Какво Е Фотосинтезата?

{h1}

Фотосинтезата е процесът, използван от растенията, водораслите и някои бактерии, за да извлекат енергия от слънчевата светлина и да я превърнат в химическа енергия.

Фотосинтезата е процесът, използван от растенията, водораслите и някои бактерии, за да извлекат енергия от слънчевата светлина и да я превърнат в химическа енергия. Тук описваме основните принципи на фотосинтезата и подчертаваме как учените изучават този естествен процес, за да помогнат за разработването на чисти горива и източници на възобновяема енергия.

Видове фотосинтеза

Има два вида фотосинтетични процеси: кислородна фотосинтеза и аноксигенна фотосинтеза. Общите принципи на аноксигенна и кислородна фотосинтеза са много сходни, но кислородната фотосинтеза е най-често срещана и се наблюдава при растения, водорасли и цианобактерии.

По време на кислородната фотосинтеза светлинната енергия предава електрони от водата (H2О) до въглероден диоксид (СО)2), за производство на въглехидрати. В този трансфер СО2 е "редуциран" или получава електрони, а водата става "окислена" или губи електрони. В крайна сметка кислородът се произвежда заедно с въглехидратите.

Кислородна фотосинтеза функционира като противовес на дишането чрез поемане на въглероден диоксид, произведен от всички дихателни организми и повторно въвеждане на кислород в атмосферата.

От друга страна, за аноксигенна фотосинтеза се използват донори на електрон, различни от вода. Обикновено процесът протича при бактерии като лилави бактерии и зелени серни бактерии, които се намират предимно в различни водни местообитания.

"Аноксигенната фотосинтеза не произвежда кислород - оттук и името", казва Дейвид Баум, професор по ботаника в Университета на Уисконсин-Медисън. "Това, което се произвежда, зависи от донора на електрон. Например, много бактерии използват газовия сероводород с мирис на лоши яйца, произвеждайки твърда сяра като страничен продукт."

Въпреки че и двата вида фотосинтеза са сложни, многостъпални работи, цялостният процес може да бъде добре обобщен като химическо уравнение.

Кислородна фотосинтеза се записва, както следва:

6CO2 + 12Н2O + светлинна енергия → C6Н12О6 + 6O2 + 6Н2О

Ето, шест молекули въглероден диоксид (CO2) се комбинира с 12 молекули вода (H2О) използване на светлинна енергия. Крайният резултат е образуването на единична въглехидратна молекула (С6Н12О6или глюкоза), заедно с шест молекули всяка дишаща кислород и вода.

По подобен начин, различните реакции на фотосинтеза на аноксигени могат да бъдат представени като единна обобщена формула:

CO2 + 2Н2A + светлинна енергия → [CH20] + 2А + Н2О

Буквата А в уравнението е променлива и H2А представлява потенциалния донор на електрон. Например, А може да представлява сяра в електронодородния сероводород (H2S), обясниха Говинджи и Джон Уитмарш, растителни биолози от Университета на Илинойс в Урбана-Шампейн, в книгата „Концепции във фотобиологията: фотосинтеза и фотоморфогенезата“ (Narosa Publishers and Kluwer Academic, 1999).

Растенията се нуждаят от енергия от слънчевата светлина, за да се случи фотосинтезата.

Растенията се нуждаят от енергия от слънчевата светлина, за да се случи фотосинтезата.

Кредит: Shutterstock

Фотосинтетичният апарат

По-долу са клетъчните компоненти от съществено значение за фотосинтезата.

Пигменти

Пигментите са молекули, които дават цвят на растенията, водораслите и бактериите, но те също са отговорни за ефективното улавяне на слънчевата светлина. Пигментите с различни цветове поглъщат различна дължина на вълната на светлината. По-долу са трите основни групи.

  • Хлорофили: Тези пигменти със зелен цвят са способни да улавят синята и червената светлина. Хлорофилите имат три подтипа, наричани хлорофил a, хлорофил b и хлорофил c. Според Eugene Rabinowitch и Govindjee в книгата им „Фотосинтеза“ (Wiley, 1969), хлорофилът a се намира във всички фотосинтезиращи растения. Има и бактериален вариант, подходящо наречен бактериохлорофил, който абсорбира инфрачервената светлина. Този пигмент се наблюдава главно в лилави и зелени бактерии, които извършват аноксигенна фотосинтеза.
  • Каротеноиди: Тези червени, оранжеви или жълто оцветени пигменти абсорбират синкаво-зелена светлина. Примери за каротеноиди са ксантофил (жълт) и каротин (оранжев), от които морковите получават своя цвят.
  • Фикобилини: Тези червени или сини пигменти абсорбират дължината на вълната на светлината, която не се абсорбира толкова добре от хлорофилите и каротеноидите. Те се наблюдават в цианобактерии и червени водорасли.

пластиди

Фотосинтетичните еукариотни организми съдържат органели, наречени пластиди, в цитоплазмата си. Двумембранните пластиди в растенията и водораслите се наричат ​​първични пластиди, докато многообразният сорт, открит в планктона, се нарича вторични пластиди, според статия в списанието Nature Education от Cheong Xin Chan и Debashish Bhattacharya, изследователи от университета в Rutgers в Ню Джърси.

Пластидите обикновено съдържат пигменти или могат да съхраняват хранителни вещества. Безцветните и непигментирани левкопласти съхраняват мазнини и нишесте, докато хромопластите съдържат каротеноиди, а хлоропластите съдържат хлорофил, както е обяснено в книгата на Джефри Купър „Клетката: Молекулен подход“ (Sinauer Associates, 2000).

Фотосинтезата се осъществява в хлоропластите; по-специално в граната и стромата региони. Граната е най-вътрешната част на органелата; колекция от мембрани във формата на диск, подредени в колони като плочи. Отделните дискове се наричат ​​тилакоиди. Именно тук се извършва преносът на електрони. Празните пространства между колоните от грана представляват стромата.

Хлоропластите са подобни на митохондриите, енергийните центрове на клетките, тъй като имат собствен геном или колекция от гени, съдържащи се в кръговата ДНК. Тези гени кодират протеини, важни за органелата и за фотосинтезата. Подобно на митохондриите, също така се смята, че хлоропластите произхождат от примитивни бактериални клетки през процеса на ендосимбиоза.

"Пластидите произлизат от погълнати фотосинтетични бактерии, които са били придобити от едноклетъчна еукариотна клетка преди повече от милиард години", каза Баум пред WordsSideKick.com. Баум обясни, че анализът на хлоропластните гени показва, че някога той е бил член на групата цианобактерии, „една група бактерии, които могат да осъществят кислородна фотосинтеза“.

В своята статия от 2010 г. Чан и Бхатачария посочват, че образуването на вторични пластиди не може да се обясни добре с ендосимбиозата на цианобактериите и че произходът на този клас пластиди все още е въпрос на дискусия.

Антени

Пигментните молекули са свързани с протеини, което им позволява гъвкавостта да се движат към светлина и една към друга. Голяма колекция от 100 до 5000 пигментни молекули представлява "антени", според статия на Уим Вермаас, професор от Аризонския държавен университет. Тези структури ефективно улавят светлината от слънцето под формата на фотони.

В крайна сметка светлинната енергия трябва да бъде прехвърлена в пигментно-протеинов комплекс, който може да я преобразува в химическа енергия, под формата на електрони. В растенията например светлинната енергия се прехвърля към хлорофилни пигменти. Преобразуването в химическа енергия се осъществява, когато хлорофилният пигмент изхвърля електрон, който след това може да премине към подходящ реципиент.

Реакционни центрове

Пигментите и протеините, които превръщат светлинната енергия в химическа енергия и започват процеса на пренос на електрон, са известни като реакционни центрове.

Фотосинтетичният процес

Реакциите на фотосинтезата на растенията се делят на тези, които изискват присъствието на слънчева светлина, и тези, които не. И двата типа реакции протичат в хлоропластите: светлозависими реакции в тилакоидите и реакции, независими от светлината в стромата.

Светлозависими реакции (наричана също светлинни реакции): Когато фотон светлина удари реакционния център, пигментна молекула като хлорофил освобождава електрон.

„Номерът да свърши полезна работа е да попречи на този електрон да намери пътя си обратно към първоначалния си дом“, каза Баум пред WordsSideKick.com. „Това не се избягва лесно, тъй като в момента на хлорофила има„ електронна дупка “, която има тенденция да дърпа близките електрони.“

Освободеният електрон успява да избяга, пътувайки през електронна транспортна верига, която генерира енергията, необходима за производството на АТФ (аденозин трифосфат, източник на химическа енергия за клетките) и NADPH. „Електронната дупка“ в оригиналния пигмент хлорофил се запълва чрез вземане на електрон от вода. В резултат на това кислородът се отделя в атмосферата.

Светлинно независими реакции (наричани също тъмни реакции и известни като цикъл на Калвин): Светлинните реакции произвеждат ATP и NADPH, които са богатите енергийни източници, които предизвикват тъмни реакции. Три етапа на химическа реакция съставят цикъла на Калвин: фиксиране, намаляване и регенериране на въглерод. Тези реакции използват вода и катализатори. Въглеродните атоми от въглеродния диоксид са "фиксирани", когато са вградени в органични молекули, които в крайна сметка образуват три въглеродни захари. След това тези захари се използват за производството на глюкоза или се рециклират, за да се започне цикълът на Калвин отново.

Тази сателитна снимка през юни 2010 г. показва езера, отглеждащи водорасли в южна Калифорния.

Тази сателитна снимка през юни 2010 г. показва езера, отглеждащи водорасли в южна Калифорния.

Кредит: PNNL, сателит QuickBird

Фотосинтеза в бъдеще

Фотосинтетичните организми са възможно средство за генериране на горива с чисто гориво като водород или дори метан. Наскоро изследователска група в Университета в Турку във Финландия се възползва от способността на зелените водорасли да произвеждат водород. Зелените водорасли могат да произвеждат водород за няколко секунди, ако първо са изложени на тъмни, анаеробни (без кислород) условия и след това са изложени на светлина Екипът измисли начин да удължи производството на водород в зелените водорасли до три дни, както се съобщава в Изследване за 2018 г., публикувано в списанието Energy & Environmental Science.

Учените също постигнаха напредък в областта на изкуствената фотосинтеза. Например група изследователи от Калифорнийския университет в Бъркли разработиха изкуствена система за улавяне на въглероден диоксид с помощта на нанопроводници или проводници с диаметър няколко милиарда от метър. Проводниците се захранват в система от микроби, които намаляват въглеродния диоксид в горива или полимери, като използват енергия от слънчевата светлина. Екипът публикува своя дизайн през 2015 г. в списанието Nano Letters.

През 2016 г. членовете на същата тази група публикуват проучване в списание Science, което описва друга изкуствена фотосинтетична система, в която специално създадени бактерии са използвани за създаване на течни горива, използвайки слънчева светлина, вода и въглероден диоксид. Като цяло растенията са в състояние да извлекат само около един процент от слънчевата енергия и да я използват за производството на органични съединения по време на фотосинтеза. За разлика от тях, изкуствената система на изследователите успя да използва 10 процента от слънчевата енергия за производство на органични съединения.

Непрекъснатите изследвания на природни процеси, като фотосинтеза, помагат на учените да разработят нови начини за използване на различни източници на възобновяема енергия. Виждайки като слънчева светлина, растенията и бактериите са повсеместни, използването на силата на фотосинтезата е логична стъпка за създаване на гориво с чисто гориво и въглерод-неутрални.

Допълнителни ресурси:

  • Университет на Калифорния, Бъркли: Фотосинтетични пигменти
  • Аризонски държавен университет: Въведение във фотосинтезата и нейните приложения
  • Университетът на Илинойс в Урбана-Шампан: Какво е фотосинтезата?


Видео Добавка: The simple story of photosynthesis and food - Amanda Ooten.




Изследване


Древно Цунами Се Промъкна През Швейцарското Езеро
Древно Цунами Се Промъкна През Швейцарското Езеро

Тръбопроводът Keystone Xl Ще Причини Щети Отвъд Разливите (Op-Ed)
Тръбопроводът Keystone Xl Ще Причини Щети Отвъд Разливите (Op-Ed)

Наука Новини


Europa Може Да Има 50-Футови Шипове Върху Повърхността Си, Които Могат Да Унищожат Гостуващите Космически Кораби
Europa Може Да Има 50-Футови Шипове Върху Повърхността Си, Които Могат Да Унищожат Гостуващите Космически Кораби

Новооткритата 'Звездна Джудже Жаба' Носи Галактика На Гърба Си, Крие Се В Мъртви Листа
Новооткритата 'Звездна Джудже Жаба' Носи Галактика На Гърба Си, Крие Се В Мъртви Листа

Защо Жените Са По-Склонни Да Боледуват От Алцхаймер
Защо Жените Са По-Склонни Да Боледуват От Алцхаймер

Виновникът На Смъртоносната Тибетска Лавина: Климатичните Промени
Виновникът На Смъртоносната Тибетска Лавина: Климатичните Промени

Възстановяване На Женска Панда След Изкуствено Осеменяване
Възстановяване На Женска Панда След Изкуствено Осеменяване


BG.WordsSideKick.com
Всички Права Запазени!
Възпроизвеждането На Използваните Материали Оставя Само Prostanovkoy Активна Връзка Към Сайта BG.WordsSideKick.com

© 2005–2019 BG.WordsSideKick.com