Kā notiek fotosintēzes reakcija?
Fotosintēzes būtība ir tāda, ka redzamās gaismas enerģija tiek pārvērsta par
Citiem vārdiem sakot, ar gaismas enerģijas palīdzību ķermenisizņem no molekulas elektronus un pārnes tos uz oglekļa dioksīda molekulām, reducējot tās un pārvēršot organiskās vielas molekulās, kuras pēc tam atkal var oksidēties, iegūstot enerģiju.
Visa augu fotosintēzes reakciju sistēma vienā shēmā: 6СО2 + 6H2O = glikoze (С6H12О6) + 6О2
Viens no šī kompleksa galvenajiem posmiem undaudzpakāpju process - oglekļa dioksīda saistīšana. Kad tas notiek, oglekļa dioksīds ir pievienots savienojumam, ko sauc par ribulozes (1,5) bisfosfātu, cukuru ar divām fosfātu grupām.
Un šo reakciju vada enzīms – ribulozes bisfosfāta karboksilāze jeb Rubisko (RuBisCO).
RuBisCO ir enzīms, kas ir pilnīgs 16 olbaltumvielu ķēžu komplekss vienlaikus.Vairums fermentu katru sekundi katalizē tūkstošiem ķīmisko transformāciju.
Tomēr Rubisco apstrādā tikai no 3 līdz 10oglekļa dioksīda molekulas, atkarībā no apstākļiem. Tik zemu fermenta kvalitāti var kompensēt tikai ar tā daudzumu: pēc svara tas veido līdz 30% no visām ūdenī šķīstošajām augu olbaltumvielām, kas padara to par bagātīgāko proteīnu uz planētas.
Hloroplasti lapu šūnās
Fotosintēzes veidi
Dzīvos organismos ir divu veidu pigmenti, kas spēj pildīt fotosintētisko uztvērēju (antenu) funkciju.
Lielākajā daļā organismu antenu lomahlorofilu spēle; retāk sastopams gadījums, kad A vitamīna atvasinājums tīklene kalpo kā antena. Saskaņā ar to izšķir hlorofilu un fotosintēzi bez hlorofila.
- Fotosintēze bez hlorofila
Fotosintēzes sistēma bez hlorofila ir atšķirīgaievērojama organizācijas vienkāršība, saistībā ar kuru evolucionāri tiek uzskatīts, ka tas ir galvenais mehānisms elektromagnētiskā starojuma enerģijas uzkrāšanai. Fotosintēzes bez hlorofila efektivitāte kā enerģijas pārveidošanas mehānisms ir salīdzinoši zema (uz vienu absorbēto kvantu tiek pārnests tikai viens H +).
- Hlorofila fotosintēze
Hlorofila fotosintēze atšķiras nobakteriorodopsīns ar ievērojami lielāku enerģijas uzglabāšanas efektivitāti. Vismaz viens H + tiek pārnests uz katru efektīvi absorbēto starojuma kvantu pret gradientu.
Skābekļa
Anoksigeniskā (vai anoksiskā) fotosintēze notiek bez skābekļa izdalīšanās. Purpursarkanās un zaļās baktērijas, kā arī heliobaktērijas spēj veikt skābekļa fotosintēzi.
Skābekļa
Skābekļa vai skābekļa fotosintēzekopā ar skābekļa izdalīšanos kā blakusproduktu. Skābekļa fotosintēzē notiek neciklisks elektronu transports, lai gan noteiktos fizioloģiskos apstākļos notiek tikai ciklisks elektronu transports. Ārkārtīgi vājš elektronu donors, ūdens, tiek izmantots kā elektronu donors necikliskā plūsmā.
Bads lauksaimniecībā
Pasaules iedzīvotāju skaits, neskatoties uz otrodemogrāfiskā pāreja nepārtraukti pieaug. Ja mēs varētu palielināt dzimstību pēc vēlēšanās proporcionāli iedzīvotāju skaita pieaugumam, nebūtu nekādu problēmu.
Tomēr šodien cilvēki ir apguvuši apmēram trešdaļulauksaimniecībai piemērotas zemes. Dienvidāzijā, Tuvajos Austrumos un Ziemeļamerikā jau ir uzartas gandrīz visas piemērotās teritorijas, un atlikušo teritoriju attīstība mūs apdraud erozija.
Vieta uz planētas var vienkārši beigties, tāpēc mums jāatrod jauni veidi, kā palielināt pārtikas ražošanu. Tas jau ir izdarīts iepriekš.
Pēdējo reizi tas notika "zaļā" dēļrevolūcija "pagājušā gadsimta 50-70. Tad jaunu augstas ražas graudaugu šķirņu audzēšana, pesticīdu un modernu apūdeņošanas sistēmu ieviešana ļāva dramatiski - gandrīz divas reizes - palielināt ražu.
Kā paātrināt fotosintēzi
Šīs problēmas stūrakmens ir rubisco, ferments, par kuru mēs jau runājām.
Tomēr izrādījās, ka tas nav tik vienkārši. Atsevišķu aminoskābju atlikumu virzītā mutaģenēze nedeva nekādus vērā ņemamus rezultātus.
Viņam tika piemērota arī tiešās evolūcijas metode.fermenti: tas rada milzīgu Rubisko gēnu variantu kolekciju, ieviešot nejaušas mutācijas. Visa šī šķirne tika izmantota E. coli - Escherichia coli... Izmantojot šo pieeju, pētnieki varēja palielināt Rubisco cianobaktēriju aktivitāti, kas lieliski darbojas E. coli šūnās.
Bet līdzīga metode nedarbojās ar augiem.Turklāt šis enzīms ir samontēts no divu dažādu “ražotāju” daļām: Rubisko ķēdes kodējošie gēni atrodas ne tikai šūnas kodolā, bet arī hloroplastu genomā, kas sarežģī manipulācijas ar tiem. Pētniekiem ir jāstrādā ar diviem genomiem vienlaikus, izmantojot dažādas ģenētiskās modifikācijas metodes.
Taču zinātnieki nepadevās.Viņi nāca klajā ar jaunu ideju: palielināt rubisko daudzumu, jo augu lapas ir burtiski piepildītas ar to. Lai to izdarītu, autori izmantoja ĢMO metodes. Tomēr ar Rubisko gēnu pārmērīgu ekspresiju vien nepietika - Kaut kā cita pietrūka, lai saliktu fermentu.
Gadu gaitā izrādījās, ka montāžāRubisco vienlaikus piedalās vairākos proteīnu iepakotājos - RAF1 un RAF2 (RuBisCO Assembly Factor). Šie saliekamie proteīni (saukti par šaperoniem) mēdz stabilizēt novākto olbaltumvielu ķēdi montāžas laikā, dodot tai laiku pareizi salocīties.
Tā bija problēma ar iepriekšējiem darbiem:Rubisco gēni faktiski aktīvi sintezēja enzīma proteīnu “celtniecības blokus”, bet chaperonu trūkums neļāva no pusfabrikātām polipeptīdu ķēdēm savākt pietiekamu daudzumu Rubisco. Vajadzēja palielināt arī pavadoņu skaitu.
Tāpēc autori ņēma vērā šos nosacījumus, un līdz ar to kopējais rubisko saturs transgēnās kukurūzas lapās palielinājās par 30%.
Šī iemesla dēļ ne visi papildu fermenti ir vispāriesaistījās fotosintēzes procesā. Tomēr, neskatoties uz visu, oglekļa dioksīda galīgā fiksācija tik un tā pieauga par 15%, tas ievērojami paātrināja ĢM kukurūzas augšanu.
Ķīnas zinātnieku 2020. gadā veiktā pētījuma rezultātā izdevās paātrināt aļģu un ziedu fotosintēzi. Zinātnieki paātrina zaļo aļģu fotosintēziChlorella pyrenoidosaun augstākie augiArabidopsis thalianaizmantojot gaismas novākšanas polimēru. Polimērs palielināja to aktivitāti fotosintēzes sistēmās, pateicoties elektrostatiskajai un hidrofobiskajai saistībai ar fotosintētisko šūnu sienām.
Pēc autoru domām, pateicoties labajām spējāmlai absorbētu zaļo gaismu, šķīdību ūdenī un bioloģisko saderību, šie sintētiskie polimēri ir potenciāli piemēroti izmantošanai biodegvielas ražošanā, kā arī enerģijas un vides attīstībā.
Secinājums
Pašlaik fotoelementi,darbojas ūdens vidē, tie ir efektīvi, bet nepārprotami nepilnīgi. Mākslīgā fotosintēze joprojām ir diezgan efektīva kā līdzeklis oglekļa piesaistīšanai atmosfērā, un tajā pašā laikā rada stabilu uzlādētu daļiņu (protonu un elektronu) plūsmu.
Tādējādi fotosintēzes šūnas varētu apvienot ar saules paneļiem - piemēram, jau uzstādītas uz privātmāju jumtiem ASV.
Saules baterija varētu kādu daļu atdotelektrolīzei saņemtā enerģija. Šajā gadījumā ar to savienotie fotoelementi piedalītos oglekļa dioksīda saistīšanā un ūdens sadalīšanā, lai iegūtu ūdeņradi, kas savukārt ir videi draudzīga degviela.
Katalizatoru izstrāde šādiem procesiemļautu mums neaprobežoties tikai ar parastās fotosintēzes reproducēšanu, bet gan sintezēt, piemēram, olbaltumvielas vai fermentus. Mēs jau esam iemācījušies, kā mērogot saules paneļus, lai mēs varētu mērogot fotoelementus kopā ar tiem.
Turklāt šādas tehnoloģijas varētu veicināt toksisku atkritumu vai plastmasas sadalīšanos, kā izejvielu iegūstot ūdeņradi un enerģiju.
Lasīt vairāk:
Milzīgais aisbergs A74 saduras ar Antarktīdas krastu
Ķīnā atklātas divas jaunas dinozauru sugas
Kas ir Keslera efekts, kā arī kad un pie kā novedīs satelītu sadursme orbītā?