광합성은 식물, 조류 및 특정 박테리아가 햇빛의 에너지를 이용하여 화학 에너지로 변환하는 데 사용되는 프로세스입니다. 여기, 우리는 광합성의 일반적인 원리를 설명하고 과학자들이 청정 연료와 재생 에너지 원을 개발하는 데 도움이되는 자연 과정을 연구하는 방법을 강조합니다.
광합성의 종류
광합성 과정에는 산소 성 광합성 및 무산소 성 광합성의 두 가지 유형이 있습니다. 무산소 및 산소 광합성의 일반적인 원리는 매우 유사하지만 산소 광합성이 가장 일반적이며 식물, 조류 및 시아 노 박테리아에서 볼 수 있습니다.
산소 광합성 동안, 빛 에너지는 물에서 전자를 전달합니다 (H2O) 이산화탄소 (CO)2), 탄수화물 생산. 이 전송에서 CO2 "감소"되거나 전자를 받고 물은 "산화"되거나 전자를 잃습니다. 궁극적으로 산소는 탄수화물과 함께 생성됩니다.
산소 광합성은 모든 호흡 유기체에 의해 생성 된 이산화탄소를 흡수하고 대기로 산소를 재 도입함으로써 호흡에 대한 균형의 기능을한다.
한편, 무산소 광합성은 물 이외의 전자 공여체를 사용한다. 이 과정은 일반적으로 다양한 수생 서식지에서 주로 발견되는 자주색 박테리아 및 녹색 황 박테리아와 같은 박테리아에서 발생합니다.
위스콘신-매디슨 대학의 식물학 교수 인 데이비드 바움 (David Baum)은“산소 성 광합성은 산소를 생산하지 않기 때문에 그 이름으로도 불린다. "생성물은 전자 공여체에 의존한다. 예를 들어, 많은 박테리아는 배설물 냄새가 나는 가스 황화수소를 사용하여 부산물로 고체 황을 생성한다."
두 가지 유형의 광합성이 복잡하고 다단계 문제이지만 전체 공정을 화학 방정식으로 깔끔하게 요약 할 수 있습니다.
산소 광합성은 다음과 같이 작성됩니다.
6CO2 + 12H2O + 빛 에너지 → C6H12영형6 + 6O2 + 6 시간2영형
여기에 여섯 분자의 이산화탄소 (CO)2) 12 분자의 물 (H2O) 빛 에너지 사용. 최종 결과는 단일 탄수화물 분자 (C6H12영형6, 또는 포도당)과 함께 6 개의 분자 각각의 통기성 산소 및 물.
유사하게, 다양한 무산소 성 광합성 반응은 단일 일반화 된 공식으로 표현 될 수 있습니다 :
CO2 + 하반기2A + 빛 에너지 → + 2A + H2영형
방정식의 문자 A는 변수이고 H2A는 잠재적 전자 공여체를 나타낸다. 예를 들어, A는 전자 공여 황화수소 (H2S)는 Urbana-Champaign에있는 일리노이 대학의 식물 생물학자인 Govindjee와 John Whitmarsh가 "광 생물학의 개념 : 광합성 및 광 형성"(Narosa Publishers and Kluwer Academic, 1999) 책에서 설명했다.
광합성 장치
다음은 광합성에 필수적인 세포 구성 요소입니다.
안료
안료는 식물, 조류 및 박테리아에 색을 부여하는 분자이지만 햇빛을 효과적으로 잡아내는 역할도합니다. 다른 색상의 안료는 다른 파장의 빛을 흡수합니다. 다음은 세 가지 주요 그룹입니다.
- 클로로필 :이 녹색 안료는 파란색과 빨간색 빛을 포착 할 수 있습니다. 엽록소에는 엽록소 a, 엽록소 b 및 엽록소 c라는 세 가지 하위 유형이 있습니다. Eugene Rabinowitch와 Govindjee의 저서 "Photosynthesis"(Wiley, 1969)에 따르면 엽록소 a는 모든 광합성 식물에서 발견된다. 적외선을 흡수하는 박테리아 엽록소라고 불리는 박테리아 변이체도 있습니다. 이 색소는 주로 보라색과 녹색 박테리아에서 발견되며, 이는 산소 성 광합성을 수행합니다.
- 카로티노이드 :이 빨강, 주황 또는 노랑 색소는 청록색 빛을 흡수합니다. 카로티노이드의 예는 잔 토필 (노란색)과 카로틴 (오렌지색)으로 당근이 색을냅니다.
- 피코 빌린 :이 적색 또는 청색 안료는 클로로필 및 카로티노이드에 의해 잘 흡수되지 않는 빛의 파장을 흡수합니다. 시아 노 박테리아와 홍조류에서 볼 수 있습니다.
성체
광합성 진핵 생물은 세포질에 플라 스티드 (plastids)라고 불리는 소기관을 포함합니다. Rutgers University의 연구원 인 Cheong Xin Chan과 Debashish Bhattacharya 저널에 따르면, 플랑크톤에서 발견되는 다중 막 품종은 2 차 플라 스티드라고 불리는 반면 식물과 조류의 이중 막 플라 스티드는 1 차 플라 스타라고합니다. 뉴저지에서.
살 진균제는 일반적으로 안료를 함유하거나 영양분을 저장할 수 있습니다. 무색 및 비 착색 된 백혈구는 지방과 전분을 저장하고, 엽록체에는 카로티노이드가 포함되어 있고 엽록체에는 엽록소가 포함되어 있습니다.
광합성은 엽록체에서 발생합니다. 구체적으로, 그라나 및 스트로마 영역에서. 그라나는 소기관의 가장 안쪽 부분입니다. 판 모양의 기둥에 쌓인 원판 모양의 막 모음. 개별 디스크를 틸라코이드라고합니다. 여기에서 전자의 이동이 일어난다. 그라나 기둥 사이의 빈 공간은 기질입니다.
엽록체는 세포의 에너지 중심 인 미토콘드리아와 유사합니다. 원형 DNA 내에 포함 된 자신의 게놈 또는 유전자 집합이 있다는 점입니다. 이들 유전자는 소기관 및 광합성에 필수적인 단백질을 암호화한다. 미토콘드리아와 마찬가지로, 엽록체도 내생 혈관 형성 과정을 통해 원시 박테리아 세포에서 유래 한 것으로 생각됩니다.
Baum은 Live Science에“Plastids는 10 억년 전에 단세포 진핵 세포에 의해 획득 된 포획 된 광합성 박테리아에서 유래했다. Baum은 엽록체 유전자의 분석이 그것이 한때 시아 노 박테리아 그룹의 한 구성원 인 "산소 광합성을 달성 할 수있는 박테리아의 한 그룹"이라고 설명했다.
Chan과 Bhattacharya는 2010 년 기사에서 시아 노 박테리아의 endosymbiosis에 의해 2 차 가성 체 형성이 잘 설명 될 수없고이 종류의 가성 체 기원의 기원은 여전히 논쟁의 대상이라고 지적했다.
안테나
안료 분자는 단백질과 관련되어있어 빛과 서로를 향해 유연하게 움직일 수 있습니다. 애리조나 주립대 (Arizona State University) 교수 Wim Vermaas의 기사에 따르면 100 ~ 5,000 개의 안료 분자가 대량으로 수집되어 "안테나"를 구성한다고한다. 이러한 구조는 태양의 빛 에너지를 광자 형태로 효과적으로 포착합니다.
궁극적으로, 빛 에너지는 전자 형태의 화학 에너지로 변환 할 수있는 안료-단백질 복합체로 전달되어야합니다. 예를 들어, 식물에서, 빛 에너지는 엽록소 안료로 전달됩니다. 클로로필 안료가 전자를 방출 할 때 화학 에너지로의 변환은 달성되며, 이는이어서 적절한 수용자로 이동할 수있다.
반응 센터
빛 에너지를 화학 에너지로 변환하고 전자 이동 과정을 시작하는 안료 및 단백질을 반응 센터라고합니다.
광합성 과정
식물 광합성의 반응은 햇빛의 존재를 필요로하는 것과 그렇지 않은 것으로 나뉩니다. 두 유형의 반응 모두 엽록체에서 발생합니다 : 실라 코 이드에서 빛에 의존하는 반응과 기질에서 빛에 독립적 인 반응.
빛에 따른 반응 (광 반응이라고도 함) : 광자의 광자가 반응 중심에 부딪 치면 엽록소와 같은 색소 분자가 전자를 방출합니다.
바움은“유용한 작업을 수행하는 비결은 전자가 원래의 집으로 돌아가는 것을 막는 것”이라고 바움은 말했다. "엽록소에는 이제 근처 전자를 끌어 당기는 경향이있는 '전자 구멍'이 있기 때문에 쉽게 피할 수 없습니다."
방출 된 전자는 전자 수송 체인을 통해 이동하여 탈출하여 ATP (아데노신 트리 포스페이트, 세포의 화학 에너지 공급원) 및 NADPH를 생성하는 데 필요한 에너지를 생성합니다. 원래의 엽록소 안료의 "전자 구멍"은 물에서 전자를 취함으로써 채워집니다. 결과적으로 산소가 대기로 방출됩니다.
빛 독립적 반응 (암 반응이라고도하며 캘빈 사이클이라고도 함) : 빛 반응은 ATP와 NADPH를 생성하는데, 이는 어두운 반응을 일으키는 풍부한 에너지 원입니다. 캘빈 사이클을 구성하는 세 가지 화학 반응 단계 : 탄소 고정, 환원 및 재생. 이 반응은 물과 촉매를 사용합니다. 이산화탄소의 탄소 원자는 궁극적으로 3 개의 탄소 당을 형성하는 유기 분자로 만들어 질 때 "고정"됩니다. 이 당은 포도당을 만드는 데 사용되거나 캘빈주기를 다시 시작하기 위해 재활용됩니다.
미래의 광합성
광합성 유기체는 수소 또는 심지어 메탄과 같은 청정 연소 연료를 생성하는 가능한 수단이다. 최근 핀란드 투르 쿠 대학교 (Turku University) 연구팀은 녹조류가 수소를 생산하는 능력을 활용했다. 녹조류는 처음에 어둡고 혐기성 (산소가없는) 조건에 노출 된 후 빛에 노출되면 몇 초 동안 수소를 생산할 수 있습니다. Energy & Environmental Science 저널에 게재 된 2018 년 연구.
과학자들은 인공 광합성 분야에서도 발전했습니다. 예를 들어, 버클리 캘리포니아 대학교 (University of California, Berkeley)의 한 연구자들은 나노 와이어 또는 직경이 수십억 미터 인 와이어를 사용하여 이산화탄소를 포획하는 인공 시스템을 개발했습니다. 와이어는 햇빛으로부터의 에너지를 사용함으로써 이산화탄소를 연료 또는 중합체로 감소시키는 미생물 시스템으로 공급된다. 이 팀은 2015 년 Nano Letters 저널에 디자인을 발표했습니다.
2016 년에이 같은 그룹의 구성원은 과학 저널에 연구를 발표했습니다. 여기에는 특별히 설계된 박테리아를 사용하여 햇빛, 물 및 이산화탄소를 사용하여 액체 연료를 만드는 인공 광합성 시스템이 설명되어 있습니다. 일반적으로 식물은 태양 에너지의 약 1 % 만 이용하여 광합성 동안 유기 화합물을 생산하는 데 사용할 수 있습니다. 대조적으로, 연구원들의 인공 시스템은 10 %의 태양 에너지를 이용하여 유기 화합물을 생산할 수있었습니다.
광합성과 같은 자연 과정에 대한 지속적인 연구는 과학자들이 다양한 재생 에너지 원을 활용할 수있는 새로운 방법을 개발하는 데 도움을줍니다. 햇빛, 식물 및 박테리아가 모두 어디에나있는 것처럼 보이므로 광합성의 힘을 활용하는 것은 깨끗한 연소 및 탄소 중립 연료를 만드는 논리적 단계입니다.
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