Kaip vyksta fotosintezės reakcija?
Fotosintezės esmė ta, kad matomos šviesos energija paverčiama į
Kitaip tariant, šviesos energijos pagalba kūnaspašalina iš molekulės elektronus ir perkelia juos į anglies dioksido molekules, jas redukuodamas ir paversdamas organinės medžiagos molekulėmis, kurios vėliau vėl gali būti oksiduojamos, gaunant energiją.
Visa augalų fotosintezės reakcijų sistema vienoje schemoje: 6СО2 + 6H2O = gliukozė (С6H12О6) + 6О2
Vienas iš pagrindinių šio komplekso etapų irdaugiapakopis procesas - anglies dioksido surišimas. Kai taip atsitinka, anglies dioksidas yra prijungtas prie junginio, vadinamo ribulozės (1,5) bisfosfatu - cukrumi, turinčiu dvi fosfatų grupes.
O šią reakciją nukreipia fermentas – ribuliozės bisfosfato karboksilazė, arba Rubisco (RuBisCO).
„RuBisCO“ yra fermentas, susidedantis iš 16 baltymų grandinių vienu metu. Dauguma fermentų kas sekundę katalizuoja tūkstančius cheminių transformacijų.
Tačiau „Rubisco“ tvarko tik nuo 3 iki 10anglies dioksido molekulės, priklausomai nuo sąlygų. Tokią žemą fermento kokybę galima kompensuoti tik jo kiekiu: pagal svorį jis sudaro iki 30% visų vandenyje tirpių augalinių baltymų, todėl tai yra gausiausias baltymas planetoje.
Chloroplastai lapų ląstelėse
Fotosintezės tipai
Gyvi organizmai turi dviejų tipų pigmentus, galinčius atlikti fotosintezės imtuvų (antenų) funkciją.
Daugelyje organizmų antenų vaidmuožaidžia chlorofilai; rečiau pasitaiko atvejų, kai vitamino A darinys tinklainė tarnauja kaip antena. Atsižvelgiant į tai, išskiriama fotosintezė be chlorofilo ir be chlorofilo.
- Fotosintezė be chlorofilo
Fotosintezės be chlorofilo sistema yra kitokiadidelis organizavimo paprastumas, todėl evoliuciškai manoma, kad tai yra pagrindinis elektromagnetinės spinduliuotės energijos kaupimo mechanizmas. Fotosintezės be chlorofilo efektyvumas, kaip energijos konversijos mechanizmas, yra palyginti mažas (vienam absorbuotam kvantui perduodamas tik vienas H +).
- Chlorofilo fotosintezė
Chlorofilo fotosintezė skiriasi nuobakteriorodopsinas, turintis žymiai didesnį energijos kaupimo efektyvumą. Bent vienas H + yra perkeltas į kiekvieną efektyviai absorbuotą spinduliuotės kvantą nuo gradiento.
Anoksigeniškas
Anoksigeninė (arba anoksinė) fotosintezė vyksta be deguonies išsiskyrimo. Violetinės ir žalios spalvos bakterijos, taip pat heliobakterijos, gali atlikti deguonies fotosintezę.
Deguonies
Deguonies arba deguonies fotosintezėkartu su deguonies išsiskyrimu kaip šalutinis produktas. Vykstant deguonies fotosintezei, vyksta ne cikliškas elektronų pernešimas, nors esant tam tikroms fiziologinėms sąlygoms, vyksta tik cikliškas elektronų transportavimas. Itin silpnas elektronų donoras, vanduo, naudojamas kaip elektronų donoras ne cikliniame sraute.
Alkis žemės ūkyje
Pasaulio gyventojų, nepaisant antrojodemografinis perėjimas nuolat auga. Jei galėtume savo nuožiūra didinti gimstamumą proporcingai gyventojų skaičiaus augimui, didelių problemų nekiltų.
Tačiau šiandien žmonės yra įvaldę apie trečdalįtinkamų žemdirbystei žemių. Beveik visos tinkamos teritorijos Pietų Azijoje, Viduriniuose Rytuose ir Šiaurės Amerikoje jau suartos, o likusių teritorijų plėtra mums gresia erozija.
Vietos planetoje gali tiesiog pritrūkti, todėl turime rasti naujų būdų, kaip padidinti maisto gamybą. Tai jau buvo padaryta anksčiau.
Paskutinį kartą tai atsitiko dėl „žalios spalvos“revoliucija "praėjusio amžiaus 50-70 m. Tada, išauginus naujas didelio derlingumo javų veisles, įvedus pesticidus ir pažangias drėkinimo sistemas, buvo galima smarkiai - beveik du kartus - padidinti derlių.
Kaip pagreitinti fotosintezę
Šios problemos kertinis akmuo yra rubisco, fermentas, apie kurį jau kalbėjome.
Tačiau tai pasirodė ne taip paprasta. Atskirų aminorūgščių liekanų kryptinga mutagenezė nedavė jokių pastebimų rezultatų.
Jam buvo pritaikytas ir tiesioginės evoliucijos metodas.fermentai: jis sukuria didžiulę Rubisco genų variantų kolekciją, įvesdamas atsitiktines mutacijas. Visa ši veislė buvo naudojama E. coli – Escherichia coli... Naudodamiesi šiuo metodu, mokslininkai sugebėjo padidinti Rubisco cianobakterijų, kurios puikiai veikia E. coli ląsteles, aktyvumą.
Tačiau panašus metodas neveikė su augalais.Be to, šis fermentas surenkamas iš dviejų skirtingų „gamintojų“ dalių: Rubisco grandines koduojantys genai yra ne tik ląstelės branduolyje, bet ir chloroplasto genome, o tai apsunkina jų manipuliavimą. Tyrėjai turi dirbti su dviem genomais vienu metu, naudojant skirtingus genetinės modifikacijos metodus.
Tačiau mokslininkai nepasidavė.Jie sugalvojo naują idėją: padidinti rubisko kiekį, nes augalų lapai tiesiogine prasme juo užpildyti. Norėdami tai padaryti, autoriai naudojo GMO metodus. Tačiau vien pernelyg didelio Rubisco genų ekspresijos nepakako – Dar kažko pritrūko fermentui surinkti.
Bėgant metams paaiškėjo, kad susirinkime„Rubisco“ dalyvauja keliuose baltymų pakuotojams - RAF1 ir RAF2 („RuBisCO Assembly Factor“). Šie sulankstomi baltymai (vadinami chaperonais) paprastai stabilizuoja surinktą baltymų grandinę surinkimo metu, suteikdami jai laiko tinkamai sulankstyti.
Tai buvo ankstesnių darbų problema:Rubisco genai iš tikrųjų aktyviai sintezavo fermento baltymų „statybinius blokus“, tačiau chaperonų trūkumas neleido surinkti pakankamai Rubisco iš pusgaminių polipeptidinių grandinių. Reikėjo padidinti ir palydovų skaičių.
Todėl autoriai atsižvelgė į šias sąlygas ir dėl to bendras rubisko kiekis transgeninių kukurūzų lapuose padidėjo 30%.
Dėl šios priežasties nėra visų papildomų fermentųįsitraukė į fotosintezės procesą. Tačiau, nepaisant visko, galutinis anglies dioksido fiksavimas vis tiek išaugo 15%, tai žymiai pagreitino GM kukurūzų augimą.
2020 metais Kinijos mokslininkų atlikto tyrimo dėka pavyko paspartinti dumblių ir gėlių fotosintezę. Mokslininkai pagreitina žaliųjų dumblių fotosintezęChlorella pyrenoidosair aukštesni augalaiArabidopsis thaliananaudojant šviesų derliaus polimerą. Polimeras padidino jų aktyvumą fotosintezės sistemose dėl elektrostatinio ir hidrofobinio prisijungimo prie fotosintetinių ląstelių sienelių.
Pasak autorių, dėka gerų sugebėjimųsiekiant sugerti žalią šviesą, tirpumą vandenyje ir biologinį suderinamumą, šie sintetiniai polimerai gali būti tinkami naudoti biokuro gamybai, taip pat energijos ir aplinkos plėtrai.
Išvada
Šiuo metu fotoelektros elementai,veikiantys vandeninėje aplinkoje, jie yra veiksmingi, tačiau akivaizdžiai netobuli. Dirbtinė fotosintezė vis dar yra gana efektyvi kaip atmosferos anglies surišimo priemonė ir tuo pačiu sukuria stabilų įkrautų dalelių (protonų ir elektronų) srautą.
Taigi fotosintezės elementai galėtų būti derinami su saulės kolektoriais - pavyzdžiui, jau sumontuoti ant privačių namų stogų JAV.
Saulės baterija gali šiek tiek padovanotienergijos, gautos elektrolizei. Tokiu atveju prie jo prijungtos fotovoltinės ląstelės dalyvautų surišant anglies dioksidą ir skaidant vandenį, kad susidarytų vandenilis, kuris, savo ruožtu, yra aplinkai nekenksmingas kuras.
Katalizatorių tokiems procesams kūrimasleistų neapsiriboti įprastos fotosintezės atkūrimu, o sintetinti, pavyzdžiui, baltymus ar fermentus. Mes jau išmokome keisti saulės kolektorių mastelį, todėl kartu su jais galėtume pritaikyti fotovoltinius elementus.
Be to, tokios technologijos galėtų prisidėti prie toksiškų atliekų ar plastiko skilimo, todėl būtų gaunamas vandenilis ir energija.
Skaityti daugiau:
Milžiniškas ledkalnis A74 susiduria su Antarktidos pakrante
Kinijoje atrastos dvi naujos dinozaurų rūšys
Kas yra Kesslerio efektas, taip pat kada ir ką sukels orbitoje esančių palydovų susidūrimas?