي & # x0003e 0 ، ومع ذلك ، سيستمر التفاعل في الاتجاه المعاكس وسيتم تحويل B إلى A.

& # x00394جي من التفاعل ليس فقط من خلال الخصائص الجوهرية للمواد المتفاعلة والنواتج ، ولكن أيضًا من خلال تركيزاتها وظروف التفاعل الأخرى (على سبيل المثال ، درجة الحرارة). لذلك من المفيد تحديد تغيير الطاقة الحرة للتفاعل تحت الظروف القياسية. (تعتبر الشروط القياسية من 1 إلىم تركيز جميع المواد المتفاعلة والمنتجات ، وضغط ضغط جوي واحد). التغيير القياسي في الطاقة الحرة (& # x00394جي& # x000b0) للتفاعل مرتبط ارتباطًا مباشرًا بموضع توازنه لأن القيمة الفعلية & # x00394جي هي دالة لكل من & # x00394G & # x000b0 وتركيزات المواد المتفاعلة والمنتجات. على سبيل المثال ، ضع في اعتبارك رد الفعل

يمكن كتابة تغيير الطاقة الحرة على النحو التالي:

أين ص هو ثابت الغاز و تي هي درجة الحرارة المطلقة.

عند التوازن ، & # x00394جي= 0 ولا يستمر التفاعل في أي اتجاه. ثابت التوازن للتفاعل (ك= [B] / [A] عند التوازن) يرتبط ارتباطًا مباشرًا بـ & # x00394جي& # x000b0 بالمعادلة أعلاه ، والتي يمكن التعبير عنها على النحو التالي:

إذا كانت النسبة الفعلية [B] / [A] أكبر من نسبة التوازن (ك) ، & # x00394جي & # x0003e 0 ويستمر التفاعل في الاتجاه العكسي (تحويل B إلى A). من ناحية أخرى ، إذا كانت النسبة [B] / [A] أقل من نسبة التوازن ، & # x00394جي & # x0003c 0 و A يتم تحويلها إلى B.

التغيير القياسي في الطاقة الحرة (& # x00394جي& # x000b0) للتفاعل يحدد توازنه الكيميائي ويتنبأ في أي اتجاه سيستمر التفاعل تحت أي مجموعة معينة من الظروف. بالنسبة للتفاعلات البيوكيميائية ، عادةً ما يتم التعبير عن التغيير القياسي في الطاقة الحرة كـ & # x00394G & # x000b0& # x02032 ، وهو التغير القياسي في الطاقة الحرة لتفاعل في محلول مائي عند الرقم الهيدروجيني = 7 ، تقريبًا الظروف داخل الخلية.

العديد من التفاعلات البيولوجية (مثل تخليق الجزيئات الكبيرة) غير مواتية للديناميكا الحرارية (& # x00394جي & # x0003e 0) في ظل الظروف الخلوية. من أجل استمرار هذه التفاعلات ، يلزم وجود مصدر إضافي للطاقة. على سبيل المثال ، ضع في اعتبارك رد الفعل

يعتبر تحويل A إلى B غير موات بقوة ، لذلك يستمر التفاعل في الاتجاه المعاكس بدلاً من الاتجاه الأمامي. ومع ذلك ، يمكن دفع التفاعل في الاتجاه الأمامي عن طريق اقتران تحويل A إلى B مع رد فعل إيجابي قوي ، مثل:

إذا تم الجمع بين هذين التفاعلين ، يمكن كتابة التفاعل المقترن على النحو التالي:

& # x00394جي من التفاعل المركب هو مجموع تغيرات الطاقة الحرة لمكوناته الفردية ، وبالتالي فإن التفاعل المقترن موات بقوة وسيستمر كما هو مكتوب. وبالتالي ، فإن التحويل غير المواتي بقوة من A إلى B يتم دفعه عن طريق اقترانه بتفاعل ثان مرتبط بانخفاض كبير في الطاقة الحرة. الإنزيمات هي المسؤولة عن تنفيذ مثل هذه التفاعلات المقترنة بطريقة منسقة.

تستخدم الخلية هذه الآلية الأساسية لدفع العديد من التفاعلات غير المواتية بقوة والتي يجب أن تحدث في الأنظمة البيولوجية. الأدينوزين 5 & # x02032 ثلاثي الفوسفات (ATP) يلعب دورًا مركزيًا في هذه العملية من خلال العمل كمخزن للطاقة الحرة داخل الخلية (الشكل 2.31). تُعرف الروابط بين الفوسفات في ATP بالروابط عالية الطاقة لأن تحللها المائي يترافق مع انخفاض كبير نسبيًا في الطاقة الحرة. لا يوجد شيء مميز حول الروابط الكيميائية نفسها ، فهي تسمى روابط عالية الطاقة فقط لأن كمية كبيرة من الطاقة الحرة يتم إطلاقها عندما يتم تحللها داخل الخلية. في التحلل المائي لـ ATP إلى ADP بالإضافة إلى الفوسفات (Pأنا) ، & # x00394جي& # x000b0 & # x02032 = -7.3 كيلو كالوري / مول. ومع ذلك ، أذكر أن & # x00394جي& # x000b0 & # x02032 يشير إلى & # x0201c Standard الظروف ، & # x0201d حيث تكون تركيزات جميع المنتجات والمواد المتفاعلة 1 م. التركيزات الفعلية داخل الخلايا من P.أنا ما يقرب من 10 -2 م وتركيزات ATP داخل الخلايا أعلى من تلك الموجودة في ADP. هذه الاختلافات بين التركيزات داخل الخلايا وتلك الخاصة بالحالة القياسية تفضل التحلل المائي لـ ATP ، لذلك بالنسبة للتحلل المائي لـ ATP داخل الخلية ، & # x00394جي ما يقرب من -12 كيلو كالوري / مول.

الشكل 2.31

ATP كمخزن للطاقة المجانية. تسمى الروابط بين مجموعات الفوسفات في ATP روابط عالية الطاقة لأن تحللها المائي يؤدي إلى انخفاض كبير في الطاقة الحرة. يمكن تحلل ATP إما إلى ADP بالإضافة إلى مجموعة الفوسفات (HPO4 2-) أو إلى AMP (المزيد).

بدلاً من ذلك ، يمكن تحلل ATP إلى AMP بالإضافة إلى بيروفوسفات (PPأنا). ينتج عن هذا التفاعل نفس المقدار من الطاقة الحرة مثل التحلل المائي لـ ATP إلى ADP. ومع ذلك ، فإن البيروفوسفات الناتج عن هذا التفاعل يتحلل بنفسه سريعًا بالماء ، باستخدام & # x00394جي على غرار التحلل المائي ATP. وبالتالي ، فإن التغير الكلي في الطاقة الحرة الناتج عن التحلل المائي لـ ATP إلى AMP هو تقريبًا ضعف ذلك الناتج عن التحلل المائي لـ ATP إلى ADP. للمقارنة ، فإن الرابطة بين مجموعة السكر والفوسفات في AMP ، بدلاً من وجود طاقة عالية ، هي نموذجية للروابط التساهمية للتحلل المائي لـ AMP ، & # x00394جي& # x000b0 & # x02032 = -3.3 كيلو كالوري / مول.

بسبب الانخفاض المصاحب في الطاقة الحرة ، يمكن استخدام التحلل المائي لـ ATP لدفع التفاعلات الأخرى التي تتطلب طاقة داخل الخلية. على سبيل المثال ، يكون التفاعل الأول في تحلل السكر (الذي تمت مناقشته في القسم التالي) هو تحويل الجلوكوز إلى جلوكوز 6 فوسفات. يمكن كتابة رد الفعل على النحو التالي:

لأن رد الفعل هذا غير مرغوب فيه بقوة كما هو مكتوب (& # x00394جي& # x000b0 & # x02032 = +3.3 كيلو كالوري / مول) ، يجب دفعها في الاتجاه الأمامي من خلال اقترانها بالتحلل المائي ATP (& # x00394جي& # x000b0 & # x02032 = -7.3 كيلو كالوري / مول):

يمكن كتابة التفاعل المشترك على النحو التالي:

تغيير الطاقة الحرة لهذا التفاعل هو مجموع تغيرات الطاقة الحرة للتفاعلات الفردية ، لذلك بالنسبة للتفاعل المزدوج & # x00394جي& # x000b0 & # x02032 = -4.0 كيلو كالوري / مول ، ويفضل تكوين الجلوكوز -6-الفوسفات.

تحتوي الجزيئات الأخرى ، بما في ذلك ثلاثي الفوسفات النوكليوزيد (على سبيل المثال ، GTP) ، أيضًا على روابط عالية الطاقة ويمكن استخدامها كمادة ATP لدفع التفاعلات التي تتطلب طاقة. ومع ذلك ، بالنسبة لمعظم التفاعلات ، يوفر ATP الطاقة المجانية. لذلك تقترن التفاعلات المولدة للطاقة داخل الخلية بتوليف ATP ، في حين تقترن التفاعلات التي تتطلب الطاقة بالتحلل المائي لـ ATP. وبالتالي ، فإن روابط ATP عالية الطاقة تلعب دورًا مركزيًا في استقلاب الخلية من خلال العمل كشكل تخزين قابل للاستخدام من الطاقة الحرة.


مستقبل التصنيع مبني على علم الأحياء. أو كيف تتحدى هذه الشركة الناشئة في مجال التكنولوجيا الحيوية الصناعة الكيميائية العالمية التي تبلغ قيمتها تريليون دولار

يمكن لتقنية EnginZyme أن تقلل بشكل كبير من تكاليف المعدات والطاقة للتصنيع. [+] تسخير قدرة الطبيعة على تصنيع المواد الكيميائية ، مما يحتمل أن يحول سوق الكيمياء العالمي الذي تبلغ قيمته تريليون دولار.

التصنيع علم خام. ندمر الجبال لاستخراج المعادن الثقيلة ، ثم نقوم بطهيها تحت ضغط ودرجات حرارة عالية لصنع أشياء مثل البلاستيك والنايلون والمطاط. قارن هذا بالطبيعة: يمكن للخلايا والكائنات الحية أن تصنع جميع المواد الكيميائية اللازمة لتزدهر عبر مجموعة واسعة من البيئات ، وغالبًا ما تتطلب أكثر قليلاً من ذرات الكربون وبعض ضوء الشمس.

يقول كريم إنجلمارك كاسيمجي ، الرئيس التنفيذي لشركة EnginZyme: "يبدو أن الطبيعة لديها حل أفضل بكثير". ترى شركته تسخير علم الأحياء كمنصة تصنيع ليس مجرد لعبة استدامة ، ولكن كفرصة سوق عالمية بقيمة تريليون دولار.

في يوم الأربعاء ، 22 أبريل ، أعلنت شركة EnginZyme أنها جمعت 6.4 مليون يورو في جولة من السلسلة الأولى بقيادة سوفينوفا بارتنرز ، مما رفع إجمالي تمويل الشركة إلى أكثر من 10 ملايين يورو. منبثقة عن مختبر Arrhenius في جامعة ستوكهولم ، تعمل الشركة البالغة من العمر ست سنوات بهدوء على تقنية جديدة تم إعدادها لإحداث ثورة في تأثير البيولوجيا التركيبية على تصنيع كل شيء من المكونات الغذائية إلى المواد الحيوية إلى المواد الفعالة. المكونات الصيدلانية.

بشكل عام ، بدأت الشركات في اعتماد التصنيع الحيوي كطريقة إنتاجها المفضلة. بعد كل شيء ، ما هو جيد للبيئة جيد بشكل عام للأعمال (طاقة أقل ، موارد أقل ، معالجة كيميائية أقل ، تكاليف أقل). يمثل التصنيع الحيوي حصة متزايدة من المنتجات التي نستخدمها كل يوم. على سبيل المثال ، من المحتمل أن ينتهي الأمر بالإلكترونيات الحيوية عالية الأداء في هاتفك الذكي أو الكمبيوتر المحمول أو الساعة أو التلفزيون التالي ليس لأنها مصنوعة من علم الأحياء ، ولكن ببساطة لأنها تعمل بشكل أفضل.

التصنيع الحيوي - بدون الخلية؟

ولكن ما يثير الدهشة في نهج EnginZyme هو أنه: يتم كل ذلك من خلال استخدام البيولوجيا التركيبية الخالية من الخلايا ، وهي تقنية يمكنها تسخير القدرة على البناء باستخدام علم الأحياء ، دون الحاجة إلى الخلية نفسها - وكل التعقيد الذي يحدث جنبا إلى جنب معها.

يمتلك Jim Loree من شركة Stanley Black & amp Decker خططًا كبيرة لتزويد الأدوات التي تعمل بالغاز ، والقواطع والجزازات

قائمة فوربس 2021 للشركات الناشئة التي تبلغ قيمتها مليار دولار: الترشيحات مفتوحة

تجعل التكنولوجيا التعاونية اكتشاف الأدوية أسهل وأسرع

يقول كاسيمجي: "إن منصتنا تحاكي التخمير" ، وهو يتحدث عن العملية القديمة المتمثلة في استخدام علم الأحياء لصنع كل شيء من الكيمتشي إلى البيرة. لقد كان التخمير حجر الزاوية في صناعة التكنولوجيا الحيوية لعقود حتى الآن. لكن تقنية EnginZyme تعد بتخفيض 40٪ في النفقات الرأسمالية (تكلفة تصنيع المعدات والصيانة) وخفض بنسبة 70٪ في الطاقة.

يقول كاسيمجي: "نستخدم العوامل الحفازة البيولوجية والإنزيمية بدلاً من المحفزات المعدنية ، في درجات حرارة وضغط أقل". هذا مغير لقواعد اللعبة يمكن أن يمكّن EnginZyme من التنافس مع العمالقة الأبطأ في الصناعة الكيميائية ، مما يسمح بتصنيع أصغر حجمًا حسب الطلب - وهو أمر يطالب به عالم ما بعد COVID وحاجته إلى سلاسل التوريد المحلية.

تولي الصناعة الكيماوية

لا يريد Cassimjee أقل من الصناعة الكيميائية بأكملها ، كل شيء من البلاستيك إلى المواد الكيميائية السائبة. لكن المهمة لن تكون بالضرورة سهلة لبدء التشغيل. يقول: "لكل تطبيق ، يتعين علينا إنتاج عملية كيميائية ومصنع إنتاج". وتخرج اللعبة النهائية بإستراتيجية إنتاج على نطاق واسع ومثبتة لصنع كل ما يحتاجه العالم من الكيمياء.

إن تقنية السرير الثابت التي تستخدمها EnginZymes مفهومة جيدًا بالفعل ، وتقنية الفصل الخاصة بها مفهومة جيدًا أيضًا. إن صلصة EnginZyme السرية - التقدم الذي لديه القدرة على تغيير نموذج التصنيع القائم على الحيوية - عبارة عن مادة خاصة يمكن أن ترتبط بالإنزيمات مع السماح لها بالحفاظ على وظائفها.

مع الكيمياء التقليدية ، "تضع كل شيء في الخزان وتخلط" ، كما يقول كاسيمجي. تعتمد هذه الكيمياء على الإنزيمات ، أي البروتينات التي تسبب تفاعلًا كيميائيًا للمضي قدمًا. على سبيل المثال ، عندما نسمع عن شركة قامت بهندسة بكتيريا لتحويل السكر إلى مادة كيميائية عالية القيمة ، فإنها في الواقع مجموعة من الإنزيمات داخل البكتيريا تقوم بالعمل الشاق لتحويل السكر إلى مادة كيميائية. تعمل البكتيريا ببساطة كخزانات صغيرة تنتج وتخلط الإنزيمات ، مما يسهل عملية التخمير التي تجعل مادة كيميائية مفيدة لنا.

ولكن مع هذه التقنية الجديدة ، يتم إصلاح الإنزيمات البيولوجية ، وتتدفق المكونات المختلفة عبر الإنزيمات الثابتة ، ويتدفق المنتج النهائي من الطرف الآخر.

منصة التصنيع النهائية

كما كتبت من قبل ، فإن البيولوجيا التركيبية وعالم تصميم البروتين قادران الآن على هندسة إنزيمات لجميع أنواع التطبيقات الجديدة. ولأن الإنزيمات عبارة عن سلاسل طويلة من 20 نوعًا من الأحماض الأمينية المختلفة ، فإن مجموعة الإنزيمات المختلفة المتاحة هي أكثر من عدد النجوم في الكون ، مما يمنح البشر الذين يعملون من مبادئ التصميم من الدرجة الأولى مساحة تصميم لانهائية للعمل بداخلها.

يقول كاسيمجي: "إذا كان لدى الشركة جزيء معين في الاعتبار ، فيمكننا مساعدتها في صنعه".

تعمل EnginZyme مع الشركات التي تستخدم المحفزات الحيوية - الإنزيمات المصنوعة من البيولوجيا - لتوسيع نطاق عملياتها إلى مستويات الإنتاج الصناعي.

من خلال فصل الإنزيمات عن البكتيريا ، يبسط EnginZyme بشكل كبير عملية الإنتاج الكيميائي. إنه يبسط العملية بشكل كبير ، ويزيل التفاعلات الكيميائية الدخيلة والطاقة اللازمة لإبقاء البكتيريا على قيد الحياة. بدلاً من استخدام وعاء كبير من البكتيريا باهظ التكلفة في الإعداد والتشغيل ، يمكن للشركات استخدام عمود فعال مملوء بالإنزيمات المركزة ، وتغذية السكر باستمرار في الأعلى ، وإخراج منتجها من القاع.

كما يصفها كاسيمجي ، "الأمر أشبه بمقارنة شخص ما بصنع سيارة يدويًا بهنري فورد وخط التجميع الآلي."

ستيفيا هو بديل طبيعي للسكر ، ولكن هل يمكن للبيولوجيا التركيبية أن تجعله أقل مرارة؟

مجموعة الصور العالمية عبر Getty Images

أحد الأمثلة على كيفية تأثير تكنولوجيا EnginZyme علينا هو عالم التغذية. السكر الذي نضيفه إلى الكعك والبسكويت والصلصات لدينا متجانس ، وهذا يعني أن كل جزيء (السكروز) هو نفسه. لكن هذا ليس طبيعيا ، وبالتأكيد ليس بصحة جيدة. لقد كتبت من قبل عن الشركات التي تطور بدائل صحية للسكر ، مثل Codexis مع ستيفيا. يمكن لتقنية EnginZyme أن تمكننا من الوصول إلى العديد من الأنواع المختلفة من السكريات الصحية وبدائل السكر ، كل واحدة مناسبة لحالة استخدام محددة مختلفة.

يمكننا أن نرى نفس الشيء يحدث مع البلاستيك ، أو مع الجزيئات الأخرى. لدينا حاليًا جزيئات بلاستيكية مختلفة تُستخدم لأغراض مختلفة (الزجاجات البلاستيكية مقابل الأكياس البلاستيكية ، على سبيل المثال) ، ولكن في المستقبل يمكننا تطوير بدائل صديقة للبيئة لكل هذه الجزيئات ، أو إنتاجها من النفايات أو جعلها قابلة للتحلل.

الاستثمار والتصنيع في عالم ما بعد COVID

قد يخبرك الكثير في عالم الشركات الناشئة أن تمويل المشاريع قد تم تجميده تقريبًا في الوقت الحالي ، حيث تقوم الصناديق بتقييم الشركات التي ستكون قادرة على البقاء على قيد الحياة في العالم الجديد الذي نعيش فيه. مع وضع ذلك في الاعتبار ، لكي تجمع EnginZyme مثل هذه الجولة الرائعة من التمويل ، يجب أن يعتقد شخص ما أنه على شيء تحويلي حقًا.

لا يتعلق التصنيع الحيوي بجعل المواد الحالية أرخص فقط. يتعلق الأمر أيضًا بجلب منتجات جديدة لا تصدق إلى السوق تتفوق في الأداء على أفضل المنتجات التي يمكن أن تقدمها لنا الكيمياء التقليدية الآن. من خلال التعلم من التنوع الذي أعطتنا إياه الطبيعة والبناء عليه ، يمكننا صنع منتج أفضل بطريقة أفضل.


الخلاصة ووجهات النظر المستقبلية

لتلبية احتياجات الطاقة المتزايدة للتمرين ، تمتلك العضلات الهيكلية مجموعة متنوعة من المسارات الأيضية التي تنتج ATP على حد سواء اللاهوائي (لا تتطلب الأكسجين) والهوائي. يتم تنشيط هذه المسارات في وقت واحد من بداية التمرين لتلبية متطلبات حالة تمرين معينة بدقة. على الرغم من أن المسارات الهوائية هي المسارات الافتراضية المهيمنة لإنتاج الطاقة أثناء تمرين التحمل ، فإنها تتطلب وقتًا (ثوانٍ إلى دقائق) لتنشيطها بالكامل ، وتوفر الأنظمة اللاهوائية بسرعة (بالمللي ثانية إلى الثواني) الطاقة لتغطية ما لا يستطيع النظام الهوائي توفيره . يعد توفير الطاقة اللاهوائية مهمًا أيضًا في حالات التمرينات عالية الكثافة ، مثل الركض السريع ، حيث تتجاوز متطلبات الطاقة بكثير المعدل الذي يمكن أن توفره الأنظمة الهوائية. هذا الموقف شائع في رياضات التوقف والانطلاق ، حيث تكون التحولات من احتياجات الطاقة المنخفضة إلى احتياجات الطاقة الأعلى عديدة ، ويساهم توفير كل من الطاقة الهوائية واللاهوائية في الطاقة لتحقيق النجاح الرياضي. معًا ، فإن إنتاج الطاقة الهوائية باستخدام الدهون والكربوهيدرات كوقود وتوفير الطاقة اللاهوائية من انهيار PCr واستخدام الكربوهيدرات في مسار تحلل السكر يسمح للرياضيين الأولمبيين بتلبية احتياجات الطاقة العالية لأحداث أو رياضات معينة.

يتم تنظيم مسارات التمثيل الغذائي المختلفة من خلال مجموعة من الإشارات العضلية والهرمونية التي تؤثر على تنشيط الإنزيم وتوافر الركيزة ، وبالتالي ضمان أن معدل إعادة تخليق ATP يتطابق بشكل وثيق مع متطلبات ATP للتمرين. تم استخدام التدريب المنتظم والتدخلات الغذائية المختلفة لتعزيز مقاومة التعب من خلال تعديل توافر الركيزة وتأثيرات المنتجات الأيضية النهائية.

لقد زاد فهم توفير طاقة التمرين وتنظيم التمثيل الغذائي واستخدام الدهون والوقود الكربوهيدرات أثناء التمرين على مدار أكثر من 100 عام ، على أساس الدراسات التي تستخدم طرقًا مختلفة بما في ذلك القياس غير المباشر ، وعينات الأنسجة من تقلص العضلات الهيكلية ، والتمثيل الغذائي- أخذ عينات التتبع ، والمستحضرات العضلية الهيكلية المعزولة ، وتحليل عينات الدم الشرياني الوريدي لكامل الجسم والدم. ومع ذلك ، في جميع مجالات تنظيم التمثيل الغذائي للدهون والكربوهيدرات ، يبقى الكثير غير معروف. أتاح إدخال تقنيات البيولوجيا الجزيئية فرصًا لمزيد من الأفكار حول الاستجابات الحادة والمزمنة للتمرين وتنظيمها ، ولكن حتى تلك الدراسات محدودة بالقدرة على أخذ عينات متكررة من العضلات لدى المشاركين البشريين لفحص الدورات الزمنية المتنوعة للأحداث الرئيسية بشكل كامل . تظل القدرة على الترجمة الكاملة للنتائج المستخلصة من التجارب المختبرية والدراسات على الحيوانات لممارسة البشر في البيئات التنافسية محدودة.

يواصل الحقل أيضًا صراعه مع المقاييس الخاصة بالمقصورات المختلفة الموجودة في الخلية ، ولا تزال المعرفة مفقودة فيما يتعلق بالهياكل المادية والسقالات داخل هذه الأجزاء ، والتواصل بين البروتينات والمسارات الأيضية داخل المقصورات. من الأمثلة الواضحة على هذه المشكلات دراسة الأحداث التي تحدث في الميتوكوندريا أثناء التمرين. إحدى المجالات التي لم تتقدم بالسرعة المطلوبة هي القدرة على قياس الوقود والأيض والبروتينات بشكل غير جراحي في مختلف أقسام خلايا العضلات المهمة التي تشارك في تنظيم التمثيل الغذائي أثناء التمرين. على الرغم من أن التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي كان قادرًا على قياس بعض المركبات غير الغازية ، إلا أن قياس التغييرات التي تحدث مع التمرين على المستويين الجزيئي والخلوي غير ممكن بشكل عام.

يدرس بعض الباحثين عملية التمثيل الغذائي للتمارين الرياضية على مستوى الجسم بالكامل من خلال نهج فسيولوجي ، ويفحص آخرون تعقيدات إشارات الخلية والتغيرات الجزيئية من خلال نهج اختزالي. توجد فرص جديدة للاستخدام المتكامل لعلم الجينوم والبروتيوميات والأيض وأساليب بيولوجيا الأنظمة في تحليل البيانات ، والتي ينبغي أن توفر رؤى جديدة في التنظيم الجزيئي لعملية التمثيل الغذائي للتمارين الرياضية. تظل العديد من الأسئلة في كل مجال من مجالات استقلاب الطاقة ، وتنظيم التمثيل الغذائي للدهون والكربوهيدرات أثناء التمرين ، وتدخلات التدريب المثلى وإمكانية التلاعب في الاستجابات الأيضية لفوائد مولد الطاقة. وبالتالي ، ستستمر بيولوجيا التمرين في كونها مجالًا بحثيًا مثمرًا لسنوات عديدة حيث يسعى الباحثون إلى فهم أكبر لقواعد التمثيل الغذائي للنجاحات الرياضية التي سيتم الاستمتاع بها والاحتفال بها خلال المهرجان الأولمبي الرياضي الذي يُقام كل أربع سنوات.


الإنزيمات المستخدمة في عملية التخمير

حتى بالنسبة للمشتركين في مجال التجارة الحديثة مثل إنتاج الجعة ، فإن العمليات الصناعية الجديدة تسعد باستغلال الإنزيمات المطورة من مصادر الكائنات الحية الدقيقة. ترتبط مشكلات الجودة في السنوات الماضية مثل التحكم في النكهة واستقرار البيرة ووفورات التكلفة العامة في الصناعة بشكل غير مباشر بالحلول الفعالة للمشكلات البيئية. سيكون التركيز في المستقبل على تطبيق أوسع للإنزيمات لتحضير كميات كبيرة من المواد الخام الرخيصة مثل الشعير. عمليات البيرة البديلة قيد التطوير لإنتاج نقيع الشعير والبيرة مع إنتاجية أعلى وكميات أقل من النفايات والمنتجات الثانوية. في هذه المقالة دعنا نتحدث & # 8217s عن الإنزيمات المستخدمة في عملية التخمير.

مقدمة

كانت البيرة والنبيذ جزءًا من حياتنا الاجتماعية لسنوات عديدة ، ويتم إنتاج كلا المشروبين عن طريق تخمير الخميرة من السكريات. العنب أساس النبيذ والشعير هو المكون الأساسي للبيرة. يحتوي العنب الذي ينضج بالفعل على السكريات اللازمة للتخمير ، بينما يحتوي الشعير على النشا الذي يجب تكسيره إلى سكريات قابلة للتخمير قبل أن تتمكن الخميرة من إنتاج الكحول. لذلك ، يحتوي الإنتاج القديم على خطوة إضافية مقارنة بصنع النبيذ ، وهي التخمر حيث يتم إنتاج الإنزيمات اللازمة لتحلل النشا إلى سكريات قابلة للتخمير.

الشعير المنبت أو الحبوب الأخرى مثل القمح والذرة الرفيعة هو الشعير:

تقوم وحدة مساحة الحبوب & # 8220steeped & # 8221 بنقل محتوى الماء من الموسيقى ذات الاثني عشر نغمة إلى الموسيقى الخامسة والأربعين.

يسمح لهم بالإنبات لمدة 4-6.

أخيرًا ، يتم إيقاف الإنبات بالتسخين (التخمير) للوصول إلى محتوى رطب نهائي يتعلق بأربعة أبعاد.

بعض الإنزيمات مثل الأميليز بيتا موجودة بالفعل في الشعير ، ولكن يتم إنتاج غالبية الإنزيمات أثناء الإنبات والتي تشمل α-amylases والبروتياز وفي الشعير النهائي جميع الإنزيمات اللازمة لتحويل & # 8220grains & # 8221 إلى a سائل ممكن (نبتة).

تتمثل حدود إنزيمات الشعير في أنها لا تعمل إلا في درجات حرارة معينة ، وقيم الأس الهيدروجيني ، وما إلى ذلك ، وقد تكون الأنشطة منخفضة جدًا للقيام بعمل مناسب في الوقت المناسب. ولكن من ناحية أخرى ، يمكن تصميم الإنزيمات التجارية للعمل في درجات الحرارة المفضلة وقيم الأس الهيدروجيني ، أو للحصول على المزيد من الطاقة الأنزيمية ، أو للتعبير عن أنشطة الإنزيم المطلوبة غير الموجودة في الشعير. لذلك ، فإن إضافة الإنزيمات الخارجية تجعل عملية التخمير أسهل وأسرع وأكثر اتساقًا. إنه يوفر مرونة إضافية لخبراء التخمير في اختيار المواد الخام بسبب الاعتماد الأقل على إنزيمات الشعير ، فضلاً عن توفير فرصة لإنشاء منتجات جديدة ، والتي لا يمكن صنعها باستخدام إنزيمات الشعير وحدها. توفر الإنزيمات التجارية أيضًا إمكانية تحسين جودة البيرة عن طريق تجنب النكهات. وقد أدى القلق المتزايد بشأن الموارد وانبعاثات ثاني أكسيد الكربون إلى وضع توظيف الإنزيمات التجارية ضمن تجارة الإنتاج التي تركز عليها. مع توظيف الإنزيمات الخارجية ، سيتم استخراج المزيد من المواد الخام ، ويمكن استخدام المزيد من المواد الخام المحلية والحبوب غير المملحة ، مما يوفر كميات كبيرة من الطاقة والنقل.

الانزيمات التجارية من مصادر خارجية

الإمداد التقليدي للإنزيمات المستخدمة في تحويل الحبوب إلى الجعة هو شعير الشعير. إذا كان نشاط المسرع الناقص هدية داخل الهريس ، فستكون هناك عدة عواقب غير مرغوب فيها:

سيكون إنتاج المستخلص منخفضًا جدًا

سيستغرق فصل نقيع الشعير وقتًا طويلاً

ستكون عملية التخمير بطيئة جدًا

سيتم إنتاج القليل من الكحول

سيتم تقليل معدل ترشيح البيرة

نكهة واستقرار الجعة رديئة.

اعتادت الأنزيمات الخارجية على استكمال الإنزيمات الخاصة بالشعير و # 8217 لمنع هذه المشكلات. علاوة على ذلك ، تُستخدم الإنزيمات الصناعية لضمان تسييل مساعد أفضل ، لإنتاج بيرة منخفضة الكربوهيدرات ("بيرة خفيفة # 8217) ، لتقليل وقت نضج الجعة ، ولإنتاج البيرة من مواد خام أرخص.

خطوات عمليات الإنتاج حيث يتم استخدام وحدة إنزيمات الكائنات الحية الدقيقة.

تم تنفيذ العملية الانزيم المستخدم عمل الانزيم وظيفة
وعاء ديكوتيون (طباخ الحبوب) ألفا أميليز النشا المتحلل بالماء إسالة.
تقليل اللزوجة
β جلوكاناز التحلل المائي جلوكان. يساعد على الترشيح.
يهرس ألفا أميليز تحلل النشا. تحسين الشعير.
أميلوغلوكوزيداز يزيد محتوى الجلوكوز. زيادة نسبة السكر المخمر في البيرة "الخفيفة".
إنزيم الشطب التحلل المائي لنقاط فرع النشا α-1،6. يؤمن الحد الأقصى من تخمر نقيع الشعير.
البروتياز يزيد من البروتين القابل للذوبان ، والنيتروجين الأميني الحر. تحسين الشعير
تحسين نمو الخميرة.
β جلوكاناز التحلل المائي جلوكان. يحسن فصل نقيع الشعير.
بنتوساناز / زيلانيز تحلل البنتوزان من الشعير والشعير والقمح. يحسن الاستخراج وترشيح البيرة.
التخمير α-amylase الفطرية يزيد من محتوى المالتوز والجلوكوز. يزيد من السكر القابل للتخمير في البيرة "الخفيفة".
β جلوكاناز التحلل المائي جلوكان. يقلل اللزوجة ويساعد على الترشيح.
α-acetolactate- decarboxylase (ALDC) يحول α-acetolactate إلى acetoin مباشرة. يقلل من وقت التخمير عن طريق تجنب تكوين ثنائي الأسيتيل.
خزان التكييف البروتياز يعدل مركبات البروتين البوليفينول. يقلل من ضباب البرد المتكون في البيرة.

تخمير الشعير

يقتصر الاستخدام التقليدي للشعير على 10-20٪ من الحبوب عند استخدام الشعير عالي الجودة. باستخدام الشعير المعدل ، تصبح عملية التخمير أكثر صعوبة ، وبالتالي يجب استكمال الهريس بنشاط إنزيم إضافي إذا كان صانع البيرة سيستفيد من مزايا استغلال الشعير غير المملح مع الحفاظ على أداء الإنتاج. عادةً ما يضيف صانعو البيرة مزيجًا مكافئًا من الشعير من α-amylase و-glucanase والبروتياز في مرحلة الهرس أو قد يختارون إضافة الإنزيمات بشكل منفصل حسب الحاجة.

الإنزيمات في العمل

قامت العديد من مصانع الجعة بتشغيل برامج خلال العامين الماضيين من أجل زيادة الكفاءة وتحسين استخدام المواد الخام مع التركيز على استخدام الإنزيمات التجارية لتقليل وقت الإنتاج وزيادة السعة والسماح باستخدام المواد الخام البديلة للشعير.

بعض الأمثلة المهمة هي:

لقد كان تبادل جزء من الشعير مع الشعير محبوبًا نتيجة لاستغلال الشعير جنبًا إلى جنب مع إنزيمات العمل ، مما يوفر جودة تخمير مكافئة مثل الشعير.

يوفر تقديم محتوى أعلى من إنزيمات التحلل المائي للنشا إمكانيات إنتاج & # 8220 بيرة خفيفة & # 8221 تسمى أيضًا & # 8220 بيرة منخفضة السعرات الحرارية & # 8221.

دقة تسريع لإدارة ثنائي الأسيتيل عندما يؤدي التخمير إلى تحسين استخدام الوعاء وتوفير الطاقة وضمان جودة عالية للتخمير عند تقليل وقت النضج.

يتكون ثنائي الأسيتيل عن طريق التغيير الكيميائي غير الأنزيمي للأسيتولاكتات ، والذي يتم إنشاؤه بواسطة الخميرة خلال عملية التخمير الأولية. تتم إزالة ثنائي الأسيتيل بسبب الخميرة مرة أخرى خلال مرحلة نضج البيرة عن طريق التحويل إلى الأسيتوين ، والذي له قيمة عتبة نكهة أعلى بكثير. في الواقع ، الأسيتوين لا طعم له تقريبًا مقارنة مع ثنائي الأسيتيل.

حلول مساعدة وشعير فعالة

تحتاج وكالة برورز التابعة للأمم المتحدة إلى وفورات في قيمة الأشياء أو استخدام المواد الخام المحلية التي يمكن أن تزود الشعير غير المعدل أو تزيد من حجم علاقة الملحق. تكمن المشكلة المحدودة في التأكد من وجود نشاط متقدم مناسب لأنشطة المسرع من أجل نقيع الشعير عالي الجودة. يوفر موردو المسرع مجموعة متنوعة من المنتجات المختلطة للتأكد من راحة المروحة ، وإنتاجية الاستخراج ، وقابلية التصفية ، والتخمير للبيرة النهائية عالية الجودة. مُساعد فعال من حيث التكلفة ومحاليل الشعير التي تم إنشاؤها باستخدام β-glucanase و xylanase و α-amylase و protease.

إنتاجية أسرع واستخراج أكثر

حتى مع الشعير الذكي ، من الممكن تحقيق دورة تصفية الجعة الأطول أربعمائة مرة ، واستخراج 0.5٪ إلى 1٪ أكثر و 0.5٪ تقليل خسائر البيرة لمزيد من المشروبات في اليوم. إقبال أسرع ومستخلص إضافي مربع تم إنشاؤه باستخدام β-glucanase و arabinoxylanase.


استكشاف إمكانات الأراضي الهامشية على ضفاف النهر لتعزيز خدمات النظام الإيكولوجي وإنتاج الطاقة الحيوية

كريستين كوستيلو ، ناصر أيوب ، الوقود الحيوي ، الطاقة الحيوية والأمن الغذائي ، 2019

3 مناطق عازلة على ضفاف النهر

المناطق المحصنة على ضفاف النهر هي مناطق نباتية بجوار الممرات المائية ، والتي توفر موائل الحياة البرية ، والرواسب ، وأحواض المغذيات لتحسين جودة المياه ، وتقليل تآكل التربة ، وربما إنتاج المواد الأولية للجنوسليلوز للوقود الحيوي (Williams et al.، 2015 Gu and Wylie، 2018). بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن يوفر تحويل الحواجز النهرية في المناطق الزراعية من محاصيل الصفوف السنوية إلى المحاصيل السليلوزية قصيرة الدورة المزروعة لإنتاج الوقود الحيوي حافزًا اقتصاديًا لتبني المحلول الوقائي بين المزارعين (روزا وآخرون ، 2017). ومع ذلك ، ينبغي إيلاء اهتمام كبير لإدارة الحشائش عند استخدامها لإنتاج مواد وسيطة أحادية السليلوز لجنوسليلوز أحادية المحصول (Williams et al.، 2015). بالإضافة إلى الإمكانات الاقتصادية لزراعة محاصيل الطاقة في مناطق النهر ، قد يكون هناك أيضًا فائدة بيئية كبيرة إذا كانت هذه المناطق غير مخصبة. تم اختبار أهمية صفصاف الطاقة باعتباره اعتراضًا للمغذيات والاحتفاظ بها على التوازن البيئي لمنطقة عازلة على ضفاف النهر بطول 50 مترًا في السويد. تم العثور على صفصاف المرشح المزروع لتحقيق صافي إمكانية الاحترار العالمي (GWP) وإمكانات التخثث (EP) وفورات تصل إلى 11.9 Mg CO2ه و 47 كجم ص4هكتار - سنة واحدة على التوالي ، مقارنة مع توفير قدرة احترار عالمي قدرها 14.8 ميغاغرام من ثاني أكسيد الكربون2هكتار - سنة - 1 وزيادة EP بمقدار 7 كجم PO4هكتار - سنة واحدة - 1 للصفصاف المخصب (Styles et al. ، 2016).

يمكن أن توفر استعادة المناطق المشاطئة المتدهورة العديد من خدمات النظام البيئي. فورتيير وآخرون. تقييم إمكانات تعزيز خدمة النظام البيئي بعد التحدث عن المحاليل العشبية غير المدارة مع الحور الهجين (حور spp.) استبدال المخازن المؤقتة في جنوب كيبيك. يمكن أن يؤدي وضع مناطق ضفاف النهر بجانب مجاري المزارع إلى إنتاج 5280-76151 طنًا من الحور مع إمكانية إزاحة 2-29 مليون لتر من زيت الوقود (Fortier et al.، 2016). أيضًا ، درس Gu استبدال مخازن الممرات المائية للأراضي الزراعية بإمكانيات إنتاجية عالية لعشبة التبديل في السهول الكبرى الشرقية (EGP) وخلص إلى أن حوالي 16342 كيلومترًا مربعًا من مصدات المجاري المائية في الجنيه المصري من المحتمل أن تكون مناسبة لتطوير أعشاب التبديل مع ما يقدر بـ 15 مليون طن متري من التبديل. كل عام (Gu and Wylie، 2018).

3.1 دراسة حالة: زراعة الطاقة الحيوية في ممر نهر ميسوري / المسيسيبي

في الولايات المتحدة ، يُعتقد أن إنتاج الوقود الحيوي من زراعة محاصيل الطاقة على الأراضي الهامشية مصدر واعد جدًا للطاقة المتجددة (Wicke ، 2011 Stoof et al. ، 2014 Zhao et al. ، 2014). ومع ذلك ، لتحقيق هذا الهدف ، يجب حل التكلفة اللوجستية العالية لموارد الكتلة الحيوية (أيوب وآخرون ، 2007 ، 2009). أحد الحلول المقترحة هو إنتاج محاصيل الطاقة على طول ممرات النهر لتعظيم النقل عبر الممرات المائية ، على سبيل المثال ، استخدام الصنادل لنقل الكتلة الحيوية إلى معامل التكرير الحيوية. يمكن أن توفر زراعة أنواع الكتلة الحيوية في المناطق المشاطئة خدمات النظام البيئي عن طريق تقليل تحميل المغذيات ومبيدات الآفات في المجرى المائي. علاوة على ذلك ، يمكن أن يؤدي تعظيم النقل المعتمد على المياه إلى تقليل دورة حياة الطاقة وغازات الدفيئة إلى حد كبير نظرًا لأن النقل القائم على الماء يؤدي إلى انخفاض استهلاك الوقود لكل طن / ميل يتم السفر منه مقارنة بوسائل النقل الأخرى. أحد المشاريع التي تحاول تحقيق هذه الإمكانات هو مشروع تعاوني الكتلة الحيوية المتقدمة لنهر المسيسيبي / نهر ميسوري / اتحاد الوقود الحيوي (MRABC) بين أكثر من 40 مؤسسة أكاديمية وشركات زراعية والطاقة تعمل على تحويل ممر نهر ميسوري / ميسيسيبي (MMRC) إلى مزود للطاقة النظيفة للولايات المتحدة وفرصة اقتصادية لميسوري (جوزيه ، 2015).يتمثل أحد أهداف مشروع MRABC في إظهار قدرة الغرب الأوسط على أن يكون مساهماً هاماً في إنتاج الوقود الحيوي في الولايات المتحدة دون التعدي على الأراضي المخصصة للمحاصيل الغذائية. الهدف الآخر هو التحقيق في كيفية نقل وتنقية الكتلة الحيوية بشكل مربح ومع فوائد إضافية للنظام البيئي من خلال زراعة الأراضي الهامشية على طول الأنهار. لإظهار إمكانات هذه الفكرة ، يظهر التوزيع الحالي لموانئ البارجة والمصافي الحيوية حول MMRC ، ضمن 100 ميل من خط وسط نهر ميسيسيبي / ميسوري ، في التين. 6.2 و 6.3 على التوالي. تعتبر هذه الطريقة المعقولة التكلفة لنقل محاصيل الطاقة ضرورية لجعل إنتاج الكتلة الحيوية ممكنًا للمزارعين ومنتجي الطاقة الحيوية. يمكن أن يؤدي هذا الوضع المربح للجانبين إلى إنشاء سوق مستقرة اقتصاديًا يمكن أن تأخذ الوقود الحيوي إلى مرحلة أخرى ، على سبيل المثال ، إنشاء مصانع معالجة الوقود الحيوي وتكريره على طول النهر. ستعمل هذه المرافق القريبة من مواقع الحصاد على معالجة الكتلة الحيوية وتحويلها إلى منتجات طاقة حيوية أسهل لشحنها مثل الكريات والوقود الذي سيتيح طرقًا اقتصادية للشحن ، على سبيل المثال ، الشاحنات ، في جميع أنحاء الولايات المتحدة أو عبر ميناء نيو أورلينز للتصدير.

الشكل 6.2. توزيع موانئ البارجة حول ممر نهر ميسوري / المسيسيبي.

الشكل 6.3. توزيع المصافي الحيوية حول ممر نهر ميسوري / المسيسيبي.

في منشور حديث ، تم تحديد مساحة الأراضي الهامشية المتاحة في MMRC في ظل مجموعة متنوعة من السيناريوهات (أيوب وآخرون ، في الصحافة). تم تطوير السيناريوهات لتشمل الأسباب المادية للوضع الهامشي للأراضي ، وتحديداً الأراضي المصنفة على أنها "تغمرها الفيضانات بشكل متكرر" و / أو الأراضي ذات عوامل التعرية العالية المحددة بواسطة عامل ك أكبر من 0.4 ، على النحو المحدد بواسطة خدمة حفظ الموارد الطبيعية & # x27s قاعدة البيانات الجغرافية لمسح التربة (NRCS-SSURGO ، 2017). لاستكشاف اعتبارات سياسية وبيئية أخرى ، تم تطوير السيناريوهات أيضًا لتشمل أو استبعاد الأراضي التي تفي بالمعايير المادية للتهميش ، ولكنها كانت أيضًا أراضي غابات أو أراضي برنامج احتياطي الحفظ (CRP). عادةً ما لا يُسمح بالمناطق الحرجية وأراضي CRP لاستخدام زراعة الطاقة الحيوية. في حين أن الأدلة تدعم بشكل عام أنه لا ينبغي استخدام الأراضي الحرجية لزراعة الطاقة الحيوية ، فإن إمكانية تحقيق مهمة الحفظ مع جمع الكتلة الحيوية من أراضي CRP أقل وضوحًا انظر سابقًا. تراوح النطاق التقديري للأراضي المتاحة عبر 24 سيناريو من 0.1 مليون هكتار في الحالة الأكثر تحفظًا إلى 58.4 مليون هكتار في الحالة التي يمكن فيها تعريف التهميش على أنه إما غمرته المياه بشكل متكرر أو قابل للتآكل بشدة ، واعتبرت أراضي الغابات و CRP مؤهلة (أيوب وآخرون. ، في الصحافة ). حدد المؤلفون سيناريوهين على الأرجح يمكن تحقيقهما وينتجان كميات كبيرة من الكتلة الحيوية. تضمنت هذه السيناريوهات الأراضي التي كانت إما مغمورة بالفيضانات بشكل متكرر أو شديدة التآكل أو قابلة للتآكل فقط ولا تشمل أراضي الغابات أو أراضي CRP ، ولكن كان من الممكن تصنيفها على أنها أراضي المحاصيل ، ولكن تم اعتبارها غير مناسبة لإنتاج المحاصيل نظرًا لقابلية الفيضان أو حالة التآكل. في هذه السيناريوهات ، تم تحديد 27.56 أو 30.39 Mha في MMRC (أيوب وآخرون ، في الصحافة). تم بعد ذلك استخدام مجموعة من بيانات الإنتاجية المرصودة لعشب التبديل والصفصاف والحور داخل منطقة الدراسة ونطاقات عوامل تحويل الطاقة المرصودة للإيثانول ووقود الطائرات والكهرباء لتقدير إمكانات الطاقة. قدر المؤلفون أن هذين السيناريوهين يمكن أن يوفروا في المتوسط ​​ما بين 297 و 365 مليون طن من الكتلة الحيوية ، أو ما بين 98 و 131 مليار لتر من الإيثانول 63 و 76 مليار لتر من الوقود الحيوي أو 469 و 513 تيراواط ساعة من الكهرباء (أيوب وآخرون ، في الصحافة ).


أحماض أمينية متفرعة السلسلة ، الجزء ب

هنري م. ميزيوركو. جاكلين ر روبرتس ، في طرق في علم الإنزيمات ، 2000

مقدمة

يحفز 3-Hydroxy-3-methylglutaryl-CoA lyase (EC 4.1.3.4) انقسام HMG-CoA لتكوين acetyl-CoA و acetoacetate [Eq. (1)].

هذا التفاعل هو خطوة أساسية في تكوين الكيتون ويمثل أيضًا الخطوة الأخيرة في مسار الليوسين التقويضي. تمثل أوجه القصور في نشاط الإنزيم في مرض التمثيل الغذائي البشري الموروث ، حمض البيلة الهيدروكسي ميثيل الجلوتاريك. 1 على الرغم من الإبلاغ عن مستحضرات الإنزيم من كبد الثدييات وتمييزها ، فقد تم الإبلاغ عن أول تحضير متجانس وعالي النشاط من الأنسجة حقيقية النواة لإنزيم الطيور. 4 هذا البروتين ، وكذلك إعداد متجانس من المؤتلف الزائفة الميفالونية تم استخدام الإنزيم ، 5 في دراسات وضع العلامات على التقارب التي حددت عناصر الجهاز التحفيزي. اقترح العمل مع إنزيم الطيور أيضًا أن تبادل الثيول / ثنائي الكبريتيد بين الوحدات الفرعية يمثل آلية محتملة لتنظيم نشاط إنزيم حقيقيات النواة. 7

تطلب التحقيق في الآليات التنظيمية المحفزة والمحتملة ، بالإضافة إلى نمذجة الطفرات التي تؤدي إلى حمض بيلة هيدروكسي ميثيل غلوتاريك البشري ، تطوير مصدر مؤتلف مناسب لإنزيم بشري ثابت ومتجانس. لهذا السبب ، تم استخدام cDNA 8 لترميز لياز البشري لتطوير نظام تعبير بكتيري لشكل الميتوكوندريا الناضج لياز HMG-CoA البشري. 9 يتم استخدام المنهجية الموصوفة في هذا الحساب للتعبير الروتيني وعزل الشكل الإسوي للميتوكوندريا المؤتلف النشط للإنزيم. بعد ذلك ، تم استخدام مناهج مماثلة لإنتاج بروتين يحتوي على تسلسل القائد الذي يترافق مع بروتين HMG-CoA lyase في الميتوكوندريا ، ويبدو أن هذا البروتين كامل الطول يمثل شكل إسوي بيروكسيسومي من الإنزيم. 10 تم الإبلاغ عن عزل هذا الإيزوزيم أن البروتوكول 11 يتضمن تعديلات طفيفة فقط للإجراء المحدد للشكل الإسوي للميتوكوندريا.


الأمعاء الغليظة

في الماضي ، كان يُعتقد أن كل شيء ذي قيمة غذائية قد تم هضمه بحلول الوقت الذي وصل فيه إلى الأمعاء الغليظة. ويعتقد أنه تم امتصاص الملح والماء وبعض الفيتامينات فقط هناك. ومع ذلك ، يستمر البحث في إظهار دور أكثر تعقيدًا. على الرغم من أن الأمعاء الغليظة لا تنتج الإنزيمات ، إلا أن البكتيريا التي تنمو هناك تستمر في عملية الهضم عن طريق تخمير الكربوهيدرات التي لم يتم هضمها في الأمعاء الدقيقة. تنتج هذه العملية كمية صغيرة من الطاقة ، وكذلك فيتامين K ، وفقًا لجامعة ولاية كولورادو.


شاهد الفيديو: Enzymes شرح بالعربي (شهر نوفمبر 2022).