Original: https://live-bioenergy.ws.asu.edu/content/why-study-photosynthesis
Що таке фотосинтез?

Фотосинтез, можливо, найважливіший біологічний процес на Землі. Звільняючи кисень і споживаючи вуглекислий газ, він перетворив світ в гостинну обстановку, яку ми знаємо сьогодні. Прямо чи опосередковано, фотосинтез заповнює всі наші потреби в продовольстві і багато хто з наших потреб в волокна і будівельних матеріалів. Енергія, запасені в нафти, природного газу і вугілля все прийшли від сонця за допомогою фотосинтезу, як це робить енергію в дрова, що є основним паливом у багатьох частинах світу. Це не так, наукові дослідження в області фотосинтезу має життєво важливе значення. Якщо ми зможемо зрозуміти і контролювати тонкощі процесу фотосинтезу, ми можемо дізнатися, як збільшити врожайність їжі, волокна, дерева і палива, а також як краще використовувати наші землі. Енерготехнологічні збиральних секрети рослин можуть бути адаптовані до штучних систем, які забезпечують нові, ефективні способи збору і використання сонячної енергії. Ці ж природні “технології” може допомогти вказати шлях до розробки нових, більш швидкий і більш компактних комп’ютерів, і навіть нових медичних проривів. Тому що фотосинтез допомагає контролювати склад нашої атмосфери, розуміння фотосинтез має вирішальне значення для розуміння того, як вуглекислий газ і інші “парникові гази” впливають на глобальний клімат. У цьому документі ми коротко розглянемо кожну з областей, згаданих вище, і показують, як фотосинтез дослідження має вирішальне значення для підтримки і поліпшення якості життя.

Фотосинтез і продукти харчування. Всі наші біологічні потреби в енергії задовольняються за рахунок царства рослин, або безпосередньо, або через травоїдних тварин. Рослини в свою чергу, отримують енергію для синтезу харчових продуктів за допомогою фотосинтезу. Хоча рослини беруть необхідні матеріали з грунту і води і вуглекислого газу з повітря, енергетичні потреби заводу заповнені сонячним світлом. Сонячне світло є чиста енергія. Проте, сам сонячний світло не дуже корисний вид енергії; він не може бути з’їдена, вона не може повернути динамо, і вона не може бути збережено. Для того, щоб бути корисним, енергія в сонячному світлі повинні бути перетворені в інші форми. Це те, що фотосинтез це все о. Це процес, за допомогою якого рослини змінити енергію в сонячному світлі видів енергії, які можуть бути збережені для подальшого використання. Рослини здійснювати цей процес в реакційних центрах фотосинтезу. Ці крихітні одиниці зустрічаються в листі, і перетворення енергії світла в хімічну енергію, яка є форма, яка використовується всіма живими організмами. Одним з найважливіших процесів енергетичного збору врожаю в рослинах пов’язано з використанням енергії сонячного світла, щоб перетворити вуглекислий газ з повітря в цукор, крохмалі, і інших високоенергетичних вуглеводів. Кисень виділяється в процесі. Пізніше, коли рослина має потребу в їжі, він спирається на енергію, накопичену в цих вуглеводів. Ми робимо те ж саме. Коли ми їмо тарілку спагеті, наші тіла окислюють або “спалити” крохмаль, дозволяючи йому поєднувати з киснем з повітря. Це виробляє вуглекислий газ, який ми видихаємо, і енергія, яку ми повинні вижити. Таким чином, якщо немає фотосинтез, немає ніякої їжі. Дійсно, широко прийнята теорія, що пояснює зникнення динозаврів дозволяє припустити, що комета, метеорит або вулкан викидається стільки матеріалу в атмосферу, що кількість сонячного світла, що досягає Землі була сильно знижена. Це, в свою чергу, призвело до загибелі багатьох рослин і істот, які залежали від них для отримання енергії.

Фотосинтез і енергії. Одним з вуглеводів в результаті фотосинтезу є целюлоза, яка становить основну частину сухої деревини та іншого рослинного матеріалу. Коли ми спалюємо дрова, ми перетворимо целюлозу назад в вуглекислий газ і виділяють накопичену енергію у вигляді тепла. Спалювання палива в основному той же процес окислення, що відбувається в нашому організмі; вона вивільняє енергію сонячного світла “, збереженого” в зручній формі, і повертає вуглекислий газ в атмосферу. Енергія від спалювання “Біомаса” має важливе значення в багатьох частинах світу. У країнах, що розвиваються, дрова і раніше мати вирішальне значення для виживання. Етанол (зерновий спирт) отримують з цукрів і крохмалів шляхом ферментації є одним з основних автомобільного палива в Бразилії, а також додають в бензин в деяких частинах Сполучених Штатів, щоб допомогти зменшити викиди шкідливих забруднюючих речовин. Етанол також легко перетворюється в етилен, який служить в якості вихідного матеріалу, в значній частині нафтохімічної промисловості. Можна перетворити целюлозу в цукор, а потім в етанол; Різні мікроорганізми здійснюють цей процес. Це може бути комерційно важливий день.

Наші головні джерела енергії, звичайно ж, є вугілля, нафта і природний газ. Ці матеріали отримані з древніх рослин і тварин, а також енергія, запасені в них хімічна енергія, яка спочатку прийшли від сонячного світла в процесі фотосинтезу. Таким чином, більша частина енергії, яку ми використовуємо сьогодні був спочатку сонячної енергії!

Фотосинтез, волокна і матеріали. Дерево, звичайно, не тільки спалювали, але є важливим матеріалом для будівництва та багатьох інших цілей. Папір, наприклад, являє собою майже чистий фотосинтетичний виробництва целюлози, як бавовна і багато інших натуральні волокна. Навіть виробництво вовни залежить від фотосинтетично походження енергії. Насправді, все рослинні і тваринні продукти, включаючи багатьох ліків і препаратів вимагають енергії для виробництва, і ця енергія приходить в кінцевому рахунку, від сонячного світла через фотосинтез. Багато з наших потреб інших матеріалів заповнені пластмас і синтетичних волокон, які виробляються з нафти, і, таким чином, також фотосинтетичний за походженням. Навіть велика частина нашого рафінування металу залежить в кінцевому рахунку від вугілля або інших продуктів фотосинтезу. Справді, важко назвати економічно важливий матеріал або речовина, чиє існування і корисність не в якійсь мірі прив’язана до фотосинтезу.

Фотосинтез і навколишнього середовища. В даний час існує багато дискусій щодо можливих наслідків двоокису вуглецю та інших “парникових газів” на навколишнє середовище. Як згадувалося вище, фотосинтез перетворює вуглекислий газ з повітря вуглеводів та інших видів «фіксованою» вуглецю і вивільняє кисень в атмосферу. Коли ми спалюємо дрова, етанол або вугілля, нафту та інші викопні види палива, кисень витрачається, і вуглекислий газ виділяється назад в атмосферу. Таким чином, діоксид вуглецю, який був вилучений з атмосфери протягом мільйонів років замінюється дуже швидко через наше споживання цих видів палива. Збільшення вмісту вуглекислого газу і пов’язаних з ними газів неминуче впливають на нашу атмосферу. Чи буде це зміна бути великим або маленьким, і це буде шкідливо або корисно? Ці питання активно вивчаються багатьма вченими сьогодні. Відповіді будуть сильно залежати від ефекту фотосинтезу, здійснюваної наземних і морських організмів. Як фотосинтез споживає вуглекислий газ і виділяє кисень, він допомагає нейтралізувати ефект спалювання викопного палива. Спалювання викопного палива викиди не тільки вуглекислого газу, але і вуглеводні, оксиди азоту, і сліди інших матеріалів, які забруднюють атмосферу і сприяти довгострокового здоров’я і екологічних проблем. Ці проблеми є наслідком того факту, що природа вибрала для реалізації фотосинтез шляхом перетворення діоксиду вуглецю в багатих енергією матеріалів, таких як вуглеводи. Чи можуть принципи фотосинтетичного збору сонячної енергії можна використовувати в деякому роді для виробництва екологічно чистих видів палива або джерел енергії? Відповідь на це питання, як ми побачимо далі, це так.

 Devens Gust

Regents’ Professor Emeritus
Навіщо вивчати фотосинтез?

Тому що наше якість життя, і насправді саме наше існування, залежить від фотосинтезу, дуже важливо, щоб ми його розуміємо. Через розуміння, ми можемо уникнути негативного впливу на процес і прискорюючи екологічних або екологічних катастроф. Через розуміння, ми можемо також навчитися контролювати процес фотосинтезу, і тим самим підвищити виробництво продуктів харчування, волокон і енергії. Розуміння природний процес, який був розроблений рослинами протягом декількох мільярдів років, а також дозволить використовувати основну хімію і фізику фотосинтезу для інших цілей, таких як перетворення сонячної енергії, проектування електронних схем, а також розробку лікарських засобів і наркотики. Нижче наведено кілька прикладів.

Фотосинтез і сільське господарство. Хоча фотосинтез зацікавив людство впродовж тисячоліть, швидкий прогрес в розумінні процесу прийшов в останні кілька років. Одна з речей, які ми дізналися, що в цілому, фотосинтез є відносно неефективним. Наприклад, на основі кількості вуглецю, який пов’язують полем кукурудзи протягом типового сезону зростання, тільки близько 1 – 2% від сонячної енергії, що падає на поле відновлюється в якості нових продуктів фотосинтетических. Ефективність необроблюваних рослинного життя становить лише близько 0,2%. В цукрової тростини, який є одним з найбільш ефективних рослин, близько 8% світла, поглиненого рослиною зберігається у вигляді хімічної енергії. Багато рослин, особливо ті, які відбуваються в помірних зонах, таких як велика частина Сполучених Штатів, піддаються процесу під назвою фотодихання. Це свого роду «короткого замикання» фотосинтезу, що відходи велика частина енергії фотосинтезу рослин. Явище Фотодихання включаючи його функції, якщо така є, є лише одним з багатьох загадок, з якими стикається дослідник фотосинтез.

Якщо ми зможемо повністю зрозуміти процеси, як Фотодихання, ми будемо мати можливість змінювати їх. Таким чином, більш ефективні рослини можуть бути розроблені. Хоча нові сорти рослин, були розроблені протягом багатьох століть шляхом селекції, методи сучасної молекулярної біології прискорили процес надзвичайно. Фотосинтез дослідження може показати нам, як виробляти нові штами культур, які зроблять набагато краще використовувати сонячне світло вони поглинають. Дослідження за цими напрямками має вирішальне значення, оскільки недавні дослідження показують, що сільськогосподарське виробництво стабілізується в той час, коли попит на продукти харчування та інших сільськогосподарських продуктів швидко зростає.

Оскільки рослини залежать від фотосинтезу для їх виживання, перешкоджаючи фотосинтезу може вбити рослину. Це є основою ряду важливих гербіцидів, які діють шляхом запобігання деякі важливі етапи фотосинтезу. Розуміння деталей фотосинтезу може привести до розробки нових, надзвичайно селективних гербіцидів і регуляторів росту рослин, які мають потенціал, щоб бути екологічно безпечним (особливо тваринного життя, що не здійснює фотосинтез). Справді, можна розробити нові культурні рослини, які мають імунітет до певних гербіцидів, і таким чином, щоб домогтися боротьби з бур’янами, специфічною до одного видів культур.

Фотосинтез і виробництва енергії. Як описано вище, більшість наших поточних потреб в енергії задовольняються за рахунок фотосинтезу, древньої або сучасної. Підвищення ефективності природного фотосинтезу може також збільшити виробництво етанолу та інших видів палива, одержуваних від сільського господарства. Проте, знання, отримані в результаті досліджень фотосинтезу також можуть бути використані для збільшення виробництва енергії в набагато більш прямий шлях. Хоча в цілому процес фотосинтезу є відносно марнотратним, ранні етапи перетворення сонячного світла в хімічну енергію, є досить ефективними. Чому б не навчитися розуміти основну хімію і фізику фотосинтезу, і використовувати ці ж принципи для побудови штучних збиральних пристроїв сонячної енергії? Це була мрія хіміків протягом багатьох років, але в даний час близький до стає реальністю. У лабораторії, вчені тепер можуть синтезувати штучні центри реакції фотосинтетична яким змагаються природні з точки зору кількості сонячного світла зберігається у вигляді хімічної або електричної енергії. Необхідні додаткові дослідження приведуть до розробки нових, ефективних технологій сонячної енергії прибирання на основі природного процесу.

Роль фотосинтезу в контролі навколишнього середовища. Як фотосинтез в помірних і тропічних лісах і в море впливає на кількість парникових газів в атмосфері? Це дуже важливий і спірне питання сьогодні. Як було згадано вище, фотосинтез рослин видаляє вуглекислий газ з атмосфери, і замінює його з киснем. Таким чином, вона буде мати тенденцію пом’якшити наслідки викидів діоксиду вуглецю в результаті спалювання викопного палива. Проте, питання ускладнюється тим фактом, що самі рослини реагують на кількість вуглекислого газу в атмосфері. Деякі рослини, по всій видимості, рости більш швидкими темпами в атмосфері, багатою вуглекислим газом, але це не може бути вірно по відношенню до всіх видів. Розуміння впливу парникових газів вимагає набагато глибші знання про взаємодію рослинного царства з діоксидом вуглецю, ніж ми маємо сьогодні. Спалювання рослин і рослинних продуктів, таких як діоксид нафтові викиди вуглецю та інших побічних продуктів, таких як вуглеводні і оксиди азоту. Проте, забруднення, що викликається такими матеріалами, не є необхідним продуктом використання сонячної енергії. Штучні фотосинтетические реакційні центри обговорювалося вище виробляють енергію, не відпускаючи ніяких інших, крім тепла побічні продукти. Вони тримають обіцянку виробляти чисту енергію у вигляді електрики або водневого палива без забруднення навколишнього середовища. Реалізація таких сонячних пристроїв збору енергії буде запобігати забрудненню у джерела, що, безумовно, найбільш ефективний підхід до контролю.

Фотосинтез і електроніки. На перший погляд, фотосинтез, здавалося б, не мають ніякого зв’язку з дизайном комп’ютерів і інших електронних пристроїв. Проте, є потенційно дуже сильний зв’язок. Мета дослідження сучасної електроніки, щоб зробити транзисторів і інших компонентів схеми якомога менше. Невеликі пристрої і короткі зв’язки між ними зробити комп’ютери швидше і більш компактним. Мінімально можливий блок з матеріалу є молекулою (складаються з атомів різних типів). Таким чином, найменший можливий транзистор є однієї молекули (або атома). Багато дослідників сьогодні досліджують інтригуючу можливість виготовлення електронних компонентів з окремих молекул або невеликих груп молекул. Інший дуже активною областю досліджень є комп’ютери, які використовують світло, а не електронів, як середовище для перенесення інформації. В принципі, на основі світла комп’ютери мають ряд переваг в порівнянні з традиційними конструкціями, і насправді багато з нашої телефонної передачі і комутації мереж вже працюють через оптоволокно. Що це потрібно робити з фотосинтезом? Виявляється, що фотосинтезуючі реакційні центри є природними фотохімічні вимикачі молекулярних розмірів. Вивчення того, як рослини поглинають світло, контролювати рух отриманої енергії в реакційних центрах, а також перетворювати світлову енергію в електричну, і, нарешті, хімічна енергія може допомогти нам зрозуміти, як зробити молекулярного масштабу комп’ютерів. Насправді, кілька молекулярних електронних логічних елементів на основі штучних фотосинтетичних реакційних центрів уже повідомлялося в науковій літературі.

Фотосинтез і медицина. Світло має дуже високий вміст енергії, і, коли він поглинається речовиною ця енергія перетворюється в інші форми. Коли енергія закінчується в неправильному місці, це може привести до серйозного пошкодження живих організмів. Старіння шкіри і раку шкіри є лише двома з багатьох шкідливих ефектів світла на людину і тварин. Так як рослини і інші фотосинтезуючі види мали справу зі світлом для ер, вони повинні були розробити фотозахисних механізми обмеження легкі ушкодження. Дізнавшись про причини светоиндуцированного пошкодження тканин і деталей природних фотозахисних механізмів може допомогти нам знайти шляхи адаптації цих процесів на благо людства в областях, далеких від самого фотосинтезу. Наприклад, механізм, за допомогою якого сонячне світло поглинається хлорофілом фотосинтетического викликає пошкодження тканин у рослин було запрягти в медичних цілях. Речовини, пов’язані з хлорофілом локалізації природним чином в ракової тканини пухлини. Освітлення пухлин зі світлом, то призводить до фотохімічної збиток, який може вбити пухлину, залишаючи навколишні тканини цілими і неушкодженими. Інше медичне застосування пов’язано з використанням аналогічних хлорофіл родичів для локалізації в тканині пухлини, і, таким чином, виступають в якості барвників, які чітко розмежовувати кордон між ракової і здорової тканини. Ця діагностична допомога не викликає фотохімічні пошкодження до нормальної тканини, оскільки принципи фотосинтезу використовувалися, щоб наділити її захисними засобами, які не заподіявши шкоди перетворюють поглинений світло в тепло.

Висновки

Наведені вище приклади ілюструють важливість фотосинтезу як природний процес, і вплив, який вона чинить на все наше життя. Дослідження в природу фотосинтезу має вирішальне значення, тому що тільки на основі розуміння фотосинтез ми можемо контролювати його, і використовувати його принципи на благо людства. Наука тільки недавно розробив основні інструменти і методи, необхідні для вивчення складних деталей фотосинтезу. Зараз настав час, щоб застосувати ці інструменти і методи для цієї проблеми, і почати пожинати плоди цього дослідження