Wat Is Fotosynthese?

{h1}

Fotosynthese is het proces dat planten, algen en bepaalde bacteriën gebruiken om energie uit zonlicht te halen en het in chemische energie om te zetten.

Fotosynthese is het proces dat planten, algen en bepaalde bacteriën gebruiken om energie uit zonlicht te halen en het in chemische energie om te zetten. Hier beschrijven we de algemene principes van fotosynthese en benadrukken we hoe wetenschappers dit natuurlijke proces bestuderen om schone brandstoffen en bronnen van hernieuwbare energie te helpen ontwikkelen.

Typen fotosynthese

Er zijn twee soorten fotosynthetische processen: oxygenische fotosynthese en anoxygene fotosynthese. De algemene principes van anoxygeïne en zuurstof fotosynthese zijn zeer vergelijkbaar, maar zuurstof fotosynthese is de meest voorkomende en wordt gezien in planten, algen en cyanobacteriën.

Tijdens de fotosynthese van zuurstof verplaatst lichtenergie elektronen uit water (H2O) tot koolstofdioxide (CO2), om koolhydraten te produceren. Bij deze overdracht is de CO2 is "gereduceerd" of ontvangt elektronen, en het water wordt "geoxideerd" of verliest elektronen. Uiteindelijk wordt er zuurstof geproduceerd samen met koolhydraten.

Zuurstof fotosynthese functioneert als een tegenwicht tegen de ademhaling door kooldioxide op te nemen dat door alle ademhalingsorganismen wordt geproduceerd en zuurstof opnieuw in de atmosfeer te brengen.

Aan de andere kant gebruikt anoxygeïsche fotosynthese andere elektronendonors dan water. Het proces vindt meestal plaats in bacteriën zoals paarse bacteriën en groene zwavelbacteriën, die vooral voorkomen in verschillende aquatische habitats.

"Anoxygene fotosynthese produceert geen zuurstof - vandaar de naam", zegt David Baum, hoogleraar botanie aan de universiteit van Wisconsin-Madison. "Wat wordt geproduceerd, hangt af van de elektronendonor, bijvoorbeeld, veel bacteriën gebruiken het zwavelachtige waterstof zwavelwaterstofgas, dat vaste zwavel produceert als een bijproduct."

Hoewel beide soorten fotosynthese complexe, meerstapende zaken zijn, kan het totale proces netjes worden samengevat als een chemische vergelijking.

Zuurstof fotosynthese is als volgt geschreven:

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

Hier zes moleculen koolstofdioxide (CO2) combineer met 12 moleculen water (H2O) met behulp van lichtenergie. Het eindresultaat is de vorming van een enkel koolhydraatmolecuul (C.6H12O6, of glucose) samen met zes moleculen elk van ademende zuurstof en water.

Evenzo kunnen de verschillende anoxygene fotosynthesereacties worden weergegeven als een enkele gegeneraliseerde formule:

CO2 + 2H2A + Lichtenergie → [CH2O] + 2A + H2O

De letter A in de vergelijking is een variabele en H2A vertegenwoordigt de potentiële elektronendonor. Bijvoorbeeld, A kan zwavel in het elektronendonor waterstofsulfide (H.2S), lichtten Govindjee en John Whitmarsh, plantbiologen van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign, toe in het boek "Concepts in Photobiology: Photosynthesis and Photomorphogenesis" (Narosa Publishers en Kluwer Academic, 1999).

Planten hebben energie uit zonlicht nodig om fotosynthese te laten plaatsvinden.

Planten hebben energie uit zonlicht nodig om fotosynthese te laten plaatsvinden.

Krediet: Shutterstock

Het fotosynthetische apparaat

Het volgende zijn cellulaire componenten die essentieel zijn voor fotosynthese.

pigmenten

Pigmenten zijn moleculen die kleur geven aan planten, algen en bacteriën, maar ze zijn ook verantwoordelijk voor het effectief vangen van zonlicht. Pigmenten van verschillende kleuren absorberen verschillende golflengten van licht. Hieronder staan ​​de drie hoofdgroepen.

  • Chlorofylen: deze groen gekleurde pigmenten kunnen blauw en rood licht vangen. Chlorofylen hebben drie subtypen, genaamd chlorofyl a, chlorofyl b en chlorofyl c. Volgens Eugene Rabinowitch en Govindjee in hun boek "Photosynthesis" (Wiley, 1969) wordt chlorofyl a aangetroffen in alle fotosynthetiserende planten. Er is ook een bacteriële variant met de toepasselijke naam bacteriochlorofyl, die infrarood licht absorbeert. Dit pigment wordt voornamelijk waargenomen in paarse en groene bacteriën, die anoxygene fotosynthese uitvoeren.
  • Carotenoïden: deze rode, oranje of geel gekleurde pigmenten absorberen blauwgroen licht. Voorbeelden van carotenoïden zijn xanthofyl (geel) en caroteen (oranje) waaruit wortels hun kleur krijgen.
  • Phycobilins: deze rode of blauwe pigmenten absorberen lichtgolven die minder goed worden opgenomen door chlorofylen en carotenoïden. Ze worden gezien in cyanobacteriën en rode algen.

Plastids

Fotosynthetische eukaryote organismen bevatten organellen die plastiden worden genoemd in hun cytoplasma. De dubbel-membraneuze plastiden in planten en algen worden primaire plastiden genoemd, terwijl de multiple-membraneuze variëteit die in plankton wordt aangetroffen secundaire plastiden worden genoemd, volgens een artikel in het tijdschrift Nature Education van Cheong Xin Chan en Debashish Bhattacharya, onderzoekers aan de Rutgers University in New Jersey.

Plastiden bevatten over het algemeen pigmenten of kunnen voedingsstoffen opslaan. Kleurloze en niet-gepigmenteerde leucoplasten slaan vetten en zetmeel op, terwijl chromoplasten carotenoïden bevatten en chloroplasten chlorofyl bevatten, zoals uitgelegd in het boek van Geoffrey Cooper, "The Cell: A Molecular Approach" (Sinauer Associates, 2000).

Fotosynthese vindt plaats in de chloroplasten; specifiek, in de grana en stroma regio's. De grana is het binnenste deel van het organel; een verzameling schijfvormige membranen, gestapeld in kolommen zoals platen. De afzonderlijke schijven worden thylakoïden genoemd. Het is hier dat de overdracht van elektronen plaatsvindt. De lege ruimtes tussen kolommen van grana vormen het stroma.

Chloroplasten zijn vergelijkbaar met mitochondria, de energiecentra van cellen, in die zin dat ze hun eigen genoom hebben, of een verzameling genen, die zich bevinden in circulair DNA.Deze genen coderen voor eiwitten die essentieel zijn voor het organel en voor fotosynthese. Net als mitochondriën, wordt aangenomen dat chloroplasten afkomstig zijn van primitieve bacteriële cellen door het proces van endosymbiose.

"Plastids zijn ontstaan ​​uit overspoelde fotosynthetische bacteriën die meer dan een miljard jaar geleden door een eencellige eukaryote cel zijn verkregen", vertelde Baum aan WordsSideKick.com. Baum legde uit dat de analyse van chloroplast-genen aantoont dat het ooit deel uitmaakte van de groep cyanobacteriën, "de ene groep bacteriën die zuurstofrijke fotosynthese tot stand kan brengen."

In hun artikel uit 2010 wijzen Chan en Bhattacharya erop dat de vorming van secundaire plastiden niet goed verklaard kan worden door endosymbiose van cyanobacteriën, en dat de oorsprong van deze klasse van plastiden nog steeds een kwestie van discussie is.

antennes

Pigmentmoleculen worden geassocieerd met eiwitten, waardoor ze de flexibiliteit hebben om naar het licht en naar elkaar toe te bewegen. Een grote verzameling van 100 tot 5000 pigmentmoleculen vormt "antennes", volgens een artikel van Wim Vermaas, een professor aan de Arizona State University. Deze structuren vangen effectief de lichtenergie van de zon op, in de vorm van fotonen.

Uiteindelijk moet de lichtenergie worden overgebracht naar een pigment-eiwitcomplex dat het kan omzetten in chemische energie, in de vorm van elektronen. In planten wordt bijvoorbeeld de lichtenergie overgebracht op chlorofylpigmenten. De omzetting in chemische energie wordt bereikt wanneer een chlorofylpigment een elektron uitdrijft, dat vervolgens naar een geschikte ontvanger kan gaan.

Reactie centra

De pigmenten en eiwitten, die lichtenergie omzetten in chemische energie en beginnen met het proces van elektronenoverdracht, staan ​​bekend als reactiecentra.

Het fotosyntheseproces

De reacties van fotosynthese van planten zijn onderverdeeld in die welke de aanwezigheid van zonlicht vereisen en die welke dat niet doen. Beide soorten reacties vinden plaats in chloroplasten: lichtafhankelijke reacties in de thylakoïde en lichtonafhankelijke reacties in het stroma.

Lichtafhankelijke reacties (ook lichtreacties genoemd): wanneer een foton van licht het reactiecentrum raakt, geeft een pigmentmolecule zoals chlorofyl een elektron vrij.

"De truc om nuttig werk te doen, is voorkomen dat dat elektron zijn weg terug vindt naar zijn oorspronkelijke huis," vertelde Baum aan WordsSideKick.com. "Dit wordt niet gemakkelijk vermeden, omdat het chlorofyl nu een" elektronengat "heeft dat neigt naar nabijgelegen elektronen te trekken."

Het vrijgekomen elektron kan ontsnappen door door een elektronentransportketen te reizen, die de energie produceert die nodig is om ATP (adenosinetrifosfaat, een bron van chemische energie voor cellen) en NADPH te produceren. Het "elektronengat" in het oorspronkelijke chlorofylpigment wordt gevuld door een elektron uit water te nemen. Als gevolg hiervan komt zuurstof vrij in de atmosfeer.

Lichtonafhankelijke reacties (ook wel donkere reacties genoemd en bekend als de Calvin-cyclus): Lichtreacties produceren ATP en NADPH, de rijke energiebronnen die donkere reacties veroorzaken. Drie chemische reactiestappen vormen de Calvin-cyclus: koolstoffixatie, reductie en regeneratie. Deze reacties gebruiken water en katalysatoren. De koolstofatomen van koolstofdioxide zijn "gefixeerd", wanneer ze zijn ingebouwd in organische moleculen die uiteindelijk drie-koolstofsuikers vormen. Deze suikers worden vervolgens gebruikt om glucose te maken of worden gerecycled om de Calvin-cyclus opnieuw te starten.

Deze satellietfoto van juni 2010 toont vijvers met algengroei in Zuid-Californië.

Deze satellietfoto van juni 2010 toont vijvers met algengroei in Zuid-Californië.

Krediet: PNNL, QuickBird-satelliet

Fotosynthese in de toekomst

Fotosynthetische organismen zijn een mogelijk middel om schone brandstoffen zoals waterstof of zelfs methaan te genereren. Onlangs heeft een onderzoeksgroep van de Universiteit van Turku in Finland gebruik gemaakt van het vermogen van groene algen om waterstof te produceren. Groene algen kunnen een paar seconden waterstof produceren als ze voor het eerst worden blootgesteld aan donkere, anaerobe (zuurstofvrije) omstandigheden en vervolgens worden blootgesteld aan licht. Het team bedacht een manier om de waterstofproductie van groene algen te verlengen tot drie dagen, zoals vermeld in hun 2018 studie gepubliceerd in het tijdschrift Energy & Environmental Science.

Wetenschappers hebben ook vooruitgang geboekt op het gebied van kunstmatige fotosynthese. Een groep onderzoekers van de University of California, Berkeley, heeft bijvoorbeeld een kunstmatig systeem ontwikkeld om koolstofdioxide op te vangen met behulp van nanodraden, of draden met een diameter van enkele miljardsten van een meter. De draden voeden zich met een systeem van microben die koolstofdioxide reduceren tot brandstoffen of polymeren door energie uit zonlicht te gebruiken. Het team heeft zijn ontwerp in 2015 gepubliceerd in het tijdschrift Nano Letters.

In 2016 publiceerden leden van deze zelfde groep een studie in het tijdschrift Science waarin een ander kunstmatig fotosynthesesysteem werd beschreven waarin speciaal ontwikkelde bacteriën werden gebruikt om vloeibare brandstoffen te maken met behulp van zonlicht, water en koolstofdioxide. In het algemeen kunnen planten slechts ongeveer één procent van de zonne-energie benutten en gebruiken om organische verbindingen te produceren tijdens fotosynthese. Het kunstmatige systeem van de onderzoekers kon daarentegen 10 procent van de zonne-energie gebruiken om organische verbindingen te produceren.

Voortgezet onderzoek van natuurlijke processen, zoals fotosynthese, helpt wetenschappers bij het ontwikkelen van nieuwe manieren om verschillende bronnen van hernieuwbare energie te gebruiken. Zien als zonlicht, planten en bacteriën zijn alomtegenwoordig, het aanboren van de kracht van fotosynthese is een logische stap voor het creëren van schone verbranding en koolstof-neutrale brandstoffen.

Extra bronnen:

  • University of California, Berkeley: fotosynthetische pigmenten
  • Arizona State University: een inleiding tot de fotosynthese en de toepassingen ervan
  • University of Illinois in Urbana-Champaign: wat is fotosynthese?
Wat Is Fotosynthese?


Video Supplement: Wat is fotosynthese?.




Onderzoek


Withings Activité Pop: Fitness Tracker Review
Withings Activité Pop: Fitness Tracker Review

Oud Babylon: Centrum Van De Mesopotamische Beschaving
Oud Babylon: Centrum Van De Mesopotamische Beschaving

Science Nieuws


Weerfronten: Definitie En Feiten
Weerfronten: Definitie En Feiten

'Unicorns' Gezwoegd In Siberië 29.000 Jaar Geleden
'Unicorns' Gezwoegd In Siberië 29.000 Jaar Geleden

Ijsbergen Ahoy! Enorme Eilanden Van Ice Float Door De Canadese Kust
Ijsbergen Ahoy! Enorme Eilanden Van Ice Float Door De Canadese Kust

Hoe De Eindeloze Chaos Van Het Universum Tijdelijk Ongedaan Te Maken Met Chloroform
Hoe De Eindeloze Chaos Van Het Universum Tijdelijk Ongedaan Te Maken Met Chloroform

Eyeless Creature Discovered In Undersea Tunnel
Eyeless Creature Discovered In Undersea Tunnel


WordsSideKick.com
Alle Rechten Voorbehouden!
Reproductie Van Materialen Toegestaan Alleen Prostanovkoy Actieve Link Naar De Site WordsSideKick.com

© 2005–2024 WordsSideKick.com