Πώς λαμβάνει χώρα η αντίδραση φωτοσύνθεσης;
Η ουσία της φωτοσύνθεσης είναι ότι η ενέργεια του ορατού φωτός μετατρέπεται σε
Με άλλα λόγια, με τη βοήθεια της φωτεινής ενέργειας το σώμααφαιρεί τα ηλεκτρόνια από το μόριο και τα μεταφέρει σε μόρια διοξειδίου του άνθρακα, μειώνοντάς τα και μετατρέποντάς τα σε μόρια οργανικής ύλης, τα οποία μπορούν στη συνέχεια να οξειδωθούν ξανά, λαμβάνοντας ενέργεια.
Όλο το σύστημα των αντιδράσεων φωτοσύνθεσης των φυτών σε ένα σχήμα: 6СО2 + 6H2O = γλυκόζη (С6H12О6) + 6О2
Ένα από τα βασικά στάδια αυτού του συγκροτήματος καιδιαδικασία πολλαπλών σταδίων - δέσμευση διοξειδίου του άνθρακα. Όταν συμβεί αυτό, το διοξείδιο του άνθρακα συνδέεται με μια ένωση που ονομάζεται διφωσφορική ριβουλόζη (1,5), ένα σάκχαρο με δύο φωσφορικές ομάδες.
А направляет эту реакцию фермент — рибулозобисфосфаткарбоксилаза, или Рубиско (RuBisCO).
Το RuBisCO είναι ένα ένζυμο που είναι ένα πλήρες σύμπλεγμα 16 αλυσίδων πρωτεΐνης ταυτόχρονα. Τα περισσότερα ένζυμα καταλύουν χιλιάδες χημικούς μετασχηματισμούς κάθε δευτερόλεπτο.
Ωστόσο, ο Rubisco χειρίζεται μόνο 3 έως 10μόρια διοξειδίου του άνθρακα, ανάλογα με τις συνθήκες. Μια τόσο χαμηλή ποιότητα του ενζύμου μπορεί να αντισταθμιστεί μόνο από την ποσότητα του: κατά βάρος, αντιπροσωπεύει έως και το 30% όλων των υδατοδιαλυτών φυτικών πρωτεϊνών, γεγονός που το καθιστά την πιο άφθονη πρωτεΐνη στον πλανήτη.
Χλωροπλάστες στα κύτταρα των φύλλων
Τύποι φωτοσύνθεσης
Οι ζωντανοί οργανισμοί έχουν δύο τύπους χρωστικών που μπορούν να επιτελούν τη λειτουργία των φωτοσυνθετικών δεκτών (κεραιών).
Στη συντριπτική πλειοψηφία των οργανισμών, ο ρόλος των κεραιώνχλωροφύλλη παίζουν? λιγότερο συχνή είναι η περίπτωση στην οποία ο αμφιβληστροειδής παράγωγος της βιταμίνης Α χρησιμεύει ως κεραία. Σύμφωνα με αυτό, διακρίνεται η φωτοσύνθεση χωρίς χλωροφύλλη και χωρίς χλωροφύλλη.
- Φωτοσύνθεση χωρίς χλωροφύλλη
Το σύστημα φωτοσύνθεσης χωρίς χλωροφύλλη είναι διαφορετικόσημαντική απλότητα οργάνωσης, σε σχέση με την οποία θεωρείται εξελικτικά ο κύριος μηχανισμός αποθήκευσης της ενέργειας της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Η απόδοση της φωτοσύνθεσης χωρίς χλωροφύλλη ως μηχανισμός μετατροπής ενέργειας είναι σχετικά χαμηλή (μόνο ένα H + μεταφέρεται ανά απορροφούμενο κβάντο).
- Φωτοσύνθεση χλωροφύλλης
Η φωτοσύνθεση χλωροφύλλης είναι διαφορετική απόβακτηριοδοψίνη με σημαντικά υψηλότερη απόδοση αποθήκευσης ενέργειας. Τουλάχιστον ένα H + μεταφέρεται σε κάθε αποτελεσματικά απορροφούμενο κβάντο ακτινοβολίας έναντι της κλίσης.
Ανοξυγονικό
Η ανοξυγονική (ή ανοξική) φωτοσύνθεση συμβαίνει χωρίς εξέλιξη οξυγόνου. Τα μωβ και πράσινα βακτήρια, καθώς και τα ηλιοβακτήρια, είναι ικανά για ανοξυγονική φωτοσύνθεση.
Οξυγονικός
Οξυγονική ή οξυγονική φωτοσύνθεσησυνοδεύεται από την απελευθέρωση οξυγόνου ως υποπροϊόν. Στην οξυγονική φωτοσύνθεση, συμβαίνει μη κυκλική μεταφορά ηλεκτρονίων, αν και υπό ορισμένες φυσιολογικές συνθήκες, συμβαίνει μόνο η κυκλική μεταφορά ηλεκτρονίων. Ένας εξαιρετικά ασθενής δότης ηλεκτρονίων, το νερό, χρησιμοποιείται ως δότης ηλεκτρονίων σε μια μη κυκλική ροή.
Πείνα στη γεωργία
Ο πληθυσμός της γης παρά το δεύτεροΗ δημογραφική μετάβαση αυξάνεται συνεχώς. Αν μπορούσαμε να αυξήσουμε τη γονιμότητα κατά βούληση αναλογικά με την αύξηση του πληθυσμού, δεν θα υπήρχε μεγάλο πρόβλημα.
Ωστόσο, σήμερα οι άνθρωποι έχουν κατακτήσει περίπου το ένα τρίτοεδάφη κατάλληλα για γεωργία. Σχεδόν όλα τα κατάλληλα εδάφη στη Νότια Ασία, τη Μέση Ανατολή και τη Βόρεια Αμερική έχουν ήδη οργωθεί και η ανάπτυξη των υπόλοιπων περιοχών μας απειλεί με διάβρωση.
Ο τόπος στον πλανήτη μπορεί απλά να τελειώσει, οπότε πρέπει να βρούμε νέους τρόπους για να αυξήσουμε την παραγωγή τροφίμων. Αυτό έχει ήδη γίνει στο παρελθόν.
Η τελευταία φορά που συνέβη αυτό ήταν χάρη στο «πράσινοεπανάσταση "50-70 του περασμένου αιώνα. Στη συνέχεια, η εκτροφή νέων ποικιλιών δημητριακών υψηλής απόδοσης, η εισαγωγή φυτοφαρμάκων και προηγμένων συστημάτων άρδευσης επέτρεψαν την δραματική - σχεδόν διπλάσια - αύξηση της απόδοσης.
Πώς να επιταχύνετε τη φωτοσύνθεση
Ο ακρογωνιαίος λίθος αυτού του προβλήματος είναι το rubisco, ένα ένζυμο που έχουμε ήδη συζητήσει.
Ωστόσο, αυτό αποδείχθηκε ότι δεν ήταν τόσο εύκολο. Η κατευθυνόμενη μεταλλαξογένεση μεμονωμένων υπολειμμάτων αμινοξέων δεν οδήγησε σε αξιοσημείωτα αποτελέσματα.
Σε αυτόν εφαρμόστηκε και η μέθοδος της άμεσης εξέλιξης.ένζυμα: δημιουργεί μια τεράστια συλλογή παραλλαγών γονιδίων Rubisco εισάγοντας τυχαίες μεταλλάξεις. Όλη αυτή η ποικιλία χρησιμοποιήθηκε στο E. coli - Escherichia coli... Χρησιμοποιώντας αυτήν την προσέγγιση, οι ερευνητές μπόρεσαν να αυξήσουν τη δραστηριότητα των κυανοβακτηρίων Rubisco, τα οποία λειτουργούν εξαιρετικά στα κύτταρα του E. coli.
Αλλά μια παρόμοια μέθοδος δεν λειτούργησε με τα φυτά.Επιπλέον, αυτό το ένζυμο συναρμολογείται από μέρη δύο διαφορετικών «κατασκευαστών»: τα γονίδια που κωδικοποιούν τις αλυσίδες Rubisco βρίσκονται όχι μόνο στον πυρήνα του κυττάρου, αλλά και στο γονιδίωμα του χλωροπλάστη, γεγονός που περιπλέκει τον χειρισμό με αυτά. Οι ερευνητές πρέπει να εργαστούν με δύο γονιδιώματα ταυτόχρονα, χρησιμοποιώντας διαφορετικές τεχνικές γενετικής τροποποίησης.
Όμως οι επιστήμονες δεν τα παράτησαν.Σκέφτηκαν μια νέα ιδέα: να αυξήσουν την ποσότητα του ρουμπίσκο, αφού τα φύλλα των φυτών είναι κυριολεκτικά γεμάτα με αυτό. Για να γίνει αυτό, οι συγγραφείς χρησιμοποίησαν μεθόδους ΓΤΟ. Ωστόσο, η υπερέκφραση των γονιδίων Rubisco από μόνη της δεν ήταν αρκετή - Κάτι άλλο έλειπε για τη συναρμολόγηση του ενζύμου.
Με τα χρόνια, αποδείχθηκε ότι στη συνέλευσηΟ Rubisco συμμετέχει ταυτόχρονα σε πολλούς συσκευαστές πρωτεϊνών - RAF1 και RAF2 (Συντελεστής συναρμολόγησης RuBisCO). Αυτές οι πτυσσόμενες πρωτεΐνες (που ονομάζονται chaperones) τείνουν να σταθεροποιούν την αλυσίδα πρωτεϊνών που συλλέγονται κατά τη συναρμολόγηση, δίνοντάς της χρόνο να διπλωθεί σωστά.
Αυτό ήταν το πρόβλημα με προηγούμενες εργασίες:Τα γονίδια Rubisco στην πραγματικότητα συνέθεσαν ενεργά τα πρωτεϊνικά «δομικά στοιχεία» του ενζύμου, αλλά η έλλειψη συνοδών δεν επέτρεψε τη συγκέντρωση επαρκής ποσότητας Rubisco από ημικατεργασμένες πολυπεπτιδικές αλυσίδες. Ο αριθμός των συνοδών έπρεπε επίσης να αυξηθεί.
Ως εκ τούτου, οι συγγραφείς έλαβαν υπόψη αυτές τις συνθήκες και, ως αποτέλεσμα, η συνολική περιεκτικότητα σε ρουμπίσκο στα φύλλα διαγονιδιακού καλαμποκιού αυξήθηκε κατά 30%.
Εξαιτίας αυτού, δεν είναι καθόλου όλα τα επιπλέον ένζυμαενεπλάκη στη διαδικασία της φωτοσύνθεσης. Ωστόσο, παρά τα πάντα, η τελική στερέωση του διοξειδίου του άνθρακα έχει αυξηθεί ούτως ή άλλως 15%, αυτό επιτάχυνε σημαντικά την ανάπτυξη του γενετικώς τροποποιημένου καλαμποκιού.
Ως αποτέλεσμα μιας μελέτης Κινέζων επιστημόνων το 2020, κατέστη δυνατό να επιταχυνθεί η φωτοσύνθεση των φυκιών και των λουλουδιών. Οι επιστήμονες επιταχύνουν τη φωτοσύνθεση των πράσινων φυκώνChlorella pyrenoidosaκαι ανώτερα φυτάArabidopsis thalianaχρησιμοποιώντας ένα φωτοσυλλεκτικό πολυμερές. Το πολυμερές αύξησε τη δραστηριότητά του σε φωτοσυνθετικά συστήματα λόγω της ηλεκτροστατικής και υδρόφοβης δέσμευσης στα τοιχώματα των φωτοσυνθετικών κυττάρων.
Σύμφωνα με τους συγγραφείς, χάρη στην καλή ικανότηταΓια να απορροφήσουν το πράσινο φως, τη διαλυτότητα στο νερό και τη βιοσυμβατότητα, αυτά τα συνθετικά πολυμερή είναι δυνητικά κατάλληλα για χρήση στην παραγωγή βιοκαυσίμων, καθώς και στην ενεργειακή και περιβαλλοντική ανάπτυξη.
Συμπέρασμα
Επί του παρόντος, τα φωτοβολταϊκά κύτταρα,δρώντας σε υδατικό περιβάλλον, είναι αποτελεσματικά, αλλά σαφώς ατελή. Η τεχνητή φωτοσύνθεση εξακολουθεί να είναι αρκετά αποτελεσματική ως εργαλείο σύνδεσης του ατμοσφαιρικού άνθρακα και ταυτόχρονα παράγει μια σταθερή ροή φορτισμένων σωματιδίων (πρωτόνια και ηλεκτρόνια).
Έτσι, τα φωτοσυνθετικά κύτταρα θα μπορούσαν να συνδυαστούν με ηλιακούς συλλέκτες - για παράδειγμα, ήδη εγκατεστημένοι στις στέγες ιδιωτικών σπιτιών στις Ηνωμένες Πολιτείες.
Η ηλιακή μπαταρία θα μπορούσε να δώσει μερικάενέργεια που λαμβάνεται για ηλεκτρόλυση. Σε αυτή την περίπτωση, τα φωτοβολταϊκά στοιχεία που συνδέονται με αυτό θα συμμετάσχουν στη δέσμευση του διοξειδίου του άνθρακα και στη διάσπαση του νερού για την παραγωγή υδρογόνου, το οποίο, με τη σειρά του, είναι ένα φιλικό προς το περιβάλλον καύσιμο.
Ανάπτυξη καταλυτών για τέτοιες διεργασίεςθα μας επέτρεπε να μην περιοριστούμε στην αναπαραγωγή της συνηθισμένης φωτοσύνθεσης, αλλά στη σύνθεση, για παράδειγμα, πρωτεϊνών ή ενζύμων. Έχουμε ήδη μάθει πώς να κλιμακώνουμε τα ηλιακά πάνελ, ώστε να μπορούμε να κλιμακώνουμε και τα φωτοβολταϊκά στοιχεία μαζί τους.
Επίσης, τέτοιες τεχνολογίες θα μπορούσαν να συμβάλουν στην αποσύνθεση τοξικών αποβλήτων ή πλαστικού, αποδίδοντας υδρογόνο και ενέργεια ως έξοδο.
Διαβάστε περισσότερα:
Το γιγαντιαίο παγόβουνο A74 συγκρούεται με τις ακτές της Ανταρκτικής
Δύο νέα είδη δεινοσαύρων ανακαλύφθηκαν στην Κίνα
Ποιο είναι το φαινόμενο Kessler, και πότε και σε τι θα οδηγήσει η σύγκρουση δορυφόρων σε τροχιά;