Co to jest fotosynteza?

Fotosynteza to proces wykorzystywany przez rośliny, algi i niektóre bakterie do wykorzystywania energii słonecznej i przekształcania jej w energię chemiczną. Tutaj opisujemy ogólne zasady fotosyntezy i podkreślamy, w jaki sposób naukowcy badają ten naturalny proces, aby pomóc w opracowaniu czystych paliw i źródeł energii odnawialnej. 

Rodzaje fotosyntezy

Istnieją dwa rodzaje procesów fotosyntezy: fotosynteza tlenowa i fotosynteza beztlenowa. Ogólne zasady fotosyntezy beztlenowej i tlenowej są bardzo podobne, ale fotosynteza tlenowa jest najbardziej powszechna i występuje w roślinach, algach i sinicach. 

Podczas fotosyntezy tlenowej energia światła przenosi elektrony z wody (H.₂O) do dwutlenku węgla (CO₂) do produkcji węglowodanów. W tym transferze CO₂ jest „zredukowany” lub otrzymuje elektrony, a woda zostaje „utleniona” lub traci elektrony. Ostatecznie tlen jest produkowany wraz z węglowodanami.

Fotosynteza tlenowa działa jako przeciwwaga dla oddychania, pochłaniając dwutlenek węgla wytwarzany przez wszystkie organizmy oddychające i ponownie wprowadzając tlen do atmosfery.

Z drugiej strony fotosynteza beztlenowa wykorzystuje inne niż woda donory elektronów. Proces ten zwykle zachodzi w bakteriach, takich jak bakterie purpurowe i zielone bakterie siarkowe, które występują głównie w różnych środowiskach wodnych.

„Beztlenowa fotosynteza nie wytwarza tlenu - stąd nazwa” - powiedział David Baum, profesor botaniki na Uniwersytecie Wisconsin-Madison. „To, co jest produkowane, zależy od dawcy elektronów. Na przykład wiele bakterii wykorzystuje siarkowodór gazowy o nieprzyjemnym zapachu jajek, wytwarzając stałą siarkę jako produkt uboczny”.

Chociaż oba rodzaje fotosyntezy są złożonymi, wieloetapowymi sprawami, cały proces można zgrabnie podsumować jako równanie chemiczne.

Fotosynteza tlenowa jest zapisana w następujący sposób: 

6CO₂ + 12H₂O + energia światła → C₆H.₁₂O₆ + 6O₂ + 6H₂O

Tutaj sześć cząsteczek dwutlenku węgla (CO₂) łączą się z 12 cząsteczkami wody (H.₂O) za pomocą energii świetlnej. Końcowym rezultatem jest utworzenie pojedynczej cząsteczki węglowodanu (C.₆H.₁₂O₆, lub glukoza) wraz z sześcioma cząsteczkami tlenu i wody do oddychania.

Podobnie, różne anoksygeniczne reakcje fotosyntezy można przedstawić za pomocą jednego uogólnionego wzoru:

WSPÓŁ₂ + 2H₂A + Energia światła → [CH₂O] + 2A + H₂O

Litera A w równaniu jest zmienną, a H.₂A reprezentuje potencjalnego dawcę elektronów. Na przykład A może oznaczać siarkę w siarkowodorze będącym donorem elektronów (H₂S), wyjaśnili Govindjee i John Whitmarsh, biologowie roślin z University of Illinois w Urbana-Champaign, w książce „Concepts in Photobiology: Photosynthesis and Photomorphogenesis” (Narosa Publishers i Kluwer Academic, 1999).

Aparat fotosyntetyczny

Poniżej przedstawiono składniki komórkowe niezbędne do fotosyntezy. 

Pigmenty

Pigmenty to cząsteczki, które nadają kolor roślinom, algom i bakteriom, ale są również odpowiedzialne za skuteczne zatrzymywanie światła słonecznego. Pigmenty o różnych kolorach pochłaniają światło o różnej długości. Poniżej znajdują się trzy główne grupy.

