Fotosyntese er prosessen som brukes av planter, alger og visse bakterier for å utnytte energi fra sollys og gjøre den om til kjemisk energi. Her beskriver vi de generelle prinsippene for fotosyntesen og belyser hvordan forskere studerer denne naturlige prosessen for å bidra til å utvikle rent drivstoff og kilder til fornybar energi.
Typer fotosyntesen
Det er to typer fotosyntetiske prosesser: oksygenisk fotosyntesen og anoksygen fotosyntesen. De generelle prinsippene for anoxygenic og oksygenisk fotosyntesen er veldig like, men oksygenisk fotosyntesen er den vanligste og sees i planter, alger og cyanobakterier.
Under oksygenisk fotosyntese overfører lysenergi elektroner fra vann (H2O) til karbondioksid (CO2), for å produsere karbohydrater. I denne overføringen har CO2 blir "redusert", eller mottar elektroner, og vannet blir "oksidert", eller mister elektroner. Til slutt produseres oksygen sammen med karbohydrater.
Oksygenfoto-syntese fungerer som en motvekt mot respirasjon ved å ta inn karbondioksid produsert av alle pusteorganismer og gjeninnføre oksygen i atmosfæren.
På den annen side bruker anoksygenisk fotosyntese andre elektrondonorer enn vann. Prosessen forekommer typisk i bakterier som lilla bakterier og grønn svovelbakterier, som primært finnes i forskjellige vannlevende naturtyper.
"Anoksygenisk fotosyntese produserer ikke oksygen - derav navnet," sa David Baum, professor i botanikk ved University of Wisconsin-Madison. "Hva som produseres, avhenger av elektrondonoren. For eksempel bruker mange bakterier den ille-luktende gassen hydrogensulfid, og produserer fast svovel som et biprodukt."
Selv om begge typer fotosyntese er komplekse, multistep-forhold, kan den totale prosessen pent oppsummeres som en kjemisk ligning.
Oksygen fotosyntese er skrevet på følgende måte:
6CO2 + 12 t2O + Lysenergi → C6H12O6 + 6O2 + 6H2O
Her har seks molekyler karbondioksid (CO2) kombinere med 12 molekyler vann (H2O) bruk av lysenergi. Sluttresultatet er dannelsen av et enkelt karbohydratmolekyl (C6H12O6, eller glukose) sammen med seks molekyler hver med pustende oksygen og vann.
Tilsvarende kan de forskjellige anoksygeniske fotosyntesereaksjoner bli representert som en enkelt generalisert formel:
CO2 + 2H2A + Lysenergi → + 2A + H2O
Bokstaven A i ligningen er en variabel og H2A representerer den potensielle elektrondonoren. F.eks. Kan A representere svovel i elektrondonatoren hydrogensulfid (H2S), forklarte Govindjee og John Whitmarsh, plantebiologer ved University of Illinois i Urbana-Champaign, i boken "Concepts in Photobiology: Photosynthesis and Photomorphogenesis" (Narosa Publishers and Kluwer Academic, 1999).
Det fotosyntetiske apparatet
Følgende er cellulære komponenter som er essensielle for fotosyntesen.
pigmenter
Pigmenter er molekyler som gir farger på planter, alger og bakterier, men de er også ansvarlige for å fange sollys effektivt. Pigmenter i forskjellige farger absorberer forskjellige bølgelengder av lys. Nedenfor er de tre hovedgruppene.
- Klorofyller: Disse grønfargede pigmentene kan fange blått og rødt lys. Klorofyll har tre undertyper, kalt klorofyll a, klorofyll b og klorofyll c. I følge Eugene Rabinowitch og Govindjee i sin bok "Fotosyntesen" (Wiley, 1969), er klorofyll a funnet i alle fotosyntetiserende planter. Det er også en bakterievariant med passende navn bakteriochlorophyll, som absorberer infrarødt lys. Dette pigmentet sees hovedsakelig i lilla og grønne bakterier, som utfører anoksygen fotosyntesen.
- Karotenoider: Disse røde, oransje eller gulfargede pigmentene absorberer blågrønt lys. Eksempler på karotenoider er xantofyll (gul) og karoten (oransje) som gulrøtter får fargen fra.
- Fykobiliner: Disse røde eller blå pigmentene absorberer bølgelengder av lys som ikke blir så godt absorbert av klorofyller og karotenoider. De sees i cyanobakterier og røde alger.
plas
Fotosyntetiske eukaryote organismer inneholder organeller kalt plastider i deres cytoplasma. De dobbeltmembranede plastidene i planter og alger blir referert til som primære plastider, mens den flerfoldige membranen som finnes i plankton kalles sekundære plastider, ifølge en artikkel i tidsskriftet Nature Education av Cheong Xin Chan og Debashish Bhattacharya, forskere ved Rutgers University i New Jersey.
Plastider inneholder generelt pigmenter eller kan lagre næringsstoffer. Fargeløse og ikke-pigmenterte leukoplaster lagrer fett og stivelse, mens kromoplast inneholder karotenoider og kloroplast inneholder klorofyll, som forklart i Geoffrey Kops bok, "The Cell: A Molecular Approach" (Sinauer Associates, 2000).
Fotosyntese forekommer i kloroplastene; spesielt i grana- og stroma-regionene. Grana er den innerste delen av organellen; en samling av skiveformede membraner, stablet i kolonner som plater. De enkelte platene kalles thylakoider. Det er her overføringen av elektronene skjer. De tomme mellomrommene mellom kolonnene med grana utgjør stroma.
Kloroplaster ligner mitokondrier, energisentrene til celler, ved at de har sitt eget genom, eller samling av gener, som er inneholdt i sirkulært DNA. Disse genene koder proteiner som er essensielle for organellen og for fotosyntesen. I likhet med mitokondrier antas også kloroplastene å ha sin opprinnelse fra primitive bakterieceller gjennom endosymbiose-prosessen.
"Plastider stammet fra oppslukede fotosyntetiske bakterier som ble anskaffet av en encellet eukaryotisk celle for mer enn en milliard år siden," sa Baum til Live Science. Baum forklarte at analysen av kloroplastgener viser at den en gang var medlem av gruppen cyanobakterier, "den ene gruppen av bakterier som kan oppnå oksygenisk fotosyntese."
I artikkelen deres fra 2010 gjør Chan og Bhattacharya poenget med at dannelsen av sekundære plastider ikke kan forklares godt ved endosymbiose av cyanobakterier, og at opprinnelsen til denne klassen av plastider fremdeles er debatt.
antenner
Pigmentmolekyler er assosiert med proteiner, som lar dem fleksibilitet til å bevege seg mot lys og mot hverandre. En stor samling på 100 til 5000 pigmentmolekyler utgjør "antenner", ifølge en artikkel av Wim Vermaas, en professor ved Arizona State University. Disse strukturene fanger effektivt lysenergi fra solen, i form av fotoner.
Til syvende og sist må lysenergi overføres til et pigmentproteinkompleks som kan konvertere det til kjemisk energi, i form av elektroner. I planter overføres for eksempel lysenergi til klorofyllpigmenter. Konverteringen til kjemisk energi oppnås når et klorofyllpigment utviser et elektron, som deretter kan gå videre til en passende mottaker.
Reaksjonssentre
Pigmentene og proteinene, som konverterer lysenergi til kjemisk energi og begynner prosessen med elektronoverføring, er kjent som reaksjonssentre.
Den fotosyntetiske prosessen
Reaksjonene ved plantefotosyntese er delt inn i de som krever tilstedeværelse av sollys og de som ikke gjør det. Begge typer reaksjoner finner sted i kloroplaster: lysavhengige reaksjoner i tylakoiden og lysuavhengige reaksjoner i stroma.
Lysavhengige reaksjoner (også kalt lysreaksjoner): Når et foton av lys treffer reaksjonssenteret, frigjør et pigmentmolekyl som klorofyll et elektron.
"Trikset for å gjøre nyttig arbeid, er å forhindre at elektronet finner veien tilbake til det opprinnelige hjemmet," sa Baum til Live Science. "Dette unngås ikke lett, fordi klorofylen nå har et 'elektronhull' som har en tendens til å trekke på elektroner i nærheten."
Det frigjorte elektronet klarer å rømme ved å reise gjennom en elektrontransportkjede, som genererer energien som trengs for å produsere ATP (adenosintrifosfat, en kilde til kjemisk energi for celler) og NADPH. "Elektronhullet" i det originale klorofyllpigmentet fylles ved å ta et elektron fra vann. Som et resultat frigjøres oksygen i atmosfæren.
Lysuavhengige reaksjoner (også kalt mørke reaksjoner og kjent som Calvin-syklusen): Lysreaksjoner produserer ATP og NADPH, som er de rike energikildene som driver mørke reaksjoner. Tre kjemiske reaksjonstrinn utgjør Calvin-syklusen: karbonfiksering, reduksjon og regenerering. Disse reaksjonene bruker vann og katalysatorer. Karbonatomer fra karbondioksid er "faste" når de er bygget inn i organiske molekyler som til slutt danner tre-karbon sukker. Disse sukkerene brukes deretter til å lage glukose eller resirkuleres for å starte Calvin-syklusen igjen.
Fotosyntese i fremtiden
Fotosyntetiske organismer er et mulig middel til å generere rentbrennende drivstoff som hydrogen eller metan. Nylig utnyttet en forskergruppe ved Universitetet i Turku i Finland, muligheten til grønnalger til å produsere hydrogen. Grønnalger kan produsere hydrogen i noen sekunder hvis de først blir utsatt for mørke, anaerobe (oksygenfrie) forhold og deretter utsatt for lys. Teamet utviklet en måte å utvide grønnalgens hydrogenproduksjon i opptil tre dager, som rapportert i deres 2018-studie publisert i tidsskriftet Energy & Environmental Science.
Forskere har også gjort fremskritt innen kunstig fotosyntesen. For eksempel utviklet en gruppe forskere fra University of California, Berkeley, et kunstig system for å fange opp karbondioksid ved hjelp av nanotråd, eller ledninger som er noen få milliarddeler av en meter i diameter. Ledningene strømmer inn i et system av mikrober som reduserer karbondioksid til drivstoff eller polymerer ved å bruke energi fra sollys. Teamet publiserte designet i 2015 i tidsskriftet Nano Letters.
I 2016 publiserte medlemmer av denne samme gruppen en studie i tidsskriftet Science som beskrev et annet kunstig fotosyntetisk system der spesialkonstruerte bakterier ble brukt til å lage flytende drivstoff ved bruk av sollys, vann og karbondioksid. Generelt er planter bare i stand til å utnytte omtrent en prosent av solenergien og bruker den til å produsere organiske forbindelser under fotosyntesen. I kontrast var forskernes kunstige system i stand til å utnytte 10 prosent av solenergien for å produsere organiske forbindelser.
Fortsatt forskning på naturlige prosesser, for eksempel fotosyntese, hjelper forskere med å utvikle nye måter å bruke forskjellige kilder til fornybar energi. Å se som sollys, planter og bakterier er allestedsnærværende, å utnytte kraften i fotosyntesen er et logisk skritt for å skape rentforbrenning og karbonneutrale drivstoff.
Tilleggsressurser:
