Vad är fotosyntes?

Fotosyntes är den process som används av växter, alger och vissa bakterier för att utnyttja energi från solljus och förvandla den till kemisk energi. Här beskriver vi de allmänna principerna för fotosyntes och belyser hur forskare studerar denna naturliga process för att utveckla rena bränslen och källor till förnybar energi.

Typer av fotosyntes

Det finns två typer av fotosyntetiska processer: syresyrande fotosyntes och anoxygenisk fotosyntes. De allmänna principerna för anoxygenisk och syresyrande fotosyntes är mycket lika, men syresyrande fotosyntes är de vanligaste och ses i växter, alger och cyanobakterier.

Under syrefotosyntes överför ljusenergi elektroner från vatten (H₂O) till koldioxid (CO₂), för att producera kolhydrater. I denna överföring har CO₂ är "reducerad", eller tar emot elektroner, och vattnet blir "oxiderat", eller förlorar elektroner. I slutändan produceras syre tillsammans med kolhydrater.

Oxygenisk fotosyntes fungerar som en motvikt till andning genom att ta in koldioxid som produceras av alla andningsorganismer och återinför syrgas till atmosfären.

Å andra sidan använder anoxygenisk fotosyntes andra elektrondonatorer än vatten. Processen förekommer vanligtvis i bakterier som lila bakterier och grön svavelbakterier, som främst finns i olika vattenlevande livsmiljöer.

"Anoxygenisk fotosyntes producerar inte syre - därav namnet," sade David Baum, professor i botanik vid University of Wisconsin-Madison. "Vad som produceras beror på elektrondonatorn. Till exempel använder många bakterier den dåliga ägg-luktande gasen vätesulfid och producerar fast svavel som en biprodukt."

Även om båda typerna av fotosyntes är komplexa, multistep-affärer, kan den övergripande processen fint sammanfattas som en kemisk ekvation.

Oxygenisk fotosyntes skrivs enligt följande:

6CO₂ + 12H₂O + Ljusenergi → C₆H₁₂O₆ + 6O₂ + 6H₂O

Här sex molekyler koldioxid (CO₂) kombineras med 12 molekyler vatten (H₂O) använda ljusenergi. Slutresultatet är bildandet av en enda kolhydratmolekyl (C₆H₁₂O₆, eller glukos) tillsammans med sex molekyler vardera andningsbart syre och vatten.

På liknande sätt kan de olika anoxygeniska fotosyntesreaktionerna representeras som en enda generaliserad formel:

CO₂ + 2H₂A + Ljusenergi → + 2A + H₂O

Bokstaven A i ekvationen är en variabel och H₂A representerar den potentiella elektrondonatorn. Exempelvis kan A representera svavel i elektrondonatorvätesulfid (H₂S), förklarade Govindjee och John Whitmarsh, växtbiologer vid University of Illinois i Urbana-Champaign, i boken "Concepts in Photobiology: Photosynthesis and Photomorphogenesis" (Narosa Publishers and Kluwer Academic, 1999).

Den fotosyntetiska apparaten

Följande är cellulära komponenter som är viktiga för fotosyntesen.

pigment

Pigment är molekyler som ger färg på växter, alger och bakterier, men de är också ansvariga för att effektivt fånga solljus. Pigment i olika färger absorberar olika ljusvåglängder. Nedan visas de tre huvudgrupperna.

• Klorofyll: Dessa grönfärgade pigment kan fånga blått och rött ljus. Klorofyll har tre subtyper, kallad klorofyll a, klorofyll b och klorofyll c. Enligt Eugene Rabinowitch och Govindjee i sin bok "Fotosyntes" (Wiley, 1969), finns klorofyll a i alla fotosyntesanläggningar. Det finns också en bakterievariant med namnet bakterioklorofyll, som absorberar infrarött ljus. Detta pigment ses främst i lila och gröna bakterier, som utför anoxygenisk fotosyntes.
• Karotenoider: Dessa röda, orange eller gulfärgade pigment absorberar blågrönt ljus. Exempel på karotenoider är xantofyll (gul) och karoten (orange) från vilka morötter får sin färg.
• Fykobiliner: Dessa röda eller blå pigment absorberar våglängder för ljus som inte lika bra absorberas av klorofyller och karotenoider. De ses i cyanobakterier och röda alger.

plastider

Fotosyntetiska eukaryota organismer innehåller organeller som kallas plastider i deras cytoplasma. De dubbelmembranade plastiderna i växter och alger kallas primära plastider, medan den mångmembranade sorten som finns i plankton kallas sekundära plastider, enligt en artikel i tidskriften Nature Education av Cheong Xin Chan och Debashish Bhattacharya, forskare vid Rutgers University i New Jersey.

Plastider innehåller i allmänhet pigment eller kan lagra näringsämnen. Färglösa och icke-pigmenterade leukoplaster lagrar fett och stärkelse, medan kromoplaster innehåller karotenoider och kloroplaster innehåller klorofyll, vilket förklaras i Geoffrey Kops bok, "The Cell: A Molecular Approach" (Sinauer Associates, 2000).

Fotosyntes förekommer i kloroplastema; specifikt i grana- och stroma-regionerna. Grana är den innersta delen av organellen; en samling skivformade membran, staplade i kolumner som plattor. De enskilda skivorna kallas thylakoider. Det är här överföringen av elektroner sker. De tomma utrymmena mellan grana kolumner utgör stroma.

Kloroplaster liknar mitokondrier, cellernas energicenter, genom att de har sitt eget genom, eller insamling av gener, som finns i cirkulärt DNA. Dessa gener kodar proteiner som är väsentliga för organellen och för fotosyntes. Liksom mitokondrier, tros kloroplaster också ha sitt ursprung i primitiva bakterieceller genom endosymbiosprocessen.

"Plastider härstammar från uppslukade fotosyntetiska bakterier som förvärvades av en encellig eukaryot cell för mer än en miljard år sedan," sa Baum till Live Science. Baum förklarade att analysen av kloroplastgener visar att det en gång var en medlem av gruppen cyanobakterier, "den ena bakteriegruppen som kan åstadkomma syres fotosyntes."

I deras artikel från 2010 gör Chan och Bhattacharya poängen att bildandet av sekundära plastider inte kan förklaras väl av endosymbios av cyanobakterier, och att ursprunget till denna klass av plastider fortfarande är en debattfråga.

antenner

Pigmentmolekyler är associerade med proteiner, vilket gör att de kan flexibilitet att röra sig mot ljus och mot varandra. En stor samling av 100 till 5 000 pigmentmolekyler utgör "antenner", enligt en artikel av Wim Vermaas, professor vid Arizona State University. Dessa strukturer fångar effektivt upp energi från solen i form av fotoner.

I slutändan måste ljusenergi överföras till ett pigmentproteinkomplex som kan omvandla det till kemisk energi, i form av elektroner. I växter överförs till exempel ljusenergi till klorofyllpigment. Omvandlingen till kemisk energi åstadkoms när ett klorofyllpigment utvisar en elektron som sedan kan gå vidare till en lämplig mottagare.

Reaktionscentra

Pigment och proteiner, som omvandlar ljusenergi till kemisk energi och börjar processen med elektronöverföring, är kända som reaktionscentra.

Den fotosyntetiska processen

Reaktionerna av växtfotosyntesen är indelade i de som kräver närvaro av solljus och de som inte gör det. Båda typerna av reaktioner äger rum i kloroplaster: ljusberoende reaktioner i tylakoiden och ljusoberoende reaktioner i stroma.

Ljusberoende reaktioner (även kallad ljusreaktioner): När en foton av ljus träffar reaktionscentret frigör en pigmentmolekyl som klorofyll en elektron.

"Tricket att göra användbart arbete är att förhindra den elektronen från att hitta vägen tillbaka till sitt ursprungliga hem," sa Baum till Live Science. "Detta undviks inte lätt, eftersom klorofyllet nu har ett" elektronhål "som tenderar att dra på närliggande elektroner."

Den frigjorda elektron lyckas fly genom att resa genom en elektrontransportkedja, som genererar den energi som behövs för att producera ATP (adenosintrifosfat, en källa för kemisk energi för celler) och NADPH. "Elektronhålet" i det ursprungliga klorofyllpigmentet fylls genom att ta en elektron från vatten. Som ett resultat frigörs syre i atmosfären.

Ljusoberoende reaktioner (kallas även mörka reaktioner och kallas Calvin-cykeln): Ljusreaktioner producerar ATP och NADPH, som är de rika energikällorna som driver mörka reaktioner. Tre kemiska reaktionssteg utgör Calvin-cykeln: kolfixering, reduktion och regenerering. Dessa reaktioner använder vatten och katalysatorer. Kolatomerna från koldioxid är ”fixerade” när de är inbyggda i organiska molekyler som slutligen bildar tre-kolsocker. Dessa sockerarter används sedan för att framställa glukos eller återvinns för att starta Calvin-cykeln igen.

Fotosyntes i framtiden

Fotosyntetiska organismer är ett möjligt sätt att generera renbränna bränslen som väte eller till och med metan. Nyligen utnyttjade en forskargrupp vid universitetet i Åbo i Finland grönalgens förmåga att producera väte. Gröna alger kan producera väte i några sekunder om de först utsätts för mörka, anaeroba (syrefria) förhållanden och sedan utsätts för ljus. Teamet utvecklade ett sätt att utvidga grönalgens väteproduktion i upp till tre dagar, som rapporterats i deras 2018-studie publicerad i tidskriften Energy & Environmental Science.

Forskare har också gjort framsteg inom området konstgjord fotosyntes. Till exempel utvecklade en grupp forskare från University of California, Berkeley, ett konstgjordt system för att fånga koldioxid med hjälp av nanotrådar, eller ledningar som är några miljarder meter i diameter. Trådarna matas in i ett system av mikrober som reducerar koldioxid till bränslen eller polymerer genom att använda energi från solljus. Teamet publicerade sin design 2015 i tidskriften Nano Letters.

2016 publicerade medlemmar i samma grupp en studie i tidskriften Science som beskrev ett annat konstgjordt fotosyntetiskt system där speciellt konstruerade bakterier användes för att skapa flytande bränslen med solljus, vatten och koldioxid. I allmänhet kan växter bara utnyttja cirka en procent av solenergin och använda den för att producera organiska föreningar under fotosyntes. Däremot kunde forskarnas konstgjorda system utnyttja 10 procent av solenergin för att producera organiska föreningar.

Fortsatt forskning av naturliga processer, såsom fotosyntes, hjälper forskare att utveckla nya sätt att använda olika källor till förnybar energi. Att se som solljus, växter och bakterier är allestädes närvarande, att utnyttja kraften i fotosyntesen är ett logiskt steg för att skapa rentförbränning och kolneutrala bränslen.

Ytterligare resurser: