Головна
Реферати » Реферати по біології » Фотосинтез - простіше простого

Фотосинтез - простіше простого

один шлях використання людиною сонячної енергії, засвоєної рослинами, - безпосередня трансформація світлової енергії в електричну.

Вище ми простежили шлях порушеної квантом світла електрона в ході фотосинтезу. В даний час він вивчений досить детально. Саме здатність хлорофілу під дією світла віддавати і приєднувати електрони лежить в основі роботи генераторів, що містять хлорофіл.

М. Кальвін, роботи якого ми вже неодноразово згадували, в 1972 році висунув ідею створення фотоелемента, в якому в якості джерела електричного струму служив би хлорофіл, здатний при висвітленні віднімати електрони від якихось певних речовин і передавати їх іншим. Кальвін використовував як провідника, що контактує з хлорофілом, оксид цинку. При висвітленні цієї системи в ній виникав електричний струм щільністю 0,1 мікроампера на квадратний сантиметр. Цей фотоелемент функціонував порівняно недовго, оскільки хлорофіл швидко втрачав здатність віддавати електрони.

Для продовження часу дії фотоелемента був використаний додаткове джерело електронів - гідрохінон. У новій системі зелений пігмент віддавав не тільки свої, але і електрони гидрохинона. Розрахунки показують, що такий фотоелемент площею 10 квадратних метрів може мати потужність близько кіловата.

Японський професор Фудзио Такахасі для отримання електроенергії використав хлорофіл, витягнутий з листя шпинату. Транзисторний приймач, до якого була приєднана сонячна батарейка, успішно працював. Крім того, в Японії проводяться дослідження з перетворення сонячної енергії в електричну за допомогою ціанобактерій, вирощених в живильному середовищі. Тонким шаром їх наносять на прозорий електрод з оксиду цинку і разом з протівоелектродом занурюють в буферний розчин. Якщо тепер бактерії висвітлити, то в ланцюзі виникне електричний струм.

У 1973 році американці У. Стокеніус і Д. Остерхельт описали незвичайний білок з мембран фіолетових бактерій, що мешкають в солоних озерах
Каліфорнійських пустель. Його назвали бактеріородопсин. Це речовина являє собою білок, сполучений з каротиноїдом (о каротиноїдах ми поговоримо нижче) ретиналь, що складається з 20 вуглецевих атомів. Він схожий на родопсин - пігмент сітківки ока хребетних тварин, що й визначило його назву. Білкова частина родопсину представлена ??поліпептидного ланцюгом помірної довжини, що складається з 248 амінокислотних залишків, послідовність розташування яких в молекулі з'ясована вченими.
Великий внесок у дослідження структури бактеріородопсина внесли радянські вчені, які працювали під керівництвом академіка Ю. А. Овчинникова.

Наприкінці 1973 року в АН СРСР був розроблений проект порівняльного вивчення тваринного та бактеріального пігментів, що отримав назву
«Родопсин» . У 1978 році журнал «Біоорганічна хімія» опублікував статтю, в якій викладалася послідовність розташування амінокислот в молекулі бактеріородопсина. Лише через рік подібна робота була завершена в
США під керівництвом відомого біохіміка Г. Корани.

Цікаво відзначити, що бактериородопсин з'являється в мембранах галобактерій при нестачі кисню. Дефіцит же кисню в водоймах виникає в разі інтенсивного розвитку галобактерій. За допомогою бактеріородопсина бактерії засвоюють енергію Сонця, компенсуючи тим самим виник в результаті припинення дихання дефіцит енергії.

Бактеріородопсин можна виділити з галобактерій, помістивши ці соелюбівие створення, прекрасно почувають себе в насиченому розчині кухонної солі, в воду. Негайно ж вони переповнюються водою і лопаються, при цьому їх вміст змішується з навколишнім середовищем. І тільки мембрани, містять бактериородопсин, не руйнуються через міцної «упаковки» молекул пігменту, які утворюють білкові кристали (ще не знаючи структури, вчені назвали їх фіолетовими бляшками). В них молекули бактеріородопсина об'єднані в тріади, а тріади - в правильні шестикутники.

Оскільки бляшки значно більші за всіх інших компонентів галобактерій, їх неважко виділити шляхом центрифугування. Після промивання центрифугата виходить пастообразная маса фіолетового кольору. На 75% вона складається з бактеріородопсина і на 25 - з фосфоліпідів, що заповнюють проміжки між білковими молекулами. Фосфоліпіди - це молекули жирів в з'єднанні з залишками фосфорної кислоти. Інші речовини в центрифугат відсутні, що створює сприятливі умови для експериментування з бактеріородопсин. До того ж це складне з'єднання дуже стійко до факторів зовнішнього середовища. Воно не втрачає активності при нагріванні до 100
° С і може зберігатися в холодильнику роками. Бактеріородопсин стійкий до кислот і різних окислювача. Причина його високої стійкості обумовлена ??тим, що ці гало-бактерії мешкають в надзвичайно суворих умовах - в насичених сольових розчинах, якими, по суті, є води деяких озер в зоні випалених тропічним спекою пустель. У такій надзвичайно солоною, та до того ж ще й перегрітої, середовищі організми, що володіють звичайними мембранами, існувати не можуть. Ця обставина представляє великий інтерес у зв'язку з можливістю використання бактеріородопсина як трансформатора світлової енергії в електричну.

Якщо випав в осад під впливом іонів кальцію бактериородопсин висвітлити, то за допомогою вольтметра можна виявити наявність електричного потенціалу на мембранах. Якщо вимкнути світло, він зникає. Таким чином, вчені довели, що бактериородопсин може функціонувати як генератор електричного струму.

У лабораторії відомого радянського вченого, фахівця в галузі біоенергетики В. П. Скулачева ретельно досліджувалися процес вбудовування бактеріородопсина в плоску мембрану і умови функціонування його як світлозалежна генератора електричного струму.

Пізніше в цій же лабораторії були створені електричні елементи, в яких використовувалися білкові генератори електричного струму. У цих елементах малися мембранні фільтри, просочені фосфолипидами з бактеріородопсин і хлорофілом. Вчені вважають, що подібні фільтри з білками-генераторами, з'єднані послідовно, можуть служити як електричної батареї.

Дослідження з прикладного використання білків-генераторів, виконані в лабораторії члена-кореспондента АН СРСР В. П. Скулачева. привернули до себе пильну увагу вчених. В Каліфорнійському університеті створили таку ж батарею, яка при одноразовому використанні протягом півтора годин змушувала світитися електричну лампочку. Результати експериментів вселяють надію, що фотоелементи на основі бактеріородопсина і хлорофілу знайдуть застосування в якості генераторів електричної енергії. Проведені досліди - перший етап у створенні нових видів фотоелектричних і паливних елементів, здатних трансформувати світлову енергію з великою ефективністю.

Фотосинтез і врожай

Життя сучасної людини немислима без вирощування різних культурних рослин. Органічні речовини, утворювані ними в ході фотосинтезу, служать основою харчування людини, виробництва ліків, вони потрібні для виготовлення паперу, меблів, будівельних матеріалів тощо. П.

Культурні рослини здатні швидко розмножуватися, покривати зеленим екраном свого листя величезні площі, вловлювати колосальна кількість сонячної енергії і утворювати безліч різноманітних органічних речовин. В результаті фотосинтезу створюється 95% сухої речовини рослин. Тому ми з повним правом можемо стверджувати, що управління цим процесом один з найбільш ефективних шляхів впливу на продуктивність рослині, на їх урожай. Фізіологи рослин абсолютно правильно вважають, що основна задача робіт в області фотосинтезу - збереження і підтримка на більш високому рівні фотосинтетичної діяльності природної рослинності Землі, максимальне підвищення фотосинтетичної продуктивності культурних рослин.

Які ж шляхи управління людиною фотосинтетичної діяльністю рослин?

Часто стримуючим фактором фотосинтезу є нестача вуглекислого газу. Зазвичай в повітрі присутній близько 0,03% СО2. Однак над інтенсивно фотосинтезуючим полем його вміст зменшується іноді в три-чотири рази в порівнянні з наведеною цифрою. Цілком природно, що через це фотосинтез гальмується. Між тим для отримання середнього врожаю цукрових буряків один гектар її посівів повинен засвоювати за добу близько 300-400 кілограмів вуглекислого газу. Така кількість міститься в колосальному об'ємі повітря.

Досліди відомого вітчизняного фізіолога рослин В. Н. Любименко показали. що збільшення кількості вуглекислого газу в атмосфері до 1,5% призводить до прямо пропорційного зростання інтенсивності фотосинтезу.
Таким чином, один із шляхів підвищення продуктивності фотосинтезу - збільшення концентрації вуглекислого газу в повітрі.

Сучасний рівень технології, в цілому, дозволяє вирішити цю задачу в глобальних масштабах. Однак дуже сумнівно, щоб людина зважилася на практиці здійснити цей проект. Справа в тому, що більш високий рівень вмісту вуглекислого газу в повітрі призведе до зміни теплового балансу планети, до її перегріву внаслідок так званого «парникового ефекту» . «Парниковий ефект» зумовлений тим, що за наявності великої кількості вуглекислого газу атмосфера починає сильніше затримувати генеровані поверхнею Землі теплові промені.

Перегрів планети може привести до танення льодів в полярних областях і в високогір'ях, до підняття рівня Світового океану, до скорочення площі суші, в тому числі зайнятої культурною рослинністю. Якщо врахувати, що населення
Землі збільшується щотижня на 1 мільйон 400 тисяч осіб, то зрозуміла крайня небажаність таких змін.

Людство вельми стурбоване природним зростанням концентрації вуглекислого газу в атмосфері, піднаглядним в останні роки в результаті інтенсивного розвитку промисловості, автомобільного, залізничного та авіаційного транспорту. Тому воно навряд чи наважиться коли-небудь свідомо стимулювати цей процес в глобальних масштабах.

В теплицях і на полі збільшення вмісту вуглекислого газу має важливе значення для підвищення врожайності культурних рослин. З цією метою в теплицях спалюють тирсу, розкладають сухий лід на стелажах, випускають вуглекислий газ з балонів. Основний спосіб підвищення концентрації СО2 над полем - активізація життєдіяльності грунтових мікроорганізмів шляхом внесення в грунт органічних і мінеральних добрив. В процесі дихання мікроби виділяють велику кількість вуглекислого газу. В останні роки для збагачення грунту і пріпочвенном повітря СО2 поля стали поливати водою, насиченою вуглекислим газом.

Інший шлях подолання негативного впливу низької концентрації вуглекислого газу в атмосфері на урожай - поширення таких форм рослин, які дуже інтенсивно фотосинтезируют навіть

Сторінки: 1 2 3 4 5 6 7 8