Fotosentez bitkiler, algler ve bazı bakteriler tarafından güneş ışığından enerji elde etmek ve onu kimyasal enerjiye dönüştürmek için kullanılan süreçtir. Burada, fotosentezin genel ilkelerini açıklıyoruz ve bilim insanlarının temiz yakıtlar ve yenilenebilir enerji kaynakları geliştirmeye yardımcı olmak için bu doğal süreci nasıl incelediklerini vurguluyoruz.
Fotosentez türleri
İki tür fotosentetik işlem vardır: oksijenli fotosentez ve anoksijenik fotosentez. Anoksijenik ve oksijenik fotosentezin genel prensipleri çok benzerdir, ancak oksijenli fotosentez en yaygın olanıdır ve bitkilerde, alglerde ve siyanobakterilerde görülür.
Oksijenik fotosentez sırasında ışık enerjisi, karbonhidrat üretmek için elektronları sudan (H2O) karbondioksite (CO2) aktarır. Bu transferde CO2 “azalır” veya elektron alır ve su “oksitlenir” veya elektron kaybeder. Sonuçta, karbonhidratlarla birlikte oksijen üretilir.
Oksijenik fotosentez, solunan tüm organizmalar tarafından üretilen karbondioksiti alarak ve oksijeni atmosfere yeniden kazandırarak solunuma karşı denge işlevi görür.
Öte yandan, anoksijenik fotosentez, su dışındaki elektron vericileri kullanır. İşlem tipik olarak, başlıca çeşitli su habitatlarında bulunan mor bakteriler ve yeşil kükürt bakterileri gibi bakterilerde meydana gelir.
Wisconsin-Madison Üniversitesi’nde botanik profesörü olan David Baum, “Anoksijenik fotosentez oksijen üretmez – dolayısıyla adı da budur,” dedi. “Üretilen şey elektron vericisine bağlıdır. Örneğin, birçok bakteri, yan ürün olarak katı kükürt üreten kötü yumurta kokulu gaz hidrojen sülfiti kullanır.”
Her iki fotosentez türü de karmaşık, çok adımlı işler olsa da, genel süreç kimyasal bir denklem olarak düzgün bir şekilde özetlenebilir.
Oksijenik fotosentez şu şekilde yazılır:
6CO2 + 12H2O + Işık Enerjisi → C6H12O6 + 6O2 + 6H2O
Burada altı karbondioksit (CO2) molekülü, ışık enerjisi kullanarak 12 molekül su (H2O) ile birleşir. Sonuç, her biri solunabilir oksijen ve sudan oluşan altı molekülle birlikte tek bir karbonhidrat molekülünün (C6H12O6, veya glikoz) oluşmasıdır.
Benzer şekilde, çeşitli anoksijenik fotosentez reaksiyonları tek bir genelleştirilmiş formül olarak temsil edilebilir:
CO2 + 2H2A + Işık Enerjisi → [CH2O] + 2A + H2O
Denklemdeki A harfi bir değişkendir ve H2A potansiyel elektron vericiyi temsil eder. Örneğin, Urbana-Champaign’deki Illinois Üniversitesi’nden bitki biyologları olan Govindjee ve John Whitmarsh, “Fotobiyolojide Kavramlar: Fotosentez ve Fotomorfojenez” kitabında (Narosa Publishers), A, elektron donör hidrojen sülfürdeki (H2S) sülfürü temsil edebilir. ve Kluwer Academic, 1999).
Fotosentetik aparat
Aşağıdakiler, fotosentez için gerekli olan hücresel bileşenlerdir.
Pigmentler
Pigmentler bitkilere, alglere ve bakterilere renk veren moleküllerdir, ancak aynı zamanda güneş ışığını etkili bir şekilde hapsetmekten de sorumludurlar. Farklı renkteki pigmentler, farklı ışık dalga boylarını emer. Aşağıda üç ana grup bulunmaktadır.
Klorofiller:
Bu yeşil renkli pigmentler, mavi ve kırmızı ışığı yakalayabilir. Klorofillerin, klorofil a, klorofil b ve klorofil c olarak adlandırılan üç alt tipi vardır. Eugene Rabinowitch ve Govindjee’ye “Fotosentez” (Wiley, 1969) adlı kitaplarında göre, klorofil a tüm fotosentez yapan bitkilerde bulunur. Ayrıca, kızılötesi ışığı emen, uygun bir şekilde bakteriyoklorofil adlı bir bakteri çeşidi de vardır. Bu pigment esas olarak anoksijenik fotosentez yapan mor ve yeşil bakterilerde görülür.
Karotenoidler:
Bu kırmızı, turuncu veya sarı renkli pigmentler mavimsi yeşil ışığı emer. Karotenoidlerin örnekleri, havuçların rengini aldığı ksantofil (sarı) ve karotendir (turuncu).
Fikobilinler:
Bu kırmızı veya mavi pigmentler, klorofiller ve karotenoidler tarafından iyi absorbe edilmeyen ışık dalga boylarını emer. Siyanobakterilerde ve kırmızı alglerde görülürler.
Plastidler
Fotosentetik ökaryotik organizmalar, sitoplazmalarında plastid adı verilen organeller içerir. Rutgers Üniversitesi araştırmacıları Cheong Xin Chan ve Debashish Bhattacharya tarafından yazılan Nature Education dergisindeki bir makaleye göre, bitkiler ve alglerdeki çift membranlı plastitler birincil plastitler olarak adlandırılırken, planktonda bulunan çoklu membranlı çeşitler ikincil plastitler olarak adlandırılır. New Jersey’de.
Plastidler genellikle pigmentler içerir veya besinleri depolayabilir. Geoffrey Cooper’ın “The Cell: A Molecular Approach” adlı kitabında (Sinauer Associates, 2000) açıklandığı gibi, renksiz ve pigmentsiz lökoplastlar yağları ve nişastayı depolarken, kromoplastlar karotenoidler ve kloroplastlar klorofil içerir.
Kloroplastlarda fotosentez meydana gelir; özellikle grana ve stroma bölgelerinde. Grana, organelin en içteki kısmıdır; plakalar gibi sütunlara istiflenmiş disk şeklindeki zarlardan oluşan bir koleksiyon. Bireysel disklere tilakoid denir. Elektron transferinin gerçekleştiği yer burasıdır. Grana sütunları arasındaki boş alanlar stromayı oluşturur.
Kloroplastlar, dairesel DNA içinde bulunan kendi genomlarına veya gen koleksiyonlarına sahip olmaları bakımından hücrelerin enerji merkezleri olan mitokondriye benzer. Bu genler, organel ve fotosentez için gerekli olan proteinleri kodlar. Mitokondri gibi, kloroplastların da endosimbiyoz süreci yoluyla ilkel bakteri hücrelerinden kaynaklandığı düşünülmektedir.
Baum WordsSideKick.com’a verdiği demeçte “Plastidler, tek hücreli ökaryotik bir hücre tarafından bir milyar yıldan daha uzun bir süre önce elde edilen yutulmuş fotosentetik bakterilerden kaynaklandı” dedi. Baum, kloroplast genlerinin analizinin bir zamanlar “oksijenli fotosentez yapabilen tek bakteri grubu” siyanobakteriler grubunun bir üyesi olduğunu gösterdiğini açıkladı.
Chan ve Bhattacharya, 2010 tarihli makalelerinde, ikincil plastidlerin oluşumunun siyanobakterilerin endosimbiyozu ile iyi açıklanamayacağına ve bu plastid sınıfının kökenlerinin hala tartışma konusu olduğuna dikkat çekiyorlar.
Antenler
Pigment molekülleri, ışığa ve birbirlerine doğru hareket etme esnekliği sağlayan proteinlerle ilişkilendirilir. Arizona Eyalet Üniversitesi’nde profesör olan Wim Vermaas’ın bir makalesine göre, 100 ila 5.000 pigment molekülünden oluşan geniş bir koleksiyon “anten” oluşturuyor. Bu yapılar, fotonlar biçiminde güneşten gelen ışık enerjisini etkili bir şekilde yakalar.
Nihayetinde, ışık enerjisi, onu elektron biçiminde kimyasal enerjiye dönüştürebilen bir pigment-protein kompleksine aktarılmalıdır. Bitkilerde örneğin ışık enerjisi klorofil pigmentlerine aktarılır. Kimyasal enerjiye dönüşüm, bir klorofil pigmenti bir elektronu dışarı attığında gerçekleştirilir ve bu elektron daha sonra uygun bir alıcıya geçebilir.
Reaksiyon Merkezleri
Işık enerjisini kimyasal enerjiye çeviren ve elektron transferi sürecini başlatan pigmentler ve proteinler reaksiyon merkezleri olarak bilinir.
Fotosentetik süreç
Bitki fotosentezinin reaksiyonları, güneş ışığının varlığını gerektiren ve olmayanlara ayrılır. Her iki tür reaksiyon da kloroplastlarda gerçekleşir: tilakoidde ışığa bağlı reaksiyonlar ve stromadaki ışıktan bağımsız reaksiyonlar.
Işığa bağlı reaksiyonlar (ışık reaksiyonları olarak da adlandırılır): Bir ışık fotonu reaksiyon merkezine çarptığında, klorofil gibi bir pigment molekülü bir elektron salar.
Baum WordsSideKick.com’a verdiği demeçte, “Yararlı bir iş yapmanın püf noktası, elektronun orijinal evine geri dönüş yolunu bulmasını engellemektir,” dedi. “Bu kolayca önlenemez, çünkü klorofil artık yakındaki elektronları çekme eğiliminde olan bir ‘elektron deliğine’ sahip.”
Açığa çıkan elektron, ATP (hücreler için bir kimyasal enerji kaynağı olan adenozin trifosfat) ve NADPH üretmek için gereken enerjiyi üreten bir elektron taşıma zincirinden geçerek kaçmayı başarır. Orijinal klorofil pigmentindeki “elektron deliği” sudan bir elektron alınarak doldurulur. Sonuç olarak, oksijen atmosfere salınır.
Işıktan bağımsız reaksiyonlar (karanlık reaksiyonlar olarak da adlandırılır ve Calvin döngüsü olarak bilinir): Işık reaksiyonları, karanlık reaksiyonları harekete geçiren zengin enerji kaynakları olan ATP ve NADPH üretir. Üç kimyasal reaksiyon adımı Calvin döngüsünü oluşturur: karbon fiksasyonu, indirgeme ve rejenerasyon. Bu reaksiyonlarda su ve katalizörler kullanılır. Karbondioksitten gelen karbon atomları, nihayetinde üç karbonlu şeker oluşturan organik moleküllerin içine yerleştirildiklerinde “sabitlenir”. Bu şekerler daha sonra glikoz yapmak için kullanılır veya tekrar Calvin döngüsünü başlatmak için geri dönüştürülür.
Gelecekte Fotosentez
Fotosentetik organizmalar, hidrojen ve hatta metan gibi temiz yanan yakıtlar üretmenin olası bir yoludur. Son zamanlarda, Finlandiya’daki Turku Üniversitesi’ndeki bir araştırma grubu, yeşil alglerin hidrojen üretme yeteneğinden yararlandı. Yeşil algler, ilk önce karanlık, anaerobik (oksijensiz) koşullara ve ardından ışığa maruz bırakılırsa birkaç saniye hidrojen üretebilirler.Ekip, yeşil alglerin hidrojen üretimini üç güne kadar uzatmanın bir yolunu buldular. Energy & Environmental Science dergisinde yayınlanan 2018 araştırması.
Bilim adamları ayrıca yapay fotosentez alanında da ilerlemeler kaydetti. Örneğin, Berkeley’deki California Üniversitesi’nden bir grup araştırmacı, nanotelleri veya çapı metrenin milyarda biri olan telleri kullanarak karbondioksiti yakalamak için yapay bir sistem geliştirdi. Teller, güneş ışığından gelen enerjiyi kullanarak karbondioksiti yakıtlara veya polimerlere indirgeyen bir mikrop sistemine beslenir. Ekip, tasarımını 2015 yılında Nano Letters dergisinde yayınladı.
2016 yılında, aynı grubun üyeleri Science dergisinde, güneş ışığı, su ve karbondioksit kullanarak sıvı yakıtlar oluşturmak için özel olarak tasarlanmış bakterilerin kullanıldığı başka bir yapay fotosentetik sistemi tanımlayan bir çalışma yayınladı. Genel olarak, bitkiler güneş enerjisinin yalnızca yaklaşık yüzde birini kullanabilir ve bunu fotosentez sırasında organik bileşikler üretmek için kullanabilir. Buna karşılık, araştırmacıların yapay sistemi, organik bileşikler üretmek için güneş enerjisinin yüzde 10’unu kullanabildi.
Fotosentez gibi doğal süreçlerin sürekli araştırılması, bilim insanlarının çeşitli yenilenebilir enerji kaynaklarını kullanmak için yeni yollar geliştirmelerine yardımcı oluyor. Güneş ışığını, bitkileri ve bakterileri her yerde görmek, fotosentezin gücünden yararlanmak, temiz yanan ve karbon nötr yakıtlar oluşturmak için mantıklı bir adımdır.