Як відбувається реакція фотосинтезу
Суть фотосинтезу в тому, що енергія видимого світла перетворюється на
Інакше кажучи, за допомогою енергії світла організмвідриває електрони від молекули і переносить їх на молекули вуглекислого газу, відновлюючи їх і перетворюючи на молекули органічної речовини, яку потім можна буде знову окислити, отримавши енергію.
Вся система реакцій фотосинтезу рослин в одній схемі: 6СО2 + 6H2O = глюкоза (С6H12О6) + 6О2
Одна з ключових стадій цього складного ібагатоступінчастого процесу - зв'язування вуглекислого газу. При цьому вуглекислий газ приєднується до з'єднання, званого рибулозо (1,5) біфосфат, - це цукор з двома фосфатними групами.
А спрямовує цю реакцію фермент - рибулозобісфосфаткарбоксилаза, або Рубіско (RuBisCO).
RuBisCO - це фермент, який є абсолютно комплексом з 16 відразу білкових ланцюгів. Більшість ферментів каталізують тисячі хімічних перетворень кожну секунду.
Однак рубіско обробляє всього від 3 до 10молекул вуглекислого газу, в залежності від умов. Таке низька якість роботи ферменту можна компенсувати лише його кількістю: по масі на нього припадає до 30% всіх водорозчинних білків рослин, що робить його найбільш поширеним білком на планеті.
Хлоропласти в клітинах листа
види фотосинтезу
У живих організмів є два типи пігментів, здатних виконувати функцію фотосинтетичних приймачів (антенн).
У переважної більшості організмів роль антенграють хлорофіли; менш поширений випадок, при якому в якості антени служить похідне вітаміну А ретиналь. Відповідно до цього виділяють хлорофільних і бесхлорофилльной фотосинтез.
- бесхлорофилльной фотосинтез
Система бесхлорофилльной фотосинтезу відрізняєтьсязначною простотою організації, в зв'язку з чим передбачається еволюційно первинним механізмом запасання енергії електромагнітного випромінювання. Ефективність бесхлорофилльной фотосинтезу як механізму перетворення енергії порівняно низька (на один поглинений квант переноситься лише один H +).
- хлорофільних фотосинтез
Хлорофільних фотосинтез відрізняється відбактеріородопсінового значно більшою ефективністю запасання енергії. На кожен ефективно поглинений квант випромінювання проти градієнта переноситься не менше одного H +.
аноксигенний
Аноксигенний (або безкисневому) фотосинтез протікає без виділення кисню. До аноксигенний фотосинтезу здатні пурпурні і зелені бактерії, а також геліобактеріі.
оксигенів
Оксигенів або кисневий фотосинтезсупроводжується виділенням кисню в якості побічного продукту. При оксигенів фотосинтезі здійснюється нециклический електронний транспорт, хоча при певних фізіологічних умовах здійснюється виключно циклічний електронний транспорт. В якості донора електронів при нециклічного потоці використовується вкрай слабкий донор електронів - вода.
Проблема голоду в сільському господарстві
Населення Землі, незважаючи на другийдемографічний перехід, що постійно росте. Якби ми могли за своїм бажанням збільшувати родючість пропорційно зростанню населення, великої проблеми б не було.
Однак сьогодні людина освоїла десь третинуПридатних для сільського господарства земель. Практично всі придатні для цього території Південної Азії, на Близькому Сході і Північній Америці вже розорані, а освоєння районів, що залишилися, загрожує нам ерозією.
Місце на планеті може просто закінчитися, тому потрібно знаходити нові способи збільшувати виробництво продуктів. Це раніше вже вдавалося зробити.
Останній раз це відбулося завдяки «зеленійреволюції »50-70-х років минулого століття. Тоді виведення нових високоврожайних сортів злаків, впровадження пестицидів і просунутих систем іригації дозволило різко - майже в два рази - збільшити врожайність
Як прискорити фотосинтез
Наріжний камінь цієї проблеми - рубиско, фермент, про який ми вже говорили.
Однак це виявилося не так то легко. Направлений мутагенез окремих амінокислотних залишків не привів до якихось помітних результатів.
Також до нього застосовували метод прямої еволюції.ферментів: у ньому шляхом внесення випадкових мутацій створюється велика колекція генних варіантів Рубиско. Усю цю різноманітність застосували на кишковій паличці — Escherichia coli. При використанні такого підходу дослідникам вдалося збільшити активність Рубіско ціанобактерій, відмінно працює в клітинах кишкової палички.
Але аналогічний метод не працював із рослинами.Крім того, цей фермент збирається з деталей двох різних «виробників»: гени, що кодують ланцюги Рубіско, знаходяться не тільки в ядрі клітин, але і в геномі хлоропластів, що ускладнює маніпуляції з ними. Дослідникам доводиться працювати одночасно з двома геномами, застосовуючи різні техніки генної модифікації.
Але на цьому вчені не здалися.Вони вигадали нову ідею: збільшити кількість рубиско, тому що листя рослин буквально заповнене ним. Для цього автори використали ГМО-методи. Олнако лише надекспресії генів Рубіско не вистачало — для збирання ферменту не вистачало чогось ще.
За минулі роки з'ясувалося, що в збірціРубіско бере участь відразу кілька білків-укладальників - RAF1 і RAF2 (RuBisCO Assembly Factor). Подібні білки-укладальники (їх називають шаперони), як правило, стабілізують ланцюг збирається білка в процесі побудови, даючи йому час згорнутися правильним чином.
У цьому й була проблема попередніх робіт:гени Рубіско дійсно активно синтезували білкові «цеглинки» ферменту, але нестача шаперонів не дозволяла збирати достатню кількість рубіско з поліпептидних ланцюгів-напівфабрикатів. Кількість шаперонів також треба було збільшувати.
Тому автори врахували ці умови і в результаті загальний вміст рубіско в листі трансгенної кукурудзи зросла на 30%.
Через це зовсім не весь додатковий ферментвиявився залучений в процес фотосинтезу. Однак попри все підсумкова фіксація вуглекислого газу все-одно вирослана 15% це помітно прискорило зростання ГМ-кукурудзи.
В результаті дослідження китайських учених у 2020 році вдалося прискорити фотосинтез водоростей та квітки. Вчені прискорили фотосинтез зеленої водоростіChlorella pyrenoidosaта вищої рослиниArabidopsis thalianaза допомогою світлозбирального полімеру. Полімер підвищував їхню активність фотосинтетичних систем за рахунок електростатичного та гідрофобного зв'язування зі стінками фотосинтезуючих клітин.
За словами авторів, завдяки гарній здатностіпоглинати зелене світло, розчинності у воді і біосумісності подібні синтетичні полімери потенційно придатні для застосування у виробництві біопалива, а також розвитку енергетики і екології.
висновок
В даний час фотоелектричні елементи,діючі в водяному середовищі, працездатні, але явно недосконалі. Штучний фотосинтез все-таки цілком ефективний як інструмент для зв'язування атмосферного вуглецю, і при цьому дає стабільний потік заряджених частинок (протонів і електронів).
Таким чином, фотосинтезуючі елементи можна було б поєднувати з сонячними батареями - наприклад, уже сьогодні встановлюються на дахах приватних будинків в США.
Сонячна батарея могла б віддавати частинуотримуваної енергії на електроліз. У такому разі підключені до неї фотоелектричні елементи брали б участь у зв'язуванні вуглекислого газу та розщепленні води з отриманням водню, який, у свою чергу, є екологічно чистим паливом.
Розвиток каталізаторів для таких процесівдозволило б не обмежуватися відтворенням звичайного фотосинтезу, а синтезувати, наприклад, білки чи ферменти. Ми вже навчилися масштабувати сонячні батареї, тому могли б разом із ними масштабувати і фотоелектричні елементи.
Також, подібні технології могли б посприяти розкладанню токсичних відходів або пластика, даючи на виході водень і енергію.
Читати далі:
Гігантський айсберг A74 зіткнувся з узбережжям Антарктиди
У Китаї виявлені два нових види динозаврів
Що таке ефект Кесслера, а також коли і до чого призведе зіткнення супутників на орбіті