• Chlorofile: te zielone pigmenty są w stanie wychwytywać niebieskie i czerwone światło. Chlorofile mają trzy podtypy, nazywane chlorofilem a, chlorofilem b i chlorofilem c. Według Eugene'a Rabinowitcha i Govindjee w ich książce „Photosynthesis” (Wiley, 1969), chlorofil a znajduje się we wszystkich roślinach fotosyntetyzujących. Istnieje również wariant bakteryjny, trafnie nazwany bakteriochlorofilem, który pochłania światło podczerwone. Ten pigment występuje głównie w fioletowych i zielonych bakteriach, które przeprowadzają fotosyntezę beztlenową.  
• Karotenoidy: Te czerwone, pomarańczowe lub żółte pigmenty pochłaniają niebieskawo-zielone światło. Przykładami karotenoidów są ksantofil (żółty) i karoten (pomarańczowy), od których marchew uzyskuje swój kolor.
• Fikobiliny: te czerwone lub niebieskie pigmenty pochłaniają fale światła, które nie są tak dobrze absorbowane przez chlorofile i karotenoidy. Występują w sinicach i czerwonych algach. 

Plastydy

Fotosyntetyczne organizmy eukariotyczne zawierają w swojej cytoplazmie organelle zwane plastydami. Plastydy z podwójną membraną w roślinach i algach są nazywane plastydami pierwotnymi, podczas gdy odmiany wielobłonowe występujące w planktonie nazywane są plastydami wtórnymi, zgodnie z artykułem w czasopiśmie Nature Education autorstwa Cheong Xin Chan i Debashish Bhattacharya, naukowców z Rutgers University. w New Jersey.

Plastydy na ogół zawierają pigmenty lub mogą przechowywać składniki odżywcze. Bezbarwne i niepigmentowane leukoplasty przechowują tłuszcze i skrobię, podczas gdy chromoplasty zawierają karotenoidy, a chloroplasty zawierają chlorofil, jak wyjaśniono w książce Geoffrey Cooper „The Cell: A Molecular Approach” (Sinauer Associates, 2000). 

Fotosynteza zachodzi w chloroplastach; w szczególności w regionach grana i zrębu. Grana to najbardziej wewnętrzna część organelli; zbiór membran w kształcie dysków, ułożonych w kolumny jak płyty. Poszczególne dyski nazywane są tylakoidami. To tutaj odbywa się transfer elektronów. Puste przestrzenie między kolumnami grana tworzą zrąb.   

Chloroplasty są podobne do mitochondriów, centrów energetycznych komórek, ponieważ mają swój własny genom lub zbiór genów zawartych w kolistym DNA. Te geny kodują białka niezbędne dla organelli i fotosyntezy. Uważa się, że podobnie jak mitochondria, chloroplasty powstały z prymitywnych komórek bakteryjnych w procesie endosymbiozy. 

„Plastydy powstały z pochłoniętych bakterii fotosyntetycznych, które zostały nabyte przez jednokomórkową komórkę eukariotyczną ponad miliard lat temu” - powiedział Baum. Baum wyjaśnił, że analiza genów chloroplastów pokazuje, że był on kiedyś członkiem grupy cyjanobakterii, „jedynej grupy bakterii, która może dokonać fotosyntezy tlenowej”. 

W artykule z 2010 roku Chan i Bhattacharya zwracają uwagę, że powstawania wtórnych plastydów nie można dobrze wytłumaczyć endosymbiozą sinic i że pochodzenie tej klasy plastydów jest nadal przedmiotem dyskusji..

Anteny

Cząsteczki pigmentu są powiązane z białkami, co pozwala im na elastyczność w poruszaniu się w kierunku światła i ku sobie. Według artykułu Wima Vermaasa, profesora z Arizona State University, duża kolekcja od 100 do 5000 cząsteczek pigmentu stanowi „anteny”. Struktury te skutecznie wychwytują energię światła słonecznego w postaci fotonów.

Ostatecznie energia świetlna musi zostać przeniesiona do kompleksu pigment-białko, który może przekształcić ją w energię chemiczną w postaci elektronów. Na przykład w roślinach energia światła jest przenoszona na pigmenty chlorofilowe. Konwersja na energię chemiczną następuje, gdy pigment chlorofilowy wyrzuca elektron, który może następnie przejść do odpowiedniego odbiorcy. 

Centra reakcji

Pigmenty i białka, które przekształcają energię świetlną w energię chemiczną i rozpoczynają proces przenoszenia elektronów, nazywane są centrami reakcji.

Proces fotosyntezy

Reakcje fotosyntezy roślin dzielą się na te, które wymagają obecności światła słonecznego i takie, które nie wymagają. Oba typy reakcji zachodzą w chloroplastach: reakcje zależne od światła w tylakoidach i reakcje niezależne od światła w zrębie. 

Reakcje zależne od światła (zwane również reakcjami świetlnymi): Kiedy foton światła uderza w centrum reakcji, cząsteczka pigmentu, taka jak chlorofil, uwalnia elektron.

„Sztuką do wykonania pożytecznej pracy jest uniemożliwienie temu elektronowi powrotu do jego pierwotnego domu” - powiedział Baum. „Niełatwo tego uniknąć, ponieważ chlorofil ma teraz„ dziurę elektronową ”, która ma tendencję do przyciągania pobliskich elektronów”.

Uwolniony elektron udaje się uciec, podróżując przez łańcuch transportu elektronów, który generuje energię potrzebną do wytworzenia ATP (adenozynotrifosforan, źródło energii chemicznej dla komórek) i NADPH. „Dziura elektronowa” w oryginalnym pigmencie chlorofilowym jest wypełniana przez pobranie elektronu z wody. W rezultacie tlen jest uwalniany do atmosfery.

Reakcje niezależne od światła (zwane również reakcjami ciemności i znane jako cykl Calvina): Reakcje świetlne wytwarzają ATP i NADPH, które są bogatymi źródłami energii, które napędzają ciemne reakcje. Na cykl Calvina składają się trzy etapy reakcji chemicznej: wiązanie węgla, redukcja i regeneracja. Reakcje te wykorzystują wodę i katalizatory. Atomy węgla z dwutlenku węgla są “naprawiony,” kiedy są wbudowane w cząsteczki organiczne, które ostatecznie tworzą cukry trójwęglowe. Cukry te są następnie wykorzystywane do produkcji glukozy lub są poddawane recyklingowi, aby ponownie zainicjować cykl Calvina. 

Fotosynteza w przyszłości

Organizmy fotosyntetyczne są możliwym sposobem wytwarzania czysto spalających się paliw, takich jak wodór, a nawet metan. Niedawno grupa badawcza na Uniwersytecie w Turku w Finlandii zbadała zdolność zielonych alg do produkcji wodoru. Zielone algi mogą wytwarzać wodór przez kilka sekund, jeśli najpierw zostaną wystawione na ciemne, beztlenowe (beztlenowe) warunki, a następnie na światło.Zespół opracował sposób na wydłużenie produkcji wodoru przez zielone algi nawet o trzy dni, jak podano w Badanie z 2018 roku opublikowane w czasopiśmie Energy & Environmental Science.

Naukowcy poczynili również postępy w dziedzinie sztucznej fotosyntezy. Na przykład grupa naukowców z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley opracowała sztuczny system do wychwytywania dwutlenku węgla za pomocą nanodrutów lub drutów o średnicy kilku miliardowych części metra. Druty zasilają system drobnoustrojów, które redukują dwutlenek węgla do paliw lub polimerów, wykorzystując energię słoneczną. Zespół opublikował swój projekt w 2015 roku w czasopiśmie Nano Letters.  

W 2016 roku członkowie tej samej grupy opublikowali w czasopiśmie Science badanie, w którym opisano inny sztuczny system fotosyntezy, w którym specjalnie opracowane bakterie zostały użyte do wytworzenia paliw płynnych przy użyciu światła słonecznego, wody i dwutlenku węgla. Ogólnie rzecz biorąc, rośliny są w stanie wykorzystać tylko około 1% energii słonecznej i wykorzystać ją do produkcji związków organicznych podczas fotosyntezy. Z kolei sztuczny system naukowców był w stanie wykorzystać 10 procent energii słonecznej do produkcji związków organicznych.

Ciągłe badania procesów naturalnych, takich jak fotosynteza, pomagają naukowcom w opracowywaniu nowych sposobów wykorzystania różnych źródeł energii odnawialnej. Ponieważ światło słoneczne, rośliny i bakterie są wszechobecne, wykorzystanie mocy fotosyntezy jest logicznym krokiem do stworzenia czysto spalających się i neutralnych pod względem emisji paliw paliw.

Dodatkowe zasoby:

• University of California, Berkeley: Pigmenty fotosyntetyczne
• Arizona State University: Wprowadzenie do fotosyntezy i jej zastosowań
• University of Illinois at Urbana-Champaign: What Is Photosynthesis?