Fotosyntéza je proces používaný rostlinami, řasami a určitými bakteriemi k využití energie ze slunečního světla a její přeměně na chemickou energii. Zde popisujeme obecné principy fotosyntézy a zdůrazňujeme, jak vědci studují tento přirozený proces, aby pomohli vyvinout čistá paliva a zdroje obnovitelné energie.
Typy fotosyntézy
Existují dva typy fotosyntetických procesů: kyslíková fotosyntéza a anoxygenní fotosyntéza. Obecné principy anoxygenní a kyslíkové fotosyntézy jsou velmi podobné, ale kyslíková fotosyntéza je nejčastější a vyskytuje se u rostlin, řas a sinic.
Během kyslíkové fotosyntézy přenáší světelná energie elektrony z vody (H2O) na oxid uhličitý (CO2), k výrobě sacharidů. Při tomto převodu CO2 je "redukován" nebo přijímá elektrony a voda se stává "oxidovanou" nebo ztrácí elektrony. Nakonec se kyslík vytváří spolu s uhlohydráty.
Oxygenní fotosyntéza funguje jako protiváha dýchání tím, že přijímá oxid uhličitý produkovaný všemi dýchacími organismy a znovu zavádí kyslík do atmosféry.
Na druhé straně anoxygenní fotosyntéza používá donory elektronů jiné než voda. Tento proces se obvykle vyskytuje u bakterií, jako jsou fialové bakterie a zelené sírové bakterie, které se primárně nacházejí v různých vodních stanovištích.
„Anoxygenní fotosyntéza neprodukuje kyslík - odtud název,“ řekl David Baum, profesor botaniky na University of Wisconsin-Madison. „To, co se vyrábí, závisí na dárci elektronů. Například mnoho bakterií používá sirovodík, který páchá na špatných vejcích, a vytváří jako vedlejší produkt tuhou síru.“
Přestože jsou oba typy fotosyntézy složité, vícestupňové záležitosti, lze celkový proces úhledně shrnout jako chemickou rovnici.
Oxygenní fotosyntéza je psána následovně:
6CO2 + 12H2O + Světelná energie → C6H12Ó6 + 6O2 + 6H2Ó
Zde je šest molekul oxidu uhličitého (CO2) kombinujte s 12 molekulami vody (H2O) pomocí světelné energie. Konečným výsledkem je vytvoření jediné uhlohydrátové molekuly (C6H12Ó6nebo glukóza) spolu se šesti molekulami každého z prodyšného kyslíku a vody.
Podobně lze různé anoxygenní fotosyntetické reakce reprezentovat jako jeden obecný vzorec:
CO2 + 2H2A + Světelná energie → + 2A + H2Ó
Písmeno A v rovnici je proměnná a H2A představuje potenciálního dárce elektronů. Například A může představovat síru v sirovodíku donoru elektronů (H2S), vysvětlili Govindjee a John Whitmarsh, rostlinní biologové na University of Illinois v Urbana-Champaign, v knize „Koncepty v fotobiologii: fotosyntéza a fotomorfogeneze“ (Narosa Publishers and Kluwer Academic, 1999).
Fotosyntetický aparát
Níže jsou uvedeny buněčné komponenty nezbytné pro fotosyntézu.
Pigmenty
Pigmenty jsou molekuly, které propůjčují barvu rostlinám, řasám a bakteriím, ale také jsou zodpovědné za účinné zachycení slunečního světla. Pigmenty různých barev absorbují různé vlnové délky světla. Níže jsou uvedeny tři hlavní skupiny.
- Chlorofyly: Tyto zelené pigmenty jsou schopné zachytit modré a červené světlo. Chlorofyly mají tři podtypy, dabované chlorofyl a, chlorofyl b a chlorofyl c. Podle Eugene Rabinowitche a Govindjeeho ve své knize „Fotosyntéza“ (Wiley, 1969) je chlorofyl a nalezen ve všech fotosyntetizujících rostlinách. Existuje také bakteriální varianta vhodně pojmenovaná bakteriochlorofyl, která absorbuje infračervené světlo. Tento pigment je patrný zejména u fialových a zelených bakterií, které provádějí anoxygenní fotosyntézu.
- Karotenoidy: Tyto červené, oranžové nebo žluté barvy absorbují modrozelené světlo. Příklady karotenoidů jsou xanthophyll (žlutá) a karoten (oranžová), z nichž mrkev získává barvu.
- Fycobiliny: Tyto červené nebo modré pigmenty absorbují vlnové délky světla, které nejsou tak dobře absorbovány chlorofyly a karotenoidy. Jsou vidět u sinic a červených řas.
Plastidy
Fotosyntetické eukaryotické organismy obsahují ve své cytoplazmě organely zvané plastidy. Dvojmembránové plastidy v rostlinách a řasách jsou označovány jako primární plastidy, zatímco mnohotrananové odrůdy nalezené v planktonu se nazývají sekundární plastidy, podle článku v časopise Nature Education od Cheong Xin Chan a Debashish Bhattacharya, vědců z Rutgers University v New Jersey.
Plastidy obvykle obsahují pigmenty nebo mohou ukládat živiny. Bezbarvé a nepigmentované leukoplasty ukládají tuky a škrob, zatímco chromoplasty obsahují karotenoidy a chloroplasty obsahují chlorofyl, jak je vysvětleno v knize Geoffrey Cooper, „The Cell: A Molecular Approach“ (Sinauer Associates, 2000).
Fotosyntéza se vyskytuje v chloroplastech; konkrétně v oblastech grana a stroma. Grana je nejvnitřnější částí organely; soubor membrán ve tvaru disku, naskládaných do sloupů jako desky. Jednotlivé disky se nazývají tylakoidy. Právě zde dochází k přenosu elektronů. Prázdné mezery mezi sloupci grany tvoří stroma.
Chloroplasty jsou podobné mitochondriím, energetickým centrům buněk, v tom, že mají uvnitř kruhové DNA svůj vlastní genom nebo soubor genů. Tyto geny kódují proteiny nezbytné pro organelu a fotosyntézu. Podobně jako mitochondrie se předpokládá, že chloroplasty pocházejí z primitivních bakteriálních buněk procesem endosymbiózy.
„Plastidy pocházely z pohlcených fotosyntetických bakterií, které byly získány eukaryotickou buňkou s celulárními buňkami před více než miliardou let,“ řekl Baum pro Live Science. Baum vysvětlil, že analýza genů chloroplastů ukazuje, že to bylo kdysi členem skupiny cyanobakterií, „jedna skupina bakterií, která může provádět kyslíkovou fotosyntézu“.
Ve svém článku z roku 2010 Chan a Bhattacharya poukazují na to, že formování sekundárních plastidů nelze dobře vysvětlit endosymbiózou sinic, a že původ této třídy plastidů je stále předmětem debaty.
Antény
Pigmentové molekuly jsou spojeny s proteiny, které jim umožňují flexibilitu pohybovat se směrem ke světlu ak sobě. Podle článku Wima Vermaase, profesora na Arizonské státní univerzitě, je velká sbírka 100 až 5 000 molekul pigmentu „anténami“. Tyto struktury účinně zachycují světelnou energii ze slunce ve formě fotonů.
Světelná energie musí být nakonec přenesena do komplexu pigment-protein, který ji dokáže převést na chemickou energii ve formě elektronů. Například v rostlinách se světelná energie přenáší na chlorofylové pigmenty. Přeměna na chemickou energii se dosáhne, když chlorofylový pigment vytlačí elektron, který se pak může přejít k vhodnému příjemci.
Reakční centra
Pigmenty a proteiny, které přeměňují světelnou energii na chemickou energii a zahajují proces přenosu elektronů, se nazývají reakční centra.
Fotosyntetický proces
Reakce rostlinné fotosyntézy jsou rozděleny na ty, které vyžadují přítomnost slunečního světla a ty, které to nevyžadují. Oba typy reakcí probíhají v chloroplastech: reakce závislé na světle u tylakoidů a reakce nezávislé na světle ve stromě.
Světelné reakce (také nazývané světelné reakce): Když foton světla zasáhne reakční centrum, molekula pigmentu, jako je chlorofyl, uvolní elektron.
„Trik, jak udělat užitečnou práci, je zabránit tomu, aby se tento elektron nenašel cestu zpět do svého původního domova,“ řekl Baum Live Science. "Tomu se nedá snadno zabránit, protože chlorofyl nyní má" díru elektronů ", která má tendenci přitahovat blízké elektrony."
Uvolněný elektron dokáže uniknout cestováním přes elektronový transportní řetězec, který vytváří energii potřebnou k produkci ATP (adenosintrifosfát, zdroj chemické energie pro buňky) a NADPH. "Díra elektronů" v původním chlorofylovém pigmentu je vyplněna odebráním elektronu z vody. Výsledkem je uvolňování kyslíku do atmosféry.
Světelné reakce (nazývané také temné reakce a známé jako Calvinův cyklus): Světelné reakce produkují ATP a NADPH, což jsou bohaté zdroje energie, které řídí temné reakce. Kalvinův cyklus tvoří tři chemické reakční kroky: fixace uhlíku, redukce a regenerace. Tyto reakce používají vodu a katalyzátory. Atomy uhlíku z oxidu uhličitého jsou „fixovány“, když jsou zabudovány do organických molekul, které nakonec tvoří tři uhlíkové cukry. Tyto cukry se potom používají k výrobě glukózy nebo se recyklují k opětovnému zahájení Calvinova cyklu.
Fotosyntéza v budoucnosti
Fotosyntetické organismy jsou možným prostředkem k výrobě čistě spalitelných paliv, jako je vodík nebo dokonce metan. Nedávno výzkumná skupina na univerzitě v Turku ve Finsku využila schopnosti zelených řas produkovat vodík. Zelené řasy mohou na několik sekund produkovat vodík, pokud jsou nejprve vystaveny tmavým, anaerobním podmínkám (bez kyslíku) a poté vystaveny světlu. Tým vymyslel způsob, jak prodloužit produkci vodíku v zelených řasách až na tři dny, jak je uvedeno v jejich Studie 2018 publikovaná v časopise Energy & Environmental Science.
Vědci také pokročili v oblasti umělé fotosyntézy. Například skupina vědců z Kalifornské univerzity v Berkeley vyvinula umělý systém k zachycování oxidu uhličitého pomocí nanovláken nebo drátů o průměru několika miliardin metru. Dráty se přivádějí do systému mikrobů, které redukují oxid uhličitý na paliva nebo polymery pomocí energie ze slunečního světla. Tým svůj design zveřejnil v roce 2015 v časopise Nano Letters.
V roce 2016 členové stejné skupiny zveřejnili studii v časopise Science, která popisuje další umělý fotosyntetický systém, ve kterém byly speciálně upravené bakterie použity k výrobě kapalných paliv pomocí slunečního světla, vody a oxidu uhličitého. Obecně jsou rostliny schopny využít pouze jedno procento sluneční energie a použít ji k produkci organických sloučenin během fotosyntézy. Naproti tomu umělý systém vědců dokázal využít 10 procent sluneční energie k výrobě organických sloučenin.
Pokračující výzkum přírodních procesů, jako je fotosyntéza, pomáhá vědcům při vývoji nových způsobů využití různých zdrojů obnovitelné energie. Protože rostliny a bakterie jsou všude všudypřítomné, je využití energie fotosyntézy logickým krokem k vytvoření čistě hořících a uhlíkově neutrálních paliv.
Dodatečné zdroje:
