Η φωτοσύνθεση είναι η διαδικασία που χρησιμοποιείται από τα φυτά, τα άλγη και ορισμένα βακτήρια για να αξιοποιήσει την ενέργεια από το ηλιακό φως και να την μετατρέψει σε χημική ενέργεια. Εδώ περιγράφουμε τις γενικές αρχές της φωτοσύνθεσης και υπογραμμίζουμε πώς οι επιστήμονες μελετούν αυτή τη φυσική διαδικασία για να βοηθήσουν στην ανάπτυξη καθαρών καυσίμων και πηγών ανανεώσιμης ενέργειας.
Τύποι φωτοσύνθεσης
Υπάρχουν δύο τύποι φωτοσυνθετικών διεργασιών: η οξυγνική φωτοσύνθεση και η ανυογονική φωτοσύνθεση. Οι γενικές αρχές της οξυγόνου και οξυγόνου φωτοσύνθεσης είναι πολύ παρόμοιες, αλλά η οξυγονική φωτοσύνθεση είναι η πιο κοινή και παρατηρείται σε φυτά, άλγη και κυανοβακτήρια.
Κατά τη διάρκεια της οξυγονικής φωτοσύνθεσης, η φωτεινή ενέργεια μεταφέρει ηλεκτρόνια από το νερό (H2Ο) προς διοξείδιο του άνθρακα (CO2), για την παραγωγή υδατανθράκων. Σε αυτή τη μεταφορά, το CO2 είναι "μειωμένη", ή λαμβάνει ηλεκτρόνια, και το νερό γίνεται "οξειδωμένο", ή χάνει ηλεκτρόνια. Τελικά, παράγεται οξυγόνο μαζί με υδατάνθρακες.
Η οξυγονική φωτοσύνθεση λειτουργεί ως αντιστάθμισμα της αναπνοής λαμβάνοντας το διοξείδιο του άνθρακα που παράγεται από όλους τους αναπνευστικούς οργανισμούς και επαναφέροντας το οξυγόνο στην ατμόσφαιρα.
Από την άλλη πλευρά, η ανόξινη φωτοσύνθεση χρησιμοποιεί δότες ηλεκτρονίων διαφορετικούς από το νερό. Η διαδικασία συμβαίνει συνήθως σε βακτήρια, όπως πορφυρά βακτήρια και πράσινα βακτήρια θείου, τα οποία απαντώνται κυρίως σε διάφορους υδρόβιους οικοτόπους.
"Η αναοξυγόνος φωτοσύνθεση δεν παράγει οξυγόνο - εξ ου και το όνομα", δήλωσε ο David Baum, καθηγητής βοτανικής στο Πανεπιστήμιο Wisconsin-Madison. "Αυτό που παράγεται εξαρτάται από τον δότη ηλεκτρονίων. Για παράδειγμα, πολλά βακτήρια χρησιμοποιούν το υδρόθειο αέριας ουσίας που προκαλεί οσμή, δημιουργώντας στερεό θείο ως παραπροϊόν".
Αν και οι δύο τύποι φωτοσύνθεσης είναι περίπλοκα, πολυεπίπεδα υποθέματα, η συνολική διαδικασία μπορεί να συνοψιστεί ως μια χημική εξίσωση.
Η οξυγονική φωτοσύνθεση γράφεται ως εξής:
6CO2 + 12Η2O + Φωτισμός → C6H12Ο6 + 6Ο2 + 6Η2Ο
Εδώ, έξι μόρια διοξειδίου του άνθρακα (CO2) συνδυάζονται με 12 μόρια νερού (Η2O) χρησιμοποιώντας ενέργεια φωτός. Το τελικό αποτέλεσμα είναι ο σχηματισμός ενός μοναδικού μορίου υδατάνθρακα (C6H12Ο6, ή γλυκόζη) μαζί με έξι μόρια από αναπνεύσιμο οξυγόνο και νερό.
Παρομοίως, οι διάφορες αντιοξειδωτικές αντιδράσεις φωτοσύνθεσης μπορούν να αναπαρασταθούν ως ένας γενικός τύπος:
CO2 + 2Η2Α + Φωτισμός Ενέργειας + 2Α + Η2Ο
Το γράμμα Α στην εξίσωση είναι μια μεταβλητή και το Η2Το Α αντιπροσωπεύει τον πιθανό δότη ηλεκτρονίων. Για παράδειγμα, το Α μπορεί να αντιπροσωπεύει θείο στο υδρόθειο δωρητή ηλεκτρονίων (Η2S), εξήγησε ο Govindjee και ο John Whitmarsh, βιολόγοι φυτών στο Πανεπιστήμιο του Illinois στο Urbana-Champaign, στο βιβλίο "Concepts in Photobiology: Photosynthesis and Photomorphogenesis" (εκδότες Narosa και Kluwer Academic, 1999).
Η φωτοσυνθετική συσκευή
Τα παρακάτω είναι κυτταρικά συστατικά απαραίτητα για τη φωτοσύνθεση.
Χρωστικές ουσίες
Οι χρωστικές είναι μόρια που προσδίδουν χρώμα σε φυτά, φύκια και βακτήρια, αλλά είναι επίσης υπεύθυνα για την αποτελεσματική παγίδευση του ηλιακού φωτός. Χρωστικές ουσίες διαφορετικών χρωμάτων απορροφούν διαφορετικά μήκη κύματος φωτός. Ακολουθούν οι τρεις κύριες ομάδες.
- Χλωροφύλλη: Αυτές οι πράσινες χρωστικές είναι ικανές να παγιδεύουν το μπλε και το κόκκινο φως. Οι χλωροφύλλες έχουν τρεις υποκατηγορίες, που ονομάζονται χλωροφύλλη α, χλωροφύλλη b και χλωροφύλλη c. Σύμφωνα με τον Eugene Rabinowitch και τον Govindjee στο βιβλίο τους "Φωτοσύνθεση" (Wiley, 1969), η χλωροφύλλη α βρίσκεται σε όλα τα φυτά φωτοσύνθεσης. Υπάρχει επίσης μια βακτηριακή παραλλαγή εύστοχα ονομαζόμενη βακτηριοχλωροφύλλη, η οποία απορροφά το υπέρυθρο φως. Αυτή η χρωστική ουσία παρατηρείται κυρίως σε πορφυρά και πράσινα βακτήρια, τα οποία διεξάγουν ανυογονική φωτοσύνθεση.
- Καροτενοειδή: Αυτές οι κόκκινες, πορτοκαλί ή κίτρινες χρωστικές απορροφούν γαλαζωπό πράσινο φως. Παραδείγματα καροτενοειδών είναι ξανθοφύλλη (κίτρινο) και καροτένιο (πορτοκάλι) από τα οποία τα καρότα παίρνουν το χρώμα τους.
- Phycobilins: Αυτές οι κόκκινες ή μπλε χρωστικές απορροφούν τα μήκη κύματος του φωτός που δεν απορροφώνται τόσο καλά από τις χλωροφύλλες και τα καροτενοειδή. Εμφανίζονται σε κυανοβακτήρια και κόκκινα άλγη.
Plastids
Οι φωτοσυνθετικοί ευκαρυωτικοί οργανισμοί περιέχουν οργανίδια που ονομάζονται πλαστίδια στο κυτταρόπλασμα τους. Τα διπλά μεμβράνη πλαστίδια σε φυτά και άλγη αναφέρονται ως πρωτογενή πλαστίδια, ενώ η ποικιλία πολλαπλών μεμβρανών που βρίσκεται στο πλαγκτόν καλούνται δευτερογενή πλαστίδια, σύμφωνα με άρθρο στο περιοδικό Nature Education του Cheong Xin Chan και Debashish Bhattacharya, ερευνητές στο Πανεπιστήμιο Rutgers στο Νιου Τζέρσεϊ.
Τα πλασίδια περιέχουν γενικά χρωστικές ουσίες ή μπορούν να αποθηκεύουν θρεπτικά συστατικά. Οι άχρωμοι και μη χρωματισμένοι λευκοπλάστες αποθηκεύουν λίπη και άμυλο, ενώ οι χρωμοπλάστες περιέχουν καροτενοειδή και οι χλωροπλάστες περιέχουν χλωροφύλλη, όπως εξηγείται στο βιβλίο του Geoffrey Cooper "The Cell: A Molecular Approach" (Sinauer Associates, 2000).
Η φωτοσύνθεση συμβαίνει στους χλωροπλάστες. συγκεκριμένα, στις περιοχές grana και stroma. Το κοράκι είναι το εσώτερο τμήμα του οργανιδίου. μια συλλογή δισκοειδών μεμβρανών, στοιβαγμένων σε στήλες όπως πλάκες. Οι μεμονωμένοι δίσκοι ονομάζονται θυλακοειδή. Εδώ συμβαίνει η μεταφορά ηλεκτρονίων. Οι κενές θέσεις μεταξύ των στηλών του grana αποτελούν το στρώμα.
Οι χλωροπλάστες είναι παρόμοιοι με τα μιτοχόνδρια, τα ενεργειακά κέντρα των κυττάρων, επειδή έχουν το δικό τους γονιδίωμα ή συλλογή γονιδίων που περιέχονται μέσα στο κυκλικό DNA. Αυτά τα γονίδια κωδικοποιούν πρωτεΐνες απαραίτητες για το οργανίδιο και τη φωτοσύνθεση. Όπως τα μιτοχόνδρια, οι χλωροπλάστες πιστεύεται επίσης ότι προέρχονται από πρωτόγονα βακτηριακά κύτταρα μέσω της διαδικασίας ενδοσμωδιώσεως.
"Τα πλασίδια προέρχονταν από τα απορροφημένα φωτοσυνθετικά βακτηρίδια που αποκτήθηκαν από ένα μονοκύτταρο ευκαρυωτικό κύτταρο περισσότερο από ένα δισεκατομμύριο χρόνια πριν", δήλωσε ο Baum στην Live Science. Ο Baum εξήγησε ότι η ανάλυση των γονιδίων χλωροπλαστών δείχνει ότι ήταν κάποτε μέλος της ομάδας κυανοβακτήρια, "η μία ομάδα βακτηρίων που μπορούν να επιτύχουν οξυγόνο φωτοσύνθεση".
Στο άρθρο τους του 2010, οι Chan και Bhattacharya υπογραμμίζουν ότι ο σχηματισμός δευτερογενών πλαστιδίων δεν μπορεί να εξηγηθεί καλά από την ενδοσύνθεση των κυανοβακτηρίων και ότι η προέλευση αυτής της κατηγορίας πλαστίδων είναι ακόμα θέμα συζήτησης.
Κεραίες
Τα μόρια χρωστικής σχετίζονται με πρωτεΐνες, οι οποίες τους επιτρέπουν την ευελιξία να κινούνται προς το φως και το ένα προς το άλλο. Μια μεγάλη συλλογή από 100 έως 5.000 μόρια χρωστικής ουσίας αποτελεί "κεραία", σύμφωνα με άρθρο του Wim Vermaas, καθηγητή στο Πανεπιστήμιο της Αριζόνα. Αυτές οι δομές καταγράφουν αποτελεσματικά την φωτεινή ενέργεια από τον ήλιο, με τη μορφή φωτονίων.
Τελικά, η φωτεινή ενέργεια πρέπει να μεταφερθεί σε ένα σύμπλοκο χρωστικής-πρωτεΐνης το οποίο μπορεί να μετατρέψει τη χημική ενέργεια σε ηλεκτρόνια. Στα φυτά, για παράδειγμα, η φωτεινή ενέργεια μεταφέρεται σε χρωστικές χλωροφύλλης. Η μετατροπή σε χημική ενέργεια επιτυγχάνεται όταν μια χρωστική χλωροφύλλη εκπέμπει ένα ηλεκτρόνιο, το οποίο μπορεί στη συνέχεια να μεταφερθεί σε έναν κατάλληλο δέκτη.
Κέντρα αντίδρασης
Οι χρωστικές ουσίες και οι πρωτεΐνες, οι οποίες μετατρέπουν την ελαφριά ενέργεια σε χημική ενέργεια και αρχίζουν τη διαδικασία μεταφοράς ηλεκτρονίων, είναι γνωστές ως κέντρα αντίδρασης.
Η φωτοσυνθετική διαδικασία
Οι αντιδράσεις της φωτοσύνθεσης των φυτών χωρίζονται σε εκείνες που απαιτούν την παρουσία του ηλιακού φωτός και εκείνων που δεν το κάνουν. Και οι δύο τύποι αντιδράσεων λαμβάνουν χώρα σε χλωροπλάστες: αντιδράσεις εξαρτώμενες από το φως στις αντιδράσεις θυλακοειδούς και ανεξάρτητες από το φως στο στρώμα.
Αντιδράσεις που εξαρτώνται από το φως (επίσης αποκαλούμενες αντιδράσεις φωτός): Όταν ένα φωτόνιο φωτός πλήττει το κέντρο αντίδρασης, ένα μόριο χρωστικής όπως η χλωροφύλλη απελευθερώνει ένα ηλεκτρόνιο.
"Το τέχνασμα για να κάνουμε χρήσιμη δουλειά είναι να εμποδίσουμε το ηλεκτρόνιο να βρει το δρόμο του πίσω στο αρχικό του σπίτι", δήλωσε ο Baum στην Live Science. "Αυτό δεν είναι εύκολο να αποφευχθεί, γιατί η χλωροφύλλη έχει τώρα μια« τρύπα ηλεκτρονίων »που τείνει να τραβάει τα κοντινά ηλεκτρόνια».
Το απελευθερωμένο ηλεκτρόνιο καταφέρνει να διαφύγει ταξιδεύοντας μέσω μιας αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων, η οποία παράγει την ενέργεια που απαιτείται για την παραγωγή ATP (τριφωσφορική αδενοσίνη, πηγή χημικής ενέργειας για τα κύτταρα) και NADPH. Η "οπή ηλεκτρονίων" στην αρχική χρωστική ουσία χλωροφύλλη γεμίζεται με τη λήψη ενός ηλεκτρονίου από το νερό. Ως αποτέλεσμα, το οξυγόνο απελευθερώνεται στην ατμόσφαιρα.
Αντιδράσεις ανεξάρτητες από το φως (επίσης αποκαλούμενες σκοτεινές αντιδράσεις και γνωστές ως ο κύκλος Calvin): Οι αντιδράσεις φωτός παράγουν ATP και NADPH, οι οποίες είναι πλούσιες πηγές ενέργειας που οδηγούν σκοτεινές αντιδράσεις. Τρία στάδια χημικής αντίδρασης αποτελούν τον κύκλο Calvin: σταθεροποίηση του άνθρακα, μείωση και αναγέννηση. Αυτές οι αντιδράσεις χρησιμοποιούν νερό και καταλύτες. Τα άτομα άνθρακα από το διοξείδιο του άνθρακα είναι "σταθερά", όταν είναι ενσωματωμένα σε οργανικά μόρια που τελικά σχηματίζουν τρία σάκχαρα άνθρακα. Αυτά τα σάκχαρα στη συνέχεια χρησιμοποιούνται για την παραγωγή γλυκόζης ή ανακυκλώνονται για να ξεκινήσουν ξανά τον κύκλο Calvin.
Φωτοσύνθεση στο μέλλον
Οι φωτοσυνθετικοί οργανισμοί είναι ένα πιθανό μέσο για τη δημιουργία καυσίμων καθαρό-καύσης, όπως το υδρογόνο ή ακόμη και το μεθάνιο. Πρόσφατα, μια ερευνητική ομάδα στο Πανεπιστήμιο του Turku στη Φινλανδία, αξιοποίησε την ικανότητα των πράσινων φυκών να παράγουν υδρογόνο. Τα πράσινα φύκια μπορούν να παράγουν υδρογόνο για μερικά δευτερόλεπτα εάν εκτίθενται πρώτα σε σκούρες, αναερόβιες (χωρίς οξυγόνο) συνθήκες και κατόπιν εκτίθενται στο φως. Η ομάδα σχεδίασε έναν τρόπο να επεκτείνει την παραγωγή υδρογόνου των πράσινων φυκιών για έως και τρεις ημέρες, όπως αναφέρεται στην 2018 μελέτη που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Energy & Environmental Science.
Οι επιστήμονες έχουν επίσης σημειώσει πρόοδο στον τομέα της τεχνητής φωτοσύνθεσης. Για παράδειγμα, μια ομάδα ερευνητών από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας του Μπέρκλεϊ ανέπτυξε ένα τεχνητό σύστημα για τη σύλληψη διοξειδίου του άνθρακα χρησιμοποιώντας νανοσωλήνες ή καλώδια με διάμετρο λίγους δισεκατομμυρίων. Τα σύρματα τροφοδοτούν σε ένα σύστημα μικροβίων που μειώνουν το διοξείδιο του άνθρακα σε καύσιμα ή πολυμερή χρησιμοποιώντας ενέργεια από το ηλιακό φως. Η ομάδα δημοσίευσε το σχέδιό της το 2015 στο περιοδικό Nano Letters.
Το 2016, μέλη της ίδιας ομάδας δημοσίευσαν μια μελέτη στο περιοδικό Science που περιγράφει ένα άλλο τεχνητό φωτοσυνθετικό σύστημα στο οποίο χρησιμοποιούνται ειδικά επεξεργασμένα βακτήρια για τη δημιουργία υγρών καυσίμων χρησιμοποιώντας ηλιακό φως, νερό και διοξείδιο του άνθρακα. Γενικά, τα φυτά μπορούν μόνο να αξιοποιήσουν περίπου το ένα τοις εκατό της ηλιακής ενέργειας και να τα χρησιμοποιήσουν για να παράγουν οργανικές ενώσεις κατά τη διάρκεια της φωτοσύνθεσης. Αντίθετα, το τεχνητό σύστημα των ερευνητών ήταν σε θέση να αξιοποιήσει το 10% της ηλιακής ενέργειας για την παραγωγή οργανικών ενώσεων.
Η συνεχής έρευνα των φυσικών διεργασιών, όπως η φωτοσύνθεση, βοηθά τους επιστήμονες να αναπτύξουν νέους τρόπους αξιοποίησης των διαφόρων πηγών ανανεώσιμης ενέργειας. Βλέποντας το φως του ήλιου, τα φυτά και τα βακτηρίδια είναι όλα πανταχού παρόντα, η αξιοποίηση της δύναμης της φωτοσύνθεσης είναι ένα λογικό βήμα για τη δημιουργία καυσίμων με καθαρή καύση και άνθρακα-ουδέτερο.
Επιπρόσθετοι πόροι:
