Fotosinteza je postopek, ki ga rastline, alge in nekatere bakterije uporabljajo za pridobivanje energije sončne svetlobe in jo pretvorijo v kemično energijo. Tu opisujemo splošna načela fotosinteze in izpostavimo, kako znanstveniki preučujejo ta naravni postopek, da bi pomagali razviti čista goriva in vire obnovljive energije.
Vrste fotosinteze
Obstajata dve vrsti fotosintetskih procesov: kisikova fotosinteza in anoksigena fotosinteza. Splošna načela anoksigene in kisikove fotosinteze so zelo podobna, vendar je najpogostejša kisikova fotosinteza in jo opazimo pri rastlinah, algah in cianobakterijah.
Med kisikovo fotosintezo svetlobna energija prenaša elektrone iz vode (H2O) do ogljikovega dioksida (CO)2), za proizvodnjo ogljikovih hidratov. V tem prenosu CO2 se "zmanjša" ali sprejme elektrone in voda postane "oksidirana" ali izgubi elektrone. Na koncu se kisik proizvede skupaj z ogljikovimi hidrati.
Oksigena fotosinteza deluje kot protiutež dihanju z zaužitjem ogljikovega dioksida, ki ga proizvajajo vsi dihalni organizmi, in ponovno vnaša kisik v ozračje.
Po drugi strani pa za anoksigensko fotosintezo uporabljajo dajalci elektronov, ki niso voda. Proces se običajno pojavlja pri bakterijah, kot so vijolične bakterije in zelene žveplove bakterije, ki jih najdemo predvsem v različnih vodnih habitatih.
"Anoksigena fotosinteza ne proizvaja kisika - od tod tudi ime," je dejal David Baum, profesor botanike na univerzi Wisconsin-Madison. "Kaj je proizvedeno, je odvisno od darovalca elektronov. Mnoge bakterije na primer uporabljajo plinov vodikov sulfid, ki diši po jajcih, in proizvaja trdno žveplo kot stranski proizvod."
Čeprav sta obe vrsti fotosinteze kompleksni, večstopenjski zadevi, lahko celoten postopek lepo povzamemo kot kemijsko enačbo.
Oksigena fotosinteza je zapisana na naslednji način:
6CO2 + 12H2O + svetlobna energija → C6H12O6 + 6O2 + 6H2O
Tu je šest molekul ogljikovega dioksida (CO2) združimo z 12 molekulami vode (H2O) z uporabo svetlobne energije. Končni rezultat je tvorba ene same molekule ogljikovih hidratov (C)6H12O6, ali glukozo), skupaj s šestimi molekulami vsakega kisika in vode, ki diha.
Podobno so lahko različne reakcije fotoksinteze anoksigenih predstavljene kot enotna posplošena formula:
CO2 + 2H2A + svetlobna energija → + 2A + H2O
Črka A v enačbi je spremenljivka in H2A predstavlja potencialni darovalec elektronov. Na primer, A lahko predstavlja žveplo v vodikovem sulfidu dajalca elektronov (H2S), sta v knjigi "Koncepti v fotobiologiji: fotosinteza in fotomorfogeneza" (Narosa Publishers and Kluwer Academic, 1999) pojasnila Govindjee in John Whitmarsh, rastlinska biologa na univerzi Illinois v Urbani-Champaign.
Fotosintetski aparat
Sledijo celične komponente, ki so bistvene za fotosintezo.
Pigmenti
Pigmenti so molekule, ki obarvajo rastline, alge in bakterije, vendar so odgovorne tudi za učinkovito ujeto sončno svetlobo. Pigmenti različnih barv absorbirajo različne valovne dolžine svetlobe. Spodaj so navedene tri glavne skupine.
- Klorofili: Ti pigmenti zelene barve lahko lovijo modro in rdečo svetlobo. Klorofili imajo tri podvrste, imenovane klorofil a, klorofil b in klorofil c. Po besedah Eugene Rabinowitch in Govindjee v njihovi knjigi "Fotosinteza" (Wiley, 1969) klorofil a najdemo v vseh fotosintezirajočih rastlinah. Obstaja tudi bakterijska varianta, imenovana bakterioklorofil, ki absorbira infrardečo svetlobo. Ta pigment vidimo predvsem v vijoličnih in zelenih bakterijah, ki izvajajo anoksigensko fotosintezo.
- Karotenoidi: Ti pigmenti rdeče, oranžne ali rumene barve absorbirajo modrikasto-zeleno svetlobo. Primera karotenoidov sta ksantofil (rumena) in karoten (oranžna), iz katerih korenje dobi svojo barvo.
- Fikobilini: Ti rdeči ali modri pigmenti absorbirajo valovne dolžine svetlobe, ki jih klorofili in karotenoidi ne absorbirajo dobro. Vidimo jih v cianobakterijah in rdečih algah.
Plastidi
Fotosintetični evkariontski organizmi vsebujejo organele, imenovane plastide, v svoji citoplazmi. Dvojno membranski plastidi v rastlinah in algah se imenujejo primarni plastidi, medtem ko večplastna sorta, ki jo najdemo v planktonu, imenujemo sekundarni plastidi, so zapisali v članku revije Nature Education Cheong Xin Chan in Debashish Bhattacharya, raziskovalca z univerze Rutgers v New Jerseyju.
Plastidi običajno vsebujejo pigmente ali lahko hranijo hranila. Brezbarvni in nepigmentirani levkoplasti hranijo maščobe in škrob, medtem ko kromoplasti vsebujejo karotenoide, kloroplasti pa klorofil, kot je razloženo v knjigi Geoffreyja Cooperja "The Cell: Molecular Approach" (Sinauer Associates, 2000).
Fotosinteza se pojavi v kloroplastih; zlasti na območju grane in strome. Grana je najbolj notranji del organele; zbirka membran v obliki diska, zloženih v stebre kot plošče. Posamezni diski se imenujejo tilakoidi. Tukaj poteka prenos elektronov. Prazni prostori med stolpci grane predstavljajo stromo.
Kloroplasti so podobni mitohondrijam, energetskim središčem celic, saj imajo v svojem krožnem DNK svoj genom ali zbirko genov. Ti geni kodirajo beljakovine, ki so bistvene za organelo in za fotosintezo. Tako kot mitohondrije velja, da tudi kloroplasti izvirajo iz primitivnih bakterijskih celic skozi proces endosimbioze.
"Plastidi izvirajo iz zajetih fotosintetskih bakterij, ki jih je pridobila enocelična evkariontska celica pred več kot milijardo let," je Baum povedal Live Science. Baum je pojasnil, da analiza genov za kloroplast kaže, da je bil nekoč član skupine cianobakterij, "ene skupine bakterij, ki lahko izvajajo kisikovo fotosintezo".
Chan in Bhattacharya v svojem članku iz leta 2010 poudarjata, da nastajanja sekundarnih plastid ni mogoče dobro razložiti z endosimbiozo cianobakterij in da je izvor tega razreda plastidov še vedno predmet razprave.
Antene
Pigmentne molekule so povezane z beljakovinami, ki jim omogoča prožnost, da se premikajo proti svetlobi in drug proti drugemu. Velika zbirka od 100 do 5000 molekul pigmenta predstavlja "antene", piše v članku Wima Vermaasa, profesorja na Arizonski državni univerzi. Te strukture učinkovito zajamejo svetlobno energijo iz sonca v obliki fotonov.
Na koncu je treba svetlobno energijo prenesti v pigmentno-beljakovinski kompleks, ki ga lahko pretvori v kemično energijo, v obliki elektronov. V rastlinah se na primer svetlobna energija prenese na klorofilne pigmente. Pretvorba v kemično energijo se izvede, ko klorofilni pigment izžene elektron, ki se lahko nato premakne na ustreznega prejemnika.
Reakcijski centri
Pigmenti in beljakovine, ki pretvorijo svetlobo v kemično energijo in začnejo postopek prenosa elektronov, so znani kot reakcijski centri.
Postopek fotosinteze
Reakcije rastlinske fotosinteze delimo na tiste, ki zahtevajo prisotnost sončne svetlobe, in tiste, ki jih ne. Obe vrsti reakcij potekata v kloroplastih: od svetlobe odvisne reakcije v tilakoidu in od svetlobe neodvisne reakcije v stromi.
Od svetlobe odvisne reakcije (imenovane tudi svetlobne reakcije): Ko foton svetlobe zadene reakcijski center, pigmentna molekula, kot je klorofil, sprosti elektron.
"Trik v koristnem delu je preprečiti, da bi se ta elektron vrnil v prvotni dom," je Baum povedal Live Science. "Tega se ni enostavno izogniti, ker ima klorofil zdaj„ luknjo elektronov ", ki se nagiba k bližnjim elektronom."
Sproščenemu elektronu uspe pobegniti s potovanjem skozi transportno verigo elektronov, ki ustvarja energijo, potrebno za proizvodnjo ATP (adenozin trifosfat, vir kemijske energije za celice) in NADPH. "Elektronska luknja" v prvotnem pigmentu klorofila se napolni z odvzemom elektrona iz vode. Posledično se v ozračje sprošča kisik.
Reakcije, neodvisne od svetlobe (imenovane tudi temne reakcije in znane kot Calvinov cikel): Svetlobne reakcije proizvajajo ATP in NADPH, ki sta bogata vira energije, ki poganjata temne reakcije. Tri kemijske reakcijske faze tvorijo Calvinov cikel: fiksacija, zmanjšanje in regeneracija ogljika. Te reakcije uporabljajo vodo in katalizatorje. Ogljikovi atomi iz ogljikovega dioksida so "fiksni", ko so vgrajeni v organske molekule, ki na koncu tvorijo tri ogljikove sladkorje. Ti sladkorji se nato uporabijo za pripravo glukoze ali pa se reciklirajo, da se ponovno začne cikel Calvin.
Fotosinteza v prihodnosti
Fotosintetski organizmi so možno sredstvo za ustvarjanje goriv s čisto izgorevanjem, kot sta vodik ali celo metan. Pred kratkim je raziskovalna skupina na Univerzi v Turku na Finskem izkoristila sposobnost zelenih alg, da proizvajajo vodik. Zelene alge lahko proizvedejo vodik nekaj sekund, če so najprej izpostavljene temnim, anaerobnim (brez kisika) razmeram in nato izpostavljene svetlobi. Skupina je zasnovala način za podaljšanje proizvodnje vodika v zelenih algah do tri dni, kot so poročali v Študija 2018, objavljena v reviji Energy & Environmental Science.
Znanstveniki so napredovali tudi na področju umetne fotosinteze. Na primer, skupina raziskovalcev iz kalifornijske univerze v Berkeleyju je razvila umetni sistem za zajemanje ogljikovega dioksida z uporabo nanožičkov ali žic s premerom nekaj milijard metra. Žice se napajajo v sistem mikrobov, ki z energijo sončne svetlobe zmanjšujejo ogljikov dioksid v goriva ali polimere. Ekipa je svoj dizajn objavila leta 2015 v reviji Nano Letters.
Leta 2016 so člani iste skupine v reviji Science objavili študijo, v kateri so opisali še en umetni fotosintetski sistem, v katerem so posebej ustvarjene bakterije uporabile za ustvarjanje tekočih goriv s sončno svetlobo, vodo in ogljikovim dioksidom. Na splošno lahko rastline izkoristijo le en odstotek sončne energije in jo uporabijo za proizvodnjo organskih spojin med fotosintezo. Nasprotno pa je umetni sistem raziskovalcev lahko izkoristil 10 odstotkov sončne energije za proizvodnjo organskih spojin.
Nenehno raziskovanje naravnih procesov, kot je fotosinteza, pomaga znanstvenikom pri razvoju novih načinov za uporabo različnih virov obnovljive energije. Vse sončne svetlobe, rastline in bakterije so vseprisotne, izkoriščanje moči fotosinteze je logičen korak za ustvarjanje goriv s čisto izgorevanjem in brez ogljika.
Dodatni viri:
