Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Prawie wszystkie żywe organizmy na Ziemi są zależne od fotosyntezy, która jest procesem, który przekształca energię światła słonecznego w cukier prosty zwany glukozą. Cząsteczka ta może być wykorzystana jako krótkoterminowe źródło energii lub do budowy bardziej złożonych węglowodanów, takich jak skrobia, do długoterminowego magazynowania energii. Autotrofy to organizmy, które wychwytują energię świetlną za pomocą fotosyntezy. Znane również jako producenci pierwotni, dostarczają energię niezbędną organizmom, które je zjadają, które są znane jako konsumenci.
Organizmy, które mogą fotosyntetyzować, są dość różnorodne, w tym cyjanobakterie, niektóre protisty, takie jak glony, a także rośliny. W komórkach eukariotycznych fotosynteza zachodzi w organellach zwanych chloroplastami, które wydają się zielone ze względu na wysoką zawartość barwnika chlorofilu. Pigmenty to cząsteczki, które pochłaniają światło o określonych długościach fal. Światło, które nie jest pochłaniane przez pigment, odbija się jako światło widzialne, które można zaobserwować jako kolor pigmentu. Rośliny wytwarzają wiele pigmentów o różnych funkcjach, które pochłaniają światło słoneczne o różnych długościach fal. Na przykład chlorofil pochłania światło o długości fali czerwonej i niebieskiej, podczas gdy odbija fale odpowiadające zieleni. Niektóre inne pigmenty, takie jak karotenoidy, antocyjany i betalainy, zwykle odbijają światło o niskiej energii długości fal od 600 do 800 nm, a tym samym wydają się żółte do czerwonego. W regionach o klimacie umiarkowanym spadek chlorofilu jesienią ujawnia te pigmenty, gdy liście zmieniają kolor na czerwony, żółty i pomarańczowy.
Chlorofil jest podstawowym pigmentem w chloroplastach stosowanych w fotosyntezie, podczas gdy inne pigmenty pomagają kierować energię świetlną do chlorofilów lub chronią komórkę przed uszkodzeniem przez światło. Fotosynteza składa się z dwóch szlaków, które są znane jako reakcje zależne od światła i niezależne od światła i zachodzą w różnych miejscach w chloroplastach. Te organelle zawierają trzy błony: błonę zewnętrzną, błonę wewnętrzną i najbardziej wewnętrzną błonę tylakoidów, która tworzy długie, dyskowate fałdy w chloroplastach. Wypełniona płynem przestrzeń między błoną wewnętrzną a błoną tylakoidową nazywana jest zrębem. Reakcje zależne od światła rozpoczynają się, gdy energia światła słonecznego wzbudza elektrony pigmentów chlorofilowych, które są osadzone w błonie tylakoidów. Te wysokoenergetyczne elektrony są następnie przenoszone z jednej cząsteczki nośnika elektronów do drugiej w błonie tylakoidów, zwanej zbiorczo łańcuchem transportu elektronów. Każdy transfer w łańcuchu transportu elektronów przenosi elektron do niższego stanu energetycznego, uwalniając w ten sposób energię. Część tej energii jest wykorzystywana do syntezy małych, bogatych w energię cząsteczek, takich jak trifosforan adenozyny (ATP) i fosforan dinukleotydu nikotynamidoadeninowego (NADPH). Utracony elektron chlorofilu jest zastępowany w procesie hydrolizy (co oznacza rozszczepienie wody), gdy atomy wodoru i tlenu są oddzielane. Atomy wodoru powstałe w wyniku hydrolizy oddają swoje elektrony chlorofilowi, podczas gdy cząsteczki tlenu są uwalniane do atmosfery. Strumień elektronów przez hydrolizę umożliwia pigmentom chlorofilowym ciągłe pochłanianie energii świetlnej poprzez wielokrotne wzbudzanie nowych elektronów i przekazywanie ich w dół łańcucha transportu elektronów.
Reakcje niezależne od światła zachodzą w zrębie. Proces ten wykorzystuje energię świetlną pośrednio, wykorzystując energię z cząsteczek ATP i NADPH generowanych w reakcjach zależnych od światła. Podczas tego szlaku dwutlenek węgla (CO2 ) jest wykorzystywany do budowy cukru trójwęglowego, który następnie może zostać przekształcony w glukozę lub inne biomolekuły. Proces ten jest również znany jako wiązanie węgla lub sekwestracja węgla, ponieważ węgiel jest sekwestrowany z atmosfery i wiązany w biomolekuły.
Sekwestracja węgla podczas fotosyntezy jest ważnym etapem cyklu węglowego, w którym CO2 przepływa z jednego zbiornika do drugiego w stosunkowo stałym tempie. Zmiany natężenia przepływu CO2 mogą przesunąć jego równowagę między zbiornikami. Co ważniejsze, ponieważ CO2 jest gazem cieplarnianym, wzrost jego stężenia w atmosferze przyczynia się do wzrostu temperatury. Większość tego CO2 jest emitowana przez spalanie paliw kopalnych, zwracając w ten sposób do atmosfery dwutlenek węgla, który został sekwestrowany przez fotosyntezę setki milionów lat temu, w niespotykanym dotąd tempie. W związku z tym lasy i algi oceaniczne są coraz bardziej niezbędne do chłodzenia Ziemi poprzez zmniejszanie podwyższonych poziomów CO2 1. Jest to jeden z wielu powodów, dla których wylesianie jest poważnym problemem w zmieniającym się klimacie.
Podobnie jak rośliny wykorzystują fotosyntezę do wychwytywania energii świetlnej w biomolekułach, naukowcy badają sztuczną fotosyntezę w celu stworzenia neutralnych pod względem emisji dwutlenku węgla biopaliw jako alternatywy dla paliw kopalnych. Podobnie jak w przypadku paneli słonecznych, metody sztucznej fotosyntezy pozyskują energię ze słońca i przechowują ją w postaci energii chemicznej, z której część może być przechowywana przez długi czas, zamiast przekształcać ją bezpośrednio w energię elektryczną2. Naukowcom udało się również wyprodukować cukry proste i kwas mlekowy przy użyciu bakterii fotosyntetyzujących3. Podejście to ma szerokie zastosowanie w produkcji biomolekuł, biopaliw, a nawet biodegradowalnych tworzyw sztucznych przy niewielkich lub zerowych szkodliwych emisjach. Ponadto podejście to może być stosowane do usuwania nadmiaru CO2 z atmosfery. Podobna koncepcja jest stosowana w medycynie, gdzie bakterie fotosyntetyzujące są wykorzystywane do produkcji fizjologicznie czynnych substancji i leków, z których niektóre znalazły zastosowanie w diagnostyce i leczeniu nowotworów4. Przyszłe badania mogą zwiększyć wydajność produkcji zrównoważonych i neutralnych pod względem emisji dwutlenku węgla cząsteczek, jednocześnie łagodząc skutki zwiększonego poziomu CO2 w atmosferze.
Czy zastanawiałeś się kiedyś, dlaczego każdej jesieni liście na drzewach zmieniają kolor z zielonego na odcienie żółci, pomarańczy i czerwieni? Co przede wszystkim nadaje liściom ich jasne kolory? Odpowiedź leży w organellach roślinnych zwanych chloroplastami, które zawierają pigmenty, które pochłaniają pewne długości fal w świetle słonecznym i odbijają inne. Jeden szczególny pigment, chlorofil, jest najbardziej obfity latem. Pochłania wysokoenergetyczne, fioletowe, niebieskie i czerwone fale ze światła słonecznego i odbija zielone długości fal, nadając liściom zielony wygląd. W liściach znajdują się inne pigmenty, takie jak karotenoidy, które odbijają światło czerwone i żółte. Jesienią liście przestają uzupełniać swoje pigmenty. Ponieważ chlorofil rozkłada się szybciej niż inne pigmenty, kolory tych karotenoidów są zdemaskowane.
Obecność różnych pigmentów w zielonym liściu można wykazać za pomocą bibuły chromatograficznej, hydrofilowego polimeru, który rozdziela cząsteczki na podstawie ich rozpuszczalności w określonym rozpuszczalniku. Najpierw na papier ładowany jest ekstrakt z liści. Kiedy papier jest zanurzany w organicznym rozpuszczalniku hydrofobowym, rozpuszczalnik przemieszcza się wzdłuż papieru w wyniku działania kapilarnego, a po drodze oddziela różne pigmenty w ekstrakcie z liści. Pigmenty, które są najbardziej hydrofobowe, są przenoszone dalej w górę papieru. Natomiast pigmenty hydrofilowe wiążą się z celulozą, co utrudnia ich przemieszczanie się. Po posortowaniu wszystkich pigmentów według ich hydrofobowości możemy obliczyć współczynnik retencji lub wartości Rf. Wartość Rf to stosunek odległości przebytej przez pigment do odległości przebytej przez rozpuszczalnik. Każdy pigment ma unikalną wartość Rf i możemy łatwo zidentyfikować pigmenty, porównując obliczone wartości ze standardami. Fotosynteza, proces, w którym rośliny przekształcają dwutlenek węgla, wodę i energię świetlną w energię chemiczną i tlen, odbywa się głównie w liściach rośliny, a chlorofil odgrywa w tym procesie kluczową rolę. Chloroplasty zawierają dziesiątki cząsteczek chlorofilu, z których każda wykonuje określone zadanie i oddziałuje w złożony sposób. Ostatecznie energia świetlna powoduje, że cząsteczki chlorofilu oddają elektrony, które są wykorzystywane w innych procesach metabolicznych. Dlatego chlorofil potrzebuje ciągłego dopływu elektronów, aby zastąpić te, które traci. Te zastępcze elektrony pochodzą z rozszczepienia cząsteczek wody na protony, elektrony i cząsteczki tlenu. Przy dużych szybkościach fotosyntezy woda jest szybciej rozszczepiana w celu uzupełnienia elektronów, a tlen jest szybko wytwarzany.
Zjawisko to pomaga nam ocenić szybkość fotosyntezy w laboratorium, po prostu zawieszając krążki liści w roztworze wodorowęglanu, w którym wodorowęglan działa jako bogate źródło węgla. Na początku eksperymentu z dyskiem liściowym gazy są wypychane z krążków liściowych poprzez zastosowanie podciśnienia z podciśnieniem w strzykawce. Krążki liściowe z wydalanymi gazami stają się cięższe i opadają na dno roztworu wodorowęglanu po przeniesieniu do zlewki. Kiedy zachodzi fotosynteza, woda w środowisku jest rozdzielana w celu uzupełnienia elektronów chlorofilu. Powstały tlen sprawia, że dyski stają się lżejsze, co z czasem powoduje ich wypływanie na powierzchnię. Środowiska, które pozwalają na wyższe tempo fotosyntezy, mają dyski, które unoszą się szybciej.
W tym laboratorium najpierw oddzielisz i zidentyfikujesz pigmenty w liściach szpinaku za pomocą bibuły chromatograficznej. Następnie ocenisz szybkość fotosyntezy w wodzie i roztworze wodorowęglanowym za pomocą eksperymentu z dyskiem liściowym.
