Miten fotosynteesireaktio tapahtuu?
Fotosynteesin ydin on, että näkyvän valon energia muunnetaan
Toisin sanoen valoenergian avulla kehonpoistaa elektronit molekyylistä ja siirtää ne hiilidioksidimolekyyleihin, pelkistäen ne ja muuttamalla ne orgaanisen aineen molekyyleiksi, jotka voidaan sitten hapettaa uudelleen, jolloin saadaan energiaa.
Koko kasvien fotosynteesireaktioiden järjestelmä yhdessä kaaviossa: 6СО2 + 6H2O = glukoosi (С6H12О6) + 6О2
Yksi tämän kompleksin keskeisistä vaiheista jamonivaiheinen prosessi - hiilidioksidin sitominen. Kun näin tapahtuu, hiilidioksidi kiinnittyy yhdisteeseen nimeltä ribuloosi (1,5) bisfosfaatti, sokeri, jossa on kaksi fosfaattiryhmää.
Ja tätä reaktiota ohjaa entsyymi - ribuloosibisfosfaattikarboksylaasi tai Rubisco (RuBisCO).
RuBisCO on entsyymi, joka koostuu 16 proteiiniketjusta kerralla. Useimmat entsyymit katalysoivat tuhansia kemiallisia muutoksia joka sekunti.
Rubisco käsittelee kuitenkin vain 3-10hiilidioksidimolekyylejä olosuhteista riippuen. Tällainen entsyymin heikko laatu voidaan korvata vain sen määrällä: painosta se muodostaa jopa 30% kaikista vesiliukoisista kasviproteiineista, mikä tekee siitä planeetan runsaimman proteiinin.
Kloroplastit lehtisoluissa
Fotosynteesityypit
Elävillä organismeilla on kahdenlaisia pigmenttejä, jotka voivat toimia fotosynteettisinä vastaanottimina (antenneina).
Suurimmassa osassa organismeja antennien rooliklorofyllit leikkivät; harvinaisempi on tapaus, jossa A -vitamiinijohdannainen verkkokalvo toimii antennina. Tämän mukaisesti erotetaan klorofylli ja klorofyllitön fotosynteesi.
- Klorofyllitön fotosynteesi
Klorofyllitön fotosynteesijärjestelmä on erilainenorganisaation merkittävä yksinkertaisuus, jonka yhteydessä sen oletetaan evolutiivisesti olevan ensisijainen mekanismi sähkömagneettisen säteilyn energian varastoimiseksi. Klorofyllittömän fotosynteesin tehokkuus energian muuntamisen mekanismina on suhteellisen alhainen (vain yksi H + siirtyy absorboitua kvanttia kohti).
- Klorofyllin fotosynteesi
Klorofyllin fotosynteesi on erilainen kuinbakteriorodopsiini, jolla on huomattavasti parempi energian varastointitehokkuus. Vähintään yksi H + siirretään kuhunkin tehokkaasti absorboituun säteilyn kvanttiin gradienttia vasten.
Hapettumaton
Anoksigeeninen (tai hapeton) fotosynteesi tapahtuu ilman hapen kehittymistä. Violetit ja vihreät bakteerit sekä heliobakteerit kykenevät hapettomaan fotosynteesiin.
Happea
Happinen tai happinen fotosynteesimukana hapen vapautuminen sivutuotteena. Happisessa fotosynteesissä tapahtuu ei-syklinen elektroninsiirto, vaikka tietyissä fysiologisissa olosuhteissa tapahtuu vain syklisiä elektronien siirtoja. Erittäin heikkoa elektronin luovuttajaa, vettä, käytetään elektronien luovuttajana ei-syklisessä virtauksessa.
Nälkä maataloudessa
Maailman väestöstä huolimatta toisestaväestörakenteen muutos kasvaa jatkuvasti. Jos pystyisimme lisäämään syntyvyyttä haluttaessa suhteessa väestönkasvuun, ei olisi suuria ongelmia.
Nykyään ihmiset ovat kuitenkin oppineet noin kolmanneksenviljelyyn soveltuvia maita. Lähes kaikki sopivat alueet Etelä-Aasiassa, Lähi-idässä ja Pohjois-Amerikassa on jo kynnetty, ja jäljellä olevien alueiden kehitys uhkaa meitä eroosiolla.
Paikka planeetalla voi yksinkertaisesti loppua, joten meidän on löydettävä uusia tapoja lisätä elintarviketuotantoa. Tämä on tehty jo aiemmin.
Viimeksi tämä tapahtui "vihreän" takiavallankumous "50-70-luvulla viime vuosisadalla. Sitten uusien korkeatuottoisten viljalajikkeiden jalostus, torjunta -aineiden ja kehittyneiden kastelujärjestelmien käyttöönotto mahdollistivat dramaattisen - lähes kaksinkertaisen - sadon lisäämisen.
Kuinka nopeuttaa fotosynteesiä
Tämän ongelman kulmakivi on rubisco, entsyymi, josta olemme jo keskustelleet.
Tämä ei kuitenkaan osoittautunut niin helpoksi. Yksittäisten aminohappotähteiden suunnattu mutageneesi ei johtanut havaittaviin tuloksiin.
Häneen sovellettiin myös suoran evoluution menetelmää.entsyymit: se luo valtavan kokoelman Rubisco-geenivariantteja tuomalla satunnaisia mutaatioita. Kaikkea tätä lajiketta käytettiin E. colissa - Escherichia coli... Tätä lähestymistapaa käyttämällä tutkijat pystyivät lisäämään Rubisco -sinilevien aktiivisuutta, joka toimii hyvin E. coli -soluissa.
Mutta samanlainen menetelmä ei toiminut kasvien kanssa.Lisäksi tämä entsyymi on koottu kahden eri "valmistajan" osista: Rubisco-ketjuja koodaavat geenit eivät sijaitse vain solun tumassa, vaan myös kloroplastin genomissa, mikä vaikeuttaa niiden manipulointia. Tutkijoiden on työskenneltävä kahden genomin kanssa samanaikaisesti käyttämällä erilaisia geenimuunnostekniikoita.
Mutta tutkijat eivät antaneet periksi.He keksivät uuden idean: lisätä rubiscon määrää, koska kasvien lehdet ovat kirjaimellisesti täynnä sitä. Tätä varten kirjoittajat käyttivät GMO-menetelmiä. Pelkkä Rubisco-geenien yli-ilmentyminen ei kuitenkaan riittänyt - Jotain muuta puuttui entsyymin kokoamiseksi.
Vuosien mittaan kävi ilmi, että kokoonpanossaRubisco osallistuu useisiin proteiinipakkauksiin - RAF1 ja RAF2 (RuBisCO Assembly Factor). Nämä taittuvat proteiinit (nimeltään chaperones) pyrkivät vakauttamaan kerätyn proteiiniketjun kokoonpanon aikana, jolloin se taittuu kunnolla.
Tämä oli ongelma aikaisemmissa teoksissa:Rubisco-geenit itse asiassa syntetisoivat aktiivisesti entsyymin proteiinien "rakennuspalikoita", mutta chaperonien puute ei sallinut riittävän määrän Rubisco-kokoamista puolivalmiista polypeptidiketjuista. Myös ohjaajien määrää oli lisättävä.
Siksi kirjoittajat ottivat nämä olosuhteet huomioon ja sen seurauksena siirtogeenisen maissin lehtien rubisco -kokonaispitoisuus kasvoi 30%.
Tämän vuoksi kaikki lisäentsyymit eivät ole ollenkaanosallistui fotosynteesiin. Kaikesta huolimatta hiilidioksidin lopullinen kiinnittyminen kasvoi kuitenkin 15%, mikä nopeutti merkittävästi muuntogeenisen maissin kasvua.
Kiinalaisten tutkijoiden vuonna 2020 tekemän tutkimuksen tuloksena oli mahdollista nopeuttaa levien ja kukkien fotosynteesiä. Tutkijat nopeuttavat viherlevien fotosynteesiäChlorella pyrenoidosaja korkeammat kasvitArabidopsis thalianakäyttämällä valoa keräävää polymeeriä. Polymeeri lisäsi niiden aktiivisuutta fotosynteettisissä järjestelmissä johtuen sähköstaattisesta ja hydrofobisesta sitoutumisesta fotosynteettisten solujen seiniin.
Kirjoittajien mukaan hyvän kyvyn ansiostavihreän valon, vesiliukoisuuden ja biologisen yhteensopivuuden absorboimiseksi nämä synteettiset polymeerit soveltuvat mahdollisesti käytettäväksi biopolttoaineiden tuotannossa sekä energian ja ympäristön kehittämisessä.
johtopäätös
Tällä hetkellä aurinkokennot,ne toimivat vesipitoisessa ympäristössä, mutta ovat tehokkaita, mutta selvästi epätäydellisiä. Keinotekoinen fotosynteesi on edelleen varsin tehokas työkalu ilmakehän hiilen sitomiseen ja tuottaa samalla vakaan varautuneiden hiukkasten (protonien ja elektronien) virtauksen.
Näin ollen fotosynteettiset kennot voitaisiin yhdistää aurinkopaneeleihin - esimerkiksi jo asennettuina Yhdysvaltojen yksityisten talojen katoille.
Aurinkoakku voi antaa jonkin verran poiselektrolyysiin saatua energiaa. Tällöin siihen liitetyt aurinkosähkökennot osallistuisivat hiilidioksidin sitomiseen ja veden jakamiseen tuottamaan vetyä, joka puolestaan on ympäristöystävällinen polttoaine.
Katalyyttien kehittäminen tällaisia prosesseja vartenAntaisi meille mahdollisuuden olla rajoittumatta tavanomaisen fotosynteesin toistamiseen, vaan syntetisoida esimerkiksi proteiineja tai entsyymejä. Olemme jo oppineet skaalaamaan aurinkopaneeleja, jotta voisimme skaalata aurinkokennoja niiden mukana.
Tällaiset tekniikat voivat myös edistää myrkyllisen jätteen tai muovin hajoamista, jolloin tuloksena saadaan vetyä ja energiaa.
Lue lisää:
Jättiläinen jäävuori A74 törmää Etelämantereen rannikolle
Kiinasta löydettiin kaksi uutta dinosauruslajia
Mikä on Kesslerin vaikutus ja milloin ja mihin radan satelliittien törmäys johtaa?