Mikä On Fotosynteesi?

{h1}

Fotosynteesi on prosessi, jota kasvit, levät ja tietyt bakteerit käyttävät hyödyntäen energiaa auringonvalolta ja muuttaneet sen kemialliseksi energiaksi.

Fotosynteesi on prosessi, jota kasvit, levät ja tietyt bakteerit käyttävät hyödyntäen energiaa auringonvalolta ja muuttaneet sen kemialliseksi energiaksi. Tässä kuvataan fotosynteesin yleisiä periaatteita ja korostetaan, miten tutkijat tutkivat tätä luonnollista prosessia auttaakseen kehittämään puhtaita polttoaineita ja uusiutuvan energian lähteitä.

Fotosynteesin tyypit

On olemassa kahta tyyppiä fotosynteesi prosesseja: happi fotosynteesi ja anoksigeeninen fotosynteesi. Anoksigeenisen ja happisen fotosynteesin yleiset periaatteet ovat hyvin samankaltaisia, mutta happi-fotosynteesi on yleisin ja nähdään kasveissa, levissä ja syanobakteereissa.

Happisen fotosynteesin aikana valoenergia siirtää elektroneja vedestä (H2O) hiilidioksidille (CO2), hiilihydraattien tuottamiseksi. Tässä siirrossa CO2 on "vähentynyt" tai vastaanottaa elektroneja, ja vesi "hapettuu" tai häviää elektroneja. Loppujen lopuksi happi tuotetaan yhdessä hiilihydraattien kanssa.

Happi-fotosynteesi toimii hengityksen vastapainona ottamalla kaikki hengityselimiä tuottavat hiilidioksidit ja palauttamalla happea ilmakehään.

Toisaalta, anoksigeeninen fotosynteesi käyttää muita elektroneja luovuttajia kuin vettä. Prosessi tapahtuu tyypillisesti bakteereissa, kuten purppurabakteereissa ja vihreissä rikkibakteereissa, joita esiintyy pääasiassa erilaisissa vesiympäristöissä.

"Anoxygeeninen fotosynteesi ei tuota happea - tästä syystä nimi", sanoi Wisconsin-Madisonin yliopiston kasvitieteen professori David Baum. "Se, mitä tuotetaan, riippuu elektronin luovuttajasta. Esimerkiksi monet bakteerit käyttävät huonoja munia tuhoavaa kaasusulfaattia tuottaen kiinteää rikki sivutuotteena."

Vaikka molemmat tyypit fotosynteesi ovat monimutkaisia, monipisteisiä asioita, kokonaisprosessi voidaan tiivistää kemiallisesti kemiallisena yhtälöinä.

Happi-fotosynteesi on kirjoitettu seuraavasti:

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

Tässä kuusi hiilidioksidimolekyyliä (CO2) yhdistetään 12 molekyylin vettä (H2O) valoenergian avulla. Lopputulos on yhden hiilihydraattimolekyylin muodostuminen (C6H12O6, tai glukoosi) sekä kuusi molekyyliä, joista jokainen on hengittävä happi ja vesi.

Samalla tavoin erilaisia ​​anoksigeenisiä fotosynteesireaktioita voidaan esittää yhtenä yleisenä kaavana:

CO2 + 2H2A + Valoenergia → [CH2O] + 2A + H2O

Yhdessä yhtälössä oleva kirjain A on muuttuja ja H2A edustaa potentiaalista elektronin luovuttajaa. Esimerkiksi A voi edustaa rikkiä elektroneja tuottavassa vetysulfidissa (H2S), Govindjee ja John Whitmarsh, Illinoisin yliopiston Urbana-Champaignissa sijaitsevat kasvien biologit, kirjassa "Käsitteet valokuvassa: fotosynteesi ja fotomorfologiassa" (Narosa Publishers ja Kluwer Academic, 1999).

Kasvit tarvitsevat auringonvalolta energiaa fotosynteesiin.

Kasvit tarvitsevat auringonvalolta energiaa fotosynteesiin.

Luottamus: Shutterstock

Fotosynteettinen laite

Seuraavassa on fotosynteesiin olennaisia ​​solukomponentteja.

pigmentit

Pigmentit ovat molekyylejä, jotka antavat värin kasveille, leville ja bakteereille, mutta ne ovat myös vastuussa auringonvalon tehokkaasta pyynnistä. Eri värejä olevat pigmentit absorboivat erilaisia ​​valon aallonpituuksia. Alla on kolme pääryhmää.

  • Klorofyllit: Nämä vihreät pigmentit pystyvät tarttumaan siniseen ja punaiseen valoon. Klorofylleillä on kolme alatyyppiä, jotka on merkitty klorofylliin a, klorofylliin b ja klorofylliin c. Mukaan Eugene Rabinowitch ja Govindjee niiden kirjassa "Photosynthesis" (Wiley, 1969), klorofylli a löytyy kaikissa fotosynteesi kasvit. On myös bakteerivariantti, joka on sopivasti nimetty bakterioklorofylli, joka imee infrapunavalon. Tämä pigmentti näkyy pääasiassa violetti ja vihreitä bakteereja, jotka suorittavat anoksigeenisen fotosynteesin.
  • Karotenoidit: Nämä punaiset, oranssit tai keltaiset pigmentit absorboivat sinertävän vihreää valoa. Esimerkkejä karotenoideista ovat ksantofyllit (keltainen) ja karoteenit (oranssi), joista porkkanat saavat värinsä.
  • Phycobilit: Nämä punaiset tai siniset pigmentit absorboivat valon aallonpituuksia, joita klorofyllit ja karotenoidit eivät ole niin hyvin imeytyneet. Ne näkyvät sinileväkkeissä ja punaisissa levissä.

plastidien

Fotosynteettiset eukaryoottiset organismit sisältävät organisseja, joita kutsutaan plastideiksi sytoplasmissaan. Kasvissa ja levissä olevat kaksoiskalvotut plastidit kutsutaan primääripeptideiksi, kun taas planktonissa esiintyvä monikompaaninen lajike on nimeltään sekundaariset plastidit, Cheong Xin Chanin ja Debashish Bhattacharyan julkaisun Nature Education -lehden artikkelissa Rutgers Universityn tutkijat New Jersey.

Plastidit sisältävät yleensä pigmenttejä tai voivat varastoida ravinteita. Värittömiä ja ei-pigmentoituneita leukoplastteja varastoivat rasvoja ja tärkkelystä, kun taas kromoplastien sisältämät karotenoidit ja kloroplastiat sisältävät klorofylliä, kuten Geoffrey Cooperin kirja "Solu: Molekyylinen lähestymistapa" (Sinauer Associates, 2000) on selittänyt.

Fotosynteesi tapahtuu kloroplasteissa; erityisesti grana- ja stroma-alueilla. Grana on organellin sisimmän osan; levyjen muotoisten kalvojen kokoelma, joka on pinottu sarakkeisiin, kuten levyihin. Yksittäisiä levyjä kutsutaan thylakoidiksi. Tässä on elektronien siirto. Granan sarakkeiden väliset tyhjät väliset tilat muodostavat stroman.

Klooroplastit ovat samanlaisia ​​kuin mitokondriot, solujen energiakeskukset, sillä niillä on oma genomi tai geenien kokoelma, jotka sisältyvät pyöreään DNA: han.Nämä geenit koodaavat organelleille ja fotosynteesille välttämättömiä proteiineja. Kuten mitokondrioiden, myös kloroplastien uskotaan olevan peräisin primitiivisistä bakteerisoluista endosymbioosin prosessin kautta.

"Plastidit ovat peräisin omaksuneista fotosynteettisistä bakteereista, joita yksisoluinen eukaryootti solu hankki yli miljardi vuotta sitten", Baum kertoi WordsSideKick.comille. Baum selitti, että kloroplastigeenien analyysi osoittaa, että se oli kerran ryhmän syanobakteerien jäsen, "yksi ainoa ryhmä bakteereja, jotka pystyvät aikaansaamaan happisen fotosynteesin".

Vuoden 2010 artikkelissaan Chan ja Bhattacharya muistuttavat, että sekundaaristen plastidien muodostumista ei voida selittää hyvin syanobakteerien endosymbiosilla ja että tämän luokan plastidien alkuperää on edelleen keskustelunaihe.

antennit

Pigmenttimolekyyleihin liittyy proteiineja, jotka antavat heille joustavuuden siirtyä kohti valoa ja toisiaan kohti. Suuri kokoelma 100-5000 pigmentti-molekyyliä muodostaa "antennit", artikkelin artikkelin Wim Vermaas, professori Arizona State University. Nämä rakenteet kykenevät tehokkaasti ottamaan valoa auringosta, fotonien muodossa.

Viime kädessä valoenergia on siirrettävä pigmenttiproteiinikompleksiin, joka voi muuntaa sen kemialliseksi energiaksi elektronina. Kasveissa esimerkiksi kevytenergia siirretään klorofylliepigmentteihin. Kemiallisen energian muuntaminen tapahtuu, kun klorofylliepigmentti karkottaa elektronin, joka voi sitten siirtyä sopivaan vastaanottajaan.

Reaktiokeskukset

Pigmentit ja proteiinit, jotka muuttavat valoa energiaan kemialliseen energiaan ja alkavat elektronin siirron prosessin, tunnetaan reaktiokeskuksina.

Fotosynteettinen prosessi

Kasvien fotosynteesin reaktiot jaetaan niihin, jotka edellyttävät auringonvalon ja niitä, jotka eivät. Molemmat reaktiotyypit tapahtuvat kloroplaseissa: valoa riippuvat reaktiot stykoidissa ja valoa riippumattomista reaktioista stromassa.

Valon riippuvaiset reaktiot (kutsutaan myös kevyiksi reaktioiksi): Kun valonfoni osuu reaktiokeskukseen, pigmenttimolekyyli, kuten klorofylli, vapauttaa elektronin.

"Hyödyllistä työtä koskeva temppu on estää elektronien menemästä takaisin alkuperäiseen kotiinsa", Baum kertoi WordsSideKick.comille. "Tämä ei ole helposti vältettävissä, koska klorofylle on nyt" elektronin reikä ", joka pyrkii vetämään lähellä olevia elektroneja."

Vapautunut elektroni pystyy välttämään kulkemalla elektronin kuljetusketjun läpi, mikä tuottaa ATP: n (adenosiinitrifosfaatin, kemiallisten solujen lähteen lähteen) ja NADPH: n tuottamiseen tarvittavan energian. Alkuperäisessä klorofylliepigmentissä oleva "elektronireikä" täytetään ottamalla elektronia vedestä. Tämän seurauksena happea vapautuu ilmakehään.

Valon itsenäiset reaktiot (kutsutaan myös tummiksi reaktioiksi ja tunnetaan nimellä Calvin-sykli): Valo reaktiot tuottavat ATP: tä ja NADPH: ta, jotka ovat rikkaita energialähteitä, jotka ajavat tummia reaktioita. Kolme kemiallista reaktiovaihetta muodostavat Calvin-syklin: hiilen kiinnittämisen, vähentämisen ja regeneroinnin. Nämä reaktiot käyttävät vettä ja katalyyttejä. Hiilidioksidista peräisin olevat hiiliatomeet ovat "kiinteitä", kun ne on rakennettu orgaanisiin molekyyleihin, jotka lopulta muodostavat hiilen hiilen sokereita. Näitä sokereita käytetään sitten glukoosin valmistamiseen tai kierrätetään uudelleen Calvin-syklin käynnistämiseksi uudelleen.

Tämä kesäkuussa 2010 julkaistu satelliittikuva kuvaa Etelä-Kalifornian kalalajien kasvatusta.

Tämä kesäkuussa 2010 julkaistu satelliittikuva kuvaa Etelä-Kalifornian kalalajien kasvatusta.

Luotto: PNNL, QuickBird-satelliitti

Fotosynteesi tulevaisuudessa

Fotosynteettiset organismit ovat mahdollinen keino tuottaa puhtaasti poltettavia polttoaineita, kuten vetyä tai jopa metaania. Viime aikoina tutkimusryhmä Turun yliopistossa Suomessa hyödynsi vihreiden levien kykyä tuottaa vetyä. Vihreä levä voi tuottaa vetyä muutaman sekunnin ajan, jos ne altistuvat ensin pimeille, anaerobisille (hapettomille) olosuhteille ja altistuvat valolle. Joukkue loi keinon laajentaa vihreiden levien vedyn tuotantoa jopa kolmeen päivään 2018 julkaistussa artikkelissa Energy & Environmental Science.

Tutkijat ovat myös edistyneet keinotekoisen fotosynteesin alalla. Esimerkiksi Kalifornian yliopistossa Berkeley'n tutkijoiden ryhmä kehitti keinotekoisen järjestelmän hiilidioksidin talteenottoon nanohampaiden avulla tai johtoja, joiden läpimitta on muutama miljarditti metriä. Johdot syötetään mikrobien järjestelmään, joka vähentää hiilidioksidia polttoaineiksi tai polymeereiksi käyttämällä auringonvalolta peräisin olevaa energiaa. Tiimi julkaisi suunnitelmansa vuonna 2015 Nano Letters -lehdessä.

Vuonna 2016 tämän saman ryhmän jäsenet julkaisivat Science-lehdessä tutkimuksen, jossa kuvataan toinen keinotekoinen fotosynteesijärjestelmä, jossa erityisesti suunniteltuja bakteereita käytettiin nestemäisten polttoaineiden tuottamiseen auringonvalolta, vedeltä ja hiilidioksidilta. Yleensä kasvit kykenevät käyttämään vain noin prosentin aurinkoenergiaa ja käyttävät sitä tuottamaan orgaanisia yhdisteitä fotosynteesin aikana. Sen sijaan tutkijoiden keinotekoinen järjestelmä pystyi hyödyntämään 10 prosenttia aurinkoenergiasta orgaanisten yhdisteiden tuottamiseen.

Luonnollisten prosessien jatkuva tutkimus, kuten fotosynteesi, auttaa tutkijoita kehittämään uusia tapoja hyödyntää erilaisia ​​uusiutuvan energian lähteitä. Koska auringonvalo, kasvit ja bakteerit ovat kaikkialla kaikkialla, napauttamalla fotosynteesin voimaa on looginen askel puhtaiden polttojen ja hiilineutraalien polttoaineiden luomiseksi.

Lisäresurssit:

  • Kalifornian yliopisto, Berkeley: Photosynthetic Pigments
  • Arizona State University: Johdatus fotosynteesiin ja sen sovelluksiin
  • Illinoisin yliopisto Urbana-Champaignissa: Mikä on fotosynteesi?


Video Täydentää: Yhteyttäminen.




FI.WordsSideKick.com
Kaikki Oikeudet Pidätetään!
Jäljentämistä Materiaalien Sallittu Vain Prostanovkoy Aktiivinen Linkki Sivustoon FI.WordsSideKick.com

© 2005–2019 FI.WordsSideKick.com