Фотосинтез - это процесс, используемый растениями, водорослями и некоторыми бактериями для получения энергии солнечного света и превращения ее в химическую энергию. Здесь мы опишем общие принципы фотосинтеза и подчеркнем, как ученые изучают этот естественный процесс, чтобы помочь разработать чистое топливо и источники возобновляемой энергии.
Типы фотосинтеза
Существует два типа процессов фотосинтеза: кислородный фотосинтез и аноксигенный фотосинтез. Общие принципы аноксигенного и кислородного фотосинтеза очень похожи, но кислородный фотосинтез является наиболее распространенным и наблюдается у растений, водорослей и цианобактерий.
Во время кислородного фотосинтеза энергия света переносит электроны из воды (H2О) до углекислого газа (СО2), чтобы производить углеводы. В этой передаче СО2 «уменьшается» или получает электроны, а вода «окисляется» или теряет электроны. В конечном итоге кислород вырабатывается вместе с углеводами.
Кислородный фотосинтез действует как противовес дыханию, поглощая углекислый газ, вырабатываемый всеми дышащими организмами, и повторно вводя кислород в атмосферу.
С другой стороны, для аноксигенного фотосинтеза используются доноры электронов, отличные от воды. Процесс обычно происходит у бактерий, таких как пурпурные бактерии и зеленые серные бактерии, которые в основном встречаются в различных водных средах обитания.
«Аноксигенный фотосинтез не производит кислород - отсюда и название», - сказал Дэвид Баум, профессор ботаники в Университете Висконсин-Мэдисон. «То, что производится, зависит от донора электронов. Например, многие бактерии используют сероводород с запахом неприятного яйца, производя твердую серу в качестве побочного продукта».
Хотя оба типа фотосинтеза являются сложными, многоэтапными делами, общий процесс можно аккуратно суммировать как химическое уравнение.
Кислородный фотосинтез записывается следующим образом:
6CO2 + 12Н2O + Световая энергия → C6ЧАС12О6 + 6O2 + 6H2О
Здесь шесть молекул углекислого газа (СО2) объединить с 12 молекулами воды (H2О) используя световую энергию. Конечным результатом является образование одной молекулы углеводов (C6ЧАС12О6или глюкозы) вместе с шестью молекулами, каждая из которых состоит из дышащего кислорода и воды.
Аналогично, различные реакции аноксигенного фотосинтеза можно представить в виде одной обобщенной формулы:
Колорадо2 + 2H2A + Энергия Света → + 2A + H2О
Буква A в уравнении является переменной и H2А представляет потенциального донора электронов. Например, А может представлять собой серу в электронодонорном сероводороде (Н2S), объяснили Говинджи и Джон Уитмарш, биологи растений в Иллинойском университете в Урбана-Шампейн, в книге «Концепции в фотобиологии: фотосинтез и фотоморфогенез» (Narosa Publishers and Kluwer Academic, 1999).
Фотосинтетический аппарат
Ниже приведены клеточные компоненты, необходимые для фотосинтеза.
Пигменты
Пигменты - это молекулы, которые дарят цвет растениям, водорослям и бактериям, но они также ответственны за эффективное улавливание солнечного света. Пигменты разных цветов поглощают волны различной длины. Ниже приведены три основные группы.
- Хлорофиллы: эти пигменты зеленого цвета способны улавливать синий и красный свет. У хлорофиллов есть три подтипа, названные хлорофиллом а, хлорофиллом b и хлорофиллом c. По словам Евгения Рабиновича и Говинджи в их книге «Фотосинтез» (Wiley, 1969), хлорофилл а обнаружен во всех фотосинтезирующих растениях. Существует также бактериальный вариант, метко названный бактериохлорофилл, который поглощает инфракрасный свет. Этот пигмент в основном наблюдается у пурпурных и зеленых бактерий, которые выполняют аноксигенный фотосинтез.
- Каротиноиды: эти красные, оранжевые или желтые пигменты поглощают голубовато-зеленый свет. Примерами каротиноидов являются ксантофилл (желтый) и каротин (оранжевый), из которых морковь приобретает свой цвет.
- Phycobilins: эти красные или синие пигменты поглощают волны света, которые не так хорошо поглощаются хлорофиллами и каротиноидами. Их можно увидеть у цианобактерий и красных водорослей.
Пластид
Фотосинтетические эукариотические организмы содержат в своей цитоплазме органеллы, называемые пластидами. По данным статьи в журнале Nature Education Чеонг Синь Чана и Дебашиша Бхаттачарьи, исследователей из университета Рутгерса, двойные мембранные пластиды у растений и водорослей называются первичными пластидами, а многочленные сорта, обнаруженные в планктоне, называются вторичными пластидами. в нью джерси.
Пластиды обычно содержат пигменты или могут хранить питательные вещества. Бесцветные и непигментированные лейкопласты хранят жиры и крахмал, в то время как хромопласты содержат каротиноиды, а хлоропласты содержат хлорофилл, как объясняется в книге Джеффри Купера «Клетка: молекулярный подход» (Sinauer Associates, 2000).
Фотосинтез происходит в хлоропластах; в частности, в областях граны и стромы. Грана - самая внутренняя часть органеллы; коллекция мембран в форме диска, сложенных в колонки, как пластины. Отдельные диски называются тилакоидами. Именно здесь происходит перенос электронов. Пустые пространства между колоннами граны составляют строму.
Хлоропласты похожи на митохондрии, энергетические центры клеток, в том, что они имеют свой собственный геном или набор генов, содержащихся в кольцевой ДНК. Эти гены кодируют белки, необходимые для органеллы и фотосинтеза. Как и митохондрии, считается, что хлоропласты произошли из примитивных бактериальных клеток в процессе эндосимбиоза.
«Пластиды произошли от поглощенных фотосинтезирующих бактерий, которые были приобретены одноклеточной эукариотической клеткой более миллиарда лет назад», - сказал Баум в интервью журналу Live Science. Баум объяснил, что анализ генов хлоропластов показывает, что когда-то он был членом группы цианобактерий, «единственной группы бактерий, которая может осуществлять кислородный фотосинтез».
В своей статье 2010 года Чан и Бхаттачарья подчеркивают, что образование вторичных пластид не может быть хорошо объяснено эндосимбиозом цианобактерий, и что происхождение этого класса пластид все еще остается предметом дискуссий.
Усики
Молекулы пигмента связаны с белками, которые позволяют им гибко двигаться в направлении света и навстречу друг другу. По словам Вима Вермааса, профессора Университета штата Аризона, большая коллекция из 100-5000 пигментных молекул составляет «антенны». Эти структуры эффективно захватывают энергию света от солнца в форме фотонов.
В конечном счете, световая энергия должна быть передана пигментно-белковому комплексу, который может преобразовать ее в химическую энергию в форме электронов. Например, у растений световая энергия передается пигментам хлорофилла. Преобразование в химическую энергию осуществляется, когда пигмент хлорофилла выталкивает электрон, который затем может перейти к соответствующему получателю.
Реакционные центры
Пигменты и белки, которые преобразуют энергию света в химическую энергию и начинают процесс переноса электронов, известны как реакционные центры.
Процесс фотосинтеза
Реакции фотосинтеза растений делятся на те, которые требуют присутствия солнечного света, и те, которые не требуют. Оба типа реакций имеют место в хлоропластах: светозависимые реакции в тилакоиде и светозависимые реакции в строме.
Светозависимые реакции (также называемые световыми реакциями): когда фотон света попадает в реакционный центр, молекула пигмента, такая как хлорофилл, выделяет электрон.
«Уловка, чтобы сделать полезную работу, состоит в том, чтобы препятствовать тому электрону найти свой путь назад к его оригинальному дому», сказал Баум Live Science. «Этого нелегко избежать, потому что у хлорофилла теперь есть« электронная дыра », которая имеет тенденцию притягивать соседние электроны».
Высвободившийся электрон удается вырваться, пройдя через цепь переноса электронов, которая генерирует энергию, необходимую для производства АТФ (аденозинтрифосфата, источника химической энергии для клеток) и НАДФН. «Электронная дыра» в исходном хлорофилловом пигменте заполняется при взятии электрона из воды. В результате кислород выделяется в атмосферу.
Светозависимые реакции (также называемый темными реакциями и известный как цикл Кальвина): Световые реакции производят АТФ и НАДФН, которые являются богатыми источниками энергии, которые вызывают темные реакции. Три этапа химической реакции составляют цикл Кельвина: углеродная фиксация, восстановление и регенерация. Эти реакции используют воду и катализаторы. Атомы углерода из диоксида углерода «фиксируются», когда они встроены в органические молекулы, которые в конечном итоге образуют трехуглеродные сахара. Эти сахара затем используются для производства глюкозы или используются повторно для повторного запуска цикла Кальвина.
Фотосинтез в будущем
Фотосинтетические организмы - это возможное средство для получения чистого топлива, такого как водород или даже метан. Недавно исследовательская группа из университета Турку в Финляндии изучила способность зеленых водорослей вырабатывать водород. Зеленые водоросли могут выделять водород в течение нескольких секунд, если они сначала подвергаются воздействию темных, анаэробных (не содержащих кислорода) условий, а затем подвергаются воздействию света. Команда разработала способ продления производства водорода в зеленых водорослях на срок до трех дней, как сообщается в их Исследование 2018 года опубликовано в журнале Energy & Environmental Science.
Ученые также добились успехов в области искусственного фотосинтеза. Например, группа исследователей из Калифорнийского университета в Беркли разработала искусственную систему для улавливания углекислого газа с помощью нанопроволоки или проводов диаметром несколько миллиардных долей метра. Провода питаются системой микробов, которые уменьшают выброс углекислого газа в топливо или полимеры, используя энергию солнечного света. Команда опубликовала свой дизайн в 2015 году в журнале Nano Letters.
В 2016 году члены этой же группы опубликовали исследование в журнале Science, в котором описана еще одна искусственная фотосинтетическая система, в которой специально разработанные бактерии использовались для создания жидкого топлива с использованием солнечного света, воды и углекислого газа. Как правило, растения могут использовать только около одного процента солнечной энергии и использовать ее для производства органических соединений во время фотосинтеза. Напротив, искусственная система исследователей была в состоянии использовать 10 процентов солнечной энергии для производства органических соединений.
Продолжение исследований природных процессов, таких как фотосинтез, помогает ученым в разработке новых способов использования различных источников возобновляемой энергии. Ввиду того, что солнечный свет, растения и бактерии повсеместно распространены, использование фотосинтеза является логическим шагом для создания экологически чистого топлива с нейтральным выбросом углерода.
Дополнительные ресурсы:
