TIEN DOORBRAKEN: VAN SLIMME MATERIALEN TOT EFFICIËNTE PLANTEN

6 Iedere zonnestraal optimaal benutten

Efficiënte planten kweken, die meer energie kunnen produceren.

Medium 6 42 23594091

Het is een van de eerste dingen die een middelbare scholier krijgt uitgelegd in de biologieles: hoe planten co2, water en licht omzetten in glucose en zuurstof. Oftewel: fotosynthese, zo’n fenomeen waar de kwalificatie ‘wonder der natuur’ voor lijkt uitgevonden. Toch mag er nog wel wat gesleuteld worden aan het vermogen van planten om energie te produceren, zo blijkt uit de bijdragen van de verschillende wetenschappers. Volgens natuurkundige Rienk van Grondelle kan fotosynthese ‘verbeterd worden’ omdat veel energie verloren gaat in de vorm ‘nutteloze warmte’.

Vanuit verschillende wetenschappelijke hoeken wordt het plantenrijk dan ook onder de loep genomen om de precieze werking van energieproductie te ontrafelen. En met succes. Geneticus Paul Hooykaas, bijvoorbeeld, doet onderzoek op basis van de zandraket, een eenjarig plantje dat vanwege zijn relatief eenvoudige genetische profiel een troetelkindje van de wetenschap is. ‘Ongeveer tien jaar geleden werd zijn genoom in kaart gebracht’, schrijft Hooykaas. ‘En dat heeft ons veel geleerd over de moleculaire basis van de ontwikkeling van planten en de invloed daarop van licht, temperatuur en aanwezige plagen.’ Ook uit de bijdrage van Raoul Frese blijken successen. Inmiddels ‘zien we de invloed op elk atoom binnen een biljardste seconde na absorptie van een lichtdeeltje, kennen we reparatiemechanismen in een plantencel en zien we veranderingen binnen de cel als aanpassing op omgevingsinvloeden’.

Toch blijven er open vragen. Een van de belangrijkste: het precieze verschil tussen C3- en C4-fotosynthese. Kort samengevat: de meeste planten produceren onder invloed van licht 3-fosfoglyceraat, een molecuul met drie ­koolstofatomen. Andere soorten – maïs, ­suikerriet, sommige grassen – produceren ­oxoaloacetaat, dat vier koolstofmoleculen bevat. Dat type planten kan bovendien veel meer licht aan. Hun opbrengst per hectare is dan ook veel groter dan die van hun minder voedselrijke tegenhanger. ‘Als we van een C3-plant een efficiënter werkende C4-plant kunnen maken zou dat een grote doorbraak zijn’, zo droomt de Wageningse bioloog Maarten Koorneef in zijn bijdrage.

Ingrijpende ontwikkelingen vinden momenteel ook plaats op het grensvlak van de biologie en de natuurkunde, in de zogeheten kwantumbiologie, meldt Rienk van Grondelle. Het belangrijkste nieuws uit dat vakgebied: de ontdekking dat de natuur op grote schaal gebruik maakt van ‘kwantumcoherentie’, een fenomeen dat wetenschappers wel eens vergelijken met een grote jazzband, waarbij verschillende instrumenten, groot en klein, allemaal in hun eigen tempo spelen, en toch een harmonieus geheel vormen. De afgelopen jaren hebben biologen ontdekt dat fotosynthese ook volgens dat patroon verloopt: het absorberen van licht, het elektrisch laden van eiwitten, de omzet naar glucose, alles vindt min of meer gelijktijdig plaats. ‘Verbazingwekkend hoge kwantum­efficiëntie’, noemt Van Grondelle het. ‘En dat is opmerkelijk omdat eiwitten wanordelijke structuren zijn.’

Verwondering over onverwachte orde in de chaos is een belangrijke, maar niet de enige drijfveer van de wetenschappers. Kennis, zo drukt bioloog Raoul Frese het treffend uit, betekent immers controle. En wie de biologie controleert, kan haar aanwenden om tal van problemen, bijvoorbeeld op het gebied van voedsel of energie, op te lossen. ‘Controle’ is ook het leidmotief in de bijdrage van natuurkundige Femius Koenderink. ‘Controle over licht is de basis voor een breed en groeiend scala van toepassingen in ons dagelijks leven’, schrijft hij. Zuinige verlichtingstechnologie, informatieoverdracht en data­verwerking in glasvezels en medische diagnostiek zijn enkele voorbeelden die hij geeft.

Verreweg de meest genoemde toepassing van lichtcontrole is de zonnecel, iets waar de onderzoekers collectief grote verwachtingen van hebben. Volgens Albert Polman en Marileen Dogterom zal de zonnecelmarkt in de komende tien jaar uitgroeien tot de grootste hightech-­industrie in de wereld. Zelf doen ze daar hard aan mee. Het duo wijst op een recente uitvinding in hun laboratorium: een patroon van nanodeeltjes van zilver of silicium, dat op een dunne zonnecel geprint kan worden. Die verstrooien een zonnestraal zo dat bijna al het licht efficiënt wordt opgevangen.

In die wens zo veel mogelijk energie uit iedere straal licht te persen, slaan de technici hun handen ineen met de biologen. ‘Gestimuleerd door de grote mate van kennis over het biologische proces worden nu synthetische moleculen gemaakt voor kunstmatige fotosynthese. Cellen worden veranderd om een hogere efficiëntie van energie-omzetting te bereiken. En met biologische moleculen en polymeren worden met nanotechnologie biohybride zonnecellen geconstrueerd’, aldus Raoul Frese. Zo leunen de verschillende exacte disciplines op elkaar in een poging onze afhankelijkheid van gas, kolen en olie te verminderen.


Beeld: Bladgroenkorrel van maïs. Courtesy: Dr George Chapman / Corbis