Fotosyntéza je proces používaný rastlinami, riasami a určitými baktériami na využitie energie zo slnečného žiarenia a jej premeny na chemickú energiu. Tu popisujeme všeobecné princípy fotosyntézy a zdôrazňujeme, ako vedci študujú tento prírodný proces, aby pomohli vyvinúť čisté palivá a zdroje obnoviteľnej energie.
Druhy fotosyntézy
Existujú dva typy fotosyntetických procesov: kyslíková fotosyntéza a anoxygénna fotosyntéza. Všeobecné princípy anoxygénnej a kyslíkovej fotosyntézy sú veľmi podobné, ale kyslíková fotosyntéza je najbežnejšia a vyskytuje sa u rastlín, rias a cyanobaktérií.
Počas kyslíkovej fotosyntézy prenáša svetelná energia elektróny z vody (H2O) na oxid uhličitý (CO2), na výrobu uhľohydrátov. Pri tomto prevode CO2 je „redukovaná“ alebo prijíma elektróny a voda sa stáva „oxidovanou“ alebo stráca elektróny. Nakoniec sa vytvára kyslík spolu so sacharidmi.
Kyslíková fotosyntéza funguje ako protiváha dýchania tým, že absorbuje oxid uhličitý produkovaný všetkými dýchajúcimi organizmami a znova zavádza kyslík do atmosféry.
Na druhej strane anoxygénna fotosyntéza využíva elektrónové donory iné ako voda. Tento proces sa zvyčajne vyskytuje v baktériách, ako sú fialové baktérie a baktérie zelenej síry, ktoré sa nachádzajú predovšetkým v rôznych vodných biotopoch.
„Anoxygénna fotosyntéza neprodukuje kyslík - odtiaľ názov,“ povedal David Baum, profesor botaniky na University of Wisconsin-Madison. „To, čo sa vyrába, závisí od donora elektrónov. Napríklad, veľa baktérií používa sirovodík, ktorý pácha zlými vajíčkami a vytvára ako vedľajší produkt tuhú síru.“
Aj keď sú oba typy fotosyntézy zložité, viacstupňové záležitosti, celkový proces možno úhľadne zhrnúť ako chemickú rovnicu.
Kyslíková fotosyntéza je napísaná takto:
6CO2 + 12H2O + Svetelná energia → C6H12O6 + 6O2 + 6H2O
Tu je šesť molekúl oxidu uhličitého (CO2) kombinovať s 12 molekulami vody (H2O) pomocou svetelnej energie. Konečným výsledkom je vytvorenie jednej molekuly uhľohydrátov (C6H12O6alebo glukóza) spolu so šiestimi molekulami každého z priedušného kyslíka a vody.
Podobne môžu byť rôzne anoxygénne fotosyntetické reakcie vyjadrené ako jeden všeobecný vzorec:
CO2 + 2H2A + Svetelná energia → + 2A + H2O
Písmeno A v rovnici je premenná a H2A predstavuje potenciálneho donora elektrónov. Napríklad A môže predstavovať síru v sírovodíkovom sírovodíku (H2S), vysvetlili Govindjee a John Whitmarsh, rastlinní biológovia na University of Illinois v Urbana-Champaign, v knihe Koncepty vo fotobiológii: fotosyntéza a fotomorfogenéza (Narosa Publishers and Kluwer Academic, 1999).
Fotosyntetický aparát
Nasledujú bunkové komponenty nevyhnutné pre fotosyntézu.
pigmenty
Pigmenty sú molekuly, ktoré prepožičiavajú farbu rastlín, rias a baktérií, ale sú tiež zodpovedné za účinné zachytávanie slnečného žiarenia. Pigmenty rôznych farieb absorbujú rôzne vlnové dĺžky svetla. Nižšie sú uvedené tri hlavné skupiny.
- Chlorofyly: Tieto zelené pigmenty sú schopné zachytávať modré a červené svetlo. Chlorofyly majú tri podtypy, nazývané chlorofyl a, chlorofyl b a chlorofyl c. Podľa Eugene Rabinowitcha a Govindjeeho vo svojej knihe „Fotosyntéza“ (Wiley, 1969) sa chlorofyl a nachádza vo všetkých fotosyntetizujúcich rastlinách. Existuje tiež bakteriálny variant vhodne pomenovaný bakteriochlorofyl, ktorý absorbuje infračervené svetlo. Tento pigment je viditeľný hlavne u fialových a zelených baktérií, ktoré vykonávajú anoxygénnu fotosyntézu.
- Karotenoidy: Tieto červené, oranžové alebo žlté pigmenty absorbujú modro-zelené svetlo. Príkladmi karotenoidov sú xanthopyl (žltý) a karotén (oranžový), z ktorých mrkva získava farbu.
- Fycobilíny: Tieto červené alebo modré pigmenty absorbujú vlnové dĺžky svetla, ktoré nie sú tak dobre absorbované chlorofylami a karotenoidmi. Vyskytujú sa v cyanobaktériách a červených riasach.
plastidy
Fotosyntetické eukaryotické organizmy obsahujú vo svojej cytoplazme organely nazývané plastidy. Dvojstránkové plastidy v rastlinách a riasach sa označujú ako primárne plastidy, zatiaľ čo odroda s viacerými membránami nájdená v planktóne sa nazýva sekundárne plastidy. Podľa článku časopisu Nature Education od Cheong Xin Chan a Debashish Bhattacharya, vedcov z univerzity Rutgers University. v New Jersey.
Plastidy zvyčajne obsahujú pigmenty alebo môžu ukladať živiny. Bezfarebné a nepigmentované leukoplasty ukladajú tuky a škrob, zatiaľ čo chromoplasty obsahujú karotenoidy a chloroplasty obsahujú chlorofyl, ako je vysvetlené v knihe Geoffrey Cooper, „The Cell: A Molecular Approach“ (Sinauer Associates, 2000).
Fotosyntéza sa vyskytuje v chloroplastoch; konkrétne v oblastiach grana a stroma. Grana je najvnútornejšou časťou organely; súbor membrán v tvare disku, stohovaných do stĺpov ako doštičky. Jednotlivé disky sa nazývajú tylakoidy. Tu dochádza k prenosu elektrónov. Prázdne priestory medzi stĺpmi grany tvoria stroma.
Chloroplasty sú podobné mitochondriám, energetickým centrám buniek, pretože majú v cirkulárnej DNA svoj vlastný genóm alebo súbor génov. Tieto gény kódujú proteíny nevyhnutné pre organely a fotosyntézu. Rovnako ako mitochondrie sa predpokladá, že chloroplasty pochádzajú z primitívnych bakteriálnych buniek procesom endosymbiózy.
„Plastidy pochádzajú z pohltených fotosyntetických baktérií, ktoré boli získané eukaryotickou bunkou s celulárnymi bunkami pred viac ako miliardou rokov,“ povedal Baum pre Live Science. Baum vysvetlil, že analýza génov chloroplastov ukazuje, že kedysi patril do skupiny cyanobaktérií, „jedna skupina baktérií, ktorá dokáže uskutočniť kyslíkovú fotosyntézu“.
Chan a Bhattacharya vo svojom článku z roku 2010 zdôrazňujú, že vznik sekundárnych plastidov nemožno dobre vysvetliť endosymbiózou cyanobaktérií a že pôvod tejto triedy plastidov je stále predmetom diskusie.
tykadlá
Pigmentové molekuly sú spojené s proteínmi, čo im umožňuje flexibilitu pri pohybe smerom k svetlu a k sebe. Podľa článku Wima Vermaasa, profesora na Arizonskej štátnej univerzite, je „anténou“ veľká zbierka 100 až 5 000 molekúl pigmentu. Tieto štruktúry účinne zachytávajú svetelnú energiu zo slnka vo forme fotónov.
Svetelná energia musí byť nakoniec prevedená do komplexu pigment-proteín, ktorý ju môže premeniť na chemickú energiu vo forme elektrónov. Napríklad v rastlinách sa svetelná energia prenáša na chlorofylové pigmenty. Konverzia na chemickú energiu sa dosiahne, keď chlorofylový pigment vytlačí elektrón, ktorý sa potom môže presunúť k príslušnému príjemcovi.
Reakčné centrá
Pigmenty a proteíny, ktoré prevádzajú svetelnú energiu na chemickú energiu a začínajú proces prenosu elektrónov, sú známe ako reakčné centrá.
Fotosyntetický proces
Reakcie fotosyntézy rastlín sú rozdelené na tie, ktoré vyžadujú prítomnosť slnečného svetla a tie, ktoré ich nevyžadujú. Obidva typy reakcií prebiehajú v chloroplastoch: reakcie závislé od svetla v tylakoidoch a reakcie závislé od svetla v stróme.
Svetlo závislé reakcie (nazývané tiež reakcie svetla): Keď fotón svetla zasiahne reakčné centrum, molekula pigmentu, ako je chlorofyl, uvoľní elektrón.
„Trik, ktorý robí užitočnú prácu, je zabrániť tomu, aby sa tento elektrón nenašiel späť do pôvodného domu,“ povedal Baum pre Live Science. „Tomu sa ľahko nedá vyhnúť, pretože chlorofyl má teraz„ elektrónovú dieru “, ktorá má tendenciu priťahovať elektróny v okolí.“
Uvoľnený elektrón dokáže uniknúť cestovaním cez transportný reťazec elektrónov, ktorý vytvára energiu potrebnú na produkciu ATP (adenozíntrifosfát, zdroj chemickej energie pre bunky) a NADPH. „Diera elektrónov“ v pôvodnom chlorofylovom pigmente sa vyplní odberom elektrónu z vody. Výsledkom je uvoľňovanie kyslíka do atmosféry.
Reakcie nezávislé na svetle (nazývané tiež temné reakcie a známe ako Calvinov cyklus): Svetelné reakcie vytvárajú ATP a NADPH, čo sú bohaté zdroje energie, ktoré riadia temné reakcie. Calvinov cyklus tvoria tri chemické reakčné kroky: fixácia uhlíka, redukcia a regenerácia. Na tieto reakcie sa používa voda a katalyzátory. Atómy uhlíka z oxidu uhličitého sú „fixované“, keď sú zabudované do organických molekúl, ktoré nakoniec tvoria tri uhlíkové cukry. Tieto cukry sa potom používajú na výrobu glukózy alebo sa recyklujú na opätovné zahájenie Calvinovho cyklu.
Fotosyntéza v budúcnosti
Fotosyntetické organizmy sú možným prostriedkom na výrobu čistých palív, ako je vodík alebo dokonca metán. Výskumná skupina na fínskej univerzite v Turku nedávno využila schopnosť zelených rias produkovať vodík. Zelené riasy môžu produkovať vodík na niekoľko sekúnd, ak sú najskôr vystavené tmavým, anaeróbnym podmienkam (bez obsahu kyslíka) a potom vystavené svetlu. Tím navrhol spôsob, ako predĺžiť výrobu vodíka v zelených riasach až na tri dni, ako sa uvádza v ich Štúdia 2018 publikovaná v časopise Energy & Environmental Science.
Vedci tiež urobili pokrok v oblasti umelej fotosyntézy. Napríklad skupina vedcov z Kalifornskej univerzity v Berkeley vyvinula umelý systém na zachytávanie oxidu uhličitého pomocou nanovlákien alebo drôtov s priemerom niekoľkých miliárd metrov metra. Drôty sa napájajú do systému mikróbov, ktoré redukujú oxid uhličitý na palivá alebo polyméry využívaním energie zo slnečného žiarenia. Tím svoj dizajn publikoval v roku 2015 v časopise Nano Letters.
V roku 2016 členovia tej istej skupiny uverejnili štúdiu v časopise Science, v ktorej sa opisuje ďalší umelý fotosyntetický systém, v ktorom sa špeciálne vyrobené baktérie použili na výrobu kvapalných palív pomocou slnečného žiarenia, vody a oxidu uhličitého. Rastliny dokážu vo všeobecnosti pri fotosyntéze využiť iba asi jedno percento slnečnej energie a použiť ju na výrobu organických zlúčenín. Naproti tomu umelý systém vedcov dokázal využiť 10 percent slnečnej energie na výrobu organických zlúčenín.
Pokračujúci výskum prírodných procesov, ako je fotosyntéza, pomáha vedcom pri vývoji nových spôsobov využívania rôznych zdrojov obnoviteľnej energie. Keďže sú rastliny a baktérie všade všade všade všadeprítomné, využitie sily fotosyntézy je logickým krokom k vytvoreniu palív čistých pre spaľovanie a uhlíkom neutrálnych.
Dodatočné zdroje:
