Фотосинтеза је процес који користе биљке, алге и одређене бактерије да би искористили енергију сунчеве светлости и претворили је у хемијску енергију. Овде смо описали опште принципе фотосинтезе и истакли како научници проучавају овај природни процес како би помогли у развоју чистих горива и извора обновљиве енергије.
Врсте фотосинтезе
Постоје две врсте фотосинтетских процеса: фотосинтеза кисеоника и аноксигена фотосинтеза. Општи принципи аноксигене и кисеоничке фотосинтезе су врло слични, али кисеоничка фотосинтеза је најчешћа и виђа се у биљкама, алгама и цијанобактеријама.
Током фотосинтезе кисеоника, светлосна енергија преноси електроне из воде (Х2О) до угљен-диоксида (ЦО)2), за производњу угљених хидрата. У овом преносу, ЦО2 "смањује се" или прима електроне, а вода постаје "оксидована" или губи електроне. На крају се ствара кисеоник заједно са угљеним хидратима.
Оксигена фотосинтеза делује као протутежа дисању узимајући угљен диоксид произведен од стране свих организама који дишу и поново уноси кисеоник у атмосферу.
Са друге стране, аноксигена фотосинтеза користи доноре електрона осим воде. Процес се обично дешава у бактеријама попут пурпурних бактерија и бактерија зеленог сумпора, које се превасходно налазе у различитим воденим стаништима.
"Аноксигена фотосинтеза не ствара кисеоник - отуда и име", рекао је Давид Баум, професор ботанике на Универзитету Висцонсин-Мадисон. "Шта ће се произвести зависи од даваоца електрона. На пример, многе бактерије користе гас-хидроген сулфид који мирише на јаја, стварајући чврсти сумпор као нуспродукт."
Иако су обје врсте фотосинтезе сложене, вишестепене ствари, свеукупни процес може се уредно сажети као хемијска једначина.
Оксигена фотосинтеза се пише на следећи начин:
6ЦО2 + 12Х2О + светлосна енергија → Ц6Х12О6 + 6О2 + 6Х2О
Ево шест молекула угљен-диоксида (ЦО)2) комбинују се са 12 молекула воде (Х2О) коришћење светлосне енергије. Крајњи резултат је формирање једног молекула угљених хидрата (Ц)6Х12О6или глукоза), са шест молекула сваког кисеоника и воде који се удишу.
Слично томе, различите реакције фотосинтезе аноксигене могу се представити као јединствена уопштена формула:
ЦО2 + 2Х2А + светлосна енергија → + 2А + Х2О
Слово А у једначини је променљива и Х2А представља потенцијалног даваоца електрона. На пример, А може представљати сумпор у хидроген сулфиду донора електрона (Х)2С), објаснили су Говиндјее и Јохн Вхитмарсх, биљни биолози на Универзитету Илиноис у Урбана-Цхампаигну, у књизи "Појмови у фотобиологији: фотосинтеза и фотоморфогенеза" (Нароса Публисхерс и Клувер Ацадемиц, 1999).
Фотосинтетски апарат
Следе ћелијске компоненте неопходне за фотосинтезу.
Пигменти
Пигменти су молекули који биљкама дају боју, алгама и бактеријама, али су такође одговорни за ефикасно хватање сунчеве светлости. Пигменти различитих боја апсорбују различите таласне дужине светлости. Испод су три главне групе.
- Хлорофили: Ови пигменти зелене боје способни су да ухвате плаву и црвену светлост. Хлорофили имају три подврсте, назване хлорофил а, хлорофил б и хлорофил ц. Према Еугене Рабиновитцх и Говиндјее у својој књизи "Фотосинтеза" (Вилеи, 1969), хлорофил а се налази у свим биљкама за фотосинтезу. Постоји такође и бактеријска варијанта, под називом названа бактериоклорофил, која апсорбује инфрацрвену светлост. Овај пигмент се углавном види код љубичасте и зелене бактерије, која врши аноксигену фотосинтезу.
- Каротеноиди: Ови пигменти црвене, наранџасте или жуте боје апсорбују плавкасто-зелену светлост. Примери каротеноида су ксантофил (жута) и каротен (наранџаста) од којих шаргарепа добија боју.
- Фикобилини: Ови црвени или плави пигменти апсорбују таласне дужине светлости које хрофилци и каротеноиди нису добро апсорбовали. Примећују се у цијанобактеријама и црвеним алгама.
Пластидс
Фотосинтетски еукариотски организми садрже органеле назване пластиде у својој цитоплазми. Двокомпонентни пластиди у биљкама и алгама називају се примарним пластиидима, док се вишечлана сорта која се налази у планктону назива секундарним пластидима, према чланку у часопису Натуре Едуцатион Цхеонг Ксин Цхан и Дебасхисх Бхаттацхариа, истраживачима са Универзитета Рутгерс у Нев Јерсеију.
Пластиде обично садрже пигменте или могу да складиште храњиве материје. Безбојни и непигментирани леукопласти чувају масти и скроб, док хромопласти садрже каротеноиде, а хлоропласти садрже хлорофил, као што је објашњено у књизи Геоффреија Цоопера, "Ћелија: Молекуларни приступ" (Синауер Ассоциатес, 2000).
Фотосинтеза се јавља у хлоропластима; конкретно у регионима грана и строма. Грана је најнижи део органеле; колекција мембрана у облику диска, сложених у ступове попут плоча. Појединачни дискови се називају тирелакоиди. Овде се одвија пренос електрона. Празни простори између стубова гране чине строму.
Хлоропласти су слични митохондријама, енергетским центрима ћелија, по томе што имају сопствени геном или колекцију гена, који се налазе у кружној ДНК. Ови гени кодирају протеине који су неопходни за органелу и за фотосинтезу. Као и митохондрије, сматра се да хлоропласти потичу из примитивних бактеријских ћелија кроз процес ендосимбиозе.
"Пластиди су настали од захваћених фотосинтетских бактерија које су стекле једноцеличном еукариотском ћелијом пре више од милијарду година", рекао је Баум за Ливе Сциенце. Баум је објаснио да анализа гена за хлоропласт показује да је он некоћ био члан групе цијанобактерија, "оне групе бактерија које могу извршити фотосинтезу кисеоника".
У свом чланку из 2010. године, Цхан и Бхаттацхариа истичу да формирање секундарних пластида не може се добро објаснити ендосимбиозом цијанобактерија и да је порекло ове класе пластида још увек предмет расправе.
Антене
Молекули пигмента су повезани са протеинима, који им омогућавају флексибилност да се крећу ка светлости и један према другом. Велика колекција од 100 до 5.000 молекула пигмента представља „антене“, наводи се у чланку Вим Вермааса, професора са Државног универзитета у Аризони. Ове структуре ефективно узимају светлосну енергију из сунца, у облику фотона.
Коначно, светлосна енергија се мора пренети у комплекс пигмент-протеина који је може претворити у хемијску енергију, у облику електрона. На пример, у биљкама се светлосна енергија преноси хлорофилним пигментима. Конверзија у хемијску енергију се постиже када хлорофилни пигмент избаци електрон, који може прећи на одговарајућег примаоца.
Реакциони центри
Пигменти и протеини, који претварају светлосну енергију у хемијску енергију и започињу процес преноса електрона, познати су као реакциони центри.
Процес фотосинтезе
Реакције биљне фотосинтезе дијеле се на оне које захтијевају присуство сунчеве свјетлости и оне које то немају. Обе врсте реакција се одвијају у хлоропластима: реакције зависне од светлости у тилакоиду и реакције независне од светлости у строми.
Реакције зависне од светлости (која се такође назива светлосне реакције): Када фотон светлости удари у реакциони центар, молекул пигмента као што је хлорофил ослобађа електрон.
"Трик да користим користан посао је спречити да се тај електрон нађе назад у првобитном дому", рекао је Баум за Ливе Сциенце. "То се не може лако избећи, јер хлорофил сада има 'електронску рупу' која има тенденцију да се повуче на оближње електроне."
Ослобођени електрон успева да побегне путујући кроз транспортни ланац електрона, који ствара енергију потребну за производњу АТП (аденозин трифосфат, извор хемијске енергије за ћелије) и НАДПХ. "Електронска рупа" у оригиналном хлорофилном пигменту се попуњава узимањем електрона из воде. Као резултат тога, кисеоник се ослобађа у атмосферу.
Реакције независно од светлости (која се такође назива мрачне реакције и позната као Калвинов циклус): Светлосне реакције производе АТП и НАДПХ, који су богати извори енергије који покрећу мрачне реакције. Три хемијска корака реакције чине Цалвин циклус: фиксација, редукција и регенерација угљеника. Ове реакције користе воду и катализаторе. Атоми угљеника из угљен-диоксида су „фиксни“, када су уграђени у органске молекуле који у коначници формирају шећере са три угљеника. Ови шећери се затим користе за прављење глукозе или се поново рециклирају да би се покренуо циклус Цалвин.
Фотосинтеза у будућности
Фотосинтетски организми су могуће средство за стварање горива чистим сагоревањем попут водоника или чак метана. Недавно је истраживачка група на Универзитету у Турку у Финској искористила способност зелених алги да производе водоник. Зелене алге могу да производе водоник неколико секунди ако су прво изложене тамним, анаеробним (без кисеоника) условима, а затим изложене светлости. Тим је осмислио начин за продужење производње водоника у зеленим алгама до три дана, како је наведено у Студија за 2018. годину објављена у часопису Енерги & Енвиронментал Сциенце.
Научници су такође постигли напредак у области вештачке фотосинтезе. На пример, група истраживача са Калифорнијског универзитета у Берклију, развила је вештачки систем за хватање угљен-диоксида користећи нановоди или жице у пречнику неколико милијарди. Жице се напајају у систем микроба који смањују угљен диоксид у горива или полимере коришћењем енергије сунчеве светлости. Тим је свој дизајн објавио 2015. године у часопису Нано Леттерс.
Чланови те исте групе су 2016. објавили студију у часопису Сциенце која је описала још један вештачки фотосинтетски систем у коме су посебно дизајниране бактерије коришћене за стварање течних горива користећи сунчеву светлост, воду и угљен диоксид. Уопште, биљке могу да искористе само један проценат соларне енергије и користе је за производњу органских једињења током фотосинтезе. Супротно томе, вештачки систем истраживача био је у стању да искористи 10 процената соларне енергије за производњу органских једињења.
Континуирана истраживања природних процеса, попут фотосинтезе, помажу научницима у развоју нових начина коришћења различитих извора обновљиве енергије. Гледање сунчеве светлости, биљака и бактерија је свеприсутно, додиривање снаге фотосинтезе логичан је корак за стварање горива које чисти и сагорева у угљенику.
Додатна средства:
