Quang hợp là quá trình được sử dụng bởi thực vật, tảo và một số vi khuẩn nhất định để khai thác năng lượng từ ánh sáng mặt trời và biến nó thành năng lượng hóa học. Ở đây, chúng tôi mô tả các nguyên tắc chung của quang hợp và nêu bật cách các nhà khoa học đang nghiên cứu quá trình tự nhiên này để giúp phát triển nhiên liệu sạch và các nguồn năng lượng tái tạo.
Các loại quang hợp
Có hai loại quá trình quang hợp: quang hợp oxy và quang hợp anoxygenic. Các nguyên tắc chung của quang hợp anoxygenic và oxy là rất giống nhau, nhưng quang hợp oxy là phổ biến nhất và được thấy trong thực vật, tảo và vi khuẩn lam.
Trong quá trình quang hợp oxy, năng lượng ánh sáng chuyển các electron từ nước (H2O) thành carbon dioxide (CO2), để sản xuất carbohydrate. Trong chuyển nhượng này, CO2 là "giảm" hoặc nhận electron và nước trở nên "bị oxy hóa" hoặc mất electron. Cuối cùng, oxy được sản xuất cùng với carbohydrate.
Quang hợp oxy có chức năng như một đối trọng với hô hấp bằng cách hấp thụ carbon dioxide được tạo ra bởi tất cả các sinh vật hô hấp và đưa oxy trở lại khí quyển.
Mặt khác, quang hợp anoxygenic sử dụng các nhà tài trợ điện tử khác ngoài nước. Quá trình này thường xảy ra ở vi khuẩn như vi khuẩn tím và vi khuẩn lưu huỳnh màu xanh lá cây, chủ yếu được tìm thấy trong các môi trường sống dưới nước khác nhau.
David Baum, giáo sư thực vật học tại Đại học Wisconsin-Madison, cho biết: "Quang hợp Anoxygenic không tạo ra oxy - do đó có tên như vậy". "Những gì được tạo ra phụ thuộc vào nhà tài trợ điện tử. Ví dụ, nhiều vi khuẩn sử dụng khí hydro sunfua có mùi trứng, tạo ra lưu huỳnh rắn như một sản phẩm phụ."
Mặc dù cả hai loại quang hợp đều phức tạp, nhiều vấn đề, quá trình tổng thể có thể được tóm tắt gọn gàng như một phương trình hóa học.
Quang hợp oxy được viết như sau:
6CO2 + 12H2O + Năng lượng ánh sáng → C6H12Ôi6 + 6O2 + 6 giờ2Ôi
Ở đây, sáu phân tử carbon dioxide (CO2) kết hợp với 12 phân tử nước (H2O) sử dụng năng lượng ánh sáng. Kết quả cuối cùng là sự hình thành của một phân tử carbohydrate duy nhất (C6H12Ôi6hoặc glucose) cùng với sáu phân tử mỗi oxy và nước thoáng khí.
Tương tự, các phản ứng quang hợp anoxygenic khác nhau có thể được biểu diễn dưới dạng một công thức tổng quát duy nhất:
CO2 + 2 giờ2A + Năng lượng ánh sáng → + 2A + H2Ôi
Chữ A trong phương trình là một biến và H2A đại diện cho các nhà tài trợ điện tử tiềm năng. Ví dụ, A có thể đại diện cho lưu huỳnh trong hydro sunfua của nhà tài trợ điện tử (H2S), Govindjee và John Whitmarsh, nhà sinh vật học thực vật tại Đại học Illinois tại Urbana-Champaign giải thích, trong cuốn sách "Các khái niệm về quang sinh học: Quang hợp và phát quang" (Nhà xuất bản Narosa và Kluwer Academy, 1999).
Bộ máy quang hợp
Sau đây là các thành phần tế bào cần thiết cho quang hợp.
Sắc tố
Các sắc tố là các phân tử ban cho màu sắc trên thực vật, tảo và vi khuẩn, nhưng chúng cũng chịu trách nhiệm cho bẫy ánh sáng mặt trời hiệu quả. Các sắc tố có màu khác nhau hấp thụ các bước sóng ánh sáng khác nhau. Dưới đây là ba nhóm chính.
- Chất diệp lục: Những sắc tố màu xanh lá cây này có khả năng bẫy ánh sáng xanh và đỏ. Chất diệp lục có ba loại phụ, được gọi là diệp lục a, diệp lục b và diệp lục c. Theo Eugene Rabinowitch và Govindjee trong cuốn sách "Quang hợp" (Wiley, 1969), chất diệp lục a được tìm thấy trong tất cả các thực vật quang hợp. Ngoài ra còn có một biến thể vi khuẩn có tên là vi khuẩn diệp lục, hấp thụ ánh sáng hồng ngoại. Sắc tố này chủ yếu được nhìn thấy ở vi khuẩn màu tím và màu xanh lá cây, thực hiện quang hợp anoxygenic.
- Carotenoids: Những sắc tố màu đỏ, cam hoặc vàng này hấp thụ ánh sáng xanh lục. Ví dụ về carotenoids là xanthophyll (màu vàng) và carotene (màu cam) từ đó cà rốt có màu.
- Phycobilins: Những sắc tố màu đỏ hoặc màu xanh này hấp thụ các bước sóng ánh sáng không được hấp thụ tốt bởi diệp lục và carotenoids. Chúng được nhìn thấy trong vi khuẩn lam và tảo đỏ.
Plastids
Các sinh vật nhân chuẩn quang hợp có chứa các bào quan gọi là plastid trong tế bào chất của chúng. Các plastid hai màng trong thực vật và tảo được gọi là các plastid chính, trong khi các loại đa màng được tìm thấy trong các sinh vật phù du được gọi là plastid thứ cấp, theo một bài báo trên tạp chí Nature Education của Cheong Xin Chan và Debashish Bhattacharya, các nhà nghiên cứu tại Đại học Rutgers ở New Jersey.
Plastids thường chứa sắc tố hoặc có thể lưu trữ chất dinh dưỡng. Leucoplast không màu và không có sắc tố lưu trữ chất béo và tinh bột, trong khi chromoplast chứa carotenoids và lục lạp có chứa chất diệp lục, như được giải thích trong cuốn sách "The Cell: A Phương pháp phân tử" của Geoffrey Cooper (Sinauer Associates, 2000).
Quang hợp xảy ra trong lục lạp; đặc biệt, trong khu vực grana và stroma. Grana là phần trong cùng của organelle; một bộ sưu tập các màng hình đĩa, xếp thành các cột như các tấm. Các đĩa riêng lẻ được gọi là thylakoids. Ở đây, việc chuyển điện tử diễn ra. Các khoảng trống giữa các cột của grana tạo thành stroma.
Lục lạp tương tự như ty thể, trung tâm năng lượng của tế bào, ở chỗ chúng có bộ gen riêng hoặc bộ gen, chứa trong DNA vòng tròn. Những gen này mã hóa các protein thiết yếu cho cơ quan và quang hợp. Giống như ty thể, lục lạp cũng được cho là có nguồn gốc từ các tế bào vi khuẩn nguyên thủy thông qua quá trình endosymbiosis.
"Plastid có nguồn gốc từ vi khuẩn quang hợp bị nhấn chìm được thu nhận bởi một tế bào nhân chuẩn đơn bào hơn một tỷ năm trước," Baum nói với Live Science. Baum giải thích rằng việc phân tích gen lục lạp cho thấy nó từng là một thành viên của nhóm vi khuẩn lam, "một nhóm vi khuẩn có thể thực hiện quá trình quang hợp oxy."
Trong bài báo năm 2010 của họ, Chan và Bhattacharya đưa ra quan điểm rằng sự hình thành của plastid thứ cấp không thể được giải thích rõ bằng endosymbiosis của cyanobacteria, và nguồn gốc của lớp plastid này vẫn còn là vấn đề tranh luận.
Râu
Các phân tử sắc tố được liên kết với protein, cho phép chúng linh hoạt di chuyển về phía ánh sáng và hướng về nhau. Theo một bài báo của Wim Vermaas, giáo sư tại Đại học bang Arizona, một bộ sưu tập lớn gồm 100 đến 5.000 phân tử sắc tố tạo thành "râu". Những cấu trúc này thu được hiệu quả năng lượng ánh sáng từ mặt trời, dưới dạng photon.
Cuối cùng, năng lượng ánh sáng phải được chuyển đến phức hợp sắc tố-protein có thể chuyển đổi nó thành năng lượng hóa học, dưới dạng điện tử. Trong thực vật, ví dụ, năng lượng ánh sáng được chuyển sang sắc tố diệp lục. Việc chuyển đổi thành năng lượng hóa học được thực hiện khi một sắc tố diệp lục trục xuất một điện tử, sau đó có thể chuyển sang một người nhận thích hợp.
Trung tâm phản ứng
Các sắc tố và protein, chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học và bắt đầu quá trình chuyển điện tử, được gọi là trung tâm phản ứng.
Quá trình quang hợp
Các phản ứng của quang hợp thực vật được chia thành những phản ứng đòi hỏi sự có mặt của ánh sáng mặt trời và những phản ứng không có. Cả hai loại phản ứng diễn ra trong lục lạp: phản ứng phụ thuộc vào ánh sáng trong thylakoid và phản ứng không phụ thuộc vào ánh sáng trong chất nền.
Phản ứng phụ thuộc vào ánh sáng (còn gọi là phản ứng ánh sáng): Khi một photon ánh sáng chiếu vào trung tâm phản ứng, một phân tử sắc tố như diệp lục sẽ giải phóng một electron.
"Bí quyết để thực hiện công việc hữu ích là ngăn không cho electron đó tìm đường trở về ngôi nhà ban đầu của nó", Baum nói với Live Science. "Điều này không dễ gì tránh được, vì diệp lục hiện có một 'lỗ electron' có xu hướng kéo theo các electron gần đó."
Electron được giải phóng có thể thoát ra bằng cách di chuyển qua chuỗi vận chuyển điện tử, tạo ra năng lượng cần thiết để sản xuất ATP (adenosine triphosphate, một nguồn năng lượng hóa học cho tế bào) và NADPH. "Lỗ electron" trong sắc tố diệp lục gốc được lấp đầy bằng cách lấy một electron từ nước. Kết quả là oxy được giải phóng vào khí quyển.
Phản ứng độc lập với ánh sáng (còn được gọi là phản ứng tối và được gọi là chu trình Calvin): Phản ứng ánh sáng tạo ra ATP và NADPH, là nguồn năng lượng phong phú thúc đẩy phản ứng tối. Ba bước phản ứng hóa học tạo nên chu trình Calvin: cố định carbon, khử và tái sinh. Những phản ứng này sử dụng nước và chất xúc tác. Các nguyên tử carbon từ carbon dioxide là cố định, một khi chúng được xây dựng thành các phân tử hữu cơ cuối cùng tạo thành đường ba carbon. Những loại đường này sau đó được sử dụng để tạo glucose hoặc được tái chế để bắt đầu lại chu trình Calvin.
Quang hợp trong tương lai
Các sinh vật quang hợp là một phương tiện khả thi để tạo ra các nhiên liệu đốt sạch như hydro hoặc thậm chí là metan. Gần đây, một nhóm nghiên cứu tại Đại học Turku ở Phần Lan, đã khai thác khả năng sản xuất tảo xanh. Tảo xanh có thể tạo ra hydro trong vài giây nếu lần đầu tiên tiếp xúc với điều kiện tối, yếm khí (không có oxy) và sau đó tiếp xúc với ánh sáng. Nhóm nghiên cứu đã nghĩ ra cách kéo dài sản xuất hydro của tảo xanh trong tối đa ba ngày, như đã báo cáo trong Nghiên cứu năm 2018 được công bố trên tạp chí Khoa học Năng lượng & Môi trường.
Các nhà khoa học cũng đã có những tiến bộ trong lĩnh vực quang hợp nhân tạo. Chẳng hạn, một nhóm các nhà nghiên cứu từ Đại học California, Berkeley, đã phát triển một hệ thống nhân tạo để thu khí carbon dioxide bằng cách sử dụng dây nano, hoặc dây có đường kính vài phần tỷ mét. Các dây dẫn vào một hệ thống các vi khuẩn làm giảm carbon dioxide thành nhiên liệu hoặc polymer bằng cách sử dụng năng lượng từ ánh sáng mặt trời. Nhóm nghiên cứu đã công bố thiết kế của mình vào năm 2015 trên tạp chí Nano Letters.
Năm 2016, các thành viên của cùng nhóm này đã công bố một nghiên cứu trên tạp chí Science mô tả một hệ thống quang hợp nhân tạo khác trong đó vi khuẩn được chế tạo đặc biệt được sử dụng để tạo ra nhiên liệu lỏng sử dụng ánh sáng mặt trời, nước và carbon dioxide. Nhìn chung, thực vật chỉ có thể khai thác khoảng một phần trăm năng lượng mặt trời và sử dụng nó để sản xuất các hợp chất hữu cơ trong quá trình quang hợp. Ngược lại, hệ thống nhân tạo của các nhà nghiên cứu có thể khai thác 10% năng lượng mặt trời để sản xuất các hợp chất hữu cơ.
Tiếp tục nghiên cứu các quá trình tự nhiên, như quang hợp, hỗ trợ các nhà khoa học phát triển các cách mới để sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo khác nhau. Nhìn như ánh sáng mặt trời, thực vật và vi khuẩn đều có mặt ở khắp nơi, khai thác sức mạnh của quang hợp là một bước hợp lý để tạo ra nhiên liệu đốt cháy sạch và trung tính carbon.
Tài nguyên bổ sung:
