光合作用表现在海里吗?

光合作用是一个过程,植物、藻类和细菌从二氧化碳和水构建糖利用太阳的能量。这些糖是地球上所有生物的能量来源,但光合作用也很重要对于一个不同的原因:光合作用我们呼吸的氧气释放到大气中。光合作用的过程基本上是把(一种能量光能量太阳的)一种不同类型的能量(糖)中存储的化学能。光合作用的一个重要挑战是有效的捕捉,光能量的传递和转换。做这些事情,光合生物使用微小的“天线”制成的蛋白质,包括色素分子吸收光。天线接收到的能量转移是通过他们在细胞光合作用发生的地方。的帮助下,色素蛋白质叶绿素光合作用,构建糖使用的能量。

在海里,有大量的水和二氧化碳,但是不同的光可以极大地限制光合作用。光吸收的水和不渗透到深处。因此,我们越深,光线越少。同时,的现象垂直混合海洋的水柱偶尔发生,所以生物发现接近水面,享受丰富的光,在深处,可能很快就会发现自己很少的光线。在陆地上,光合作用通常是由植物和树木,但在海洋,光合生物通常很小,单细胞藻类和细菌。这些生物不能游泳,所以它们的位置通常是由水流。

蓝藻(或蓝绿藻)是一大群光合细菌丰富的在海里和陆地上。他们被认为是地球上第一个生物开始执行氧的光合作用,3 - 4十亿年前(1]!蓝藻有独特的结构:一个巨大的天线收获光线(称为藻胆体)。这个天线包含颜料,它可以吸收蓝光。来自太阳的可见光是由各种各样的颜色,和蓝色光可以穿透更深的水比其他颜色。蓝细菌生活在不同深度,大量的光。因此,他们开发了复杂的机制来处理光强度的变化。变化发生在响应环境条件被称为适应环境。在光的情况下,这个过程称为photoacclimatization。

研究由蓝藻聚光

我们研究一种蓝藻细菌生活在整个水柱,这意味着它可以适应大范围的光强度。这些细菌有大型天线具有独特的颜料,适用于吸收的蓝光穿透进入深海。我们隔离这些从海上蓝藻和增长他们在实验室人工海水。我们将细菌分成两个透明容器:一个是与强烈的蓝光照明和其他弱蓝光。我们使用的光强度和颜色对应的条件我们测量在海里。

在接下来的两周,我们跟踪蓝藻的变化,使用三种主要方法。首先,使用一个透射电子显微镜,我们寻找细菌细胞的结构的差异。其次,我们用生化方法分离几个photosynthesis-related蛋白质从细胞,以确定他们的数量。第三,我们研究了能量转移发生在蓝藻的天线。天线的颜料荧光。这意味着当他们披上了高能量的光色,它们发出低能量的一种颜色。例如,如果天线与蓝光照亮,他们可能会发出红色或黄色的光。因此,我们可以用短的闪光照亮了细菌和测量所发射的光的颜色,来跟踪光能量的速度穿越天线。

蓝藻改变光线更好地捕捉低水平的

跟踪蓝藻生长在高和低光照水平之间的差异表明,细菌生长在低光多次渐进的变化,在过去的大约一个星期,更好地利用可用的光。第一个变化,可见裸体(图1),是细胞的颜色。这意味着不同的天线色素的比例变化。

使用透射电子显微镜,我们看到蓝藻生长在弱光更大,更长,和包含几层膜,通常为每个细胞(约三图1)。蓝藻生长在强光通常有一个圆润的形状和只有一个膜层。膜层含有细胞的光合作用机制。这意味着一个细胞生长在弱光膜层数的增加,建立更多的光合中心。这有助于细胞更好地利用有限的光。

我们检查了蓝藻的蛋白质分离时,我们发现大量的叶绿素(光合作用的色素)八倍蓝藻生长在弱光相比,那些生长在强光,这意味着光的数量增加了8倍。我们还研究了天线蛋白了解天线的大小,因为他们太微小,甚至与我们的电子显微镜。我们计算颜料之间的比例构成天线叶绿素、光合作用的领域中。我们看到,弱光的比例更大,意味着有更多的色素存在于弱光。这告诉我们,蓝藻少暴露在光有更大的天线,以帮助他们吸收尽可能多的光线。

战略扩大天线捕获更多的光在其他光合生物必须应对缺乏光。更大的天线可以吸收光线从一个更大的区域,但是现在看来,这将有一个缺点:在一个大的天线,光能量必须旅行的距离更长。我们可以期待更长的旅行距离,意味着需要光能量再通过长天线,失去它的一些能源。但是,令我们吃惊的是,当我们测量光能量的时间穿过天线(图2),事实证明,实际上是能量转移速度与更大的天线(细菌图3)!

蓝细菌如何控制天线的光传输速度呢?

令人惊讶的发现,能量转移实际上是更快的在较大的天线似乎与经典物理学定律。在经典物理学,天线内的光能量是可视化为球的能量“弹回”从一个色素到另一个天线,在每一步中,球滚下路径或可能放缓的障碍。但经典物理学定律是专为大颗粒。在处理较小的粒子像粒子的光,令人感兴趣的新法律,称为量子现象。量子现象无法解释使用经典物理学定律。这样一个量子现象是crazy-sounding可能性,能量可以出现在多个地方同时,更像是一个拉伸波比一个圆形的球。能量移动波可以克服障碍与提高效率的路径。我们理解,光能量的天线色素之间的连接从一个颜料转移到另一个负责确定颜料之间的能量转移。这个连接的边缘之间的弱耦合,能量传递的经典物理学的规则,和强耦合,能量转移遵循量子规则。通过微调颜料及其相对位置之间的距离,蓝藻天线可以切换从一个状态到另一! This explains why longer antennas can result in faster transfer of light energy to the photosynthetic systems.

为什么它是重要的研究光合作用的细节?

总而言之,在蓝藻光合系统非常复杂的和有效的。蓝藻细菌进化出了一些令人印象深刻的方式来控制光收集效率,根据光的数量和颜色可以在不同的海洋深处。

但是为什么它是重要的科学家了解蓝藻光合作用?

光合作用的基本过程,让生命得以在地球上生存在地球上,尽管研究人员多年来一直在努力破解这一过程中,许多问题仍然存在。通常,科学家的动机是希望了解过程,是生命的基础。然而,除此之外基本的好奇心,有重要的现实原因研究光合作用和蓝藻photoacclimatization:地球上50%的氧气生产是由海洋中的藻类和细菌2]。全球变暖等环境变化可能会显著影响氧气生产发生在我们的海洋,这可能影响到地球上所有生命。了解光合作用的细节可能会为我们提供工具和知识,以应对气候变化的负面影响。

另外,光合系统非常有效地传递能量。如果我们能了解这些生物使用的过程中,我们会学习新的物理原则,甚至可能模仿的过程,这可能导致重要的技术突破。例如,来自研究photoacclimatization可能援助的过程的知识高效的太阳能电池的发展。蓝藻所使用的量子过程可能会帮助下一代计算机的发展是基于量子技术。全面了解光合系统需要结合生物知识与化学,物理和工程知识。结合知识从这些不同的领域来解决大问题可能是未来的科学家面临的最大的挑战。

术语表

光合作用:↑这个过程所使用的植物、藻类和某些细菌利用来自太阳光的能量并将其转换成化学能储存在糖。

光能量:↑光能量。不同的光颜色不同数量的能源。紫色是最精力充沛的可见光谱的光,而红色是最少的。

叶绿素:↑所有光合系统组成的绿色颜料。它吸收光,是光转换成化学能的关键因素。

垂直混合:↑海洋中水柱可以分层(即。“层”,每个水分离)或混合。当一个上层冷却水槽,垂直混合发生。

蓝藻:↑一群细菌生活在海洋和陆地上,进行光合作用。蓝藻产生创造了地球上30%的氧气。

Photoacclimatization:↑生物匹配其结构和功能的机制以应对变化的强度和频谱的光。

透射电子显微镜:↑一个强大的显微镜使用一束电子,而不是光,样品放大10000000倍。

荧光:↑可以发光后提供能量。如果光高能颜色是荧光材料发光,它可以发光的低能的颜色。

的利益冲突

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

确认

特别感谢Hagit z),他在研究工作中,发挥着重要作用,Shira Yochelis,伊多·艾森伯格,铁道部两者兼得,和建议对他们有用的贡献。

---

原始的文章

↑Kolodny Y。、z H。两者兼得,M。、Yochelis年代。、Y。克伦,2020 n。海洋蓝藻优化能量转移效率的聚光色素天线通过修改耦合。2月J。288:980 - 94。doi: 10.1111 / febs.15371

---

引用

[1]↑Sanchez-Baracaldo, P。2020年,卡多纳·t。在含氧的光合作用和蓝藻的起源。新植醇。225:1440-6。doi: 10.1111 / nph.16249

[2]↑场,c, B。Behrenfeld, m . J。安德森,j . T。法,p . 1998。生物圈的主要生产:集成陆地和海洋组件。科学281:237-40。doi: 10.1126 / science.281.5374.237