Fotosynteza to proces wykorzystywany przez rośliny, glony i niektóre bakterie w celu wykorzystania energii ze światła słonecznego i przekształcenia jej w energię chemiczną. Tutaj opisujemy ogólne zasady fotosyntezy i podkreślamy, w jaki sposób naukowcy badają ten naturalny proces, aby pomóc w opracowaniu czystych paliw i źródeł energii odnawialnej.
Rodzaje fotosyntezy
Istnieją dwa rodzaje procesów fotosyntezy: fotosynteza tlenowa i fotosynteza beztlenowa. Ogólne zasady fotosyntezy beztlenowej i tlenowej są bardzo podobne, ale fotosynteza tlenowa jest najczęstsza i jest widoczna u roślin, alg i sinic.
Podczas fotosyntezy tlenowej energia światła przenosi elektrony z wody (H2O) do dwutlenku węgla (CO2), do produkcji węglowodanów. W tym transferze CO2 jest „zredukowany” lub otrzymuje elektrony, a woda „utlenia się” lub traci elektrony. Ostatecznie tlen powstaje wraz z węglowodanami.
Fotosynteza tlenowa działa jako przeciwwaga dla oddychania poprzez pobieranie dwutlenku węgla wytwarzanego przez wszystkie organizmy oddychające i ponowne wprowadzanie tlenu do atmosfery.
Z drugiej strony, w fotosyntezie beztlenowej wykorzystuje się donory elektronów inne niż woda. Proces zwykle zachodzi w bakteriach, takich jak bakterie fioletowe i bakterie zielonej siarki, które występują przede wszystkim w różnych siedliskach wodnych.
„Fotosynteza beztlenowa nie wytwarza tlenu - stąd nazwa” - powiedział David Baum, profesor botaniki na University of Wisconsin-Madison. „To, co jest wytwarzane, zależy od dawcy elektronów. Na przykład wiele bakterii używa siarkowodoru o nieprzyjemnym zapachu jaj, wytwarzając stałą siarkę jako produkt uboczny”.
Chociaż oba rodzaje fotosyntezy są złożone, wieloetapowe, cały proces można starannie podsumować jako równanie chemiczne.
Fotosynteza tlenowa jest zapisana w następujący sposób:
6CO2 + 12H2O + Energia świetlna → C6H.12O6 + 6O2 + 6H2O
Tutaj sześć cząsteczek dwutlenku węgla (CO2) połączyć z 12 cząsteczkami wody (H2O) za pomocą energii świetlnej. Rezultatem końcowym jest utworzenie pojedynczej cząsteczki węglowodanu (C6H.12O6lub glukozy) wraz z sześcioma cząsteczkami, z których każda zawiera oddychający tlen i wodę.
Podobnie różne anoksygenowe reakcje fotosyntezy można przedstawić jako jedną uogólnioną formułę:
WSPÓŁ2 + 2H2A + Energia świetlna → + 2A + H2O
Litera A w równaniu jest zmienną i H2A oznacza potencjalnego dawcę elektronów. Na przykład A może oznaczać siarkę w siarkowodorze będącym donorem elektronów (H2S), wyjaśnił Govindjee i John Whitmarsh, biolodzy roślin na University of Illinois w Urbana-Champaign, w książce „Concepts in Photobiology: Photosynthesis and Photomorphogenesis” (Narosa Publishers and Kluwer Academic, 1999).
Aparat fotosyntetyczny
Poniżej przedstawiono elementy komórkowe niezbędne do fotosyntezy.
Pigmenty
Pigmenty to cząsteczki, które nadają kolor roślinom, glonom i bakteriom, ale są również odpowiedzialne za skuteczne zatrzymywanie światła słonecznego. Pigmenty o różnych kolorach pochłaniają światło o różnych długościach fali. Poniżej znajdują się trzy główne grupy.
- Chlorofile: Te zielone pigmenty są zdolne do zatrzymywania niebieskiego i czerwonego światła. Chlorofile mają trzy podtypy, zwane chlorofilem a, chlorofilem b i chlorofilem c. Według Eugene'a Rabinowitcha i Govindjee w ich książce „Fotosynteza” (Wiley, 1969), chlorofil a występuje we wszystkich roślinach do fotosyntezy. Istnieje również wariant bakteryjny o nazwie bakteriochlorofil, który pochłania światło podczerwone. Pigment ten występuje głównie w purpurowych i zielonych bakteriach, które przeprowadzają anoksygenną fotosyntezę.
- Karotenoidy: Te czerwone, pomarańczowe lub żółte pigmenty pochłaniają niebiesko-zielone światło. Przykładami karotenoidów są ksantofil (żółty) i karoten (pomarańczowy), z których marchew ma swój kolor.
- Fikobiliny: Te czerwone lub niebieskie pigmenty pochłaniają fale świetlne, które nie są tak dobrze absorbowane przez chlorofile i karotenoidy. Są widoczne w sinicach i czerwonych algach.
Plastydy
Fotosyntetyczne organizmy eukariotyczne zawierają w cytoplazmie organelle zwane plastydami. Zgodnie z artykułem w czasopiśmie Nature Education Cheong Xin Chana i Debashish Bhattacharya, naukowców z Rutgers University, podwójnie membranowane plastydy w roślinach i glonach są nazywane pierwotnymi plastydami, podczas gdy różnorodne membrany znajdujące się w planktonie nazywane są plastydami wtórnymi. w New Jersey.
Plastidy na ogół zawierają pigmenty lub mogą przechowywać składniki odżywcze. Bezbarwne i niepigmentowane leukoplasty przechowują tłuszcze i skrobię, podczas gdy chromoplasty zawierają karotenoidy, a chloroplasty zawierają chlorofil, jak wyjaśniono w książce Geoffrey'a Coopera: „The Cell: A Molecular Approach” (Sinauer Associates, 2000).
Fotosynteza zachodzi w chloroplastach; w szczególności w regionach grana i zrębu. Grana jest najbardziej wewnętrzną częścią organelli; zbiór membran w kształcie dysku, ułożonych w kolumny jak płyty. Poszczególne dyski nazywane są tylakoidami. To tutaj zachodzi transfer elektronów. Puste przestrzenie między kolumnami grana stanowią zręby.
Chloroplasty są podobne do mitochondriów, centrów energetycznych komórek, ponieważ mają własny genom lub kolekcję genów zawartych w okrągłym DNA. Geny te kodują białka niezbędne dla organelli i fotosyntezy. Podobnie jak mitochondria, uważa się, że chloroplasty powstały z prymitywnych komórek bakteryjnych w procesie endosymbiozy.
„Plastidy powstały z pochłoniętych bakterii fotosyntetycznych, które zostały pozyskane przez jednokomórkową komórkę eukariotyczną ponad miliard lat temu”, powiedział Baum dla Live Science. Baum wyjaśnił, że analiza genów chloroplastów pokazuje, że był on kiedyś członkiem grupy sinic, „jednej grupy bakterii, która może osiągnąć fotosyntezę tlenową”.
W artykule z 2010 r. Chan i Bhattacharya zwracają uwagę, że powstawania wtórnych plastydów nie można dobrze wyjaśnić endosymbiozą sinic i że pochodzenie tej klasy plastydów jest nadal przedmiotem dyskusji.
Anteny
Cząsteczki pigmentu są powiązane z białkami, które umożliwiają im elastyczność w poruszaniu się w kierunku światła i w stosunku do siebie. Duży zbiór od 100 do 5000 cząsteczek pigmentu stanowi „anteny”, zgodnie z artykułem Wima Vermaasa, profesora z Arizona State University. Struktury te skutecznie wychwytują energię słoneczną w postaci fotonów.
Ostatecznie energia światła musi zostać przekazana do kompleksu pigment-białko, który może przekształcić ją w energię chemiczną w postaci elektronów. Na przykład w roślinach energia świetlna jest przenoszona na pigmenty chlorofilowe. Przekształcenie w energię chemiczną następuje, gdy pigment chlorofilowy wydala elektron, który następnie może przejść do odpowiedniego odbiorcy.
Centra reakcji
Pigmenty i białka, które przekształcają energię światła w energię chemiczną i rozpoczynają proces przenoszenia elektronów, są znane jako centra reakcji.
Proces fotosyntetyczny
Reakcje fotosyntezy roślin dzielą się na te, które wymagają obecności światła słonecznego i te, które tego nie wymagają. Oba rodzaje reakcji zachodzą w chloroplastach: reakcje zależne od światła w tylakoidie i reakcje niezależne od światła w zrębie.
Reakcje zależne od światła (zwane także reakcjami świetlnymi): gdy foton światła uderza w centrum reakcji, cząsteczka pigmentu, taka jak chlorofil, uwalnia elektron.
„Sztuką wykonania pożytecznej pracy jest uniemożliwienie elektronowi powrotu do pierwotnego domu”, powiedział Baum dla Live Science. „Nie da się tego łatwo uniknąć, ponieważ chlorofil ma teraz„ dziurę elektronową ”, która ma tendencję do przyciągania pobliskich elektronów”.
Uwolniony elektron udaje się uciec, podróżując przez łańcuch transportu elektronów, który wytwarza energię potrzebną do produkcji ATP (trifosforan adenozyny, źródło energii chemicznej dla komórek) i NADPH. „Dziura elektronowa” w oryginalnym pigmentu chlorofilowym jest wypełniana przez pobranie elektronu z wody. W rezultacie tlen jest uwalniany do atmosfery.
Reakcje niezależne od światła (zwane także ciemnymi reakcjami i znane jako cykl Calvina): Reakcje świetlne wytwarzają ATP i NADPH, które są bogatymi źródłami energii, które napędzają ciemne reakcje. Cykl Calvina składa się z trzech etapów reakcji chemicznej: wiązania, redukcji i regeneracji węgla. Te reakcje wykorzystują wodę i katalizatory. Atomy węgla z dwutlenku węgla są „ustalone”, gdy są wbudowane w cząsteczki organiczne, które ostatecznie tworzą cukry trójwęglowe. Cukry te są następnie wykorzystywane do wytwarzania glukozy lub poddawane recyklingowi w celu ponownego rozpoczęcia cyklu Calvina.
Fotosynteza w przyszłości
Organizmy fotosyntetyczne są możliwym sposobem generowania paliw o czystym spalaniu, takich jak wodór, a nawet metan. Niedawno grupa badawcza z University of Turku w Finlandii wykorzystała zdolność zielonych glonów do produkcji wodoru. Zielone glony mogą wytwarzać wodór przez kilka sekund, jeśli najpierw zostaną wystawione na działanie ciemnych, beztlenowych (beztlenowych) warunków, a następnie na światło. Zespół opracował sposób przedłużenia produkcji wodoru przez zielone glony na okres do trzech dni, jak podano w Badanie 2018 opublikowane w czasopiśmie Energy & Environmental Science.
Naukowcy poczynili również postępy w dziedzinie sztucznej fotosyntezy. Na przykład grupa naukowców z University of California, Berkeley, opracowała sztuczny system do wychwytywania dwutlenku węgla za pomocą nanodrutów lub drutów o średnicy kilku miliardowych metra. Druty zasilają układ drobnoustrojów, które redukują dwutlenek węgla do paliw lub polimerów, wykorzystując energię słoneczną. Zespół opublikował swój projekt w 2015 roku w czasopiśmie Nano Letters.
W 2016 r. Członkowie tej samej grupy opublikowali badanie w czasopiśmie Science, w którym opisano inny sztuczny system fotosyntetyczny, w którym specjalnie zaprojektowane bakterie zostały wykorzystane do wytworzenia paliw płynnych przy użyciu światła słonecznego, wody i dwutlenku węgla. Ogólnie rzecz biorąc, rośliny są w stanie wykorzystać tylko około jeden procent energii słonecznej i wykorzystać ją do produkcji związków organicznych podczas fotosyntezy. Natomiast sztuczny system badaczy był w stanie wykorzystać 10 procent energii słonecznej do produkcji związków organicznych.
Ciągłe badania naturalnych procesów, takich jak fotosynteza, pomagają naukowcom w opracowywaniu nowych sposobów wykorzystania różnych źródeł energii odnawialnej. Widząc, jak światło słoneczne, rośliny i bakterie są wszechobecne, wykorzystanie mocy fotosyntezy jest logicznym krokiem do stworzenia czysto spalających się i neutralnych pod względem emisji węgla paliw.
Dodatkowe zasoby:
