Modelarea planeteiAtunci când organismele fotosintetice au început să producă pentru prima oară oxigen, acest moment a marcat începutul transformării lumii noastre. Oxigenul a oferit acces la o sursa mult mai eficientă de energie prin intermediul respiraţiei.

 

 

 

Fotosinteza - sistem de sprijin al vieţii

Acest proces va permite, în final, dezvoltarea animalelor multicelulare. În acest moment, la mai mult de 2 miliarde de ani după ce aceste schimbări au avut loc, lumea se transformă din nou. Emisiile noastre cauzează schimbări climatice dăunătoare. Deci cum se vor adapta organismele fotosintetice la o planetă mai caldă şi care sunt implicaţiile asupra biosferei noastre?

Trecutul: prima gură de aer


Atunci când primele bacterii au început să capteze energia luminoasă cu aproximativ 3,4 miliarde de ani în urmă, atmosfera Pământului era compusă în principal din azot şi dioxid de carbon. Aceste organisme anaerobe fotosintetice se bazau pe hidrogen sau compuşi organici sau de sulf ca sursă de electroni. Apoi, cu aproximativ 2,4 miliarde de ani în urmă, marele eveniment al oxigenării a avut loc. Au apărut organisme fotosintetice – probabil strămoşii cianobacteriilor din ziua de astăzi – care erau capabile să scindeze apa pentru a produce oxigen. Acum, nivelurile de oxigen din biosferă au început să crească.

Schimbările care au avut loc în timpul următoarelor 2 miliarde de ani au avut ca rezultat extincţia multor organisme anaerobe – a fost o transformare dramatică şi cataclismică. Totuşi, apariţia oxigenului nu a fost în întregime o veste proastă.

Radiaţia ultravioletă de la soare a lovit oxigenul din straturile superioare ale atmosferei iar reacţia subsecventă a generat ozonul (O3). Stratul format din ozon din stratosferă a filtrat această lumină ultravioletă periculoasă, care poate prejudicia ADN-ului, permiţând vieţii să se dezvolte în afara oceanelor. Primele forme de viaţă de pe uscat au fost muşchii şi plantele hepatice, descendenţi ai algelor verzi care erau prezente în apele calde de suprafaţă. Oxigenul, de asemenea, a permis apariţia a noi forme de viaţă care îşi obţineau energia prin respiraţie.

Respiraţia aerobică este foarte eficientă. Creşterea cantităţii de energie disponibilă pentru susţinerea vieţii a permis o mare creştere a numărului de specii de pe planeta noastră şi, în particular, apariţia creaturilor multicelulare de mari dimensiuni. Cu 400 de milioane de ani în urmă, nivelurile de oxigen începuseră să se stabilizeze la nivelurile din prezent iar plantele cum ar fi ferigile, gramineele şi cactuşii au colonizat uscatul.

Eliberarea de oxigen de către organismele fotosintetice a alterat, de asemenea, şi geologia Pământului. De exemplu, oxigenul din oceane a generat formarea oxidului de fier, eventual producând benzile roşiii specifice depozitelor de minereu de fier din rocile sedimentare. Oxigenul, de asemenea, a generat mii de alte minerale din crustă, ajutând la crearea varietăţii bogate de materiale pe care noi le exploatăm în ziua de astăzi.

Îmbunătăţirea producţiei agricole

Eficienţa unei plante în transformarea dioxidului de carbon, a apei şi a luminii în biomasă este extrem de redusă – în mod tipic în jurul a 4 până la 5 la sută, în cel mai bun caz. Dar de unde vin aceste limite? Pot fi ele depăşite pentru obţinerea unor culturi cu producţii mai mari?

Plantele depind de moleculele clorofilice pentru absorbţia luminii, totuşi aceşti pigmenţi nu absorb lumina din întreg spectrul – lumina cu o lungime de unda de peste 750 nanometri nu este folosită. Aceasta înseamnă că plantele nu folosesc aproape jumătate din energia din spectrul solar, astfel încât cercetătorii încearcă să modifice acest proces prin combinarea centrelor de reacţie din plante cu antenele de captare a luminii din bacteriile violet care pot absorbi o lungime de undă a luminii de la 800 la 1000 nanometri.

Plantele, de asemenea, produc mult mai multă clorofilă decât au nevoie. Acesta este un mecanism de supravieţuire: atunci când prezintă o cantitate suplimentară de clorofilă pe frunzele lor, o cantitate mai mică de lumină va ajunge la competitorii care cresc sub ele. Dar asta înseamnă că, în condiţii de lumină puternică, plantele absorb o cantitate mai mare de lumină decât ele pot folosi. În aceste condiţii, peste 80 la sută din lumina colectată este irosită, energia suplimentară fiind disipată sub formă de căldură. Cercetătorii speră că prin reducerea capacităţii de absorbţie a luminii a unei plante vor reuşi creşterea eficienţei sale fotosintetice, astfel încât mai multe echipe au ca scop crearea unor alge verzi mutant cu un conţinut redus de pigment.

O altă sursă majoră de ineficienţă este prezentă în timpul fixării carbonului, mulţumită enzimei rubisco. Plantele C4, cum ar fi trestia de zahăr şi sorgul au rezolvat parţial această problemă mulţumită mecanismului de a concentrare al dioxidului de carbon care creşte eficienţa fotosintezei la aproximativ 6 la sută. Cianobacteriile au o strategie similară: ele conţin carboxisome, ansambluri de proteine care conţin rubisco, în care dioxidul de carbon poate fi concentrat în timp ce oxigenul este exclus.

Pentru a îmbunătăţi producţia agricolă, cercetătorii încearcă să transforme plantele C3 în C4 şi să vadă dacă plantele C3 pot fi modificate astfel încât să-şi poată produce propriile sale carboxisome. O echipă de la Universitatea Cambridge încearcă să schimbe anatomia frunzei la o plantă C3, astfel încât aceasta să poată produce carboxisome în cloroplastele proprii. Pentru a face aceasta, planta nu trebuie doar să-şi sintetizeze toate componentele necesare dar ele trebuie, de asemenea, să fie transmise şi asamblate în interiorul cloroplastului. Chiar dacă aceste eforturi vor avea succes, este greu să te gândeşti că eficienţa fotosintezei ar putea creşte deasupra pragului de 10 la sută.

Noi surse de combustibil

Emisiile globale de carbon cresc într-un ritm susţinut şi dacă planeta noastră trebuie să evite o încălzire catastrofală, noi trebuie să lucrăm repede pentru a înlocui combustibilii fosili. Poate fotosinteza ajuta?

Puterea plantelor a fost deja folosită pentru biocombustibil. Distileriile din Statele Unite produc mai bine de 50 de miliarde de litri de bioetanol anual, în principal provenind din porumb fermentat. Cea mai mare parte a acestui bioetanol este combinată cu petrol convenţional şi folosit la alimentarea vehiculelor.

Totuşi, sunt de pus întrebări în legătură cu sustenabilitatea acestui biocombustibil. Convertirea energiei solare în bioetanol este foarte ineficientă, însemnând că suprafeţe uriaşe de pământ sunt necesare dacă se doreşte ca producţia să crească.

O alta modalitate prin care fotosinteza ne poate oferi combustibil este dacă noi putem duplica modul în care plantele şi algele folosesc lumina pentru scindarea apei, pentru a genera hidrogen precum şi oxigen. Oamenii de ştiinţă deja fac acest lucru în laborator – celule fotovoltaice conectate la o pereche de electrozi din platină, introduşi în apa, vor genera bule de combustibil pe bază de hidrogen. Totuşi, această tehnică ar putea fi prohibitiv de scumpă la o scară mare din cauza costului mare al platinei. Provocarea acum este producerea în masă a electrozilor la un preţ mai mic.

Un posibil competitor este un sistem dezvoltat de Daniel Nocera şi de colegii săi la Massachusetts Institute of Technology. Electrodul lor de producere a oxigenului foloseşte o structură inspirată de centrul de producere al oxigenului al plantei, dar folosind cobaltul în loc de mangan. Acesta scindează apa pentru a elibera oxigen, producând ioni de hidrogen care se combină cu electronii de pe celălalt electrod – un aliaj de nichel, molibden şi zinc – pentru a forma hidrogen gazos. Electricitatea este furnizată de o celulă solară specială, pe bază de siliciu.

Un pic mai departe pe acest drum găsim “frunza electrică”. Acesta este un concept pentru un sistem hibrid de producere al combustibilului, care foloseşte panouri fotovoltaice care furnizează electricitate celulelor vii. Aceste celule vor fi modificate nu prea a produce hidrogen, ci hidrocarburi bogate în energie.

O bacterie numită Geobacter ar putea furniza baza pentru jumătatea biologică a acestui dublu act. Geobacter nu este fotosintetică. În schimb, ea extrage electroni din minerale şi îi foloseşte pentru a-şi alimenta metabolismul. Derek Lovley de la Universitatea Massachusetts Amherst, din apropiere de Boston, a arătat că Geobacter se poate dezvolta folosind electronii furnizaţi de o celulă fotovoltaică şi că bacteria poate extinde perişori asemănători unor fire, numiţi pili, pentru crearea conexiunilor electrice.

Aceasta ridică o întrebare interesantă: am putea modifica Geobacter, astfel încât ea să poată transforma electronii în combustibil pe bază de hidrocarburi? Jay Keasling, de la Universitatea California, Berkeley, a arătat ca procesul metabolic necesar pentru sintetizarea hidrocarburilor terpenice poate fi modificat pentru a crea E.coli. În principiu, acelaşi lucru ar putea fi realizat cu Geobacter, creând un sistem hibrid care converteşte lumina într-un substitut al petrolului.

Frontierele fotosintezei



Textul de mai sus reprezintă traducerea articolului photosynthesis, publicat de New Scientist. Scientia.ro este singura entitate responsabilă pentru eventuale erori de traducere, Reed Business Information Ltd şi New Scientist neasumându-şi nicio responsabilitate în această privinţă.
Traducere: Alexandru Hutupanu