A fotoszintézis a növények, algák és bizonyos baktériumok által a napfényből származó energia hasznosítása és kémiai energiává történő felhasználása. Itt írjuk le a fotoszintézis általános elveit, és rávilágítunk arra, hogy a tudósok miként vizsgálják ezt a természetes folyamatot, hogy elősegítsék a tiszta üzemanyagok és a megújuló energiaforrások fejlesztését.
A fotoszintézis típusai
Kétféle fotoszintetikus folyamat létezik: oxigén fotoszintézis és anoxigén fotoszintézis. Az anoxigén és oxigén fotoszintézis általános alapelvei nagyon hasonlóak, de az oxigén fotoszintézis a leggyakoribb, és növényekben, algákban és cianobaktériumokban tapasztalható.
Az oxigén fotoszintézis során a fényenergia átviszi az elektronokat a vízből (H2O) szén-dioxiddá (CO2), szénhidrátok előállításához. Ebben az átadásban a CO2 "redukálódik", vagy elektronokat vesz, és a víz "oxidálódik", vagy elveszíti az elektronokat. Végül az oxigént és a szénhidrátokat termelik.
Az oxigén fotoszintézis a légzés ellensúlyozásaként szolgál, mivel az összes légző szervezet által termelt szén-dioxidot felveszi, és az oxigént visszajuttatja a légkörbe.
Másrészt az anoxigén fotoszintézis a vízen kívül más elektron donorokat is felhasznál. A folyamat jellemzően baktériumokban, például lila baktériumokban és zöld kén baktériumokban zajlik, amelyek elsősorban a különféle vízi élőhelyekben találhatók.
"Az oxigén fotoszintézis nem termel oxigént - ebből a névből" - mondta David Baum, a Wisconsin-Madison Egyetem botanikai professzora. "A termelés az elektron donoroktól függ. Például sok baktérium használja a rossz tojás illatú gáz-hidrogén-szulfidot, és így szilárd ként termel melléktermékként."
Bár a fotoszintézis mindkét típusa összetett, többlépcsős kérdés, a teljes folyamat szépen összefoglalható kémiai egyenlettel.
Az oxigén fotoszintézist a következőképpen írják:
6CO2 + 12H2O + fényenergia → C6H12O6 + 6O2 + 6H2O
Itt hat szén-dioxid (CO2) 12 vízmolekulával (H2O) fényenergia felhasználásával. A végeredmény egyetlen szénhidrát molekula (C6H12O6vagy glükóz) hat molekulával együtt, mindegyik lélegző oxigénnel és vízzel.
Hasonlóképpen, a különféle anoxigén fotoszintézis reakciók egyetlen általános képlettel reprezentálhatók:
CO2 + 2H2A + Fényenergia → + 2A + H2O
Az egyenletben az A betű változó és H2A jelöli a potenciális elektron donort. Például A jelenthet ként az elektron donor hidrogén-szulfidban (H2S) - magyarázta Govindjee és John Whitmarsh, az Illinoisi Egyetem Urbana-Champaign növénybiológusai, a "Koncepciók a fotobiológiában: fotoszintézis és fotomorfogenezis" című könyvben (Narosa Publishers and Kluwer Academic, 1999).
A fotoszintetikus készülék
A következőkben a sejtkomponensek nélkülözhetetlenek a fotoszintézishez.
pigmentek
A pigmentek olyan molekulák, amelyek a növényekre, algákra és baktériumokra színt adnak, de felelnek a napfény hatékony visszatartásáért is. A különböző színű pigmentek különböző fényhullámhosszokat vesznek fel. Az alábbiakban a három fő csoport található.
- Klorofillok: Ezek a zöld színű pigmentek képesek a kék és a vörös fény befogására. A klorofillöknek három altípusa van: a klorofill a, b klorofill és c klorofill. Eugene Rabinowitch és Govindjee "Fotoszintézis" című könyvében (Wiley, 1969) a klorofill a megtalálható az összes fotoszintetizáló növényben. Van még egy bakteriális változat, amelyet helyesen baktérium-klorofillnek neveznek, amely abszorbeálja az infravörös fényt. Ez a pigment elsősorban lila és zöld baktériumokban figyelhető meg, amelyek anoxigén fotoszintézist végeznek.
- Karotinoidok: Ezek a vörös, narancssárga vagy sárga színű pigmentek kékes-zöld fényt vesznek fel. A karotinoidokra példa a xantofill (sárga) és a karotin (narancs), amelyekből a sárgarépa megkapja a színét.
- Fikobilinok: Ezek a vörös vagy kék pigmentek olyan fény hullámhosszát képesek elnyelni, amelyet a klorofillok és a karotinoidok nem képesek elnyelni. A cianobaktériumokban és a vörös algákban vannak jelen.
plasztidok
A fotoszintetikus eukarióta organizmusok citoplazmájában plasztidoknak nevezett organellákat tartalmaznak. A növényekben és az algákban található kettős membránnal rendelkező plasztidokat elsődleges plasztidoknak nevezik, míg a planktonban található többszörös membránnal rendelkező fajtákat másodlagos plasztidoknak nevezik, mondja a Rutgers Egyetem kutatói által a Nature Education folyóiratban megjelent cikk. New Jersey-ben.
A plasztidok általában pigmenteket tartalmaznak, vagy tápanyagokat tárolhatnak. A színtelen és nem pigmentált leukoplasztok zsírokat és keményítőt tárolnak, míg a kromoplasztok karotinoidokat, a kloroplasztok klorofilt tartalmaznak, amint azt Geoffrey Cooper "A sejt: egy molekuláris megközelítés" című könyvének (Sinauer Associates, 2000) magyarázata magyarázza.
A kloroplasztokban fotoszintézis zajlik; különösen a grana és a stroma régiókban. A grana az organelle legbelsõ része; egy lemez alakú membránok gyűjteménye, oszlopokba rakva, mint lemezek. Az egyes lemezeket tiroidoknak nevezzük. Itt történik az elektronok átvitele. A grana oszlopok közötti üres terek képezik a stromát.
A kloroplasztok hasonlóak a mitokondriumokhoz, a sejtek energiaközpontjaihoz, mivel saját genomjukkal vagy géngyűjteményükkel rendelkeznek, amelyek körkörös DNS-ben vannak. Ezek a gének az organellekhez és a fotoszintézishez nélkülözhetetlen fehérjéket kódolnak. A mitokondriumokhoz hasonlóan úgy gondolják, hogy a kloroplasztok is primitív baktériumsejtekből származnak az endosymbiosis során.
"A plasztidok elárasztott fotoszintézis baktériumokból származnak, amelyeket egysejtű eukarióta sejtek szereztek több mint egy milliárd évvel ezelőtt" - mondta Baum a Live Science-nek. Baum elmondta, hogy a kloroplaszt gének elemzése azt mutatja, hogy egykor a cianobaktériumok csoportjának tagja volt, "az egyetlen baktériumcsoport, amely képes oxigén fotoszintézist végezni".
Chan és Bhattacharya 2010-es cikkükben rámutatnak arra, hogy a másodlagos plasztidok kialakulását nem lehet jól magyarázni a cianobaktériumok endosimbiózisával, és hogy a plasztidok ezen osztályának eredete továbbra is vita tárgya.
Antennae
A pigmentmolekulák asszociálódnak a fehérjékkel, amelyek lehetővé teszik számukra, hogy rugalmasan mozogjanak a fény felé és egymás felé. Wim Vermaas, az Arizonai Állami Egyetem professzorának egy cikke szerint egy nagy, 100–5000 pigmentmolekula gyűjtemény „antennákat” jelent. Ezek a struktúrák fotonok formájában hatékonyan rögzítik a nap fényenergiáját.
Végül a fényenergiát egy pigment-fehérje komplexbe kell átvinni, amely kémiai energiává képes elektronok formájában. Például a növényekben a fényenergia átadódik a klorofill pigmentekhez. A kémiai energiává történő átalakulás akkor valósul meg, amikor a klorofil-pigment kiürít egy elektronot, amely azután továbbjuthat egy megfelelő vevőhöz.
Reakciós központok
A pigmentek és fehérjék, amelyek a fényenergiát kémiai energiává alakítják és megindítják az elektronátvitel folyamatát, reakciócentrumokként ismertek.
A fotoszintézis folyamata
A növényi fotoszintézis reakcióit meg kell osztani azokban, amelyekben napfény szükséges, és azokban, amelyekben nincs szükség. Mindkét típusú reakció a kloroplasztokban zajlik: fényfüggő reakciók a tirokoidban és fényfüggetlen reakciók a stromában.
Fényfüggő reakciók (más néven fényreakciók): Amikor a fény fotonja eléri a reakcióközpontot, egy pigment molekula, például a klorofill elengedi az elektronot.
"A hasznos munka elvégzésének trükk az, hogy megakadályozzuk, hogy az elektron visszatérjen az eredeti otthonába" - mondta Baum a Live Science-nek. "Ezt nem könnyű elkerülni, mert a klorofillnek most van egy" elektron lyukja ", amely hajlamos arra, hogy a közeli elektronokat felvegye."
A felszabadult elektronnak sikerül elmenekülnie egy olyan elektronszállító láncon való átutazás útján, amely energiát generál az ATP (adenozin-trifoszfát, a sejtek kémiai energiaforrása) és a NADPH előállításához. Az eredeti klorofill pigmentben az "elektron lyuk" egy elektron elvétele a vízből tölthető ki. Ennek eredményeként az oxigén szabadul fel a légkörbe.
Fényfüggetlen reakciók (sötét reakcióknak is nevezik és Calvin ciklusnak is nevezik): A könnyű reakciók ATP-t és NADPH-t eredményeznek, amelyek gazdag energiaforrások, amelyek a sötét reakciókat hajtják végre. A kalvin-ciklust három kémiai reakciólépés képezi: a szén rögzítése, redukciója és regenerálása. Ezekben a reakciókban vizet és katalizátorokat használnak. A szén-dioxid szénatomjai „fixálódnak”, amikor beépülnek olyan szerves molekulákba, amelyek végül háromszéncukrot képeznek. Ezeket a cukrokat ezután glükóz előállításához használják, vagy újra felhasználják a Calvin-ciklus újbóli elindításához.
A fotoszintézis a jövőben
A fotoszintetikus organizmusok a tiszta égésű üzemanyagok, például hidrogén vagy akár metán előállításának lehetséges eszközei. Nemrégiben a finn Turku Egyetemen dolgozó kutatócsoport megvizsgálta a zöld algák hidrogéntermelési képességét. A zöld algák néhány másodpercig hidrogént termelhetnek, ha először sötét, anaerob (oxigénmentes), majd fénynek vannak kitéve. A csapat kidolgozott egy módszert, amellyel megnövelheti a zöld algák hidrogéntermelését három napig, amint azt a A 2018. évi tanulmány az Energy & Environmental Science folyóiratban jelent meg.
A tudósok haladást értek el a mesterséges fotoszintézis területén is. Például a kaliforniai Berkeley-i Egyetem kutatócsoportja kifejlesztett egy mesterséges rendszert a szén-dioxid elfogására nanoszövek vagy huzalok átmérőjének néhány milliomod méterén keresztül. A huzalok olyan mikrobák rendszerébe táplálkoznak, amelyek a napfény energia felhasználásával üzemanyagokká vagy polimerekké redukálják a szén-dioxidot. A csapat 2015-ben a Nano Letters folyóiratban tette közzé tervét.
2016-ban ugyanezen csoport tagjai publikáltak egy tanulmányt a Science folyóiratban, amely egy másik mesterséges fotoszintézis rendszert írtak le, amelyben a kifejezetten baktériumokat használták folyékony üzemanyagok előállításához napfény, víz és szén-dioxid felhasználásával. Általában a növények csak a napenergia körülbelül egy százalékát tudják kiaknázni, és a szerves vegyületek előállítására használják fel a fotoszintézis során. Ezzel szemben a kutatók mesterséges rendszere a napenergia 10 százalékát képes organikus vegyületek előállítására felhasználni.
A természetes folyamatok, például a fotoszintézis folyamatos kutatása segíti a tudósokat a megújuló energia különféle forrásainak új módszereinek kidolgozásában. Napfénynek tekintve a növények és a baktériumok mindegyike mindenütt jelen van, és a fotoszintézis erejének felhasználása logikus lépés a tiszta égésű és szén-semleges üzemanyagok előállításához.
További források:
