Ce este fotosinteza?

Fotosinteza este procesul folosit de plante, alge și anumite bacterii pentru a valorifica energia din lumina soarelui și pentru a o transforma în energie chimică. Aici, descriem principiile generale ale fotosintezei și evidențiem modul în care oamenii de știință studiază acest proces natural pentru a ajuta la dezvoltarea combustibililor curați și a surselor de energie regenerabilă. 

Tipuri de fotosinteză

Există două tipuri de procese fotosintetice: fotosinteza oxigenă și fotosinteza anoxigenică. Principiile generale ale fotosintezei anoxigenice și oxigenice sunt foarte similare, dar fotosinteza oxigenă este cea mai frecventă și se observă la plante, alge și cianobacterii. 

În timpul fotosintezei oxigene, energia lumină transferă electronii din apă (H₂O) până la dioxid de carbon (CO)₂), pentru a produce carbohidrați. În acest transfer, CO₂ este „redusă” sau primește electroni, iar apa devine „oxidată” sau pierde electroni. În cele din urmă, oxigenul este produs împreună cu carbohidrații.

Fotosinteza oxigenică funcționează ca o contrabalansare a respirației prin preluarea dioxidului de carbon produs de toate organismele care respiră și reintroducerea oxigenului în atmosferă.

Pe de altă parte, fotosinteza anoxigenică folosește donatori de electroni, altele decât apa. Procesul are loc de obicei în bacterii precum bacteriile violet și bacteriile cu sulf verde, care se găsesc în principal în diverse habitate acvatice.

"Fotosinteza anoxigenică nu produce oxigen - de unde și numele", a spus David Baum, profesor de botanică la Universitatea din Wisconsin-Madison. "Ceea ce este produs depinde de donatorul de electroni. De exemplu, multe bacterii folosesc sulfură de hidrogen gazos cu miros de ouă rele, producând sulf solid ca produs secundar."

Deși ambele tipuri de fotosinteză sunt probleme complexe, cu mai multe etape, procesul general poate fi rezumat perfect ca o ecuație chimică.

Fotosinteza oxigenică este scrisă după cum urmează: 

6CO₂ + 12H₂O + Energie lumină → C₆H₁₂O₆ + 6O₂ + 6H₂O

Aici, șase molecule de dioxid de carbon (CO)₂) se combină cu 12 molecule de apă (H₂O) folosind energia luminii. Rezultatul final este formarea unei molecule unice de carbohidrați (C₆H₁₂O₆, sau glucoză) împreună cu șase molecule de oxigen și apă respirabile.

În mod similar, diferitele reacții de fotosinteză anoxigenică pot fi reprezentate ca o singură formulă generalizată:

CO₂ + 2H₂A + Energie ușoară → [CH₂O] + 2A + H₂O

Litera A din ecuație este o variabilă și H₂A reprezintă potențialul donator de electroni. De exemplu, A poate reprezenta sulfură în sulfura de hidrogen (donatorul de electroni)₂S), au explicat Govindjee și John Whitmarsh, biologi de plante de la Universitatea Illinois din Urbana-Champaign, în cartea „Conceptele în fotobiologie: fotosinteză și fotomorfogeneză” (Narosa Publishers și Kluwer Academic, 1999).

Aparatul fotosintetic

Următoarele sunt componente celulare esențiale pentru fotosinteză. 

pigmenţi

Pigmenții sunt molecule care conferă culoare plantelor, algelor și bacteriilor, dar sunt responsabili și pentru capcarea eficientă a luminii solare. Pigmenții de diferite culori absorb diferite lungimi de undă ale luminii. Mai jos sunt prezentate cele trei grupuri principale.

• Clorofile: Acești pigmenți de culoare verde sunt capabili să prindă lumina albastră și roșie. Clorofilele au trei subtipuri, clorofila denumită a, clorofila b și clorofila c. Potrivit lui Eugene Rabinowitch și Govindjee în cartea lor "Photosynthesis" (Wiley, 1969), clorofila a se găsește în toate plantele fotosintetizante. Există, de asemenea, o variantă bacteriană numită în mod adecvat bacterioclorofila, care absoarbe lumina infraroșie. Acest pigment este observat în principal în bacteriile purpurii și verzi, care realizează o fotosinteză anoxigenică.  
• Carotenoizi: acești pigmenți de culoare roșie, portocalie sau galbenă absorb lumina albastru-verde. Exemple de carotenoizi sunt xantofila (galben) și carotenul (portocaliu) din care morcovii își capătă culoarea.
• Phibobiline: Acești pigmenți roșii sau albastri absorb lungimi de undă ale luminii care nu sunt la fel de bine absorbiți de clorofile și carotenoizi. Se văd în cianobacterii și alge roșii. 

plastide

Organismele eucariote fotosintetice conțin în citoplasmă organele numite plastide. Plastidele cu membrană dublă din plante și alge sunt denumite plastide primare, în timp ce varietatea cu membrană multiplă găsită în plancton sunt numite plastide secundare, potrivit unui articol din revista Nature Education de Cheong Xin Chan și Debashish Bhattacharya, cercetători de la Universitatea Rutgers în New Jersey.

Plastidele conțin în general pigmenți sau pot depozita substanțe nutritive. Leucoplastele incolore și nepigmentate păstrează grăsimi și amidon, în timp ce cromoplastele conțin carotenoide, iar cloroplastele conțin clorofilă, așa cum este explicat în cartea lui Geoffrey Cooper, „Celula: o abordare moleculară” (Sinauer Associates, 2000). 

Fotosinteza apare la cloroplaste; în special, în regiunile grana și stroma. Grana este porțiunea cea mai interioară a organelei; o colecție de membrane în formă de disc, stivuite în coloane ca niște plăci. Discurile individuale se numesc tilacoide. Aici are loc transferul de electroni. Spațiile goale dintre coloane de grana constituie stroma.   

Cloroplastele sunt similare cu mitocondriile, centrele energetice ale celulelor, prin faptul că au propriul genom sau colecția de gene, conținute în ADN-ul circular. Aceste gene codifică proteine ​​esențiale pentru organelă și fotosinteză. La fel ca mitocondriile, se consideră că cloroplastele provin din celule bacteriene primitive prin procesul de endosimbioză. 

"Plastidele provin din bacterii fotosintetice înghițite, care au fost achiziționate de o celulă eucariotă unicelulară acum mai mult de un miliard de ani", a spus Baum. Baum a explicat că analiza genelor cloroplastului arată că a fost cândva un membru al cianobacteriilor grupului, „singurul grup de bacterii care poate realiza fotosinteza oxigenă”. 

În articolul lor din 2010, Chan și Bhattacharya indică faptul că formarea plastidelor secundare nu poate fi explicată bine prin endosimbioza cianobacteriei și că originile acestei clase de plastide sunt încă o problemă de dezbatere..

antene

Moleculele de pigment sunt asociate cu proteine, ceea ce le permite flexibilitatea de a se deplasa către lumină și una spre cealaltă. O colecție mare de 100 până la 5.000 de molecule de pigment constituie „antene”, potrivit unui articol al lui Wim Vermaas, profesor la Universitatea de Stat din Arizona. Aceste structuri captează eficient energia luminii de la soare, sub formă de fotoni.

În cele din urmă, energia luminoasă trebuie transferată într-un complex pigment-proteic care o poate converti în energie chimică, sub formă de electroni. La plante, de exemplu, energia lumină este transferată pigmenților clorofilă. Conversia la energie chimică se realizează atunci când un pigment clorofilă expulzează un electron, care poate trece apoi la un recipient adecvat. 

Centre de reacție

Pigmenții și proteinele, care transformă energia lumină în energie chimică și încep procesul de transfer de electroni, sunt cunoscuți ca centre de reacție.

Procesul fotosintetic

Reacțiile fotosintezei plantelor sunt împărțite în cele care necesită prezența luminii solare și a celor care nu. Ambele tipuri de reacții au loc în cloroplaste: reacții dependente de lumină în tilacoid și reacții independente de lumină în stroma. 

Reacții dependente de lumină (numite și reacții de lumină): Când un foton de lumină lovește centrul de reacție, o moleculă de pigment, cum ar fi clorofila, eliberează un electron.

"Trucul pentru a face o muncă utilă este să împiedici acel electron să-și găsească drumul înapoi la casa inițială", a spus Baum. "Acest lucru nu este ușor evitat, deoarece clorofila are acum o" gaură de electroni "care tinde să tragă pe electronii apropiați."

Electronul eliberat reușește să scape călătorind printr-un lanț de transport de electroni, care generează energia necesară pentru a produce ATP (adenozina trifosfat, o sursă de energie chimică pentru celule) și NADPH. „Gaura de electroni” din pigmentul clorofilă original este umplută luând un electron din apă. Ca urmare, oxigenul este eliberat în atmosferă.

Reacții independente de lumină (de asemenea, numite reacții întunecate și cunoscut sub numele de ciclul Calvin): reacțiile de lumină produc ATP și NADPH, care sunt sursele bogate de energie care determină reacții întunecate. Trei etape de reacție chimică alcătuiesc ciclul Calvin: fixarea carbonului, reducerea și regenerarea. Aceste reacții folosesc apă și catalizatori. Atomii de carbon din dioxidul de carbon sunt “fix,” când sunt încorporate în molecule organice care în cele din urmă formează zaharuri cu trei carbon. Aceste zaharuri sunt apoi utilizate pentru a produce glucoză sau sunt reciclate pentru a iniția din nou ciclul Calvin. 

Fotosinteza pe viitor

Organismele fotosintetice sunt un mijloc posibil de a genera combustibili cu ardere curată, cum ar fi hidrogenul sau chiar metanul. Recent, un grup de cercetare de la Universitatea Turku din Finlanda a exploatat capacitatea algelor verzi de a produce hidrogen. Algele verzi pot produce hidrogen timp de câteva secunde dacă sunt expuse mai întâi la condiții întunecate, anaerobe (fără oxigen) și apoi expuse la lumină. Studiu 2018 publicat în revista Energy & Environmental Science.

Oamenii de știință au înregistrat, de asemenea, progrese în domeniul fotosintezei artificiale. De exemplu, un grup de cercetători de la Universitatea din California, Berkeley, a dezvoltat un sistem artificial de captare a dioxidului de carbon folosind nanofire sau fire care au diametrul de câteva miliarde de metri. Firurile se introduc într-un sistem de microbi care reduc dioxidul de carbon în combustibili sau polimeri prin utilizarea energiei solare. Echipa și-a publicat designul în 2015 în revista Nano Letters.  

În 2016, membrii acestui același grup au publicat un studiu în revista Science care a descris un alt sistem fotosintetic artificial în care au fost utilizate bacterii special concepute pentru a crea combustibili lichizi folosind lumina solară, apa și dioxidul de carbon. În general, plantele sunt capabile să folosească aproximativ un procent din energia solară și să o folosească pentru a produce compuși organici în timpul fotosintezei. În schimb, sistemul artificial al cercetătorilor a fost capabil să valorifice 10% din energia solară pentru a produce compuși organici.

Cercetarea continuă a proceselor naturale, cum ar fi fotosinteza, îi ajută pe oamenii de știință să dezvolte noi modalități de a utiliza diferite surse de energie regenerabilă. Văzând ca lumina soarelui, plantele și bacteriile sunt toate omniprezente, valorificarea fotosintezei este un pas logic pentru crearea de combustibil curat și neutru de carbon.

Resurse aditionale:

• Universitatea din California, Berkeley: pigmenți fotosintetici
• Universitatea de Stat din Arizona: o introducere în fotosinteză și aplicațiile sale
• Universitatea din Illinois la Urbana-Champaign: Ce este fotosinteza?