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什么是光合作用?

阳光照射叶,光合作用
光合作用在所有呼吸生物产生的二氧化碳中,并重新引入氧气进入大气中。 (图片信用:kpg_payless | Shutterstock)

光合作用 是植物,藻类和某些细菌使用的过程,从阳光下利用能量并将其转化为化学能。在这里,我们描述了光合作用的一般原则,并强调科学家如何研究这种自然过程,以帮助开发清洁燃料和可再生能源的来源。 

光合作用的类型

有两种类型的光合作用方法:含氧光合作用和缺氧性光合作用。厌氧基因和含氧光合作用的一般原则非常相似,但含氧光合作用是最常见的并且在植物,藻类和蓝藻中看到。 

在含氧光合作用期间,光能转移来自水的电子(H.2o)到二氧化碳(CO2), 生产 碳水化合物。在这个转移中,合作社2 被“减少”或接收电子,水变为“氧化”或失去电子。最终,氧气与碳水化合物一起产生。

通过在所有呼吸生物和重新掺入氧气到大气中,通过服用二氧化碳作为呼吸呼吸的逆向氧气光合作用。

另一方面,Anoxygenic光合作用使用除水之外的电子供体。该过程通常发生在细菌中,例如 紫色细菌 and 绿色硫磺细菌,主要在各种水生栖息地中发现。

“anoxygenic光合作用不产生氧气—因此名称,“说 大卫鲍姆,威斯康星大学博士博物馆教授。 “所生产的取决于电子给体。例如,许多细菌使用恶臭嗅到的气体硫化氢,生产固体硫作为副产品。”

虽然两种类型的光合作用是复杂的,但多余的事务,整体过程可以整齐地总结为化学方程。

含氧光合作用如下:  

6CO2 + 12H2o +光能→ C6H12O6 + 6O2 + 6H2O

这里,六个二氧化碳分子(CO2)与12种水分子合并(h2o)使用光能。最终结果是形成单个碳水化合物分子(C.6H12O6或葡萄糖)以及六个分子每种透气氧气和水。

类似地,各种缺氧性光合反应可以表示为单个广义式:

CO. + 2H2A +光能→ [CH2o] + 2a + h2O

等式中的字母A是变量和H.2A代表潜在的电子供体。例如,A可以代表电子给体硫化氢中的硫(H.2s),在本书中解释了Govindjee和John Whitmarsh,伊利诺伊大学的植物生物学家,在本书中,urbana-Champaign,“光生物学的概念:光合作用和光学发生“(Narosa Publishers和Kluwer Academic,1999)。

植物需要从阳光下的能量进行光合作用。 (图片信用:Shutterstock)

光合仪器

以下是对光合作用必需的细胞组分。 

颜料

颜料 是赋予的分子 植物上的颜色,藻类和细菌,但它们也负责有效地捕获阳光。不同颜色的颜料吸收不同波长的光。以下是三个主要群体。

  • 叶绿素:这些绿色颜料能够捕获蓝色和红光。叶绿素有三个亚型,被称为叶绿素A,叶绿素B和叶绿素C.根据尤金拉比波奇和Govindjee的说法,他们的书“光合作用“(Wiley,1969),叶绿素A在所有光合植物中都存在。还存在一种恰当的细菌变异,其吸收红外光。这种颜料主要看作紫色和绿色细菌,其进行缺氧光合作用。  
  • 类胡萝卜素:这些红色,橙色或黄色颜料吸收蓝绿光。类胡萝卜素的实例是Xanthophyll(黄色)和胡萝卜素(橙色),胡萝卜从中获得颜色。
  • Phycobilins:这些红色或蓝色颜料吸收不受叶绿素和类胡萝卜素吸收的光的波长。它们是在蓝藻和红色的 藻类

塑料

光环素 真核 生物体含有细胞素在其细胞质中称为塑体。植物和藻类中的双膜体积称为初级塑性,而根据一项制备物,在浮游生物中发现的多膜多样性称为二级塑性。 杂志自然教育 新泽西州Rutgers大学的Cheong Xin Chan和Debashish Bhattacharya。

塑性通常含有颜料或可以储存营养素。无色和非染色的白皮体储存脂肪和淀粉,而染色体含有类胡萝卜素和叶绿体含有叶绿素,如杰弗里库珀书籍所解释的,“细胞:分子方法“(Sinauer Associates,2000)。 

光合作用在叶绿体中发生;具体而言,在Grana和Stroma地区。 grana是 最内部部分 细胞器;一系列盘形膜,堆叠成柱状板。各个圆盘称为囊体。在此,电子传送发生。 Grana列之间的空间构成基质。   

叶绿体类似于 线粒体,细胞的能量中心,因为它们具有自己的基因组或基因的集合,含有圆形DNA。这些基因 编码蛋白质 对细胞器和光合作用至关重要。像线粒体一样,叶绿体也被认为已经通过内联的过程起源于原始细菌细胞。 

“血液制素来自于十亿多年前的单细胞真核细胞获得的吞噬光合细菌,”Baum告诉Live Science。鲍姆解释说叶绿体基因的分析表明它是曾经是该组的成员 蓝杆菌,“一组可以实现含氧光合作合的细菌。” 

在2010年的文章中,陈和BHATTACHARYA使得二级塑性的形成不能很好地解释紫杉clacteria,而这类塑料的起源仍然是辩论问题。

天线

颜料分子与蛋白质有关,使它们允许它们朝向光和彼此移动。 100至5,000种颜料分子的大量集合构成“天线”,据 Wim Vermaas的一篇文章是亚利桑那州立大学教授。这些结构有效地从太阳中捕获光源,以光子的形式。

最终,光能必须转移到颜料 - 蛋白质复合物,其以电子的形式将其转换为化学能量。例如,在植物中,光能转移到 叶绿素颜料。当叶绿素颜料驱逐电子时,可以将转化为化学能,然后可以继续前进到适当的接受者。 

反应中心

将光能转化为化学能量并开始电子转移过程的颜料和蛋白质称为反应中心。

光合过程

这 植物光合作用的反应 分为那些需要存在阳光的人和那些没有的人。两种类型 反应发生在叶绿体中:在基质中囊底和偏僻的反应中的光依赖反应。 

依赖性反应 (也称为光反应):当光子的光子击中反应中心时,诸如叶绿素的颜料分子释放电子。

“做有用的工作的诀窍是为了防止电子从找到它的原来的家中,”Baum告诉实时科学。 “这不容易避免,因为叶绿素现在具有”电子孔“,倾向于拉动附近的电子。”

释放的电子管理通过通过行驶来逃脱 电子传输链,产生产生ATP所需的能量(腺苷三磷酸,细胞的化学能源)和NADPH。原始叶绿素颜料中的“电子孔”通过从水中取出电子来填充。结果,氧气被释放到大气中。

轻互相反应 (也称为黑暗反应并称为Calvin循环):光反应产生ATP和NADPH,这是驱动黑暗反应的富能源。三种化学反应步骤组成钙素循环:碳固定,减少和再生。这些反应使用水和催化剂。来自二氧化碳的碳原子是“fixed,”当它们内置于最终形成三种碳糖的有机分子中时。然后使用这些糖来制造葡萄糖或再循环以再次引发钙氏循环。 

今年六月2010卫星照片在南加州展示了池塘种植藻类。 (图片信用:PNNL,Quickbird卫星)

未来的光合作用

光合生物是一种可能的方法 清洁燃烧燃料 如氢或均匀甲烷。近日,芬兰图库大学的研究小组达到了绿藻生产氢的能力。如果它们首先暴露于黑暗,厌氧(无氧)条件,绿藻可以产生氢气,然后暴露在光线中,该团队设计了一种延伸绿藻的氢气产量长达三天的方法,如上所述2018年在杂志上发表的研究 活力&环境科学.

科学家们也在人造光合作用领域取得了进步。例如,来自加利福尼亚大学伯克利的一组研究人员开发了一种人工系统,用于使用纳米线捕获二氧化碳,或直径几亿米的电线。电线通过使用从阳光下使用能量来将二氧化碳减少到燃料或聚合物的微生物系统中。该团队于2015年在2015年在杂志上发表了设计 纳米字母.  

2016年,同一组成员在期刊上发表了一项研究 科学 描述了另一个人造光合体系,其中使用特殊的工程细菌使用阳光,水和二氧化碳产生液体燃料。通常,植物仅能够利用约1%的太阳能,并在光合作用期间使用它来生产有机化合物。相比之下,研究人员的人工系统能够利用10%的太阳能来产生有机化合物。

继续研究自然过程,如光合作用,艾滋病科学家开发新的方式,以利用各种可再生能源来源。作为阳光,植物和细菌都普遍存在,挖掘光合作用的力量是制造清洁燃烧和碳中性燃料的逻辑步骤。

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