Фотосинтез
Фотосинтез (ін.-грец. φῶς - "Світло" і σύνθεσις - "з'єднання", "складування", "зв'язування", "синтез") - один з найважливіших процесів у природі, який забезпечує життя на Землі. Це хімічний процес перетворення енергії світла на енергію хімічних зв'язків органічних речовин за участю фотосинтетичних пігментів [1] .
Є основним джерелом органічних речовин всім рослин, і навіть основою харчування багатьох тварин. Фотосинтез відноситься до хімічних реакцій, що відбуваються в клітинах зелених рослин та деяких бактерій під дією світла [2] .
Фотосинтез не лише важливим процесом для рослин, а й має глобальне значення для всієї біосфери. Він забезпечує утворення кисню, необхідного життя на Землі, і навіть знижує концентрацію вуглекислого газу атмосфері. Крім того, фотосинтез відіграє ключову роль у харчовому ланцюжку, забезпечуючи енергетичне харчування для всіх організмів. Вивчення механізму фотосинтезу допомагає поглибити розуміння принципів роботи живих систем і може мати значення для розробки нових методів використання сонячної енергії [3] .
Механізм процесу
Під час фотосинтезу світлова енергія перетворюється на хімічну енергію, яка використовується для синтезу органічних молекул – глюкози. Головною складовою цього процесу є пігменти хлорофілу, які здатні поглинати світло різних довжин хвиль. При поглинанні світла хлорофіл вивільняє електрони, що починають рухатися електронними ланцюгами фотосистем.Це призводить до розщеплення молекули води на кисень та протони, а також до утворення аденозинтрифосфату (АТФ) – основного носія енергії у клітинах [4] .
Для фотосинтезу організмам необхідні спеціальні пігменти, фотосинтетичні приймачі (антени). Антени поглинають світлові кванти і перетворюють їх на енергію, яка потім використовується створення електрохімічного градієнта іонів H+ на мембранах організму [4] .
У більшості живих організмів, таких як рослини та водорості, роль антен відіграють хлорофіли. Хлорофіли є основними пігментами, які поглинають світло у видимому діапазоні та передають його енергію для фотосинтезу. Однак є й інші організми, у яких як антен використовується похідне вітаміну А – ретиналь. Це більш рідкісний випадок, але все ж таки він існує [4] .
Таким чином, можна виділити два типи фотосинтезу: хлорофільний та безхлорофільний. У хлорофільному фотосинтезі хлорофіли відіграють ключову роль у поглинанні світла та перетворенні його в енергію. У безхлорофільному фотосинтезі антени на основі ретиналу виконують аналогічну функцію [2] .
Історія вивчення фотосинтезу
Відкриття хлорофілів
У 1770—1780 роках Джозеф Прістлі провів низку експериментів, щоб вивчити фотосинтез. Він помістив у герметичний посуд свічку, що горить, і живий щур. Джозеф зауважив, що повітря в посудині «зіпсувалося», коли свічка перестала горіти і тварина всередині почала задихатися. Однак, коли Прістлі додав до посудини рослину, повітря «виправилося». З цього він зробив висновок, що рослини виділяють кисень, необхідний для дихання та горіння. Однак Прістлі не помітив, що рослинам потрібне світло для цього процесу. Це відкриття було зроблено пізніше Яном Інгенхауз [5] .
З часом було встановлено, що крім виділення кисню рослини також поглинають вуглекислий газ і, використовуючи воду, синтезують органічні речовини за наявності світла. Цей процес, відомий як фотосинтез, є основним механізмом, завдяки якому рослини одержують енергію і виробляють кисень [5] .
У 1818 році П'єр Жозеф Пелетьє та Жозеф Б'єнеме Каванту вперше виділили хлорофіли, відкривши двері до вивчення фотосинтезу. Метод хроматографії, розроблений Михайлом Семеновичем Цвєтом, дозволив розділити пігменти та вивчити їх окремо. У 1842 році Роберт Майєр припустив, що рослини перетворюють енергію сонячного світла на енергію хімічних зв'язків, ґрунтуючись на законі збереження енергії. У 1877 Вільгельм Пфеффер дав цьому процесу назву «фотосинтез» [6] .
Климент Аркадійович Тимірязєв, продовжуючи дослідження, вивчив спектри поглинання хлорофілу і дійшов висновку, що поглинені промені підвищують енергію системи. Він також спростував попередню думку про те, що у фотосинтезі використовуються лише жовті промені, які не поглинаються пігментами листа. Згідно з його дослідженнями, це саме поглинені промені, які створюють високоенергетичні зв'язки С-С, замінюючи слабкі зв'язки С-О та О-Н [7] .
Таким чином, відкриття хлорофілів та дослідження їх спектрів поглинання стали ключовими моментами у розумінні процесу фотосинтезу. Ці відкриття дозволяють краще зрозуміти, як рослини використовують сонячну енергію для створення поживних речовин та підтримки життєдіяльності [6] .
Штучне світло та рослини
Великий внесок у вивчення фотосинтезу зробив Андрій Сергійович Фамінцин.У 1868 році він вперше експериментально довів та науково обґрунтував застосування штучного освітлення для вирощування рослин, використавши гасові лампи замість сонячного світла. Це відкриття поклало початок нової ери в аграрній науці, що дозволяє вирощувати рослини незалежно від пори року та кліматичних умов [8] .
Зроблено це завдяки створеному ним методу обліку фотосинтезу по поглиненому CO 2 >> : в ході експериментів з освітлення рослини світлом різних довжин хвиль (різного кольору) виявилося, що інтенсивність фотосинтезу збігається зі спектром поглинання хлорофілу. Це відкриття дозволило точніше вивчити процеси, що відбуваються всередині рослин при фотосинтезі [8] .
Андрій Фаміцин першим системно вивчив процеси утворення крохмалю у тканинах рослин під впливом світла. Він виявив, що світло відіграє важливу роль в утворенні цієї речовини, яка є основною запасною поживною речовиною для рослин. Це відкриття допомогло більш глибоко зрозуміти механізми фотосинтезу та його вплив на утворення та накопичення корисних речовин у рослинах [9] .
Крім того, Фамінцин вивчив вплив світла на утворення хлорофілу, його розташування в листі рослин різних таксонів. Він встановив, що інтенсивність освітлення та його спектральний склад впливають на вміст хлорофілу в рослинах. Це відкриття стало основою для розробки оптимальних умов вирощування рослин, які дозволяють підвищити їхню врожайність і якість [10] .
Концепція окислювально-відновної сутності фотосинтезу
У 1931 році Корнеліс ван Ніль запропонував і довів концепцію окислювально-відновної сутності фотосинтезу, включаючи обидва типи — оксигенний та аноксигенний.Він встановив, що пурпурові бактерії та зелені серобактерії здійснюють аноксигенний фотосинтез. Кисень у оксигенному фотосинтезі утворюється повністю з води, що експериментально підтверджено Олександром Павловичем Виноградовим в 1941 року у його ізотопних мітках. У 1937 році Роберт Хілл зробив відкриття, яке полягає в тому, що процес окислення води та виділення кисню, а також асиміляція CO 2 >> можуть бути розділені. Ці відкриття призвели до глибшого розуміння фотосинтезу та його механізмів [10] .
У 1955 році було виділено та очищено фермент рибулозобісфосфат-карбоксилаза/оксигеназу, який відіграє ключову роль у процесі фотосинтезу. Це дозволило поглибити розуміння механізмів, що у основі фотосинтезу [8] .
У 1961 році Мелвін Кальвін був удостоєний Нобелівської премії за свою роботу щодо розкриття сутності процесу асиміляції CO 2 >> з використанням ізотопів вуглецю наприкінці 1940-х років. Ця робота стала проривом у вивченні фотосинтезу. Також у 1954-1958 роках Даніель Арнон встановив механізм світлових стадій фотосинтезу, доповнюючи дослідження Кальвіна [9] .
В 1960 Юрієм Соломоновичем Карпіловим був описаний C4-фотосинтез, а в 1966 Маршаллом Хетчем і Чарльзом Слеком були представлені подальші дослідження цього процесу. Вони показали, що C4-фотосинтез є ефективним механізмом, що дозволяє рослинам адаптуватися до жарких умов та нестачі води.
Всі ці відкриття та дослідження зробили значний внесок у розуміння фотосинтезу та його ролі у життєдіяльності рослин. Вони дозволили розкрити механізми, що лежать в основі цього процесу, та відкрити нові перспективи для застосування фотосинтезу у різних галузях, таких як сільське господарство та енергетика [10] .
Незважаючи на те, що механізми фотосинтезу вивчаються багато десятиліть, залишається ще багато питань та невирішених загадок. Вчені продовжують дослідження, щоб розширити знання про фотосинтез та його роль в екосистемі. Кожне нове відкриття дослідників допомагає краще зрозуміти та використати потенціал фотосинтезу для різних додатків, включаючи розвиток нових джерел енергії та покращення сільськогосподарських методів [8] .
Значення фотосинтезу для еволюції
Вважається, що безхлорофільний фотосинтез, при якому енергія світла запасається у формі хімічної енергії, був здійснений археями - найдавнішими організмами. У цьому процесі не утворюється відновник (НАДФН) та не фіксується вуглекислий газ, а енергія зберігається лише у формі АТФ [1] .
Однак приблизно 3,7-3,8 мільярда років тому, незалежно від архей, з'явилися інші організми, такі як зелені та пурпурні бактерії, а також інші групи еубактерій. Ці організми мали одну з фотосистем, яка дозволяла їм здійснювати аноксигенний фотосинтез. У цьому процесі як донори електронів використовувалися сполуки з низьким редокс-потенціалом, такі як водень, сульфіди та сірководень, сірка, сполуки заліза (II), нітрити. Також можливий циклічний потік електронів навколо фотосистеми [9].
В еволюції життя на Землі оксигенний фотосинтез з двома фотосистемами, що функціонують, виник дуже давно, приблизно від 3,5 до 2,4 мільярдів років тому. Ця система, характерна для ціанобактерій, стала основою для розвитку хлоропластів водоростей та вищих рослин у процесі ендосімбіозу. Вона дозволила використовувати воду як джерело електронів, що є необмеженим донором електронів з високим редокс-потенціалом.Вода не тільки має високий редокс-потенціал, але і є широко поширеним з'єднанням на Землі. Це стало ключовим моментом в еволюції фотосинтезу та сприяло розвитку життя на планеті [9] .
З моменту появи оксигенних фотосинтезуючих організмів відбувається важливий процес - збільшення вмісту молекулярного кисню на Землі. Цей газ, що є сильним окислювачем, починає накопичуватись у водах світового океану, окислювати гірські породи та сприяти формуванню озонового екрану. В результаті кисень накопичується в атмосфері планети. Цей процес, відомий як киснева катастрофа, має глибокий вплив на розбудову давньої відновлювальної атмосфери Землі та формування сучасної атмосфери окисного типу [10] .
Зображення, що показують глобальний розподіл фотосинтезу, включаючи фітопланктон та наземну рослинність.
Зміна складу атмосфери Землі та перехід до окисного типу були суттєвими подіями, які вплинули на розвиток життя на планеті. Оксигенні фотосинтезуючі організми, такі як ціанобактерії, відігравали ключову роль у цьому процесі. Їхня здатність виробляти кисень в результаті фотосинтезу призвела до поступового збільшення його вмісту в атмосфері. Це, у свою чергу, створило умови для розвитку більш складних організмів, які могли використовувати кисень для обміну речовини [9] .
Киснева катастрофа, спричинена збільшенням вмісту кисню, призвела до значних змін у навколишньому середовищі. Окислення гірських порід призвело до утворення нових мінералів та зміни хімічного складу земної кори. Крім того, накопичення кисню в океані сприяло зміні складу морської води та еволюції морської фауни [8] .
p align="justify"> Важливим наслідком кисневої катастрофи стало формування озонового екрану. Озон, що утворюється у стратосфері під впливом ультрафіолетового випромінювання, захищає живі організми від небезпечної дії сонячних променів. Завдяки цьому, життя на суші стало можливим для складніших організмів [8] .
Таким чином, виникнення системи оксигенного фотосинтезу мало велике значення для еволюції Землі та формування сучасної атмосфери. Киснева катастрофа та перехід до окисного типу атмосфери відкрили нові можливості для розвитку життя та стали ключовими подіями в історії планети [10] .
Завдяки формуванню озонового шару, який є природним щитом, що захищає від небезпечного ультрафіолетового випромінювання, виникла можливість розвитку життя на суші. Це був справжній прорив в еволюції, який супроводжувався не лише змінами в гідро-, літо- та атмосфері, а й значними трансформаціями в біосфері [10] .
Один із головних наслідків формування озонового шару — накопичення кисню в атмосфері. Це призвело до зміни домінуючих анаеробних угруповань на аеробні. Життя на Землі почало залежати від кисню та аеробних процесів, що відкрило нові можливості для еволюції організмів [9] . Формування озонового шару не тільки уможливило вихід життя на сушу, а й призвело до значних змін у біосфері. Цей процес продовжується і в даний час [10] .
Фотосинтез, будучи екологічним фактором середоутворення в біосфері, знаходиться в прямій залежності від зовнішніх факторів середовища. Його ефективність визначається взаємодією фотосинтезуючих рослин із конкретними умовами навколишнього середовища.Знаючи умови середовища, можна регулювати продуктивність рослин у різних природно-кліматичних зонах сільськогосподарського виробництва.
Примітки
- ↑ 1,01,1Фотосинтез(неопр.) . БРЕ. Дата звернення: 26 липня 2023 року.
- ↑ 2,02,1Альохіна Н.Д. Фізіологія рослин / Єрмаков І.П.. - М.: Академія, 2007. - 636 с. - ISBN 978-5-7695-3688-5.
- ↑Іванов Ст Б., Плотнікова І. Ст, Живухіна Є. А. Практикум з фізіології рослин. - М.: Академія, 2004. - 141 с. - ISBN 5-7695-1744-1.
- ↑ 4,04,14,2Якушкіна Н.І. Фізіологія рослин. - М.: ВЛАДОС, 2005. - 463 с. - ISBN 5-691-01353-X.
- ↑ 5,05,1Гавриленко В.Ф. Великий практикум з фотосинтезу. - М.: Академія, 2003. - 254 с. - ISBN 5-7695-1110-9.
- ↑ 6,06,1Третьякова Н.М. Практикум з фізіології рослин. - М.: Колос, 2003. - 288 с. - ISBN 5-9532-0058-7.
- ↑Тимірязєв Климент Аркадійович(неопр.) . БРЕ. Дата звернення: 26 липня 2023 року.
- ↑ 8,08,18,28,38,48,5Плотнікова І.В., Живухіна Є.А., Міхалевська О.Б. Практикум з фізіології рослин. - М.: Академія, 2001. - 141 с. - ISBN 5-7695-0668-7.
- ↑ 9,09,19,29,39,49,5Єрмакова І. П. Фізіологія рослин. - 2007.
- ↑ 10,010,110,210,310,410,510,6Артамонов В.І. Цікава фізіологія рослин. - М.: Агропроміздат, 1991. - 336 с. - ISBN 5-10-001829-1.
Посилання
Що таке фотосинтез?
Фотосинтез – це процес, що використовується рослинами, водоростями та деякими бактеріями для перетворення сонячного світла, вуглекислого газу (CO2) та води в їжу (цукор) та кисень. Ось огляд загальних принципів фотосинтезу та пов'язаних з ним досліджень, які допоможуть розробити чисті види палива та джерела відновлюваної енергії.
Види фотосинтетичних процесів
Існує два види фотосинтетичних процесів: кисневий фотосинтез та аноксигенний фотосинтез.Обидва вони дотримуються дуже схожих принципів, але кисневий фотосинтез є найпоширенішим і спостерігається у рослин, водоростей та ціанобактерій.
Під час кисневого фотосинтезу світлова енергія переносить електрони з води (H2O), поглиненої корінням рослин, на CO2 для вуглеводів. У цьому перенесенні СО2 «відновлюється» чи отримує електрони, а вода «окислюється» чи втрачає електрони. Кисень виробляється разом із вуглеводами.
Кисневий фотосинтез діє як противагу диханню, поглинаючи CO2, що виробляється всіма дихаючими організмами, і повторно вводячи кисень в атмосферу.
Тим часом аноксигенний фотосинтез використовує донори електронів, які не є водою і не виробляють кисень. Цей процес зазвичай відбувається у бактерій, таких як зелені серобактерії та фототрофні пурпурні бактерії. (1)
Рівняння фотосинтезу
Хоча обидва види фотосинтезу є складними та багатоступінчастими, загальний процес можна акуратно резюмувати у вигляді хімічного рівняння.
Рівняння кисневого фотосинтезу:
6CO2 + 12H2O + Світлова енергія → C6H12O6 + 6O2 + 6H2O
Тут 6 молекул вуглекислого газу (CO2) поєднуються з 12 молекулами води (H2O), використовуючи енергію світла. Кінцевим результатом є утворення однієї молекули вуглеводу (C6H12O6 або глюкози) разом із 6 молекулами кисню та 6 молекулами води.
Так само різні реакції аноксигенного фотосинтезу можна подати у вигляді єдиної узагальненої формули:
CO2 + 2H2A + світлова енергія → [CH2O] + 2A + H2O
Літера A у рівнянні є змінною, а H2A є потенційним донором електронів. Наприклад, A може позначати сірку в сірковододі (H2S), що є донором електронів. (2)
Як відбувається обмін діоксиду вуглецю та кисню?
Продихання є воротарами листа, забезпечуючи газообмін між листом і навколишнім повітрям. (Зображення надано: Уолдо Нелл / 500px / Getty Images)
Рослини поглинають CO2 з навколишнього повітря і виділяють воду і кисень через мікроскопічні пори на своєму листі, звані продихами. Продихання служать воротами газообміну між внутрішньою частиною рослин і зовнішнім середовищем.
Коли продихи відкриваються, вони пропускають СО2; проте, коли продихи відкриті, вони виділяють кисень і дозволяють вийти водяним парам. Щоб зменшити втрату води, продихи закриваються, але це означає, що рослина більше не може отримувати CO2 для фотосинтезу. Цей компроміс між збільшенням кількості CO2 і втратою води є особливою проблемою для рослин, що ростуть у спекотних і посушливих умовах.
Як рослини поглинають сонячне світло для фотосинтезу?
Рослини містять спеціальні пігменти, що поглинають світлову енергію, необхідну для фотосинтезу.
Хлорофіл є основним пігментом, що використовується для фотосинтезу і надає рослинам зелений колір. Хлорофіл поглинає червоне та синє світло для використання у фотосинтезі та відображає зелене світло. Хлорофіл – велика молекула, для виробництва якої потрібно багато ресурсів; як такий, він руйнується до кінця життя листка, і більшість азоту (один із будівельних блоків хлорофілу) всмоктується назад у рослину. Коли восени листя втрачає свій хлорофіл, інші пігменти листя, такі як каротиноїди та антоціани, починають виявляти свій справжній колір. У той час як каротиноїди в основному поглинають синє світло і відбивають жовте, антоціани поглинають синьо-зелене світло і відбивають червоне. (3, 4)
Молекули пігменту пов'язані з білками, що дозволяє їм гнучко рухатися назустріч світлу та один одному. Велике скупчення із 100–5000 молекул пігменту становить «антену». Ці структури ефективно вловлюють світлову енергію сонця як фотонів. (5)
З бактеріями ситуація трохи інша. У той час як ціанобактерії містять хлорофіл, інші бактерії, наприклад, пурпурні бактерії та зелені серобактерії, містять бактеріохлорофіл, що поглинає світло для аноксигенного фотосинтезу.
Де у рослині відбувається фотосинтез?
Для фотосинтезу рослин потрібна енергія сонячного світла. (Зображення надано: Shutterstock)
Фотосинтез відбувається у хлоропластах, типі пластид (органели з мембраною), які містять хлорофіл і в основному виявляються у листі рослин. Двомембранні пластиди в рослинах і водоростях відомі як первинні пластиди, тоді як мультимембранні пластиди, виявлені в планктоні, називаються вторинними пластидами. (6)
Хлоропласти схожі на мітохондрії, енергетичні центри клітин, тим, що вони мають власний геном чи набір генів, які у кільцевої ДНК. Ці гени кодують білки, необхідні для органел та фотосинтезу. (7)
Усередині хлоропластів знаходяться пластинчасті структури, які називаються тилакоїдами, які відповідають за збирання фотонів світла для фотосинтезу. Тилакоїди покладені один на одного в стовпці, відомі як грани. Між гранами знаходиться строма - рідина, що містить ферменти, молекули та іони, в якій відбувається утворення цукру. (8)
Зрештою світлова енергія має бути передана комплексу пігмент-білок, який може перетворити її на хімічну енергію у формі електронів. У рослинах світлова енергія передається пігментам хлорофілу.Перетворення на хімічну енергію здійснюється, коли пігмент хлорофілу виганяє електрон, який потім може перейти до відповідного одержувача.
Пігменти та білки, які перетворюють енергію світла на хімічну енергію та запускають процес перенесення електронів, відомі як реакційні центри.
Реакції фотосинтезу рослин діляться на дві основні стадії: ті, що вимагають присутності сонячного світла (світлозалежні реакції), і ті, що не вимагають наявності сонячного світла (світлонезалежні реакції). У хлоропластах протікають обидва типи реакцій: світлозалежні реакції в тилакоїді та світлонезалежні реакції в стромі.
Світлозалежні реакції
Коли рослина поглинає сонячну енергію, їй спочатку необхідно перетворити її на хімічну енергію.
Коли фотон світла потрапляє до реакційного центру, молекула пігменту, така як хлорофіл, вивільняє електрон.
Електрону, що звільнився, вдається піти, подорожуючи ланцюгом перенесення електронів, що генерує енергію, необхідну для виробництва АТФ (аденозинтрифосфату, джерела хімічної енергії для клітин) і НАДФН – обидва з яких необхідні на наступному етапі фотосинтезу у відновлювальному пентозофосфатному. "Електронна діра" у вихідному пігменті хлорофілу заповнюється за рахунок взяття електронів з води. Внаслідок розщеплення молекул води в атмосферу виділяється кисень.
Світлонезалежні реакції: відновлювальний пентозофосфатний цикл
Фотосинтез включає процес, званий відновним пентозофосфатним циклом, для використання енергії, накопиченої в результаті світлозалежних реакцій, для перетворення CO2 в цукру, необхідні для росту рослин. (Зображення надано: wikipedia.org)
Відновлювальний пентозофосфатний цикл, або цикл Кальвіна, використовує енергію, накопичену в результаті світлозалежних реакцій, для перетворення CO2 в цукру, необхідні для росту рослин. Ці реакції відбуваються в стромі хлоропластів і не запускаються безпосередньо світлом – звідси їхня назва «світлонезалежні реакції». Однак вони все ще пов'язані зі світлом, оскільки цикл Кальвіна підживлюється АТФ і НАДФН (обидва з раніше згаданих світлозалежних реакцій). (9)
По-перше, CO2 з'єднується з рибулозо-1,5-бісфосфатом (РуБФ), який є п'ятивуглецевим акцептором. Потім він розщеплюється на дві молекули тривуглецевої сполуки – 3-фосфогліцеринової кислоти (3-ФГК). Реакція каталізується ферментом РуБФ-карбоксилаза/оксигеназу, також відомим як рубіско.
Друга стадія циклу Кальвіна включає перетворення 3-ФГК у тривуглецевий цукор, званий гліцеральдегід-3-фосфатом (Г3Ф) – у процесі використовуються АТФ та НАДФН. Нарешті, в той час, як одні молекули Г3Ф використовуються для виробництва глюкози, інші рециркулюють назад, щоб отримати РуБФ, який використовується на першому етапі для прийняття CO2. На кожну молекулу Г3Ф, яка виробляє глюкозу, п'ять молекул рециркулюють з утворенням трьох акцепторних молекул РУФ.
Фотодихання
Рубіско може іноді зв'язувати кисень замість СО2 у циклі Кальвіна, який витрачає енергію – процес відомий як фотодихання. Фермент розвинувся у той час, коли рівні CO2 в атмосфері були високими, а кисень був рідкісним, тому він не мав причин проводити різницю між ними. (10, 11)
Фотодихання є особливо великою проблемою, коли продихи рослин закриті для економії води і тому більше не поглинають CO2.У рубіско немає іншого вибору, крім як натомість відновлювати кисень, що, у свою чергу, знижує фотосинтетичну ефективність рослини. Це означає, що вироблятиметься менше їжі рослини (цукри), що може призвести до уповільнення росту і, отже, зменшення розмірів рослин.
Це велика проблема для сільського господарства, тому що менші рослини означають менший урожай. На сільськогосподарську галузь чиниться зростаючий тиск з метою підвищення продуктивності рослин, щоб прогодувати населення Землі, що постійно зростає. Вчені постійно шукають способи підвищити ефективність фотосинтезу та зменшити частоту неефективного фотодихання.
Види фотосинтезу
Існує три основні види фотосинтетичних шляхів: C3, C4 та CAM. Всі вони виробляють цукор з CO2, використовуючи цикл Кальвіна, але кожен шлях трохи відрізняється.
Три основні типи фотосинтетичних шляхів – це C3, C4 та CAM. Більшість рослин використовують фотосинтез C3, включаючи рис та бавовну. (Зображення надано: Ендрю ТБ Тан / Getty Images)
C3-фотосинтез
Більшість рослин використовують C3-фотосинтез, включаючи зернові (пшениця та рис), бавовну, картопля та сою. C3-фотосинтез названий на честь тривуглецевої сполуки, яка називається 3-фосфогліцериновою кислотою (3-ФГК), яку він використовує під час циклу Кальвіна. 3-ФГК утворюється, коли рубіско фіксує CO2, утворюючи тривуглецеву сполуку. (12)
C4-фотосинтез
Такі рослини, як кукурудза та цукрова тростина, використовують C4-фотосинтез. У цьому процесі використовується проміжне з'єднання, що складається з чотирьох атомів вуглецю (зване оксалоацетатом), яке перетворюється на малат.Потім малат транспортується в провідний пучок, де він руйнується і виділяє CO2, який потім фіксується рубиско і перетворюється на цукру в циклі Кальвіна (так само, як фотосинтез C3). Рослини C4 краще пристосовані до жаркого і сухого навколишнього середовища і можуть продовжувати утримувати вуглець, навіть коли їх продихи закриті (оскільки у них є розумне рішення для зберігання), що знижує їх ризик фотодихання. (13)
CAM-фотосинтез
Кислотний метаболізм товстянкових (CAM) виявляється у рослин, адаптованих до дуже жарких та сухих умов, таких як кактуси та ананаси. Коли продихи відкриваються для поглинання CO2, вони ризикують втратити воду у зовнішнє середовище. Через це рослини адаптувалися у дуже посушливих та жарких умовах. Одна з адаптацій – CAM, при якому рослини відкривають продихи вночі (коли температура нижче і втрата води менш небезпечна). CO2 потрапляє в рослини через продихи, фіксується в оксалоацетат і перетворюється на малат або іншу органічну кислоту (як у дорозі C4). Потім CO2 доступний для світлозалежних реакцій в денний час, і продихи закриваються, що знижує ризик втрати води. (14)
Як фотосинтез може боротися зі зміною клімату
Фотосинтезують організми – це можливий засіб для виробництва екологічно чистого палива, такого як водень. Група дослідників з Університету Турку у Фінляндії вивчила здатність зелених водоростей виробляти водень. Зелені водорості можуть виділяти водень протягом декількох секунд, якщо вони спочатку піддаються впливу темних анаеробних (безкисневих) умов, а потім піддаються впливу світла. Як повідомляється в їхньому дослідженні 2018 року, опублікованому в журналі Energy & Environmental Science, дослідники розробили спосіб продовжити виробництво водню зеленими водоростями до трьох днів. (15)
Вчені також досягли успіхів у галузі штучного фотосинтезу. Наприклад, група дослідників з Каліфорнійського університету в Берклі розробила штучну систему для уловлювання CO2 з використанням нанодроту або проводів діаметром кілька мільярдних часток метра. Дріт проникає в систему мікробів, які зменшують CO2 паливо або полімери, використовуючи енергію сонячного світла. Команда опублікувала свій дизайн у 2015 році в журналі Nano Letters. (16)
У 2016 році члени цієї групи опублікували дослідження в журналі Science, В якому описана ще одна штучна фотосинтетична система, в якій спеціально сконструйовані бактерії використовувалися для створення рідкого палива з використанням сонячного світла, води та CO2. Загалом рослини можуть використовувати лише близько одного відсотка сонячної енергії та використовувати її для виробництва органічних сполук під час фотосинтезу. Навпаки, штучна система дослідників змогла використати 10% сонячної енергії для органічних сполук. (17)
У 2019 році дослідники написали в Journal of Biological Chemistry, що ціанобактерії можуть підвищити ефективність ферменту рубіско Вчені виявили, що ці бактерії особливо хороші в концентрації СО2 у своїх клітинах, що допомагає запобігти випадковому зв'язуванню рубиско з киснем. Розуміючи, як бактерії досягають цього, вчені сподіваються впровадити цей механізм у рослини, щоб підвищити ефективність фотосинтезу та знизити ризик фотодихання. (18)
Безперервні дослідження природних процесів допомагають вченим у розробці нових способів використання різних джерел відновлюваної енергії, а використання сили фотосинтезу є логічним кроком для створення екологічно чистих та вуглецевих видів палива.
Працює екологічним та науковим журналістом понад 15 років. Пише про науку, культуру, космос і сталий розвиток. Позаштатний автор сайту "Знання - світло".
