Fotosintezė yra procesas, kurį augalai, dumbliai ir tam tikros bakterijos naudoja saulės energijai panaudoti ir paversti ją chemine energija. Čia aprašome bendruosius fotosintezės principus ir pabrėžiame, kaip mokslininkai tiria šį natūralų procesą, kad padėtų sukurti švarų kurą ir atsinaujinančios energijos šaltinius.
Fotosintezės tipai
Yra du fotosintezės procesų tipai: deguonies fotosintezė ir anoksigeninė fotosintezė. Bendrieji anoksigeniškos ir deguoninės fotosintezės principai yra labai panašūs, tačiau deguonies fotosintezė yra labiausiai paplitusi ir pastebima augaluose, dumbliuose ir melsvabakterėse.
Deguonies fotosintezės metu šviesos energija perneša elektronus iš vandens (H2O) iki anglies dioksido (CO2), gaminti angliavandenius. Šiuo perdavimu CO2 yra "redukuotas" arba gauna elektronus, o vanduo "oksiduojasi" arba praranda elektronus. Galiausiai deguonis gaminamas kartu su angliavandeniais.
Deguonies fotosintezė veikia kaip atsvara kvėpavimui, nes į ją patenka visų kvėpuojančių organizmų gaminamas anglies dioksidas ir į atmosferą patenka deguonis.
Kita vertus, atliekant anoksigenišką fotosintezę, naudojami ne tik vandens, bet ir kitų elektronų donorai. Paprastai procesas vyksta tokiose bakterijose kaip purpurinės ir žaliosios sieros bakterijos, kurios pirmiausia randamos įvairiose vandens buveinėse.
„Anoksigeniška fotosintezė negamina deguonies - taigi ir pavadinimas“, - teigė Davidas Baumas, Viskonsino ir Madisono universiteto botanikos profesorius. "Tai, kas pagaminta, priklauso nuo elektronų donoro. Pvz., Daugelis bakterijų naudoja blogai kiaušinius kvepiančias dujas, vandenilio sulfidą, sukurdamos kietą sierą kaip šalutinį produktą."
Nors abu fotosintezės tipai yra sudėtingi, daugiapakopiai, bendrą procesą galima tiksliai apibendrinti kaip cheminę lygtį.
Deguonies fotosintezė rašoma taip:
6CO2 + 12H2O + šviesos energija → C6H12O6 + 6O2 + 6H2O
Čia šešios anglies dioksido (CO2) sujungti su 12 vandens molekulių (H2O) naudojant šviesos energiją. Galutinis rezultatas yra vienos angliavandenių molekulės (C6H12O6arba gliukozė) kartu su šešiomis molekulėmis, įkvepiančiomis deguonimi ir vandeniu.
Panašiai įvairias anoksigeniškas fotosintezės reakcijas galima apibūdinti kaip vieną bendrą formulę:
CO2 + 2H2A + Šviesos energija → + 2A + H2O
Raidė A lygtyje yra kintama, o H2A žymi potencialų elektronų donorą. Pvz., A gali būti siera elektronų donoro vandenilio sulfide (H2S), paaiškino Govindjee ir Johnas Whitmarshas, Ilinojaus universiteto Urbana-Champaign augalų biologai, knygoje „Fotobiologijos sampratos: fotosintezė ir fotomorfogenezė“ („Narosa Publishers and Kluwer Academic“, 1999).
Fotosintetinis aparatas
Tai yra ląstelių komponentai, būtini fotosintezei.
Pigmentai
Pigmentai yra molekulės, kurios spalvą suteikia augalams, dumbliams ir bakterijoms, tačiau jos taip pat atsakingos už efektyvų saulės spindulių sulaikymą. Skirtingų spalvų pigmentai sugeria skirtingą šviesos bangos ilgį. Žemiau yra trys pagrindinės grupės.
- Chlorofilai: Šie žalios spalvos pigmentai gali sulaikyti mėlyną ir raudoną šviesą. Chlorofilai turi tris potipius, kurie yra dubliuojami chlorofilo a, chlorofilo b ir chlorofilo c. Pasak Eugenijaus Rabinowitcho ir Govindjee savo knygoje „Fotosintezė“ (Wiley, 1969), chlorofilo a yra visuose fotosintetinančiuose augaluose. Taip pat yra bakterijų variantas, tinkamai pavadintas bakteriochlorofilu, kuris sugeria infraraudonąją šviesą. Šis pigmentas daugiausia pastebimas purpurinėse ir žaliosiose bakterijose, kurios vykdo anoksigenišką fotosintezę.
- Karotinoidai: Šie raudonos, oranžinės arba geltonos spalvos pigmentai sugeria melsvai žalią šviesą. Karotinoidų pavyzdžiai yra ksantofilas (geltonas) ir karotinas (oranžinis), iš kurių morkos įgauna savo spalvą.
- Fikobilinai: Šie raudoni arba mėlyni pigmentai sugeria šviesos bangos ilgius, kuriuos ne taip gerai sugeria chlorofilai ir karotenoidai. Jie pastebimi melsvabakterėse ir raudonuosiuose dumbliuose.
Plastidai
Fotosintetiniuose eukariotiniuose organizmuose citoplazmoje yra organelių, vadinamų plastidais. Dviejų membranų plastidai augaluose ir dumbliuose yra vadinami pirminiais plastidais, o planktone aptinkama daugiasluoksnė įvairovė vadinama antriniais plastidais, rašoma Rutgersio universiteto tyrėjų Cheong Xin Chan ir Debashish Bhattacharya žurnale „Nature Education“. Naujajame Džersyje.
Plastiduose paprastai yra pigmentų arba jie gali kaupti maistines medžiagas. Bespalviai ir nepigmentuoti leukoplastai kaupia riebalus ir krakmolą, o chromoplastai turi karotinoidų, o chloroplastai - chlorofilo, kaip paaiškinta Geoffrey Cooperio knygoje „Ląstelė: molekulinis požiūris“ (Sinauer Associates, 2000).
Fotosintezė vyksta chloroplastuose; konkrečiai, grana ir stromos regionuose. Grana yra giliausia organelės dalis; disko formos membranų kolekcija, sukrauta į stulpelius kaip plokštės. Atskiri diskai vadinami tiroidais. Būtent čia vyksta elektronų perkėlimas. Tuščios vietos tarp granato stulpelių sudaro stromą.
Chloroplastai yra panašūs į mitochondrijas, ląstelių energetinius centrus, nes jie turi savo genomą arba genų kolekciją, esančią žiedinėje DNR. Šie genai koduoja baltymus, būtinus organelėms ir fotosintezei. Manoma, kad, kaip ir mitochondrijos, chloroplastai atsirado iš primityvių bakterijų ląstelių per endosimbiozės procesą.
„Plastidai atsirado iš paskendusių fotosintetinių bakterijų, kurias vienaląsčių eukariotų ląstelės įsigijo daugiau nei prieš milijardą metų“, - „Baum“ pasakojo „Live Science“. Baumas paaiškino, kad chloroplastų genų analizė rodo, kad ji kažkada priklausė melsvadumblių grupei, „vienai bakterijų grupei, galinčiai atlikti deguonies fotosintezę“.
Savo 2010 m. Straipsnyje Chanas ir Bhattacharya pabrėžia, kad antrinių plastidžių susidarymas negali būti gerai paaiškintas cianobakterijų endosimbioze ir kad šios klasės plastidų kilmė vis dar yra diskusijų tema.
Antenos
Pigmento molekulės yra susijusios su baltymais, o tai leidžia joms judėti link šviesos ir viena į kitą. Didelė 100–5000 pigmento molekulių kolekcija yra „antenos“, sakoma Arimoonos valstijos universiteto profesoriaus Wimo Vermao straipsnyje. Šios struktūros efektyviai fiksuoja saulės šviesos energiją fotonų pavidalu.
Galų gale šviesos energija turi būti perkelta į pigmento ir baltymų kompleksą, kuris elektronų pavidalu gali jį paversti chemine energija. Pvz., Augaluose šviesos energija perduodama chlorofilo pigmentams. Konversija į cheminę energiją įvyksta tada, kai chlorofilo pigmentas išskiria elektroną, kuris vėliau gali judėti pas tinkamą gavėją.
Reakcijos centrai
Pigmentai ir baltymai, kurie šviesos energiją paverčia chemine energija ir pradeda elektronų perdavimo procesą, yra žinomi kaip reakcijos centrai.
Fotosintezės procesas
Augalų fotosintezės reakcijos skirstomos į tas, kurioms reikia saulės spindulių, ir tas, kuriose nereikia. Abiejų tipų reakcijos vyksta chloroplastuose: nuo šviesos priklausančios reakcijos tirokside ir nuo šviesos nepriklausomos reakcijos stromoje.
Nuo šviesos priklausančios reakcijos (dar vadinamas šviesos reakcijomis): Kai šviesos fotonas patenka į reakcijos centrą, pigmento molekulė, tokia kaip chlorofilas, išskiria elektroną.
„Naudingo darbo triukas yra užkirsti kelią tam elektronui rasti kelią į pradinius namus“, - „Baum“ pasakojo „Live Science“. "Tai nėra lengvai išvengiama, nes chlorofilas dabar turi„ elektronų skylę “, linkusią traukti šalia esančius elektronus“.
Išlaisvintas elektronas sugeba ištrūkti keliaudamas per elektronų pernešimo grandinę, kuri generuoja energiją, reikalingą ATP (adenozino trifosfatas, ląstelių cheminės energijos šaltinis) ir NADPH. Originaliame chlorofilo pigmente esanti „elektronų skylė“ užpildoma paėmus elektroną iš vandens. Dėl to į atmosferą patenka deguonis.
Nepriklausomos nuo šviesos reakcijos (dar vadinamas tamsiosiomis reakcijomis ir žinomas kaip Kalvino ciklas): Šviesos reakcijos sukuria ATP ir NADPH, kurie yra turtingi energijos šaltiniai, sukeliantys tamsiąsias reakcijas. Kalvino ciklą sudaro trys cheminės reakcijos etapai: anglies fiksavimas, redukcija ir regeneracija. Šiose reakcijose naudojamas vanduo ir katalizatoriai. Anglies atomai iš anglies dioksido yra „fiksuoti“, kai jie yra sudedami į organines molekules, kurios galiausiai sudaro trijų anglių cukrų. Šie cukrūs naudojami gliukozei gaminti arba perdirbami, kad vėl būtų pradėtas Kalvino ciklas.
Fotosintezė ateityje
Fotosintetiniai organizmai yra įmanoma priemonė švariai deginančiam kurui, tokiam kaip vandenilis ar net metanas, gaminti. Neseniai Suomijos Turku universiteto tyrimų grupė pasinaudojo žaliųjų dumblių galimybe gaminti vandenilį. Žali dumbliai keletą sekundžių gali gaminti vandenilį, jei jie pirmą kartą yra veikiami tamsiomis, anaerobinėmis (be deguonies) sąlygomis, o po to veikiami šviesos. Komanda sugalvojo būdą, kaip pratęsti žaliųjų dumblių vandenilio gamybą iki trijų dienų, kaip teigiama jų pranešime. 2018 m. Tyrimas paskelbtas žurnale „Energy & Environmental Science“.
Mokslininkai taip pat padarė pažangą dirbtinės fotosintezės srityje. Pavyzdžiui, grupė tyrėjų iš Kalifornijos universiteto Berkeley sukūrė dirbtinę sistemą, skirtą anglies dioksidui surinkti naudojant nanolaidus arba laidus, kurių skersmuo yra keli milijardai metro. Laidai patenka į mikrobų sistemą, kuri, naudojant saulės energiją, sumažina anglies dioksidą į kurą ar polimerus. Komanda paskelbė savo projektą 2015 m. Žurnale „Nano Letters“.
2016 m. Tos pačios grupės nariai žurnale „Science“ paskelbė tyrimą, kuriame aprašė kitą dirbtinę fotosintezės sistemą, kurioje specialiai inžinerijos būdu pagamintos bakterijos buvo naudojamos skystam kurui gaminti naudojant saulės šviesą, vandenį ir anglies dioksidą. Paprastai augalai sugeba panaudoti tik apie vieną procentą saulės energijos ir ją panaudoja organinių junginių gamybai fotosintezės metu. Mokslininkų dirbtinė sistema, priešingai, sugebėjo panaudoti 10 procentų saulės energijos organiniams junginiams gaminti.
Tęstiniai natūralių procesų, tokių kaip fotosintezė, tyrimai padeda mokslininkams ieškoti naujų būdų, kaip panaudoti įvairius atsinaujinančios energijos šaltinius. Visi augalai ir bakterijos, kaip saulės šviesa, yra visur, o fotosintezės galia yra logiškas žingsnis kuriant švarų deginimą ir anglies neutralumą.
Papildomi resursai:
