Hvad er fotosyntese?

Fotosyntese er den proces, der bruges af planter, alger og visse bakterier til at udnytte energi fra sollys og omdanne den til kemisk energi. Her beskriver vi de generelle principper for fotosyntesen og fremhæver, hvordan forskere studerer denne naturlige proces for at hjælpe med at udvikle rene brændstoffer og kilder til vedvarende energi.

Typer af fotosyntesen

Der er to typer fotosyntetiske processer: oxygenisk fotosyntesen og anoxygenisk fotosyntesen. De generelle principper for anoxygenisk og ilt-fotosyntesen er meget ens, men ilt-fotosyntesen er den mest almindelige og ses i planter, alger og cyanobakterier.

Under iltfotosyntesen overfører lysenergi elektroner fra vandet (H₂O) til kuldioxid (CO₂), til fremstilling af kulhydrater. I denne overførsel har CO₂ "reduceres" eller modtager elektroner, og vandet "oxideres" eller mister elektroner. I sidste ende produceres ilt sammen med kulhydrater.

Oxygenisk fotosyntese fungerer som en modvægt til respiration ved at indtage kuldioxid produceret af alle åndedrætsorganismer og genindføre ilt i atmosfæren.

På den anden side bruger anoxygenisk fotosyntese andre elektrondonorer end vand. Processen forekommer typisk i bakterier såsom lilla bakterier og grøn svovlbakterier, som primært findes i forskellige akvatiske levesteder.

"Anoxygenisk fotosyntese producerer ikke ilt - deraf navnet," sagde David Baum, professor i botanik ved University of Wisconsin-Madison. "Hvad der produceres afhænger af elektrondonoren. F.eks. Bruger mange bakterier den ildelugtende gas, hydrogensulfid, hvilket producerer fast svovl som et biprodukt."

Selvom begge typer fotosyntesen er kompleks, multistep-anliggender, kan den overordnede proces pænt sammenfattes som en kemisk ligning.

Oxygenfotosyntese er skrevet som følger:

6CO₂ + 12H₂O + Lysenergi → C₆H₁₂O₆ + 6O₂ + 6H₂O

Her har seks molekyler kuldioxid (CO₂) kombineres med 12 molekyler vand (H₂O) brug af lysenergi. Slutresultatet er dannelsen af ​​et enkelt kulhydratmolekyle (C₆H₁₂O₆, eller glukose) sammen med seks molekyler, hver med åndbart ilt og vand.

Tilsvarende kan de forskellige anoxygeniske fotosyntesereaktioner repræsenteres som en enkelt generaliseret formel:

CO₂ + 2H₂A + Lysenergi → + 2A + H₂O

Bogstavet A i ligningen er en variabel og H₂A repræsenterer den potentielle elektrondonor. F.eks. Kan A repræsentere svovl i elektrondonor-hydrogensulfid (H₂S), forklarede Govindjee og John Whitmarsh, plantebiologer ved University of Illinois i Urbana-Champaign, i bogen "Concepts in Photobiology: Photosynthesis and Photomorphogenesis" (Narosa Publisher og Kluwer Academic, 1999).

Det fotosyntetiske apparat

Følgende er cellulære komponenter, der er essentielle for fotosyntesen.

Pigmenter

Pigmenter er molekyler, der giver farver på planter, alger og bakterier, men de er også ansvarlige for effektivt at fange sollys. Pigmenter i forskellige farver absorberer forskellige bølgelængder af lys. Nedenfor er de tre hovedgrupper.

• Klorofyller: Disse grønfarvede pigmenter er i stand til at fange blåt og rødt lys. Chlorofyler har tre undertyper, kaldet chlorophyll a, chlorophyll b og chlorophyll c. I henhold til Eugene Rabinowitch og Govindjee i deres bog "Fotosyntesen" (Wiley, 1969) findes klorofyll a i alle fotosyntetiserende planter. Der er også en bakterievariant, der rigtig kaldes bakteriochlorophyll, der absorberer infrarødt lys. Dette pigment ses hovedsageligt i lilla og grønne bakterier, der udfører anoxygenisk fotosyntese.
• Carotenoider: Disse røde, orange eller gulfarvede pigmenter absorberer blågrønt lys. Eksempler på carotenoider er xanthophyll (gul) og caroten (orange), hvorfra gulerødder får deres farve.
• Phycobilins: Disse røde eller blå pigmenter absorberer bølgelængder af lys, der ikke er så godt absorberet af klorofyler og carotenoider. De ses i cyanobakterier og røde alger.

plastider

Fotosyntetiske eukaryote organismer indeholder organeller kaldet plastider i deres cytoplasma. De dobbeltmembranede plastider i planter og alger omtales som primære plastider, mens den multiple membranede sort, der findes i plankton, kaldes sekundære plastider, ifølge en artikel i tidsskriftet Nature Education af Cheong Xin Chan og Debashish Bhattacharya, forskere ved Rutgers University i New Jersey.

Plastider indeholder generelt pigmenter eller kan opbevare næringsstoffer. Farveløse og ikke-pigmenterede leukoplaster opbevarer fedt og stivelse, mens kromoplaster indeholder carotenoider og kloroplaster indeholder klorofyl, som forklaret i Geoffrey Kops bog, "The Cell: A Molecular Approach" (Sinauer Associates, 2000).

Fotosyntese forekommer i chloroplasterne; specifikt i regionerne grana og stroma. Grana er den inderste del af organellen; en samling af skiveformede membraner, stablet i søjler som plader. De individuelle diske kaldes thylakoider. Det er her overførslen af ​​elektroner finder sted. De tomme mellemrum mellem søjler med grana udgør stroma.

Chloroplaster ligner mitokondrier, energicentrene i cellerne, idet de har deres eget genom eller samling af gener indeholdt i cirkulært DNA. Disse gener koder proteiner, der er essentielle for organellen og for fotosyntesen. Ligesom mitokondrier antages også chloroplaster at stamme fra primitive bakterieceller gennem processen med endosymbiose.

"Plastider stammer fra indhyllede fotosyntetiske bakterier, der blev erhvervet af en encellet eukaryot celle for mere end en milliard år siden," fortalte Baum til Live Science. Baum forklarede, at analysen af ​​chloroplastgener viser, at det engang var et medlem af gruppen cyanobakterier, "den ene gruppe bakterier, der kan udføre ilt-fotosyntesen."

I deres artikel i 2010 gør Chan og Bhattacharya det punkt, at dannelsen af ​​sekundære plastider ikke kan forklares godt med endosymbiose af cyanobakterier, og at oprindelsen af ​​denne klasse af plastider stadig er et spørgsmål om debat.

antenner

Pigmentmolekyler er forbundet med proteiner, som giver dem fleksibilitet til at bevæge sig mod lys og mod hinanden. En stor samling af 100 til 5.000 pigmentmolekyler udgør "antenner" ifølge en artikel af Wim Vermaas, en professor ved Arizona State University. Disse strukturer fanger effektivt lysenergi fra solen i form af fotoner.

I sidste ende skal lysenergi overføres til et pigmentproteinkompleks, der kan omdanne det til kemisk energi, i form af elektroner. I planter overføres for eksempel lysenergi til chlorofyllpigmenter. Konverteringen til kemisk energi udføres, når et chlorofyllpigment udviser en elektron, som derefter kan gå videre til en passende modtager.

Reaktionscentre

Pigmenterne og proteinerne, der omdanner lysenergi til kemisk energi og begynder processen med elektronoverførsel, er kendt som reaktionscentre.

Den fotosyntetiske proces

Reaktionerne ved plantefotosyntese er opdelt i dem, der kræver tilstedeværelse af sollys og dem, der ikke gør det. Begge typer reaktioner finder sted i chloroplaster: lysafhængige reaktioner i thylakoid og lysuafhængige reaktioner i stroma.

Lysafhængige reaktioner (også kaldet lysreaktioner): Når en foton af lys rammer reaktionscentret, frigiver et pigmentmolekyle som klorofyll et elektron.

"Tricket til at udføre nyttigt arbejde er at forhindre, at elektronet finder vej tilbage til sit oprindelige hjem," fortalte Baum til Live Science. "Dette undgås ikke let, fordi klorofylen nu har et 'elektronhul', der har en tendens til at trække på nærliggende elektroner."

Det frigjorte elektron lykkes med at flygte ved at rejse gennem en elektrontransportkæde, der genererer den energi, der er nødvendig til at producere ATP (adenosintrifosfat, en kilde til kemisk energi til celler) og NADPH. "Elektronhullet" i det originale chlorofyllpigment udfyldes ved at tage et elektron fra vandet. Som et resultat frigives ilt i atmosfæren.

Lysuafhængige reaktioner (også kaldet mørke reaktioner og kendt som Calvin-cyklus): Lysreaktioner producerer ATP og NADPH, som er de rige energikilder, der driver mørke reaktioner. Tre kemiske reaktionstrin udgør Calvin-cyklus: kulstoffiksering, reduktion og regenerering. Disse reaktioner bruger vand og katalysatorer. Kulstofatomerne fra kuldioxid er "faste", når de er indbygget i organiske molekyler, der i sidste ende danner tre-carbon sukker. Disse sukkerarter bruges derefter til fremstilling af glukose eller genanvendes for at starte Calvin-cyklus igen.

Fotosyntese i fremtiden

Fotosyntetiske organismer er et muligt middel til at generere rentbrændende brændstoffer som brint eller endda metan. For nylig udnyttede en forskningsgruppe ved universitetet i Turku i Finland, muligheden for grøn alger til at producere brint. Grønalger kan producere brint i et par sekunder, hvis de først udsættes for mørke, anaerobe (iltfrie) forhold og derefter udsættes for lys Holdet udtænkte en måde at udvide grønalgens brintproduktion i op til tre dage, som rapporteret i deres 2018-undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet Energy & Environmental Science.

Forskere har også gjort fremskridt inden for kunstig fotosyntese. For eksempel udviklede en gruppe forskere fra University of California, Berkeley, et kunstigt system til at opfange kuldioxid ved hjælp af nanotråde eller ledninger, der er nogle få milliarddele af en meter i diameter. Ledningerne strømmer ind i et system af mikrober, der reducerer kuldioxid til brændstoffer eller polymerer ved at bruge energi fra sollys. Holdet offentliggjorde sit design i 2015 i tidsskriftet Nano Letters.

I 2016 offentliggjorde medlemmer af denne samme gruppe en undersøgelse i tidsskriftet Science, der beskrev et andet kunstigt fotosyntetisk system, hvor specielt konstruerede bakterier blev brugt til at skabe flydende brændstof ved hjælp af sollys, vand og kuldioxid. Generelt er planter kun i stand til at udnytte omkring en procent af solenergien og bruge den til at producere organiske forbindelser under fotosyntesen. I modsætning hertil var forskernes kunstige system i stand til at udnytte 10 procent af solenergien til at producere organiske forbindelser.

Fortsat undersøgelse af naturlige processer, såsom fotosyntese, hjælper forskere med at udvikle nye måder at udnytte forskellige kilder til vedvarende energi. At se som sollys, planter og bakterier er allestedsnærværende, at udnytte kraften i fotosyntesen er et logisk skridt til at skabe rentforbrændende og kulstofneutrale brændstoffer.

Yderligere ressourcer: