Fotosinteza je proces koji koriste biljke, alge i određene bakterije kako bi iskoristili energiju sunčeve svjetlosti i pretvorili je u kemijsku energiju. Ovdje ćemo opisati opća načela fotosinteze i istaknuti kako znanstvenici proučavaju ovaj prirodni proces kako bi pomogli razviti čista goriva i izvore obnovljive energije.
Vrste fotosinteze
Postoje dvije vrste fotosintetskih procesa: fotosinteza kisika i anoksigena fotosinteza. Opća načela anoksigene i kisikove fotosinteze vrlo su slična, ali kisična fotosinteza je najčešća i vidi se u biljkama, algama i cijanobakterijama.
Tijekom kisikove fotosinteze svjetlosna energija prenosi elektrone iz vode (H2O) do ugljičnog dioksida (CO)2), za proizvodnju ugljikohidrata. U ovom prijenosu, CO2 "smanjuje se" ili prima elektrone, a voda postaje "oksidirana" ili gubi elektrone. U konačnici, kisik se proizvodi zajedno s ugljikohidratima.
Oksigena fotosinteza djeluje kao protuteža disanju uzimajući ugljični dioksid koji stvaraju svi disi i ponovno unosi kisik u atmosferu.
S druge strane, anoksigena fotosinteza koristi donore elektrona osim vode. Proces se obično događa u bakterijama poput purpurnih bakterija i bakterija zelenog sumpora, koje se uglavnom nalaze u različitim vodenim staništima.
"Anoksigena fotosinteza ne stvara kisik - otuda i ime", rekao je David Baum, profesor botanike na Sveučilištu Wisconsin-Madison. "Što će se proizvesti ovisi o davatelju elektrona. Na primjer, mnoge bakterije koriste plinoviti sumporovodik, koji miriše na jaja, stvarajući čvrst sumpor kao nusprodukt."
Iako su obje vrste fotosinteze složene, višestepene stvari, cjelokupni se proces može lijepo sažeti kao kemijska jednadžba.
Oksigena fotosinteza piše se na sljedeći način:
6CO2 + 12H2O + svjetlosna energija → C6H12O6 + 6O2 + 6H2O
Ovdje je šest molekula ugljičnog dioksida (CO2) kombinirati s 12 molekula vode (H2O) koristeći svjetlosnu energiju. Krajnji rezultat je stvaranje jedne molekule ugljikohidrata (C)6H12O6ili glukoze), zajedno sa šest molekula svakog kisika i vode koji se udišu.
Slično tome, različite reakcije fotosinteze anoksigenih oblika mogu se predstaviti kao jedna generalizirana formula:
CO2 + 2H2A + svjetlosna energija → + 2A + H2O
Slovo A u jednadžbi je varijabla i H2A predstavlja potencijalnog davatelja elektrona. Na primjer, A može predstavljati sumpor u vodikovom sulfidu koji donira elektrone (H2S), objasnili su Govindjee i John Whitmarsh, biljni biolozi na Sveučilištu Illinois u Urbana-Champaignu, u knjizi "Pojmovi u fotobiologiji: fotosinteza i fotomorfogeneza" (Narosa Publishers i Kluwer Academic, 1999).
Fotosintetski aparat
Slijede stanične komponente bitne za fotosintezu.
pigmenti
Pigmenti su molekule koje biljkama daju boju, algama i bakterijama, ali su odgovorne i za učinkovito hvatanje sunčeve svjetlosti. Pigmenti različitih boja apsorbiraju različite valne duljine svjetlosti. Ispod su tri glavne skupine.
- Klorofili: Ovi pigmenti zelene boje sposobni su zarobiti plavu i crvenu svjetlost. Klorofili imaju tri podvrste, nazvane klorofil a, klorofil b i klorofil c. Prema Eugene Rabinowitch i Govindjee u svojoj knjizi "Fotosinteza" (Wiley, 1969), klorofil a nalazi se u svim biljkama za fotosintezu. Postoji i bakterijska inačica koju je primjereno nazvao bakterioklorofil, koja apsorbira infracrvenu svjetlost. Taj se pigment uglavnom vidi u ljubičastoj i zelenoj bakteriji, koja vrši anoksigenu fotosintezu.
- Karotenoidi: Ovi pigmenti crvene, narančaste ili žute boje apsorbiraju plavkasto-zelenu svjetlost. Primjeri karotenoida su ksantofil (žuta) i karoten (narančasta) od kojih mrkva dobiva svoju boju.
- Fikobilini: Ovi crveni ili plavi pigmenti apsorbiraju valne duljine svjetlosti koje klorofili i karotenoidi nisu dobro apsorbirali. Oni se vide u cijanobakterijama i crvenim algama.
plastida
Fotosintetski eukariotski organizmi sadrže organele nazvane plastide u svojoj citoplazmi. Dvokomponentni plastidi u biljkama i algama nazivaju se primarnim plastidama, dok se višečlana raznolikost pronađena u planktonu naziva sekundarnim plastidima, prema članku u časopisu Nature Education Cheong Xin Chan i Debashish Bhattacharya, istraživačima sa Sveučilišta Rutgers u New Jerseyu.
Plastide obično sadrže pigmente ili mogu pohraniti hranjive tvari. Bezbojni i nepigmentirani leukoplasti pohranjuju masti i škrob, dok kromoplasti sadrže karotenoide, a kloroplasti sadrže klorofil, kao što je objašnjeno u knjizi Geoffreyja Coopera, "Stanica: Molekularni pristup" (Sinauer Associates, 2000).
Fotosinteza se događa u kloroplastima; konkretno, u predjelima grane i strome. Grana je unutarnji dio organele; kolekcija membrana u obliku diska, složene u stupove poput ploča. Pojedinačni diskovi nazivaju se tilakoidi. Ovdje se događa prijenos elektrona. Prazni prostori između stubova grane čine stromu.
Kloroplasti su slični mitohondrijama, energetskim centrima stanica, po tome što imaju svoj genom, ili kolekciju gena, koji se nalaze unutar kružne DNK. Ti geni kodiraju proteine koji su neophodni za organelu i za fotosintezu. Poput mitohondrija, smatra se da kloroplasti potječu iz primitivnih bakterijskih stanica kroz proces endosimbioze.
"Plastidi potječu iz zaokupljenih fotosintetskih bakterija koje su stekle jednocjenom eukariotskom stanicom prije više od milijardu godina", rekao je Baum za Live Science. Baum je objasnio da analiza gena za kloroplast pokazuje da je on nekoć bio član skupine cijanobakterija, "one grupe bakterija koje mogu provesti fotosintezu kisika".
Chan i Bhattacharya u svom članku iz 2010. godine ističu da stvaranje sekundarnih plastida ne može se dobro objasniti endosimbiozom cijanobakterija, te da je porijeklo ove klase plastida još uvijek predmet rasprave.
antene
Molekule pigmenta povezane su s proteinima, što im omogućava fleksibilnost u kretanju prema svjetlu i prema drugoj. Velika zbirka od 100 do 5000 molekula pigmenta tvori "antene", navodi se u članku Wima Vermaasa, profesora sa Državnog sveučilišta u Arizoni. Ove strukture učinkovito uzimaju svjetlosnu energiju iz sunca, u obliku fotona.
Konačno, svjetlosna energija mora se prenijeti u pigmentno-proteinski kompleks koji ga može pretvoriti u kemijsku energiju, u obliku elektrona. Na primjer, u biljkama se svjetlosna energija prenosi klorofilnim pigmentima. Pretvorba u kemijsku energiju postiže se kad klorofilni pigment istisne elektron, koji može prijeći na odgovarajućeg primatelja.
Reakcijski centri
Pigmenti i proteini koji pretvaraju svjetlosnu energiju u kemijsku energiju i započinju proces prijenosa elektrona poznati su kao reakcijski centri.
Proces fotosinteze
Reakcije fotosinteze biljaka dijele se na one koje zahtijevaju prisustvo sunčeve svjetlosti i one koje to nemaju. Obe vrste reakcija odvijaju se u kloroplastima: reakcije ovisne o svjetlu u tilakoidu i reakcije neovisne o svjetlu u stromi.
Reakcije ovisne o svjetlu (naziva se i reakcija svjetlosti): Kad foton svjetlosti udari u reakcijski centar, molekula pigmenta poput klorofila oslobađa elektron.
"Trik da učinite koristan posao je spriječiti da se taj elektron nađe u svom izvornom domu", rekao je Baum za Live Science. "To se nije lako izbjeći, jer klorofil sada ima 'elektronsku rupu' koja ima tendenciju povlačenja obližnjih elektrona."
Oslobođeni elektron uspijeva pobjeći putujući kroz transportni lanac elektrona koji stvara energiju potrebnu za proizvodnju ATP-a (adenozin-trifosfat, izvor kemijske energije za stanice) i NADPH. "Rupa elektrona" u izvornom pigmentu klorofila popunjava se uzimanjem elektrona iz vode. Kao rezultat, kisik se oslobađa u atmosferu.
Reakcije neovisne o svjetlu (koja se također naziva mračne reakcije i poznata kao Calvin ciklus): svjetlosne reakcije proizvode ATP i NADPH, koji su bogati izvori energije koji pokreću tamne reakcije. Tri kemijska reakcijska kora čine Calvin ciklus: fiksacija ugljika, smanjenje i regeneracija ugljika. Ove reakcije koriste vodu i katalizatore. Ugljični atomi iz ugljičnog dioksida su "fiksni", kada su ugrađeni u organske molekule koje u konačnici tvore tri ugljikova šećera. Ti se šećeri tada upotrebljavaju za stvaranje glukoze ili se recikliraju kako bi se ponovno pokrenuo ciklus Calvin.
Fotosinteza u budućnosti
Fotosintetski organizmi su mogući načini za stvaranje goriva koje čiste izgaraju poput vodika ili čak metana. Nedavno je istraživačka grupa na Sveučilištu u Turku u Finskoj iskoristila sposobnost zelenih algi da proizvode vodik. Zelene alge mogu proizvesti vodik nekoliko sekundi ako su prvo izložene tamnim, anaerobnim (bez kisika) uvjetima, a zatim izložene svjetlu. Tim je osmislio način za produženje proizvodnje vodika u zelenim algama do tri dana, kako je navedeno u Studija za 2018. godinu objavljena u časopisu Energy & Environmental Science.
Znanstvenici su također postigli napredak na području umjetne fotosinteze. Na primjer, grupa istraživača sa Sveučilišta u Berkeleyu u Kaliforniji, razvila je umjetni sustav za hvatanje ugljičnog dioksida pomoću nanovodi ili žica promjera nekoliko milijardi. Žice se napajaju u sustav mikroba koji smanjuju ugljični dioksid u goriva ili polimere pomoću energije sunčeve svjetlosti. Tim je svoj dizajn objavio 2015. godine u časopisu Nano Letters.
Članovi iste skupine objavili su 2016. u časopisu Science koja je opisala još jedan umjetni fotosintetski sustav u kojem su posebno dizajnirane bakterije korištene za stvaranje tekućih goriva koristeći sunčevu svjetlost, vodu i ugljični dioksid. Općenito, biljke mogu iskoristiti samo oko jedan posto sunčeve energije i koristiti je za proizvodnju organskih spojeva tijekom fotosinteze. Suprotno tome, umjetni sustav istraživača bio je u mogućnosti iskoristiti 10 posto sunčeve energije za proizvodnju organskih spojeva.
Kontinuirana istraživanja prirodnih procesa, poput fotosinteze, pomažu znanstvenicima u razvoju novih načina korištenja različitih izvora obnovljive energije. Gledanje sunčeve svjetlosti, biljaka i bakterija sve je prisutno, a iskorištavanje snage fotosinteze logičan je korak za stvaranje goriva koje čiste i sakupljaju ugljik.
Dodatna sredstva:
