Fotosynthese is het proces dat door planten, algen en bepaalde bacteriën wordt gebruikt om energie uit zonlicht te benutten en om te zetten in chemische energie. Hier beschrijven we de algemene principes van fotosynthese en benadrukken hoe wetenschappers dit natuurlijke proces bestuderen om te helpen bij het ontwikkelen van schone brandstoffen en bronnen van hernieuwbare energie.
Soorten fotosynthese
Er zijn twee soorten fotosyntheseprocessen: zuurstofrijke fotosynthese en anoxygene fotosynthese. De algemene principes van anoxygene en zuurstofrijke fotosynthese lijken erg op elkaar, maar zuurstofrijke fotosynthese komt het meest voor en wordt gezien bij planten, algen en cyanobacteriën.
Tijdens zuurstofrijke fotosynthese brengt lichtenergie elektronen over van water (H2O) tot kooldioxide (CO2), om koolhydraten te produceren. Bij deze overdracht heeft de CO2 wordt 'gereduceerd' of ontvangt elektronen en het water wordt 'geoxideerd' of verliest elektronen. Uiteindelijk wordt samen met koolhydraten zuurstof geproduceerd.
Zuurstoffotosynthese fungeert als tegenwicht voor de ademhaling door de kooldioxide op te nemen die door alle ademende organismen wordt geproduceerd en door zuurstof opnieuw in de atmosfeer te brengen.
Aan de andere kant gebruikt anoxygene fotosynthese andere elektronendonoren dan water. Het proces vindt meestal plaats in bacteriën zoals paarse bacteriën en groene zwavelbacteriën, die voornamelijk in verschillende aquatische habitats voorkomen.
"Anoxygene fotosynthese produceert geen zuurstof - vandaar de naam", zegt David Baum, hoogleraar botanie aan de Universiteit van Wisconsin-Madison. "Wat er wordt geproduceerd, hangt af van de elektronendonor. Veel bacteriën gebruiken bijvoorbeeld het naar eieren ruikende gas waterstofsulfide en produceren vaste zwavel als bijproduct."
Hoewel beide soorten fotosynthese complexe, uit meerdere stappen bestaande zaken zijn, kan het algehele proces netjes worden samengevat als een chemische vergelijking.
Zuurstoffotosynthese wordt als volgt geschreven:
6CO2 + 12 uur2O + lichtenergie → C6H12O6 + 6O2 + 6H2O
Hier zijn zes moleculen kooldioxide (CO2) combineren met 12 moleculen water (H2O) gebruikmakend van lichtenergie. Het eindresultaat is de vorming van een enkel koolhydraatmolecuul (C6H12O6of glucose) samen met zes moleculen van elk ademende zuurstof en water.
Evenzo kunnen de verschillende anoxygene fotosynthesereacties worden weergegeven als een enkele gegeneraliseerde formule:
CO2 + 2H2A + lichtenergie → + 2A + H2O
De letter A in de vergelijking is een variabele en H2A vertegenwoordigt de potentiële elektronendonor. A kan bijvoorbeeld zwavel voorstellen in het elektronendonorwaterstofsulfide (H2S), legden Govindjee en John Whitmarsh, plantbiologen aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign, uit in het boek "Concepts in Photobiology: Photosynthesis and Photomorphogenesis" (Narosa Publishers and Kluwer Academic, 1999).
Het fotosynthetische apparaat
De volgende zijn cellulaire componenten die essentieel zijn voor fotosynthese.
Pigmenten
Pigmenten zijn moleculen die kleur geven aan planten, algen en bacteriën, maar ze zijn ook verantwoordelijk voor het effectief vangen van zonlicht. Pigmenten van verschillende kleuren absorberen verschillende golflengten van licht. Hieronder staan de drie hoofdgroepen.
- Chlorofylen: deze groen gekleurde pigmenten kunnen blauw en rood licht opvangen. Chlorofylen hebben drie subtypen, genaamd chlorofyl a, chlorofyl b en chlorofyl c. Volgens Eugene Rabinowitch en Govindjee in hun boek "Photosynthesis" (Wiley, 1969) wordt chlorofyl a gevonden in alle fotosynthetiserende planten. Er is ook een bacteriële variant met de toepasselijke naam bacteriochlorofyl, die infrarood licht absorbeert. Dit pigment komt vooral voor bij paarse en groene bacteriën, die anoxygene fotosynthese uitvoeren.
- Carotenoïden: deze rode, oranje of geelgekleurde pigmenten absorberen blauwgroen licht. Voorbeelden van carotenoïden zijn xanthophyll (geel) en caroteen (oranje) waaruit wortels hun kleur krijgen.
- Phycobilins: Deze rode of blauwe pigmenten absorberen golflengten van licht die niet zo goed worden opgenomen door chlorofylen en carotenoïden. Ze worden gezien bij cyanobacteriën en rode algen.
Plastiden
Fotosynthetische eukaryote organismen bevatten organellen die plastiden worden genoemd in hun cytoplasma. De dubbelbladige plastiden in planten en algen worden primaire plastiden genoemd, terwijl de meervoudige membranen in plankton secundaire plastiden worden genoemd, volgens een artikel in het tijdschrift Nature Education van Cheong Xin Chan en Debashish Bhattacharya, onderzoekers van de Rutgers University in New Jersey.
Plastiden bevatten over het algemeen pigmenten of kunnen voedingsstoffen opslaan. Kleurloze en niet-gepigmenteerde leukoplasten slaan vetten en zetmeel op, terwijl chromoplasten carotenoïden bevatten en chloroplasten chlorofyl, zoals uitgelegd in het boek van Geoffrey Cooper, "The Cell: A Molecular Approach" (Sinauer Associates, 2000).
Fotosynthese vindt plaats in de chloroplasten; specifiek in de grana- en stroma-regio's. De grana is het binnenste deel van de organel; een verzameling schijfvormige membranen, gestapeld in kolommen als platen. De afzonderlijke schijven worden thylakoïden genoemd. Hier vindt de overdracht van elektronen plaats. De lege ruimtes tussen kolommen van grana vormen het stroma.
Chloroplasten lijken op mitochondriën, de energiecentra van cellen, omdat ze hun eigen genoom of verzameling van genen hebben die zich in circulair DNA bevinden. Deze genen coderen voor eiwitten die essentieel zijn voor het organel en de fotosynthese. Net als mitochondriën wordt ook aangenomen dat chloroplasten afkomstig zijn van primitieve bacteriële cellen door middel van endosymbiose.
"Plastiden zijn ontstaan uit verzwakte fotosynthetische bacteriën die meer dan een miljard jaar geleden zijn verkregen door een eencellige eukaryote cel", vertelde Baum aan WordsSideKick.com. Baum legde uit dat de analyse van chloroplastgenen aantoont dat het ooit deel uitmaakte van de groep cyanobacteriën, 'de enige groep bacteriën die zuurstofrijke fotosynthese kan bewerkstelligen'.
In hun artikel uit 2010 maken Chan en Bhattacharya het punt dat de vorming van secundaire plastiden niet goed kan worden verklaard door endosymbiose van cyanobacteriën, en dat de oorsprong van deze klasse van plastiden nog steeds een onderwerp van discussie is.
Antennes
Pigmentmoleculen worden geassocieerd met eiwitten, waardoor ze de flexibiliteit hebben om naar licht en naar elkaar toe te bewegen. Een grote verzameling van 100 tot 5.000 pigmentmoleculen vormt 'antennes', volgens een artikel van Wim Vermaas, professor aan de Arizona State University. Deze structuren vangen lichtenergie van de zon effectief op in de vorm van fotonen.
Uiteindelijk moet lichtenergie worden overgebracht naar een pigment-eiwitcomplex dat het kan omzetten in chemische energie, in de vorm van elektronen. In planten wordt bijvoorbeeld lichtenergie overgedragen naar chlorofylpigmenten. De conversie naar chemische energie wordt bereikt wanneer een chlorofylpigment een elektron verdrijft, dat vervolgens naar een geschikte ontvanger kan gaan.
Reactiecentra
De pigmenten en eiwitten, die lichtenergie omzetten in chemische energie en het proces van elektronenoverdracht beginnen, staan bekend als reactiecentra.
Het fotosynthetische proces
De reacties van fotosynthese van planten zijn onderverdeeld in reacties die de aanwezigheid van zonlicht vereisen en die niet. Beide soorten reacties vinden plaats in chloroplasten: lichtafhankelijke reacties in de thylakoïde en lichtonafhankelijke reacties in het stroma.
