Fotosintēze ir process, ko augi, aļģes un noteiktas baktērijas izmanto saules gaismas enerģijas izmantošanai un pārvēršanai ķīmiskajā enerģijā. Šeit mēs aprakstam vispārējos fotosintēzes principus un izceļam, kā zinātnieki pēta šo dabisko procesu, lai palīdzētu attīstīt tīru degvielu un atjaunojamās enerģijas avotus.
Fotosintēzes veidi
Pastāv divu veidu fotosintēzes procesi: skābekļa fotosintēze un anoksigēna fotosintēze. Anoksigēnās un skābekļa fotosintēzes vispārējie principi ir ļoti līdzīgi, taču skābekļa fotosintēze ir visizplatītākā, un tā ir novērojama augos, aļģēs un zilaļģēs.
Skābekļa fotosintēzes laikā gaismas enerģija pārnes elektronus no ūdens (H2O) līdz oglekļa dioksīdam (CO2), lai iegūtu ogļhidrātus. Šajā nodošanā CO2 ir "reducēts" vai saņem elektronus, un ūdens kļūst "oksidēts" vai zaudē elektronus. Galu galā skābeklis tiek ražots kopā ar ogļhidrātiem.
Skābekļa fotosintēze darbojas kā pretsvars elpošanai, uzņemot oglekļa dioksīdu, ko rada visi elpojošie organismi, un atmosfērā nogādājot skābekli.
No otras puses, anoksigēnajā fotosintēzē izmanto elektronu donorus, kas nav ūdens. Šis process parasti notiek baktērijās, piemēram, purpura baktērijās un zaļā sēra baktērijās, kuras galvenokārt sastopamas dažādos ūdens biotopos.
"Anoksigēna fotosintēze neražo skābekli - no tā arī nosaukums," sacīja Deivids Baums, Viskonsinas-Medisonas universitātes botānikas profesors. "Tas, kas tiek ražots, ir atkarīgs no elektronu donora. Piemēram, daudzas baktērijas izmanto slikti olu smakojošu gāzūdeņradi, iegūstot cietu sēru kā blakusproduktu."
Lai arī abi fotosintēzes veidi ir sarežģīti, daudzpakāpju jautājumi, kopējo procesu var kārtīgi apkopot kā ķīmisku vienādojumu.
Skābekļa fotosintēzi raksta šādi:
6CO2 + 12H2O + gaismas enerģija → C6H12O6 + 6O2 + 6H2O
Šeit sešas oglekļa dioksīda (CO2) apvienot ar 12 ūdens molekulām (H2O) izmantojot gaismas enerģiju. Gala rezultāts ir vienas ogļhidrātu molekulas (C6H12O6vai glikoze) kopā ar sešām molekulām - elpojošu skābekli un ūdeni.
Līdzīgi dažādas anoksigēnās fotosintēzes reakcijas var attēlot kā vienu vispārinātu formulu:
CO2 + 2H2A + Gaismas enerģija → + 2A + H2O
Burts vienādojumā ir mainīgs un H2A apzīmē potenciālo elektronu donoru. Piemēram, A var attēlot sēru elektronu donora sērūdeņražā (H2S), paskaidroja Ilinoisas universitātes Urbana-Champaign augu biologi Govindjee un John Whitmarsh grāmatā "Concepts in Photobiology: Photosynthesis and Photomorphogenesis" (Narosa Publishers and Kluwer Academic, 1999).
Fotosintētiskais aparāts
Šie ir šūnu komponenti, kas nepieciešami fotosintēzei.
Pigmenti
Pigmenti ir molekulas, kas krāsu piešķir augiem, aļģēm un baktērijām, bet tās ir arī atbildīgas par saules gaismas efektīvu slazdošanu. Dažādu krāsu pigmenti absorbē dažādu gaismas viļņu garumu. Zemāk ir trīs galvenās grupas.
- Hlorofīli: Šie zaļās krāsas pigmenti spēj notvert zilo un sarkano gaismu. Hlorofiliem ir trīs apakštipi, saukti par hlorofilu a, hlorofilu b un hlorofilu c. Saskaņā ar Eugene Rabinowitch un Govindjee grāmatā "Fotosintēze" (Wiley, 1969), hlorofils a ir atrodams visos fotosintēzes augos. Pastāv arī baktēriju variants, kas precīzi nosaukts par bakterioflorofilu, kas absorbē infrasarkano gaismu. Šis pigments galvenokārt ir redzams purpursarkanās un zaļās baktērijās, kas veic anoksigēnu fotosintēzi.
- Karotinoīdi: Šie sarkanās, oranžās vai dzeltenās krāsas pigmenti absorbē zilgani zaļu gaismu. Karotinoīdu piemēri ir ksantofils (dzeltens) un karotīns (oranžs), no kuriem burkāni iegūst savu krāsu.
- Fykobilīni: Šie sarkanie vai zilie pigmenti absorbē gaismas viļņu garumus, kurus ne tik labi absorbē hlorofīli un karotinoīdi. Tie ir redzami zilaļģēs un sarkanās aļģēs.
Plastids
Fotosintētiskie eikariotu organismi citoplazmā satur organellus, ko sauc par plastidiem. Divkāršās membrānas plastidi augos un aļģēs tiek dēvēti par primārajiem plastidiem, savukārt planktonā sastopamā daudz membrānu daudzveidība tiek saukta par sekundāro plastidiem, teikts raksta žurnāla Nature Education pētījumos Čongo Sjiņ Čan un Debashish Bhattacharya, pētnieki Rutgers universitātē. Ņūdžersijā.
Plastides parasti satur pigmentus vai var uzglabāt barības vielas. Bezkrāsaini un nepipmentēti leikoplasti uzglabā taukus un cieti, savukārt hromoplasti satur karotinoīdus un hloroplasti satur hlorofilu, kā skaidrots Geofreja Kūpera grāmatā "Šūna: molekulārā pieeja" (Sinauer Associates, 2000).
Hloroplastos notiek fotosintēze; īpaši grana un stromas reģionos. Grana ir organelle iekšējā daļa; disku formas membrānu kolekcija, kas sakrauta kolonnās kā plāksnes. Atsevišķos diskus sauc par tireoīdiem. Tieši šeit notiek elektronu pārnešana. Tukšās vietas starp grana kolonnām veido stromu.
Hloroplasti ir līdzīgi mitohondrijiem, šūnu enerģijas centriem, jo tiem ir savs genoms vai gēnu kolekcija, kas atrodas apļveida DNS. Šie gēni kodē olbaltumvielas, kas ir svarīgas organellām un fotosintēzei. Tāpat kā mitohondriji, domājams, ka arī hloroplasti ir cēlušies no primitīvām baktēriju šūnām endosimbiozes procesā.
"Plastidu izcelsme ir absorbētās fotosintēzes baktērijas, kuras vienšūnu eikariotu šūna ieguva pirms vairāk nekā miljarda gadu," Baums stāstīja Live Science. Baums paskaidroja, ka hloroplastu gēnu analīze parāda, ka tas kādreiz bija zilaļģu grupas loceklis, "viena baktēriju grupa, kas var veikt skābekļa fotosintēzi".
Chan un Bhattacharya savā 2010. gada rakstā uzsver, ka sekundāro plastižu veidošanos nevar labi izskaidrot ar zilaļģu baktēriju endosimbiozi un ka šīs plastidu klases izcelsme joprojām ir diskusiju jautājums.
Antenas
Pigmenta molekulas ir saistītas ar olbaltumvielām, kas tām ļauj elastīgi virzīties uz gaismu un pret otru. Saskaņā ar Arizonas štata universitātes profesora Vima Vermaasa rakstu liels daudzums no 100 līdz 5000 pigmenta molekulu ir "antenas". Šīs struktūras fotonu veidā efektīvi uztver saules enerģiju no saules.
Galu galā gaismas enerģija jāpārnes uz pigmenta-olbaltumvielu kompleksu, kas elektronu veidā to var pārveidot par ķīmisko enerģiju. Piemēram, augos gaismas enerģija tiek pārnesta uz hlorofila pigmentiem. Pāreja uz ķīmisko enerģiju tiek veikta, kad hlorofila pigments izspiež elektronu, kas pēc tam var pāriet pie piemērota saņēmēja.
Reakcijas centri
Pigmenti un olbaltumvielas, kas gaismas enerģiju pārvērš ķīmiskajā enerģijā un sāk elektronu pārnešanas procesu, ir zināmi kā reakcijas centri.
Fotosintēzes process
Augu fotosintēzes reakcijas ir sadalītas tajās, kurās nepieciešama saules gaisma, un tādās, kurās nav nepieciešama. Abu veidu reakcijas notiek hloroplastos: no gaismas atkarīgas reakcijas tireoidā un no gaismas neatkarīgas reakcijas stromā.
No gaismas atkarīgās reakcijas (ko sauc arī par gaismas reakcijām): Kad gaismas fotons nonāk reakcijas centrā, pigmenta molekula, piemēram, hlorofils, atbrīvo elektronu.
"Lietderīga darba veikšanas triks ir neļaut šim elektronam atrast ceļu atpakaļ uz sākotnējām mājām," Baums stāstīja Live Science. "To nav viegli izvairīties, jo hlorofilā tagad ir 'elektronu caurums', kam ir tendence pievilkt tuvumā esošos elektronus."
Atbrīvotajam elektronam izdodas izbēgt, pārvietojoties pa elektronu transporta ķēdi, kas ģenerē enerģiju, kas nepieciešama ATP (adenozīna trifosfāts, šūnu ķīmiskās enerģijas avots) un NADPH ražošanai. Hlorofila oriģinālajā pigmentā esošo "elektronu caurumu" aizpilda, paņemot elektronu no ūdens. Tā rezultātā skābeklis izdalās atmosfērā.
Gaismas neatkarīgas reakcijas (ko sauc arī par tumšajām reakcijām un pazīstams kā Kalvina cikls): Gaismas reakcijas rada ATP un NADPH, kas ir bagātīgi enerģijas avoti, kas virza tumšās reakcijas. Trīs ķīmiskās reakcijas posmi veido Kalvina ciklu: oglekļa fiksācija, reducēšana un reģenerācija. Šajās reakcijās izmanto ūdeni un katalizatorus. Oglekļa atomi no oglekļa dioksīda tiek “fiksēti”, kad tie ir iebūvēti organiskās molekulās, kas galu galā veido trīs oglekļa cukurus. Pēc tam šie cukuri tiek izmantoti glikozes ražošanai vai tiek pārstrādāti, lai atkal sāktu Kalvina ciklu.
Fotosintēze nākotnē
Fotosintētiskie organismi ir iespējams veids, kā radīt tīri degošu degvielu, piemēram, ūdeņradi vai pat metānu. Nesen Somijas Turku universitātes pētījumu grupa pētīja zaļo aļģu spēju radīt ūdeņradi. Zaļās aļģes dažu sekunžu laikā var ražot ūdeņradi, ja tās vispirms tiek pakļautas tumšiem, anaerobos (bez skābekļa) apstākļiem un pēc tam pakļautas gaismai. Komanda izstrādāja veidu, kā pagarināt zaļo aļģu ūdeņraža ražošanu līdz trim dienām, kā ziņots viņu 2018. gada pētījums publicēts žurnālā Energy & Environmental Science.
Zinātnieki ir progresējuši arī mākslīgās fotosintēzes jomā. Piemēram, pētnieku grupa no Kalifornijas universitātes Bērklijā izstrādāja mākslīgu sistēmu oglekļa dioksīda uztveršanai, izmantojot nanovadus vai stieples, kuru diametrs ir dažas miljardas metru. Vadi nonāk mikrobu sistēmā, kas, izmantojot saules gaismu, samazina oglekļa dioksīdu degvielās vai polimēros. Komanda publicēja savu dizainu 2015. gadā žurnālā Nano Letters.
2016. gadā šīs pašas grupas dalībnieki publicēja pētījumu žurnālā Science, kurā tika aprakstīta vēl viena mākslīgā fotosintēzes sistēma, kurā speciāli konstruētas baktērijas tika izmantotas šķidrā kurināmā radīšanai, izmantojot saules gaismu, ūdeni un oglekļa dioksīdu. Kopumā augi spēj izmantot tikai apmēram vienu procentu no saules enerģijas un izmantot to organisko savienojumu ražošanai fotosintēzes laikā. Turpretī pētnieku mākslīgā sistēma spēja izmantot 10 procentus saules enerģijas, lai iegūtu organiskos savienojumus.
Turpinātie dabisko procesu, piemēram, fotosintēzes, pētījumi palīdz zinātniekiem attīstīt jaunus veidus, kā izmantot dažādus atjaunojamās enerģijas avotus. Tā kā augi un baktērijas ir saules gaisma, tās ir visuresošas, un fotosintēzes spēka izmantošana ir loģisks solis tīras degšanas un oglekļa neitrālu degvielu radīšanai.
Papildu resursi:
