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Quels sont les processus connus de capture d'énergie dans les systèmes biologiques ?

Quels sont les processus connus de capture d'énergie dans les systèmes biologiques ?



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Je ne suis pas biologiste. Je suis conscient que la photosynthèse est le principal processus de capture de l'énergie électromagnétique du Soleil. De plus, je suis conscient que certaines bactéries peuvent capter l'énergie de l'eau bouillante et d'autres de certains produits chimiques.

  1. Quels sont les processus connus de capture d'énergie dans les systèmes biologiques autres que la photosynthèse ? Je recherche des références ou une bonne étude de tous les mécanismes connus.

  2. Existe-t-il une explication à l'ingéniosité de l'évolution pour résoudre le problème de capture (transformation) de l'énergie via une multitude de mécanismes ?


  1. En dehors de la phototrophie, il n'y a que la chimiotrophie (obtention de l'énergie à partir des réactions redox de substances chimiques) et la radiotrophie (obtention de l'énergie à partir des rayonnements ionisants tels que les rayons gamma). Cependant, la radiotrophie n'est pour l'instant connue que comme un mode d'énergie supplémentaire et non primaire.

  2. La diversité est un thème central de l'évolution. Il serait intéressant s'il y avait un seul mécanisme commun pour tous les modes d'énergie-nutrition, ce qui est peut-être vrai pour le cas du mécanisme de génération d'énergie chimiosmotique (systèmes de type ATP-synthase qui génèrent de l'énergie à partir de gradients chimiques). Sinon, la diversité est attendue à mesure que les organismes évoluent pour survivre dans différents environnements.


1:

Les deux seules sources d'énergie que j'ai pu trouver (pas qu'il n'y en ait pas d'autres que je n'ai pas pu trouver ou qui n'ont pas été découvertes) sont la lumière (les plantes) et les "composés biologiques" (certaines bactéries).

Référence

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

Il semble que vous deviez acheter ce livre, mais le site Web fournit un aperçu contenant la réponse à votre question (dans le premier paragraphe).

2:

L'explication probable pour avoir une multitude de façons de capturer l'énergie est le rayonnement adaptatif. Avoir une méthode différente de collecte d'énergie placerait l'organisme dans une niche écologique différente, qui aurait été autrement inoccupée. Cela permet à l'organisme de s'épanouir. Par exemple, les hétérotrophes ont évolué pour métaboliser une variété de composés. Certains digèrent principalement le glucose, tandis que d'autres évoluent pour décomposer la cellulose, l'amylose, les protéines, etc.

Lectures complémentaires

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

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


2.2 : Énergie

  • Contribution de Matthew R. Fisher
  • Faculté (biologie) à l'Oregon Coast Community College
  • Provenant d'OpenOregon

Pratiquement toutes les tâches effectuées par les organismes vivants nécessitent de l'énergie. Les nutriments et autres molécules sont importés dans la cellule pour répondre à ces besoins énergétiques. Par exemple, l'énergie est nécessaire pour la synthèse et la décomposition des molécules, ainsi que pour le transport des molécules dans et hors des cellules. De plus, des processus tels que l'ingestion et la décomposition des aliments, l'exportation de déchets et de toxines et le mouvement de la cellule nécessitent tous de l'énergie.

Les scientifiques utilisent le terme bioénergétique pour décrire le concept de flux d'énergie à travers les systèmes vivants, tels que les cellules. Les processus cellulaires tels que la construction et la décomposition de molécules complexes se produisent par le biais de réactions chimiques par étapes. Certaines de ces réactions chimiques sont spontanées et libèrent de l'énergie, tandis que d'autres nécessitent de l'énergie pour se dérouler. Ensemble, toutes les réactions chimiques qui se déroulent à l'intérieur des cellules, y compris celles qui consomment ou génèrent de l'énergie, sont appelées la cellule & rsquos métabolisme.

D'où et sous quelle forme vient cette énergie ? Comment les cellules vivantes obtiennent-elles de l'énergie et comment l'utilisent-elles ? Cette section discutera des différentes formes d'énergie et des lois physiques qui régissent le transfert d'énergie.

Figure (PageIndex<1>). En fin de compte, la plupart des formes de vie tirent leur énergie du soleil. Les plantes utilisent la photosynthèse pour capter la lumière du soleil et les herbivores mangent les plantes pour obtenir de l'énergie. Les carnivores mangent les herbivores et la décomposition éventuelle des matières végétales et animales contribue à la réserve de nutriments.


LES EFFETS DE L'ÉNERGIE

Adaptations

Les adaptations sont des caractéristiques ou des actions d'un organisme qui l'aident à survivre et à se reproduire dans son habitat. Chaque organisme a des besoins de base, y compris l'énergie, l'eau et les adaptations d'abris permettent à un organisme d'obtenir ses besoins de base à partir de son habitat. Les structures corporelles, les caractéristiques comportementales, les stratégies de reproduction et les caractéristiques physiologiques sont tous des exemples d'adaptations. Différents habitats posent différents défis aux organismes, et les adaptations peuvent être considérées comme des solutions à ces défis. Par exemple, les adaptations importantes dans un habitat désertique incluraient celles qui permettent à un animal de conserver l'eau et de stocker de l'énergie.

L'énergie affecte les adaptations de deux manières fondamentales. Premièrement, les plantes et les animaux ont besoin d'énergie pour survivre, et des adaptations peuvent leur permettre d'obtenir, d'utiliser et, dans de nombreux cas, de conserver de l'énergie. Non seulement les plantes et les animaux ont besoin de beaucoup d'énergie pour alimenter les réactions chimiques nécessaires à leur survie, mais cette énergie peut également être en quantité limitée, en particulier pour les consommateurs. En conséquence, de nombreuses adaptations observées chez différentes espèces tournent autour de la conservation de l'énergie.

Deuxièmement, le rayonnement solaire peut entraîner des différences frappantes entre les habitats. Une forêt tropicale est fondamentalement différente d'une toundra d'abord et avant tout parce qu'il y a beaucoup plus d'énergie disponible pour une forêt tropicale. La durée moyenne de la journée à Barrow, en Alaska, varie d'environ une heure en janvier à près de vingt-quatre heures en juin. La saison de croissance réduite limite la quantité d'énergie que les plantes peuvent produire. Comparez cela avec Uaupés, au Brésil, qui reçoit douze heures de soleil chaque mois de l'année. La saison de croissance qui dure toute l'année contribue au fait que les forêts tropicales sont les habitats les plus productifs sur Terre.

Régulation de la température corporelle. Le métabolisme fait référence à toutes les réactions chimiques qui ont lieu au sein d'un organisme. Pour se produire à des rythmes permettant de maintenir la vie, les réactions métaboliques ont des exigences de température strictes, qui varient d'une espèce à l'autre. Un organisme peut atteindre la température appropriée pour que le métabolisme se produise de deux manières. La première consiste à capter et à utiliser la chaleur générée par diverses conversions d'énergie, la seconde consiste à s'appuyer sur des sources d'énergie externes telles que la lumière directe du soleil. En d'autres termes, la température corporelle peut être régulée de manière interne ou externe.

Un animal endothermique génère sa propre température corporelle, contrairement à un animal ectotherme. En général, les animaux endothermiques ont des températures corporelles constantes qui sont généralement supérieures à celle du milieu environnant, tandis que les animaux ectothermes ont des températures variables. Les ectothermes reposent sur la régulation comportementale de la température : un serpent passera du soleil à l'ombre jusqu'à ce qu'il trouve un microclimat approprié proche de sa température corporelle optimale. Lorsqu'il est exposé à la lumière directe du soleil, un ectotherme peut augmenter sa température corporelle jusqu'à 1 °C (32,8 °F) par minute.

Les animaux endothermiques peuvent atteindre et maintenir des niveaux d'activité même lorsque les températures chutent ou varient considérablement. Cela peut être un énorme avantage par rapport à l'ectothermie, en particulier sous les latitudes nord, la nuit ou pendant l'hiver. Dans les climats plus froids, un prédateur ectotherme tel qu'un serpent aura tendance à être plus lent et moins efficace qu'un prédateur endothermique. Il n'y a pas de reptiles ou d'insectes dans les régions polaires.

Cependant, l'endothermie est une adaptation coûteuse. Une souris en quête de nourriture utilise jusqu'à trente fois plus d'énergie qu'un lézard en quête de nourriture du même poids au repos, le métabolisme d'un animal endothermique est cinq à dix fois supérieur à celui d'un ectotherme de taille comparable. Dans certains habitats, cela se traduit par un avantage substantiel pour l'ectothermie. En raison de leur plus grande économie d'énergie et de leurs besoins alimentaires plus faibles, les ectothermes tropicaux sont plus nombreux que les endothermes en nombre d'espèces et d'individus.

Les oiseaux et les mammifères sont des vertébrés endothermiques. Ce n'est pas un hasard si ce sont les seuls vertébrés à posséder des revêtements corporels externes uniques : des plumes et des cheveux, respectivement. Pour les deux groupes, ces revêtements corporels ont évolué comme une adaptation pour réduire les pertes de chaleur. Les plumes d'un oiseau étaient à l'origine adaptatives parce qu'elles aidaient à garder l'animal au chaud, et non parce qu'elles l'aidaient à voler.

L'énergétique de la taille du corps. Les gros animaux ont des besoins énergétiques plus faibles que les plus petits. Gramme pour gramme, une souris des moissons a vingt fois les besoins énergétiques d'un éléphant. Une partie de l'avantage de la taille provient probablement du fait qu'un animal plus gros a proportionnellement moins de surface qu'un plus petit. Lorsque la chaleur quitte le corps, elle le fait à travers la surface du corps. Il est plus difficile pour un objet plus petit de maintenir une température corporelle constante car il a une plus grande surface par rapport à son volume. Une conséquence de cette relation est qu'une baleine, en raison de son taux métabolique plus faible, peut retenir son souffle et ainsi rester sous l'eau plus longtemps qu'une musaraigne.

Les frais de locomotion. Étant donné que l'oxygène est nécessaire aux réactions métaboliques productrices d'énergie (respiration), il existe une corrélation directe entre la quantité d'oxygène consommée et le taux métabolique. Sans surprise, les taux métaboliques augmentent avec l'activité. Pendant l'exercice, une personne consommera quinze à vingt fois plus d'oxygène qu'au repos.

Une comparaison de différentes espèces révèle qu'un animal plus gros utilise moins d'énergie qu'un plus petit voyageant à la même vitesse. Cela semble être lié à la quantité de traînée rencontrée lors du déplacement. Les petits animaux ont des rapports surface/volume relativement importants et sont donc confrontés à des quantités relativement plus importantes de traînée. Les adaptations qui réduisent la traînée incluent des formes de corps profilées. Cependant, étant donné qu'un corps plus grand doit d'abord surmonter une plus grande quantité d'inertie, le coût de l'accélération est plus élevé. Par conséquent, les petits animaux ont tendance à être capables de démarrer et de s'arrêter brusquement, tandis que les plus gros animaux ont des périodes de démarrage et de ralentissement plus longues.

Fait intéressant, deux espèces différentes de taille corporelle similaire ont des coûts énergétiques similaires lorsqu'elles effectuent le même type de locomotion. Des différences dans la dépense énergétique sont observées lorsque l'on compare le type de locomotion effectué plutôt que l'espèce animale. Pour une taille corporelle donnée se déplaçant à une vitesse donnée, la natation est le mode de locomotion le plus énergétiquement efficace, le vol est de coût intermédiaire et la course est le plus coûteux énergétiquement. Un animal nageant à flottabilité neutre dépense moins d'efforts qu'un animal essayant de rester en l'air tout en volant en courant coûte le plus cher en raison de la façon dont les muscles sont utilisés.

Néanmoins, les oiseaux ont des taux métaboliques plus élevés que les mammifères de taille similaire. La plupart des petits mammifères réduisent les coûts énergétiques en recherchant des environnements protégés. Les oiseaux passent une grande partie de leur temps exposés. De plus, comme la graisse est lourde, le besoin de voler limite la capacité d'un oiseau à stocker de l'énergie. Même avec un régime riche en protéines, un oiseau doit manger jusqu'à 30 pour cent de son poids corporel chaque jour. Ce facteur à lui seul explique probablement le voyage migratoire estival de certains oiseaux des tropiques vers les latitudes septentrionales, qui, en raison de leurs jours plus longs, permettent à un oiseau de disposer de plus d'heures de clarté pour se nourrir et nourrir ses petits.

L'énergétique de l'accouplement. La reproduction sexuée nécessite une quantité considérable d'énergie, y compris l'énergie investie lors de la compétition pour l'accouplement (y compris la production de gamètes) et la prise en charge de la progéniture. Trois principaux systèmes d'accouplement existent dans le règne animal : la polygamie (un mâle, plus d'une femelle), la monogamie (un mâle, une femelle) et la polyandrie (une femelle, plus d'un mâle. Chaque système peut être défini en termes de les investissements énergétiques relatifs de chaque sexe. Dans un lien de couple monogame, les deux sexes investissent des quantités d'énergie à peu près égales, par conséquent, les comportements de parade nuptiale ont tendance à être plutôt impliqués et la compétition est égale entre les sexes. Les mâles dans un système polygyne passent beaucoup de temps l'énergie en compétition pour les partenaires, tandis que les femelles investissent davantage dans les soins parentaux, et ont donc tendance à être très particulières avec qui elles s'accouplent.Un système polyandre est à l'opposé : les femelles investissent dans la compétition et l'accouplement, tandis que les mâles investissent dans les soins parentaux.

Adaptations aux habitats. En raison de la géométrie de la Terre et de la position de son axe, l'équateur reçoit plus d'énergie solaire par unité de surface que les régions polaires. Étant donné que l'axe de la Terre est incliné par rapport au plan de l'orbite terrestre autour du Soleil, cet angle de rayonnement incident varie selon les saisons. Ces facteurs, combinés à la rotation de la Terre, établissent les principaux schémas de température, de circulation de l'air et de précipitations.

Un habitat, ou biome, est constitué d'éléments vivants et non vivants en interaction. Les principaux habitats terrestres comprennent les déserts, les forêts tempérées, les prairies, les forêts tropicales humides, la toundra et divers types de zones humides. Les limites de ces différents habitats sont déterminées principalement par des facteurs climatologiques tels que la température, les précipitations et la durée de la saison de croissance. Ces conditions sont créées par l'influence du rayonnement solaire, souvent en conjonction avec des facteurs locaux tels que la topographie.

La quantité de biomasse produite dans un habitat - la productivité de l'habitat - est déterminée par les types de plantes (certaines espèces sont des photosynthétiseurs plus efficaces que d'autres), l'intensité et la durée du rayonnement solaire, la quantité de nutriments disponibles et les facteurs climatiques comme la température et les précipitations. Les habitats aquatiques ont tendance à être moins productifs que les habitats terrestres, en grande partie parce qu'il y a moins de lumière du soleil disponible en profondeur et qu'il y a une pénurie de nutriments minéraux. Les forêts tropicales humides ont des conditions qui favorisent une productivité élevée, un résultat est qu'elles ont également la plus grande biodiversité de tous les habitats.

Habitats froids. En raison de considérations de surface par rapport à la masse corporelle, les animaux qui vivent dans des habitats froids ont tendance à avoir des tailles corporelles plus grandes et des extrémités plus petites (en particulier les oreilles et les pattes) par rapport à leurs homologues des habitats plus chauds. Les animaux qui vivent dans des habitats froids ont également une plus grande quantité d'isolant, comme la graisse, la fourrure ou les plumes. Les adaptations comportementales incluent le rassemblement en groupe, ce qui diminue efficacement la surface exposée de chaque individu.

Si les ressources énergétiques sont saisonnièrement faibles, certains animaux adoptent la stratégie de migration vers des zones plus riches. Un oiseau insectivore est plus susceptible d'être migrateur qu'un granivore. L'hibernation est une autre adaptation en réponse aux pénuries d'énergie saisonnières. La température corporelle d'un véritable hibernateur correspond étroitement à celle de son environnement. Le cœur ralentit (le rythme cardiaque d'un écureuil terrestre passe de 200 à 400 battements par minute à 7 à 10 battements par minute) et le métabolisme est réduit de 20 à 100 fois en dessous de la normale. Les hibernateurs ont tendance à avoir une durée de vie beaucoup plus longue que les non-hibernateurs.

Des différences peuvent également être observées dans les populations humaines vivant dans des habitats froids. Chez les Inuits, le corps maintient une température élevée en brûlant de grandes quantités de graisses et de protéines. L'augmentation du flux sanguin vers les bras, les jambes, les doigts et les orteils aide à prévenir les gelures. Un aborigène australien peut dormir à des températures inférieures au point de congélation avec peu de vêtements ou d'abris, tout en conservant son énergie en permettant à la température de ses jambes et de ses pieds de baisser. La chaleur est maintenue dans le coffre, là où elle est le plus nécessaire.

Adaptations aux habitats chauds. Lorsque l'eau s'évapore dans l'environnement, les molécules vaporisées emportent avec elles une grande quantité de chaleur. L'un des meilleurs moyens de refroidir le corps d'un animal est de faire évaporer l'eau de sa surface. Les adaptations qui tirent parti de cette propriété incluent la transpiration, l'halètement et le léchage du corps. Mais l'eau est souvent une ressource limitée dans les habitats chauds tels que les déserts, donc de nombreux animaux du désert ont des adaptations qui réduisent la quantité d'eau qui s'évapore du corps. La plupart des petits animaux du désert évitent la chaleur et réduisent les pertes d'eau en étant nocturnes et en vivant dans des terriers. Les grandes extrémités, en particulier les oreilles, aident à évacuer la chaleur du corps et à la dissiper dans l'environnement.

D'autres adaptations sont peut-être mieux illustrées en examinant le chameau, qui est capable de conserver l'eau en excrétant une urine très concentrée. De plus, la lèvre supérieure est fendue, de sorte que l'humidité qui s'écoule du nez rentre dans le corps par la bouche. Plus important encore, le chameau peut tolérer la déshydratation : il peut perdre un impressionnant 25 pour cent de son poids corporel dans l'eau sans effets néfastes. La température interne de son corps peut fluctuer jusqu'à 6 °C (10,8 °F). En augmentant sa température pendant la journée et en la diminuant la nuit, il peut suivre de plus près les changements de température extérieure. Cela permet également de réduire les pertes d'eau jusqu'à cinq litres d'eau par jour. La graisse stockée dans la bosse du chameau représente un apport énergétique important dans l'habitat peu végétalisé dans lequel il vit.


Quels sont les processus connus de capture d'énergie dans les systèmes biologiques ? - La biologie

La production d'énergie biologique commence par la fixation photosynthétique du CO 2 dans la biomasse (amidons, lignocellulosiques, etc.) et est suivie de la conversion de la biomasse via divers processus microbiens en carburants (éthanol, méthane, hydrogène, huiles), comme discuté dans les chapitres précédents. Dans le cas de la production algale d'hydrogène et d'huiles végétales, les deux processus sont conduits par un seul organisme. Même dans ces cas, il existe une nette distinction entre les processus photosynthétiques de fixation du CO 2 (et de production d'oxygène) et la conversion ultérieure des produits de fixation en carburants renouvelables. La production de la biomasse des déchets est peu préoccupante dans la conversion des déchets, comme dans les fermentations du méthane. Pourtant, en fin de compte, la source de tous les carburants biologiques est la photosynthèse, réalisée par les plantes et les algues. L'efficacité de la photosynthèse (chapitre 2) est donc un enjeu central dans le développement futur de ces énergies biologiques renouvelables.

D'autres problèmes majeurs dans l'avenir des systèmes énergétiques biologiques sont l'efficacité globale de la conversion de la biomasse en combustibles utiles, l'économie de tels procédés, leurs impacts environnementaux, leur compétitivité avec les procédés de conversion thermochimique de la biomasse (combustion, gazéification), leur potentiel de ressources, et , peut-être le plus important, leur compatibilité avec l'évolution des structures économiques et politiques. Les biocarburants compléteraient par exemple l'électricité solaire dans le mix d'énergies renouvelables du futur. Ce chapitre présente quelques projections sur le développement des systèmes d'énergie biologique renouvelable au 21e siècle.

La race humaine exploite déjà, directement et indirectement, une grande partie, près de la moitié (1) de la production primaire totale de la planète - à travers l'agriculture, la pêche, la foresterie et d'autres activités. En effet, peu d'écosystèmes productifs dans le monde restent dans leur état naturel, non diminué par les actions de l'humanité. Alors que l'exploitation et la destruction des écosystèmes mondiaux atteignent leur point final au cours de la première moitié du siècle prochain et que les environnements naturels cessent d'exister en dehors de quelques enclaves plus ou moins protégées, notre dépendance à l'égard des richesses de la nature prendra fin. Nous dépendrons alors entièrement de la façon dont nous pourrons gérer les actifs biologiques et physiques restants de notre planète, pour maintenir l'existence d'une population humaine dont le taux de croissance actuel n'est dépassé que par sa consommation accélérée de ressources naturelles. En outre, nous devrons gérer ces ressources dans le contexte d'un environnement mondial en évolution rapide, avec un climat imprévisible, des matières premières de plus en plus rares et des terres productives en diminution, qui sont couvertes par des colonies ou dévastées par des pratiques d'exploitation. Pour ne citer que quelques-uns des défis que nous laissons aux générations futures.

Si la catastrophe - l'effondrement économique et démographique - doit être évitée, nous devons non seulement freiner les populations et la consommation, mais aussi développer et mettre en œuvre des technologies plus efficaces et respectueuses de l'environnement, plus accessibles aux grandes populations qui ne bénéficient actuellement pas des avantages de notre économie technologique . Les systèmes énergétiques biologiques peuvent jouer un rôle important dans cette transformation de l'économie et de la condition humaine, nécessaire à notre survie tout au long du 21e siècle.

L'efficacité de la photosynthèse est le facteur limitant ultime de la production d'énergie biologique. Actuellement, les rendements agricoles et forestiers dépassent rarement 1 % de l'apport total d'énergie solaire converti en un produit récupérable. Cependant, même avec la productivité actuelle, le potentiel de la photosynthèse pour produire de la nourriture, des fibres, du carburant et des produits forestiers est vraiment énorme. La productivité primaire totale dépasse d'un ordre de grandeur la consommation actuelle de combustibles fossiles. Récemment, un groupe d'experts a projeté le potentiel de l'amélioration de la préservation et de la gestion des forêts et des pratiques agricoles pour atténuer l'effet de serre en séquestrant le CO 2 dans la biomasse et le carbone du sol à long terme et en remplaçant les combustibles fossiles par des biocarburants. Ils ont conclu que la totalité des émissions de CO 2 des combustibles fossiles pouvaient être équilibrées avec les systèmes biologiques (2). De plus, cela pourrait être accompli sans diminuer la production d'aliments, de fibres et de produits forestiers. Même les projections prudentes de ce groupe ont indiqué que les processus biologiques pourraient générer des compensations de gaz à effet de serre équivalant à près de la moitié de l'augmentation annuelle actuelle du CO 2 atmosphérique, et à des coûts relativement faibles. Ces actions ne nécessitent même pas les mesures héroïques de « gestion planétaire » suggérées par certains, comme l'augmentation de la productivité primaire par la fertilisation en oligo-éléments des milieux océaniques et terrestres (3).

De telles projections mondiales doivent bien sûr être tempérées par des évaluations plus détaillées des possibilités locales et régionales spécifiques des systèmes énergétiques de la biomasse. Par exemple, dans la plupart des projections de systèmes de biomasse pour l'atténuation des gaz à effet de serre, il est supposé que le CO fixé par photosynthèse peut être séquestré pendant de longues périodes (> 100 ans) dans la biomasse aérienne, le carbone du sol et d'autres formes de stockage à long terme. Ceci est problématique et deviendrait un facteur limitant d'ici quelques décennies, à mesure que les forêts atteindront leurs niveaux de biomasse maximum (climax). Ainsi, l'accent doit être mis sur le développement de systèmes d'énergie biologique qui utilisent des biocombustibles pour remplacer les combustibles fossiles, et ainsi réduire les émissions de CO 2 et d'autres gaz à effet de serre. La maximisation de l'efficacité de la première étape des processus + photosynthèse est fondamentale pour de tels systèmes.

Comme examiné au chapitre 2, les efficacités photosynthétiques maximales sont actuellement projetées à 10 % de la conversion totale de l'énergie solaire, sur la base d'études en laboratoire. Dans la pratique, moins de la moitié de cela a été documenté même dans les expériences en extérieur les plus productives, et dans la culture de plantes, seul un rendement de conversion de 1 à 3 % est obtenu au maximum, dont moins de la moitié est généralement récupérée dans le produit réel (grain, fibre , etc.). Pour les arbres, on note une productivité beaucoup plus faible, en grande partie en raison des intrants minimaux (engrais, lutte antiparasitaire, gestion) dans la foresterie.

Pour les systèmes de microalgues, qui ont une productivité très élevée, les résultats des systèmes expérimentaux et commerciaux ne sont pas significativement différents de ceux des plantes supérieures plus productives dans des climats similaires. Cependant, si des résultats de laboratoire avec des cultures de microalgues pouvaient être obtenus dans des étangs extérieurs, une efficacité de conversion solaire de 10 % devrait être possible, c'est-à-dire une augmentation d'environ trois fois par rapport à la productivité actuellement atteinte, plus de 200 mt/ha/an (tonnes métriques/hectare/ année). Pourquoi des rendements solaires et une productivité aussi élevés n'ont-ils pas été atteints à ce jour ?

La réponse est l'effet de saturation de la lumière : le taux de photosynthèse n'augmente pas avec l'augmentation des intensités lumineuses. En effet, à des intensités lumineuses élevées, par ex. la lumière du soleil, le nombre de molécules de chlorophylle absorbant un photon dépasse largement la capacité de l'appareil photosynthétique à traiter cette générosité d'énergie piégée. Les photons en excès sont perdus sous forme de chaleur ou de fluorescence, avec pour résultat que la lumière est gaspillée par les algues près de la surface, tandis que celles en dessous sont ombragées, ce qui entraîne une diminution de la productivité. Bien que ce problème ait été reconnu il y a des décennies (4), et même les solutions possibles proposées à l'époque, peu de progrès ont été réalisés dans ce domaine depuis plusieurs décennies.

Une solution proposée est l'utilisation de prismes ou de fibres optiques qui transmettent la lumière aux couches plus profondes des étangs. Bien que réalisable en laboratoire, l'utilisation de tels dispositifs est économiquement prohibitive. Une autre approche est le mélange rapide de la culture, de sorte qu'en moyenne, après qu'un photon a été absorbé par l'appareil photosynthétique, les algues sont transférées dans l'obscurité, où elles peuvent traiter l'énergie photonique à loisir. Cependant, cela nécessite un mélange si rapide qu'il n'est également qu'une curiosité de laboratoire (bien que d'un grand intérêt fondamental).

Il reste la troisième approche + pour réduire la teneur en chlorophylle des algues afin d'éviter, ou du moins de minimiser, l'absorption de photons, et donc le gaspillage de lumière et l'auto-ombrage. Une teneur réduite en chlorophylle pourrait être obtenue par les techniques modernes du génie génétique, et cette approche présente la méthode la plus claire pour atteindre des efficacités photosynthétiques élevées, approchant le maximum théorique, avec des cultures d'algues en plein air (plein soleil) (5).

Il faut cependant reconnaître qu'il ne s'agirait que d'une première étape, bien que d'une importance critique, dans l'effort global de développement de systèmes de production de microalgues à haute productivité et à faible coût. Une autre étape est le développement de souches d'algues capables de produire un rendement élevé d'un produit souhaitable, qu'il s'agisse d'amidons pour la fermentation en éthanol, d'huiles végétales, d'hydrocarbures ou d'hydrogène. Encore une fois, nous pouvons invoquer les pouvoirs de la biologie moléculaire moderne pour atteindre ces objectifs, en particulier la technologie en évolution rapide de l'ingénierie métabolique, qui permet la manipulation et le contrôle de voies enzymatiques entières. L'ingénierie métabolique pourrait permettre l'optimisation simultanée des efficacités photosynthétiques et de la formation du produit. Un processus en deux étapes serait probablement optimal, similaire à l'agriculture végétale supérieure, où la production de biomasse végétative est suivie par la formation de grains.

Les souches d'algues à faible teneur en chlorophylle, et plus généralement, les souches métaboliquement modifiées qui produisent des niveaux élevés de produits souhaitables, ne pourraient pas rivaliser avec les algues de type sauvage, tout comme les plantes cultivées ne peuvent rivaliser avec les espèces de mauvaises herbes. Comme les systèmes agricoles, les étangs d'algues souffrent d'invasions par les brouteurs et de maladies. Une nouvelle technologie de « génie microécologique » devra être développée pour empêcher, sinon au moins minimiser, une telle contamination et permettre la culture en masse en étang ouvert d'espèces sélectionnées, en particulier de souches génétiquement/métaboliquement modifiées. L'approche alternative, les photobioréacteurs fermés, n'est pas pratique, sauf en tant que petite étape de production d'inoculum. Comme expliqué ci-dessous, l'ingénierie microécologique, l'intégration des biotechnologies moléculaires et de fermentation avec l'écologie microbienne, sera également requise dans le développement futur des autres procédés de conversion d'énergie biologique abordés dans ce rapport + fermentations d'éthanol et de méthane.

Récemment, Greenbaum et al. (6) ont rapporté la découverte surprenante que des mutants de l'algue verte Chlamydomonas manquant de la moitié de l'appareil photosynthétique normalement associé à la fixation du CO 2 et à la production d'hydrogène, effectuaient toujours les deux réactions à des taux proches de la normale. Cela suggère que les cultures d'algues peuvent en fait nécessiter moins que les 8 à 10 quanta de photons nécessaires pour réduire une molécule de CO 2 en glucides suggérés par les mécanismes acceptés de la photosynthèse. Bien que ces efficacités photosynthétiques accrues restent à démontrer, cela nous rappelle que des surprises se produisent encore, même aux niveaux les plus fondamentaux de notre compréhension des processus biologiques. Cela illustre également la difficulté de projeter toute technologie future. Dans tous les cas, l'objectif d'atteindre des rendements bien supérieurs à ceux actuels avec les microalgues et les plantes supérieures, à l'extérieur au soleil, semble plausible et justifie une R&D continue et ciblée. Les connaissances et les techniques développées pour maximiser la productivité des cultures de masse de microalgues pourraient également être appliquées à une photosynthèse plus élevée des plantes. Bien que les limitations de la saturation de la lumière ne soient généralement pas aussi sévères que dans un étang d'algues, une marge considérable est disponible pour améliorer la productivité des systèmes de production végétale supérieurs. L'application de ces techniques à la foresterie représenterait l'application de ces techniques à la foresterie qui présente le plus grand potentiel, tant en termes d'amélioration des rendements que d'augmentation des ressources mondiales en biomasse. Ainsi, les systèmes de microalgues, dont la R&D peut être accélérée en raison de leurs temps de génération courts, peuvent à l'avenir non seulement contribuer aux objectifs spécifiques des systèmes énergétiques des microalgues (chapitres 5 et 6, voir également ci-dessous) mais, peut-être plus important, pourraient également conduire à une exploitation plus efficace, productive et économique de la photosynthèse végétale supérieure et des systèmes énergétiques biologiques en général.

L'une des applications les plus immédiates et les plus importantes des systèmes énergétiques biologiques pourrait être la production d'éthanol à partir de la biomasse. Aux États-Unis, plus de 5 milliards de litres d'éthanol par an sont actuellement produits par fermentation, en utilisant l'amidon de maïs comme substrat. Il s'agit d'une technologie conventionnelle, qui n'est économiquement compétitive qu'en raison des subventions gouvernementales importantes pour encourager la production de maïs et sa conversion en éthanol-carburant. Bien que certaines améliorations des procédés soient possibles, aucune percée majeure n'est prévue, et le coût de l'amidon de maïs n'est pas susceptible de devenir plus attractif, à la lumière des besoins alimentaires croissants de la population mondiale. Les bilans d'énergie et d'émissions de gaz à effet de serre ne sont pas non plus particulièrement favorables aux systèmes com-to-éthanol, étant au mieux seulement légèrement positifs, et seulement si une technologie plus coûteuse et à forte intensité de capital est utilisée. Des substrats et des procédés de fermentation à moindre coût sont nécessaires.

Comme examiné au chapitre 3, la biomasse lignocellulosique est un substrat potentiel pour les fermentations à l'éthanol. Cela nécessite d'abord un prétraitement de la biomasse pour ouvrir les polymères lignocellulosiques, pour permettre leur hydrolyse soit par des enzymes soit par des acides, suivi d'une fermentation des sucres hexose et pentose dérivés respectivement des fractions cellulose et hémicellulose. La lignine résiduelle peut être utilisée comme combustible de chaudière, ou comme matière première pour des produits à plus haute valeur (phénoliques, polymères, etc.). Des recherches approfondies ont été menées dans ce domaine depuis des décennies (7), mais les processus pratiques doivent encore être démontrés. En effet plusieurs problèmes entravent un tel processus : le prétraitement est lourd l'hydrolyse enzymatique est lente et nécessite une grande quantité d'enzymes, tandis que l'hydrolyse acide est rapide, mais entraîne de mauvais rendements et de nombreux produits de dégradation qui inhibent les fermentations et les fermentations elles-mêmes sont compliquées par les deux types de sucres présents, ainsi que le potentiel de contamination. 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 saisir d'énergie.

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

Les systèmes biologiques utilisent de l'énergie libre et des éléments constitutifs moléculaires pour croître, se reproduire et maintenir une homéostasie dynamique.

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.