Почему листья зеленые? Так происходит фотосинтез

Почему листья зеленые? Так происходит фотосинтез

Эволюция фотосинтеза и этот странный пробел, который мы можем использовать сегодня. Углубленный анализ Луки Лонго

В предыдущей статье мы выяснили, почему листья зеленые.

Здесь возникает вопрос: все ли высшие растения (которые на самом деле называются зелеными растениями) улавливают только красный и синий свет, потому что они не могут использовать ту часть солнечного спектра в желто-зеленой области, которая кроме того, он еще и самый пикантный, то есть где максимальная солнечная эмиссия?

(В скобках: это объясняет, почему мы видим Солнце желтым: большая часть света, который оно излучает и попадает под атмосферу, состоит из фотонов этой длины волны!)

Мы спрашивали, почему никто не использует желтую часть — самую интенсивную — солнечного спектра?

Это долгая история. Действительно: это очень древняя история.

Когда были сформированы первые механизмы, вызванные случайным перемешиванием молекул, присутствующих в лужах на поверхности изначальной Земли, некоторые из них развились до такой степени, что смогли осуществить первый элементарный фотосинтез. Это были микроскопические водные бактерии, некоторые из которых существуют и сегодня. Одна из них, halobacterium halobium, выживает в очень соленых водах.

При этом используется пигмент, называемый бактериородопсиной, способный выполнять своего рода фотосинтез, который не так эффективен, но, тем не менее, достаточен, чтобы позволить ему уйти с рук. Бактериородопсина очень хорошо работает с желто-зеленой зоной солнечного спектра. Запомним это, потому что это понадобится нам позже.

Вполне вероятно, что первые бактерии, способные синтезировать бактериородопсин — или очень похожий пигмент — внутри себя, оказались в выигрыше над всеми остальными, которым приходилось избавляться от тепла в одиночку. Действительно, благодаря секрету бактериородопсины они чувствовали себя так, будто изобрели велосипед в мире, где все другие бактерии должны были ходить. Эти бактерии вырвались наружу и быстро покрыли все пригодные для использования области на поверхности планеты, где они могли получать весь свет, который они хотели. В том мире около 3,5 миллиардов лет назад, а это еще несколько дней, они стали доминирующим видом.

Уточняем: они поглощали свет для получения энергии и производства серы и сульфатов. Никто еще не научился использовать углекислый газ для производства кислорода. Это не должна была быть очень удобная планета …

Их беда заключалась в том, что под ними, но прямо под ними, то есть под поверхностью, где находились эти первичные фотосинтезирующие бактерии, также организовалась другая серия механизмов, использующих солнечный свет, но в тени слоя этих первых фотосинтезирующих бактерий. , он должен был довольствоваться только той частью света, которая осталась после того, как первые жадные бактерии на поверхности поглотили весь свет в желтой и зеленой зоне. Для этого последние изобрели механизм, способный использовать самые удаленные области видимого солнечного спектра. Это были именно цианобактерии: первые живые существа, способные осуществлять фотосинтез в том виде, в каком мы его знаем, на основе хлорофилла A, хлорофилла B и т. Д. и Т. Д. Прелесть заключалась в том, что этот новый фотосинтез 2.0 был намного эффективнее предыдущего. Это как если бы эти последние «зеленые» организмы оказались на борту формулы один, в то время как организмы, которые доминировали на планете до тех пор, все еще ездили на велосипедах.

На этом этапе — сначала цианобактерии 2,7 миллиарда лет назад, затем красные и коричневые водоросли миллиард и двести миллионов лет назад, затем зеленые водоросли 750 миллионов лет назад и, наконец, зеленые растения 475 миллионов лет назад — они были высвобождены и практически уничтожены естественным путем. соревнование всех организмов, способных к фотосинтезу старым способом. По этой причине сегодня последние образцы организмов, способных к такому фотосинтезу, находятся в экологических нишах, куда зеленые растения даже не заходят, например, в очень соленых водах или глубинах океанов.

А как же развитие наземных растений? Почему они остались зелеными? Почему ни одно растение не научилось создавать новый фотосинтез (3.0), способный использовать желто-зеленый свет, который практически никто не использовал в течение двух с половиной миллиардов лет?

Считается, что фотосинтезирующие организмы не чувствуют давления отбора, побуждающего их разработать более эффективный способ использования света. На практике при всем доступном солнечном свете (и в гораздо более чистой и прозрачной атмосфере, чем изначальная) количество света, которое растения могут преобразовывать в энергию, уже более чем достаточно. По сути, свет не является ограничивающим ресурсом в фотосинтезе растений.

Фактически, количество солнечной энергии, захваченной фотосинтезом, огромно, порядка 130 ТВт / год (тераватт в год), что составляет всего 0,01% от 122000 ТВт / год, содержащихся в потоке солнечной энергии, который достигает Земли. , но это также в восемь раз больше, чем потребляет сейчас вся человеческая цивилизация: около 16 ТВт в год.

Фотосинтез — это не только основной метод производства энергии, доступной для живых земных организмов, но и основной источник углерода для создания органических соединений: каждый год фотосинтез превращает около 115 миллиардов килограммов углерода в биомассу, забирая их из организма. атмосферный углекислый газ.

Если растениям не нужно больше энергии, чем они уже могут получить от солнца, это не совсем верно и для людей. В отличие от растений, мы постоянно находимся в поисках энергии и, прежде всего, источников энергии, которые не наносят слишком большого вреда нашей планете.

В Исследовательском центре возобновляемой энергии и окружающей среды Eni была изобретена технология производства электричества от Солнца без вмешательства в фотосинтез и без сочетания катастроф на планете. Это люминесцентные солнечные концентраторы (LSC), о которых мы уже говорили здесь.

LSC на основе красных пластинок способны улавливать свет в области спектра, соответствующей желтому, и переизлучать его в красный цвет на идеальной для растений длине волны. Первые предварительные исследования подтверждают, что присутствие LSC защищает растения от солнечного излучения, которое они не могут использовать, и способствует их росту за счет увеличения интенсивности света в той области солнечного спектра, к которой они наиболее чувствительны.

На практике, если растение защищено красным LSC, то, что пластина LSC будет поглощать, будет использоваться для производства электроэнергии, но пластина преобразует большую часть излучения, которое она не использует, в красный свет, а это именно то, что растение жаден до. Если мы посмотрим на растение через пластину LSC, мы увидим, что листья кажутся полностью черными, потому что почти никакие фотоны от Солнца не могут пересекать пластину и в то же время не поглощаются листьями, а отражаются обратно в наши глаза.

Таким образом, теплицы для растений, фотобиореакторы для водорослей, возделываемые поля могут быть построены на одной и той же поверхности земли — или, проще говоря, можно позволить расти лугам, лесам и лесам — но в то же время можно производить электричество.

Благодаря исследованиям мы можем заполнить пробел, который природа не смогла заполнить за два с половиной миллиарда лет. И мало говори!

Данные для обеих статей взяты из:

«Фотосинтетический процесс». Уитмарш Дж., Говинджи Концепции в фотобиологии: фотосинтез и фотоморфогенез. Бостон: Kluwer Academic Publishers. (1999)

«Жизнь: прошлое, настоящее и будущее». Нилсон К. Х., Конрад П. Г., Философские труды Лондонского королевского общества, серия B. 354 (1392): 1923–39. (1999)

«Устойчивое развитие и инновации в энергетическом секторе» Steger U, Achterberg W., Blok K, Bode H, Frenz W., Gather C, Hanekamp G, Imboden D, Jahnke M, Kost M, Kurz R, Nutzinger HG, Ziesemer T (2005 г.) ).

«Мировое потребление первичной энергии по типам энергии и отдельным группам стран». Управление энергетической информации. 2016 г.

Статья взята с сайта soundcloud.com


Это автоматический перевод публикации, опубликованной в журнале Start Magazine по адресу https://www.startmag.it/energia/perche-le-foglie-sono-verdi-ecco-come-avviene-la-fotosintesi/ в Sun, 07 Mar 2021 07:03:11 +0000.