Back to site
Since 2004, our University project has become the Internet's most widespread web hosting directory. Here we like to talk a lot about web development, networking and server security. It is, after all, our expertise. To make things better we've launched this science section with the free access to educational resources and important scientific material translated to different languages.

Навошта вывучаць фотасінтэз?

Source: http://photoscience.la.asu.edu/photosyn/study.html



 

Што такое фотасінтэз?

Фотасінтэз, магчыма, самы важны біялагічны працэс на Зямлі. Па вылучэннем кіслароду і спажывае вуглякіслы газ, яна ператварыла свет у гасціннай абстаноўцы мы ведаем сёння. Прама ці ўскосна, фотасінтэз запаўняе ўсе нашы патрэбнасці ў харчаванні і многія нашы патрэбы на валакно і будматэрыялы. Энергія, назапашаная ў нафты, прыроднага газу і вугалю усе прыйшлі ад сонца пасродкам фотасінтэзу, гэтак жа як і энергія ў дровы, якая з'яўляецца асноўным палівам ў многіх частках свету. Гэта не так, навуковых даследаванняў фотасінтэзу з'яўляецца жыццёва важным. Калі мы зможам зразумець і кантраляваць тонкасцях працэсу фотасінтэзу, мы можам даведацца, як павялічыць ураджайнасць прадуктаў харчавання, валокнаў, драўніны і паліва, і як лепш выкарыстоўваць нашы землі.Энергіі уборкі таямніцы раслін могуць быць адаптаваныя да антрапагенных сістэм, якія забяспечваюць новыя, эфектыўныя спосабы збору і выкарыстання сонечнай энергіі. Гэтыя ж прыродныя "тэхналогіі" можа дапамагчы паказаць шлях да распрацоўкі новых, больш хуткі і больш кампактныя кампутары, і нават у новых медыцынскіх прарываў. Таму што фотасінтэз дапамагае кантраляваць склад нашай атмасферы, разуменне фотасінтэзу мае вырашальнае значэнне для разумення таго, як вуглякіслы газ і іншыя "парніковыя газы" паўплываць на глабальны клімат. У гэтым дакуменце мы коратка разгледзім кожны з названых вышэй абласцях, а таксама паказаць, як фотасінтэз даследаванне мае вырашальнае значэнне для падтрымання і паляпшэння якасці нашага жыцця.

Фотасінтэз і прадукты харчавання. Усе нашы біялагічныя патрэбы ў энергіі задавальняюцца за кошт расліннага свету, альбо непасрэдна, альбо праз траваедных жывёл. Расліны, у сваю чаргу атрымліваць энергію для сінтэзу прадуктаў харчавання з дапамогай фотасінтэзу. Хоць расліны прыцягнуць неабходныя матэрыялы з глебы і вады і вуглякіслага газу з паветра, энергетычных патрэбаў заводу запоўненыя сонечным святлом. Сонечны святло з'яўляецца чыстай энергіяй. Аднак, сонечнае святло сам па сабе не вельмі карысны выгляд энергіі, яна не можа быць з'едзена, яна не можа ператварыцца дынама-машыны, і яна не можа быць захаваны. Каб быць карысным, энергіі сонечнага святла павінны быць ператвораныя ў іншыя формы. Гэта тое, што фотасінтэз гэта ўсё аб. Гэта працэс, пры якім расліны змяненне энергіі сонечнага святла на віды энергіі, якія могуць быць захаваны для наступнага выкарыстання. Расліны ажыццяўляць гэты працэс у фотосинтетических рэакцыйных цэнтраў. Гэтыя малюсенькія адзінкі знаходзяцца ў лісці, і ператвараць светлавую энергію ў хімічную энергію, якая з'яўляецца формай, якая выкарыстоўваецца для ўсіх жывых арганізмаў. Адзін з найбуйнейшых энергетычных эксплуатацыяй працэсы ў раслінах звязана з выкарыстаннем энергіі сонечнага святла пераўтварыць вуглякіслы газ з паветра ў цукар, крухмал і іншыя высокаэнергетычныя вугляводы.Кісларод вылучаецца ў працэсе. Пазней, калі расліна мае патрэбу ў ежы, яна абапіраецца на энергію, назапашаныя ў гэтых вугляводаў. Мы робім тое ж самае. Калі мы ядзім талерка спагецці, наш арганізм акісляецца ці "спаліць" ад крухмалу дазваляе яму злучацца з кіслародам з паветра. Гэта вырабляе вуглякіслы газ, які мы выдыхаем, і энергію, неабходную для выжывання. Такім чынам, калі няма фотасінтэзу, няма ежы. Сапраўды, адно шырокае прызнанне тэорыі, тлумачыць знікненне дыназаўраў паказвае, што камета, метэарыт, або вулкана выкідваецца так шмат матэрыялу ў атмасферу, што колькасць сонечнага святла, які дасягае Зямлі быў моцна паменшаны. Гэта, у сваю чаргу, прывяло да згубы шматлікіх раслін і істот, якія залежалі ад іх энергіі.

Фотасінтэз і энергіі. Адзін з вугляводаў, у выніку фотасінтэзу з'яўляецца цэлюлоза, якая складае большую частку сухога дрэва і іншых раслінных матэрыялаў. Калі мы спальваем дрэва, мы ператвараем цэлюлозы назад у вуглякіслы газ і адпусціце назапашаную энергію ў выглядзе цяпла. Спальванне паліва ў асноўным той жа самы працэс акіслення, якое адбываецца ў нашым арганізме, ён вызваляе энергію "захоўваецца сонечнага святла" у зручнай форме, і вяртае вуглякіслага газу ў атмасферу. Энергіі ад спальвання "біямаса" Вельмі важна ў многіх частках свету. У краінах, якія развіваюцца, дровы працягвае мець вырашальнае значэнне для выжывання. Этанол (спірт), вырабляецца з цукру і крухмалу шляхам ферментацыі з'яўляецца адным з асноўных аўтамабільнага паліва ў Бразіліі, і дадаюць да бензіну ў некаторых частках Злучаных Штатаў, каб дапамагчы паменшыць выкіды шкодных забруджвальных рэчываў. Этанол таксама лёгка прыстасаваны для вытворчасці этылену, які служыць зыходным сыравінай для большай часткі нафтахімічнай прамысловасці. Можна канвертаваць цэлюлозу ў цукар, а затым у этанол; розных мікраарганізмаў ажыццяўляць гэты працэс. Гэта можа быць камерцыйна важных адзін дзень.

Нашы асноўныя крыніцы энергіі, вядома, вугалю, нафты і прыроднага газу. Гэтыя матэрыялы атрыманы з старажытных раслін і жывёл, а энергія, назапашаная ў іх хімічная энергія, якая першапачаткова прыйшлі з сонечнага святла ў працэсе фотасінтэзу. Такім чынам, вялікая частка энергіі, якую мы выкарыстоўваем сёння быў першапачаткова сонечнай энергіі!

Фотасінтэз, валокны і матэрыялы. Дрэва, вядома, не толькі спалены, але важны матэрыял для будаўніцтва і многіх іншых мэтаў. Папера, напрыклад, амаль чысты фотосинтетически вытворчасці цэлюлозы, як бавоўна і многіх іншых натуральных валокнаў. Нават вытворчасць воўны залежыць ад фотасінтэзу паходжання энергіі. На самай справе, усе раслінныя і жывёлы прадукты, уключаючы шматлікія лекі і наркотыкі патрабуюць энергіі для вытворчасці, і гэтая энергія ідзе ў канчатковым рахунку ад сонечнага святла праз фотасінтэз. Многія нашы іншыя патрэбы матэрыялы запоўненыя пластмас і сінтэтычных валокнаў, якія вырабляюцца з нафты, і, такім чынам, і фотасінтэзу ў паходжанні.Нават вялікая частка нашай металічнай перапрацоўкі залежыць у канчатковым рахунку ад вугалю ці іншых прадуктаў фотасінтэзу. Сапраўды, цяжка назваць эканамічна важны матэрыял або рэчыва, чыё існаванне і карыснасць не нейкім чынам звязаны з фотасінтэзам.

Фотасінтэз і навакольнага асяроддзя. У цяперашні час існуе шмат дыскусій адносна магчымага ўплыву вуглякіслага газу і іншых "парніковых газаў" на навакольнае асяроддзе. Як ужо згадвалася вышэй, фотасінтэз пераўтворыць вуглякіслы газ з паветра, у вугляводы і іншыя віды "фіксаваных" вугляроду і вылучае кісларод у атмасферу. Калі мы спальваем дровы, этанол, або вугалю, нафты і іншых выкапнёвых відаў паліва, кіслароду спажываецца, і вуглякіслы газ вылучаецца назад у атмасферу. Такім чынам, вуглякіслы газ, які быў выдалены з атмасферы на працягу мільёнаў гадоў змяняецца вельмі хутка праз нашу спажывання гэтых відаў паліва. Павелічэнне вуглякіслага газу і звязаных з імі газаў непазбежна ўплываюць на нашу атмасферу. Ці зменіць гэта быць вялікім або маленькім, і гэта будзе шкодна ці карысна? Гэтыя пытанні ў цяперашні час актыўна вывучаюцца шматлікімі навукоўцамі сёння. Адказы будуць моцна залежаць ад эфекту фотасінтэзу ажыццяўляецца па сушы і марскіх арганізмаў. Як фотасінтэзу паглынае вуглякіслы газ і выдзяляе кісларод, ён дапамагае нейтралізаваць эфект спальвання выкапнёвага паліва. Спальванне выкапнёвага паліва рэлізы не толькі вуглякіслы газ, але і вуглевадароды, аксіды азоту і іншых матэрыялаў, слядоў, якія забруджваюць атмасферу і ўнесці ўклад у доўгатэрміновае здароўе і экалагічныя праблемы. Гэтыя праблемы з'яўляюцца следствам таго, што прырода выбрала для ажыццяўлення фотасінтэзу шляхам пераўтварэння вуглякіслага газу ў багатыя энергіяй матэрыялы, такія як вугляводы. Можа прынцыпы фотасінтэзу энергія сонечных батарэй быць выкарыстаны якім-небудзь чынам для вытворчасці экалагічна чыстага паліва або крыніц энергіі? Адказ, як мы ўбачым далей, гэта так.

Навошта вывучаць фотасінтэз?

Таму што якасць нашага жыцця, ды і само наша існаванне залежыць ад фотасінтэзу, вельмі важна, каб мы яго разумеем. Праз разуменне, мы можам пазбегнуць шкоды для працэсу аблогі і навакольнага асяроддзя або экалагічных катастроф. Праз разуменне, мы таксама можам навучыцца кантраляваць фотасінтэзу, і тым самым павысіць вытворчасць прадуктаў харчавання, валокны і энергію. Разуменне натуральнага працэсу, які быў распрацаваны расліны на працягу некалькіх мільярдаў гадоў, таксама дазволіць нам выкарыстоўваць асноўны хіміі і фізікі фотасінтэзу і для іншых мэтаў, напрыклад, пераўтварэння сонечнай энергіі, праектавання электронных схем, а таксама распрацоўка лекавых сродкаў і наркотыкаў. Ніжэй прыводзяцца некаторыя прыклады.

Фотасінтэз і сельская гаспадарка. Хоць фотасінтэзу зацікавіла чалавецтва на працягу эонов, хуткі прагрэс у разуменні працэсаў прыйшло ў апошнія некалькі гадоў. Адна з рэчаў, якія мы даведаліся, што ў цэлым фотасінтэзу адносна неэфектыўныя. Напрыклад, на аснове колькасці вугляроду, устаноўленыя палі кукурузы на працягу тыповага сельскагаспадарчага сезону, толькі каля 1 - 2% сонечнай энергіі, трапляе на поле здабываецца ў выглядзе новых прадуктаў фотасінтэзу. Эфектыўнасць неапрацоўваемых жыцця завода складае толькі каля 0,2%. У цукровага трыснёга, які з'яўляецца адным з найбольш эфектыўных раслін, каля 8% святла, паглынальнага расліна захоўваецца як хімічнай энергіі.Многія расліны, асабліва тыя, якія адбываюцца ва ўмераных зонах, такіх як вялікая частка Злучаных Штатаў, праходзяць працэс называецца фотодыхания. Гэта свайго роду "кароткае замыканне" фотасінтэзу, што адходы шмат энергіі фотасінтэзу раслін. З'ява фотодыхания у тым ліку яго функцыі, калі такія маюцца, з'яўляецца толькі адным з многіх загадак, якія стаяць перад даследчыкам фотасінтэзу.

Калі мы зможам цалкам зразумець працэсы, як фотодыхания, мы будзем мець магчымасць змяняць іх.Такім чынам, больш эфектыўных прадпрыемстваў могуць быць распрацаваны. Хоць новыя сарты раслін, былі распрацаваны на працягу стагоддзяў шляхам селекцыйнага разьвядзеньне, метады сучаснай малекулярнай біялогіі паскорылі працэс надзвычай. Фотасінтэз даследаванні могуць паказаць нам, як ствараць новыя штамы культур, якія зробяць значна лепш выкарыстоўваць сонечнае святло яны паглынаюць. Даследаванні ў гэтым напрамку вельмі важна, як паказваюць апошнія даследаванні паказваюць, што сельскагаспадарчая вытворчасць стабілізуецца ў перыяд, калі попыт на прадукты харчавання і іншыя сельскагаспадарчыя прадукты, імкліва расце.

Таму што расліны залежыць ад фотасінтэзу, для іх выжывання, перашкаджаючы фотасінтэзу можа забіць расліна. Гэта з'яўляецца асновай шэрагу важных гербіцыдаў, якія дзейнічаюць, прадухіляючы некаторыя важныя крокі фотасінтэзу. Разуменне дэталяў фотасінтэзу можа прывесці да распрацоўкі новых, надзвычай выбарча гербіцыдаў і рэгулятараў росту раслін, якія могуць быць экалагічна бяспечнымі (асабліва да жывёльнай жыцця, якая не ажыццяўляе фотасінтэз). На самай справе, можна развіваць новыя сельскагаспадарчыя культуры, якія маюць імунітэт да канкрэтнай гербіцыды, і тым самым дамагчыся барацьбы з пустазеллямі, спецыфічныя для аднаго віду ўраджаю.

Фотасінтэз і вытворчасці энергіі. Як было сказана вышэй, большасць нашых бягучых патрэбнасцяў у энергіі задавальняюцца за кошт фотасінтэзу, старажытная або сучасная. Павышэнне эфектыўнасці прыроднага фотасінтэзу можа таксама павялічыць вытворчасць этанолу і іншых відаў паліва за кошт сельскай гаспадаркі. Тым не менш, веды, атрыманыя ад фотасінтэзу даследавання таксама могуць быць выкарыстаны для павышэння вытворчасці энергіі ў значна больш просты шлях. Хоць у цэлым працэс фотасінтэзу адносна марнатраўна, першыя крокі ў пераўтварэнні сонечнага святла ў хімічную энергію вельмі эфектыўныя. Чаму б не навучыцца разумець асноўны хіміі і фізікі фотасінтэзу, і выкарыстоўваць гэтыя ж прынцыпы, пабудаваць штучны сонечных прылад уборкі энергіі? Гэта было марай хімікаў на працягу многіх гадоў, але ў цяперашні час блізкія, каб стаць рэальнасцю. У лабараторыі, навукоўцы зараз могуць сінтэзаваць штучны фотосинтетических рэакцыйных цэнтраў якім супернікам натуральных з пункту гледжання колькасці сонечнага святла, захоўваюцца ў выглядзе хімічнай або электрычнай энергіі. Дадатковыя даследаванні прывядуць да распрацоўкі новых, эфектыўных сонечных якія збіраюць энергію тэхналогіі, заснаваныя на натуральны працэс.

Роля фотасінтэзу ў кантролі навакольнага асяроддзя. Як фотасінтэзу ва ўмераных і трапічных лясах і ў моры ўплывае на колькасць выкідаў парніковых газаў у атмасферы? Гэта важны і спрэчнае пытанне сёння. Як згадвалася вышэй, фотасінтэзу раслін выводзіць вуглякіслы газ з атмасферы і замяняе яго з кіслародам. Такім чынам, было б, як правіла, змякчэння наступстваў выкідаў дыяксіду вугляроду ў выніку спальвання выкапнёвага паліва. Аднак пытанне ўскладняецца тым, што самі расліны рэагуюць на колькасць вуглякіслага газу ў атмасферы. Некаторыя расліны, як уяўляецца, растуць больш хуткімі тэмпамі ў атмасферу багатай вуглякіслым газам, але гэта не можа быць дакладна для ўсіх відаў жывёл. Разуменне ўплыву парніковых газаў патрабуе больш поўныя веды аб узаемадзеянні расліннага свету з дыяксідам вугляроду, чым мы маем сёння. Спальванне раслін і раслінных прадуктаў, такіх як нафта рэлізы двухвокісу вугляроду і іншых пабочных прадуктаў, такіх як вуглевадароды і вокіслы азоту. Тым не менш, забруджвання, выкліканага такімі матэрыяламі не з'яўляецца неабходным прадуктам выкарыстання сонечнай энергіі. Штучнага фотасінтэзу рэакцыйных цэнтраў гаварылася вышэй вытворчасці энергіі без вылучэння пабочных прадуктаў, акрамя цяпла. Яны абяцаюць вытворчасці экалагічна чыстай энергіі ў выглядзе электрычнасці або вадароду паліва без забруджвання навакольнага асяроддзя. Ажыццяўленне такіх прылад сонечнай энергіяй уборкі б прадухіленні забруджвання ў крыніцы, што, безумоўна, найбольш эфектыўны падыход да кіравання.

Фотасінтэз і электронікі. На першы погляд, фотасінтэз, здавалася б, не звязаныя з дызайнам кампутараў і іншых электронных прылад. Аднак, ёсць патэнцыйна вельмі моцная сувязь. Мэта сучасных даследаванняў электронікі, каб транзістары і іншыя кампаненты схемы як мага менш. Малы прылад і кароткіх сувязяў паміж імі зрабіць кампутары хутчэй і кампактней. Найменшую магчымую адзінку матэрыялу малекулы (з атамаў розных тыпаў). Такім чынам, самы маленькі транзістар мажлівыя адной малекулы (або атама). Многія даследчыкі сёння вывучаюць інтрыгуюць магчымасці стварэння электронных кампанентаў з асобных малекул або невялікіх груп малекул. Другі вельмі актыўнай вобласцю даследаванняў з'яўляецца кампутараў, якія выкарыстоўваюць святло, а не электронаў, як асяроддзе для апорных інфармацыю. У прынцыпе, светла-кампутары маюць шэраг пераваг перад традыцыйным дызайнам, ды і многія нашы перадачы і камутацыі тэлефоннай сеткі ўжо дзейнічаюць праз валаконнай оптыкі. Якое гэта мае дачыненне да фотасінтэзу? Аказваецца, што фотосинтетических рэакцыйных цэнтраў з'яўляюцца натуральнымі фотахімічныя перамыкачы малекулярных памераў.Вывучэнне таго, як расліны паглынаюць святло, кантраляваць рух энергіі ў выніку рэакцыйных цэнтраў, а таксама канвертаваць светлавой энергіі ў электрычную і, нарэшце, хімічная энергія можа дапамагчы нам зразумець, як зрабіць малекулярнага маштабу кампутараў. На самай справе, некалькі малекулярных электронных лагічных элементаў на аснове штучных фотосинтетических рэакцыйных цэнтраў ужо паведамлялася ў навуковай літаратуры.

Фотасінтэз і медыцыны. Святло мае вельмі высокае ўтрыманне энергіі, і калі ён паглынаецца рэчывам гэтая энергія пераўтвараецца ў іншыя формы. Калі энергія заканчваецца ў тым месцы, гэта можа прывесці да сур'ёзнага пашкоджання жывых арганізмаў. Старэнне скуры і рак скуры з'яўляюцца толькі двума з многіх шкодны ўплыў святла на чалавека і жывёл. З раслін і іншых відаў фотосинтетических займаемся святла для эонов, яны павінны былі распрацаваць photoprotective механізмы абмежавання лёгкія пашкоджанні. Даведаўшыся аб прычынах светоиндуцированного пашкоджанне тканін і дэталяў натуральныя механізмы photoprotective можа дапамагчы нам можа знайсці шляхі адаптацыі гэтых працэсаў на карысць чалавецтва ў абласцях, далёкіх ад фотасінтэзу сябе.Напрыклад, механізм, з дапамогай якога сонечнае святло паглынаецца фотасінтэзу хларафіл выклікае паражэнне тканін ў раслін быў выкарыстаны ў медыцынскіх мэтах. Рэчывы, падобныя хларафіла лакалізаваць натуральна ў ракавай тканіны пухліны. Асвятленне пухліны святлом затым прыводзіць да фотахімічныя шкоду, які можа забіць пухліна, пакідаючы навакольнае тканіна цэлым і цэлым. Іншая медыцынскае прымяненне звязана з выкарыстаннем аналагічных сваякоў хларафіла лакалізаваць ў опухолевой тканіны, і такім чынам выступаюць у якасці фарбавальнікаў, якія выразна вызначыць межы паміж ракавай і здаровай тканіны. Дадзеная дыягнастычная дапамога не выклікае фотахімічныя пашкоджанні нармальных тканін, паколькі прынцыпы фотасінтэзу былі выкарыстаныя для надзяляюць яе ахоўнымі сродкамі, што ў бясьпецы канвертаваць паглынальнага святла ў цяпло.

Высновы

Прыведзеныя вышэй прыклады сведчаць аб важнасці фотасінтэзу як натуральны працэс, і ўплыў, якое яна аказвае на ўсё наша жыццё. Даследаванне прыроды фотасінтэзу мае вырашальнае значэнне, таму што толькі на аснове разумення фотасінтэзу мы можам кантраляваць яе, і выкарыстоўваць яе прынцыпы на карысць чалавецтва. Навука толькі нядаўна распрацаваны асноўныя інструменты і метады, неабходныя для расследавання заблытаных дэталяў фотасінтэзу. Цяпер настаў час прымяніць гэтыя інструменты і метады, каб праблемы, і пачаць пажынаць плады гэтага даследавання.

- Аўтар і аўтарскага права © 1996 Devens Густа, прафесар хіміі і біяхіміі Універсітэта штата Арызона

Published (Last edited): 26-01-2012 , source: http://photoscience.la.asu.edu/photosyn/study.html