Cea mai mare parte a vieții de pe Pământ depinde de fotosinteză, procesul prin care plantele verzi, algele și unele tipuri de bacterii captează energia solară pentru a produce oxigen și nutrienți sub formă de zaharuri. Apoi erbivorele obțin această energie consumând plantele, iar carnivorele o obțin mai departe consumând erbivorele.
Tipuri de procese fotosintetice
Există două tipuri de procese fotosintetice: fotosinteza oxigenică și fotosinteza anoxigenică. Ambele urmează principii foarte asemănătoare, dar fotosinteza oxigenată este cea mai frecventă și se întâlnește la plante, alge și cianobacterii.
În timpul fotosintezei oxigenice, plantele preiau dioxidul de carbon (CO2) și apa (H2O) din aer și sol. În celulele plantelor, apa este oxidată, adică pierde electroni, în timp ce dioxidul de carbon este redus, adică primește electroni. Acest proces transformă apa în oxigen (O2) și dioxidul de carbon în glucoză. Apoi plantele eliberează oxigenul înapoi în atmosferă și stochează energia în moleculele de glucoză. Schimburile de gaze dintre plantă și atmosferă se fac prin intermediul stomatelor (formațiuni epidermice vegetale alcătuite din două celule între care se află o deschidere, servind la schimbul de gaze dintre plantă şi mediu şi la eliminarea apei din plantă).
Fotosinteza oxigenică funcționează ca o contrabalansare a respirației, prin preluarea CO2 produs de toate organismele care respiră și reintroducerea oxigenului în atmosferă.
Fotosinteza anoxigenă, pe de altă parte, folosește donatori de electroni diferiți apă și nu produce oxigen. Procesul are loc, de obicei, la unele bacterii, cum ar fi bacteriile sulfuroase verzi și bacteriile purpurii fototrofe.
Ecuația fotosintezei
Deși ambele tipuri de fotosinteză sunt procese complexe, desfășurate în mai multe etape, procesul general poate fi rezumat sub forma unei ecuații chimice.
Ecuația fotosintezei oxigenice este următoarea:
6CO2 + 12H2O + Lumină => C6H12O6 + 6O2 + 6H2O
În ecuația de mai sus, șase molecule de dioxid de carbon (CO2) se combină cu 12 molecule de apă (H2) folosind energia luminoasă. Rezultatul este formarea unei singure molecule de carbohidrați (C6H12O6 – glucoza), a șase molecule de oxigen (O2) și a șase molecule de apă.
În mod similar, diferitele reacții de fotosinteză anoxigenică pot fi reprezentate sub forma unei singure formule generalizate:
6CO2 + 2H2A + Lumină => [CH2O] + 2A + H2O
Litera „A” din ecuația de mai sus este variabilă, în timp ce H2A reprezintă potențialul donor de electroni. De exemplu, „A” poate reprezenta sulful din donorul de electroni hidrogen sulfurat (H2S).
Cum se face schimbul de dioxid de carbon și oxigen?
Plantele absorb dioxidul de carbon din aerul înconjurător și eliberează apă și oxigen prin porii microscopici de pe frunzele lor, denumiți stomate. Stomatele intermediază schimbul de gaze între interiorul plantelor și mediul extern.
Stomatele sunt „portarii” frunzei, permițând schimbul de gaze dintre aceasta și aerul înconjurător. | Foto: EMILIO ERMINI/WIKIMEDIA COMMONS (CC BY 4.0)
Când stomatele se deschid, ele permit pătrunderea dioxidului de carbon; totuși, în timp ce sunt deschise, stomatele eliberează oxigen și lasă vaporii de apă să scape. În încercarea de a reduce cantitatea de apă pierdută, stomatele se închid, dar asta înseamnă că planta nu mai poate obține dioxid de carbon pentru fotosinteză. Acest compromis între câștigul de dioxid de carbon și pierderea de apă este o problemă specială pentru plantele care cresc în medii calde și uscate.
Cum absorb plantele lumina necesară fotosintezei?
Plantele conțin pigmenți speciali care absorb energia luminoasă necesară pentru fotosinteză.
Clorofila este pigmentul primar folosit pentru fotosinteză și dă plantelor culoarea verde. Clorofila absoarbe lumina roșie și albastră pentru a fi folosită în fotosinteză și reflectă lumina verde. Clorofila este o moleculă mare și necesită o mulțime de resurse pentru a fi produsă; ca atare, se descompune spre sfârșitul vieții frunzei, iar cea mai mare parte a azotului pigmentului (unul dintre elementele de bază ale clorofilei) este resorbită înapoi în plantă. Când frunzele își pierd clorofila în toamnă, alți pigmenți ai frunzelor, cum ar fi carotenoizii și antocianii, încep să-și arate adevăratele culori. În timp ce carotenoizii absorb în principal lumina albastră și reflectă galbenul, antocianii absorb lumina albastru-verde și reflectă lumina roșie.
Moleculele de clorofilă sunt aranjate în fotosisteme, care sunt înglobate în membrana tilacoidă a cloroplastelor. În aceste complexe, clorofila îndeplinește trei funcții. Rolul vastei majorități a clorofilei (până la câteva sute de molecule per fotosistem) este de a absorbi lumina. Apoi aceste complexe îndeplinesc cea de a doua funcție a lor: transferul energiei luminoase, prin transfer de energie prin rezonanță la o pereche specifică de molecule de clorofilă din centrul de reacție al fotosistemului. Această pereche îndeplinește cea de a treia funcție de clorofilei: separarea sarcinilor, ducând la biosinteză.
Există două unități componente ale fotosistemelor – fotosistemul II și fotosistemul I -, care prezintă centre de reacție distincte, denumite P680, respectiv P700, după lungimea de undă (în nanometri) pe care o absorb. Identitatea, funcțiile și proprietățile spectrale ale tipurilor de clorofilă din aceste fotosisteme sunt distincte. Extrași cu un solvent (ca de exemplu, acetonă sau metanol), acești pigmenți clorofilieni pot fi separați în clorofila a și clorofila b.
Unde în plantă are loc fotosinteza?
Fotosinteza are loc în cloroplaste, un tip de plastidă (un organit celular cu o membrană) care conține clorofilă și se găsește în principal în frunzele plantelor. Plastidele cu membrane duble din plante și alge sunt cunoscute sub denumirea de plastide primare, în timp ce plastidele cu membrane multiple găsite în plancton sunt numite plastide secundare, conform unui articol din 2010 publicat în revista Nature Education, scris de Cheong Xin Chan și Debashish Bhattacharya, cercetători la Universitatea Rutgers din New Jersey, S.U.A.
Plantele au nevoie de lumina soarelui pentru ca fotosinteza să aibă loc. | Foto: STEVE BUISSINNE/PIXABAY
Cloroplastele sunt similare cu mitocondriile, centrii energetici ai celulelor, prin faptul că au propriul lor genom, (sau colecție de gene), conținut într-un ADN circular. Aceste gene codifică proteine care sunt esențiale pentru organit și pentru fotosinteză.
În interiorul cloroplastelor se află structuri în formă de pliuri numite tilacoide, care sunt responsabile pentru captarea fotonilor pentru fotosinteză. Tilacoidele sunt stivuite una peste alta în coloane cunoscute sub numele de grana. Între grana se află stroma – un fluid care conține enzime, molecule și ioni, unde are loc formarea zaharurilor.
În cele din urmă, energia luminoasă trebuie transferată într-un complex pigment-proteină care o poate transforma în energie chimică, sub formă de electroni. La plante, energia luminii este transferată pigmenților clorofilieni. Conversia în energie chimică se realizează atunci când un pigment clorofilian expulzează un electron, care poate apoi trece la un receptor adecvat.
Pigmenții și proteinele care convertesc energia luminii în energie chimică și încep procesul de transfer al electronilor sunt cunoscute sub denumirea de centre de reacție.
Reacțiile fotosintezei plantelor sunt împărțite în două etape majore: cele care necesită prezența luminii solare (reacții dependente de lumină) și cele care nu necesită lumina solară (reacții independente de lumină). Ambele tipuri de reacții au loc în cloroplaste: reacțiile dependente de lumină au loc în tilacoide, iar reacțiile independente de lumină au loc în stroma.
Reacțiile dependente de lumină
Atunci când o plantă absoarbe energia solară, ea trebuie mai întâi să o transforme în energie chimică.
Atunci când un foton lovește centrul de reacție, o moleculă de pigment, cum ar fi clorofila, eliberează un electron.
Electronul eliberat reușește să scape călătorind printr-un lanț de transport de electroni, care generează energia necesară pentru a produce ATP (adenozin trifosfat – o sursă de energie chimică pentru celule) și NADPH – ambele fiind necesare în următoarea etapă a fotosintezei, în Ciclul Calvin. Electronul lipsă din pigmentul original de clorofilă este înlocuit de un electron luat din apă. Această scindare a moleculelor de apă eliberează oxigen în atmosferă.
Reacțiile independente de lumină: Ciclul Calvin
Ciclul Calvin folosește energia stocată din reacțiile dependente de lumină pentru a fixa dioxidul de carbon sub forma zaharurilor necesare creșterii plantelor. Aceste reacții au loc în stroma cloroplastelor și nu sunt conduse direct de lumină – de unde și numele lor "reacții independente de lumină". Cu toate acestea, ele sunt încă legate de lumină, deoarece Ciclul Calvin este alimentat de ATP și NADPH (ambele provenite din reacțiile dependente de lumină menționate anterior).
Fotosinteza implică un proces numit Ciclul Calvin pentru a utiliza energia stocată în urma reacțiilor dependente de lumină la fixarea dioxidului de carbon sub forma zaharurilor necesare creșterii plantelor. | Schemă: OPENSTAX COLLEGE, CONCEPTS OF BIOLOGY, CC BY 4.0
Mai întâi, dioxidul de carbon se combină cu ribulozo-1,5-bisfosfatul (RuBP), care este un acceptor de cinci atomi de carbon. Apoi produsul rezultat se împarte în două molecule ale unui compus cu trei atomi de carbon – acid 3-fosfogliceric (3-PGA). Reacția este catalizată de o enzimă numită ribulozo-1,5-bisfosfat-carboxilază/oxigenază, cunoscută și sub denumirea de RuBisCo sau rubisco.
A doua etapă a Ciclului Calvin implică transformarea 3-PGA într-un zahar cu trei atomi de carbon numit gliceraldehid-3-fosfat (G3P) – procesul utilizează ATP și NADPH. În cele din urmă, în timp ce unele molecule de G3P sunt folosite pentru a sintetiza glucoză, altele sunt reciclate înapoi pentru a produce RuBP, care este folosit în primul pas pentru a se combina cu dioxidul de carbon. Pentru fiecare moleculă de G3P care produce glucoză, cinci molecule sunt reciclate pentru a genera trei molecule acceptoare de RuBP.
Fotorespirația
Rubisco poate fixa uneori oxigenul în locul dioxidului de carbon în ciclul Calvin, ceea ce irosește energie – un proces cunoscut sub denumirea de fotorespirație. Enzima a evoluat într-o perioadă în care nivelurile atmosferice de dioxid de carbon erau ridicate și oxigenul era rar, așa că nu avea niciun motiv să facă diferența între cele două gaze.
Fotorespirația este o problemă deosebit de mare atunci când plantele au stomatele închise pentru a conserva apa și, prin urmare, nu mai absorb dioxid de carbon. Rubisco nu are altă opțiune decât să fixeze oxigenul, care, la rândul său, scade eficiența fotosintetică a plantei. Aceasta înseamnă că se va produce mai puțină hrană pentru plantă (zaharuri), ceea ce ar putea avea ca rezultat o încetinire a creșterii și, prin urmare, plante mai mici.
Aceasta este o mare problemă pentru agricultură, deoarece plantele mai mici înseamnă o recoltă mai mică. Există presiuni crescânde asupra industriei agricole pentru a crește productivitatea plantelor pentru a ne hrăni populația globală în continuă creștere. Oamenii de știință caută în mod constant modalități de a spori eficiența fotosintezei și de a reduce apariția fotorespirației.
Tipuri de fotosinteză
Există trei tipuri principale de căi fotosintetice: C3, C4 și CAM. Toate produc zaharuri din dioxid de carbon folosind Ciclul Calvin, însă fiecare cale este ușor diferită.
Fotosinteza C3
Majoritatea plantelor folosesc fotosinteza C3, inclusiv cerealele (grâul și orezul), bumbacul, cartofii și soia. Fotosinteza C3 este denumită după compusul cu trei atomi de carbon numit acid 3-fosfogliceric (3-PGA) pe care îl folosește în timpul Ciclului Calvin. 3-PGA este produs atunci când rubisco fixează dioxidul de carbon, formând compusul cu trei atomi de carbon.
Fotosinteza C4
Plante precum porumbul și trestia de zahăr folosesc fotosinteza C4. Acest proces folosește un compus intermediar cu patru atomi de carbon (numit oxaloacetat) care este convertit în malat. Malatul este apoi transportat în tecile fasciculare, unde se descompune și eliberează dioxidul de carbon, care este apoi fixat de rubisco și transformat în zaharuri în ciclul Calvin (la fel ca în cazul fotosintezei C3). Plantele C4 sunt mai bine adaptate la mediile calde și uscate și pot continua să fixeze carbonul chiar și atunci când stomatele lor sunt închise (deoarece au o soluție inteligentă de stocare), ceea ce le reduce riscul de fotorespirație.
Fotosinteza CAM
Metabolismul acidului crasulaceic (CAM) se întâlnește la plantele adaptate la medii foarte calde și uscate, precum cactușii și ananasul. Atunci când stomatele se deschid pentru a absorbi dioxid de carbon, ele riscă să piardă apă în mediul extern. Din această cauză, plantele din medii foarte aride și calde s-au adaptat. O adaptare este CAM, prin care plantele deschid stomatele noaptea (când temperaturile sunt mai scăzute și pierderea de apă este mai redusă). Dioxidul de carbon intră în plantă prin stomată, este fixat în oxaloacetat și este transformat în malat sau alt acid organic (la fel ca în calea C4). Dioxidul de carbon este apoi disponibil pentru reacțiile dependente de lumină în timpul zilei, iar stomatele se închid, reducând astfel riscul pierderii de apă.
Cum ar putea fotosinteza să combată schimbările climatice
Organismele fotosintetice sunt un posibil mijloc de a genera combustibili cu ardere curată, cum ar fi hidrogenul. Un grup de cercetători de la Universitatea din Turku, Finlanda, a explorat capacitatea algelor verzi de a produce hidrogen. Algele verzi pot produce hidrogen pentru câteva secunde dacă sunt expuse mai întâi la condiții anaerobe (lipsite de oxigen), în întuneric, iar apoi sunt expuse la lumină. Cercetătorii au conceput o modalitate de a extinde producția de hidrogen a algelor verzi cu până la trei zile, așa cum se arată în studiul lor din 2018, publicat în jurnalul Energy & Environmental Science.
Oamenii de știință au făcut progrese și în domeniul fotosintezei artificiale. De exemplu, un grup de cercetători de la Universitatea Berkeley din California a dezvoltat un sistem artificial de captare a dioxidului de carbon folosind nanofire sau fire cu diametrul de câteva miliarde dintr-un metru. Firele alimentează un sistem de microbi care reduc dioxidul de carbon în combustibili sau polimeri prin utilizarea energiei solare. Echipa și-a publicat proiectul în 2015 în revista Nano Letters.
În 2016, membrii aceluiași grup au publicat un studiu în revista Science, care descria un alt sistem fotosintetic artificial în care bacterii special concepute au fost folosite pentru a crea combustibili lichizi folosind lumina soarelui, apă și dioxid de carbon. În general, plantele sunt capabile să utilizeze doar 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 utilizeze 10% din energia solară pentru a produce compuși organici.
În 2019, cercetătorii au scris, în Journal of Biological Chemistry, că cianobacteriile ar putea crește eficiența enzimei rubisco. Oamenii de știință au descoperit că această bacterie este deosebit de eficientă la concentrarea dioxidului de carbon în celule, ceea ce ajută la oprirea legării accidentale a oxigenului. Înțelegând modul în care bacteriile reușesc acest lucru, oamenii de știință speră să încorporeze mecanismul în plante pentru a ajuta la creșterea eficienței fotosintetice și la reducerea riscului de fotorespirație.
Cercetarea continuă a proceselor naturale ajută oamenii de știință să dezvolte noi moduri de a utiliza diverse surse de energie regenerabilă, iar valorificarea puterii fotosintezei este un pas logic pentru crearea de combustibili cu ardere curată și carbon-neutri.
Sursa: Live Science.