Lichtafhankelijke reacties (ook wel lichtreacties genoemd): wanneer een foton van licht het reactiecentrum raakt, geeft een pigmentmolecuul zoals chlorofyl een elektron af.
"De truc om nuttig werk te doen, is te voorkomen dat dat elektron zijn weg terug vindt naar zijn oorspronkelijke huis," vertelde Baum aan WordsSideKick.com. "Dit is niet gemakkelijk te vermijden, omdat het chlorofyl nu een 'elektronengat' heeft dat de neiging heeft om aan nabijgelegen elektronen te trekken."
Het vrijgekomen elektron slaagt erin te ontsnappen door door een elektronentransportketen te reizen, die de energie genereert die nodig is om ATP (adenosinetrifosfaat, een bron van chemische energie voor cellen) en NADPH te produceren. Het "elektrongat" in het originele chlorofylpigment wordt opgevuld door een elektron uit water te halen. Hierdoor komt er zuurstof vrij in de atmosfeer.
Lichtonafhankelijke reacties (ook wel donkere reacties genoemd en bekend als de Calvin-cyclus): Lichtreacties produceren ATP en NADPH, de rijke energiebronnen die donkere reacties veroorzaken. Drie chemische reactiestappen vormen de Calvin-cyclus: koolstofbinding, reductie en regeneratie. Deze reacties gebruiken water en katalysatoren. De koolstofatomen van koolstofdioxide zijn 'gefixeerd' wanneer ze zijn ingebouwd in organische moleculen die uiteindelijk suikers met drie koolstofatomen vormen. Deze suikers worden vervolgens gebruikt om glucose te maken of worden gerecycled om de Calvin-cyclus opnieuw te starten.
Fotosynthese in de toekomst
Fotosynthetische organismen zijn een mogelijk middel om schoon brandende brandstoffen te genereren, zoals waterstof of zelfs methaan. Onlangs maakte een onderzoeksgroep van de Universiteit van Turku in Finland gebruik van het vermogen van groene algen om waterstof te produceren. Groene algen kunnen een paar seconden waterstof produceren als ze eerst worden blootgesteld aan donkere, anaërobe (zuurstofvrije) omstandigheden en vervolgens worden blootgesteld aan licht. Het team heeft een manier bedacht om de waterstofproductie van groene algen tot drie dagen te verlengen, zoals gerapporteerd in hun Onderzoek uit 2018 gepubliceerd in het tijdschrift Energy & Environmental Science.
Wetenschappers hebben ook vorderingen gemaakt op het gebied van kunstmatige fotosynthese. Zo heeft een groep onderzoekers van de University of California, Berkeley, een kunstmatig systeem ontwikkeld om koolstofdioxide op te vangen met nanodraden, of draden met een diameter van een paar miljardste meter. De draden worden ingevoerd in een systeem van microben dat koolstofdioxide reduceert tot brandstoffen of polymeren door energie uit zonlicht te gebruiken. Het team publiceerde zijn ontwerp in 2015 in het tijdschrift Nano Letters.
In 2016 publiceerden leden van dezelfde groep een onderzoek in het tijdschrift Science dat een ander kunstmatig fotosynthesesysteem beschreef waarin speciaal ontworpen bacteriën werden gebruikt om vloeibare brandstoffen te maken met behulp van zonlicht, water en koolstofdioxide. Over het algemeen kunnen planten slechts ongeveer één procent van de zonne-energie benutten en gebruiken ze om tijdens de fotosynthese organische verbindingen te produceren. Het kunstmatige systeem van de onderzoekers kon daarentegen 10 procent van de zonne-energie gebruiken om organische verbindingen te produceren.
Voortgezet onderzoek naar natuurlijke processen, zoals fotosynthese, helpt wetenschappers bij het ontwikkelen van nieuwe manieren om verschillende bronnen van hernieuwbare energie te gebruiken. Aangezien zonlicht, planten en bacteriën alomtegenwoordig zijn, is het gebruik van de kracht van fotosynthese een logische stap voor het creëren van schone en koolstofneutrale brandstoffen.
Extra middelen:
