Фотосинтез — это процесс, посредством которого растения, водоросли и некоторые бактерии преобразуют световую энергию в химическую, производя органические вещества из углерода (обычно в форме углекислого газа) и воды. Основные химические и биохимические процессы фотосинтеза можно разделить на две основные фазы: световую и темновую (или калвин).

1. Световая фаза фотосинтеза

Эта фаза происходит в тилакоидных мембранах хлоропластов и включает несколько ключевых процессов:

Поглощение света: Хлорофилл и другие пигменты поглощают световые кванты, что приводит к возбуждению электрона.

Фотолиз воды: Разделение молекул воды (H₂O) на кислород (O₂), протоны (H⁺) и электроны (e⁻). Это происходит при помощи света и катализируется фотосистемами I и II.

Транспорт электронов: Возбужденные электроны передаются через цепь переносчиков, создавая химический градиент, который используется для синтеза АТФ и NADPH — двух ключевых энергетических молекул.

Фотосинтетическая фосфорилирование: Используя химический градиент, АТФ-синтаза синтезирует АТФ из АДФ и фосфата.

2. Темновая фаза фотосинтеза (Цикл Кальвина)

Темновая фаза происходит в строме хлоропластов и включает следующие процессы:

Фиксация углерода: Углекислый газ (CO₂) фиксируется с помощью фермента рибулозобисфосфат карбоксилазы (RuBisCO), что приводит к образованию 3-фосфоглицериновой кислоты (3-PGA).

Восстановление: 3-PGA преобразуется в глицеральдегид-3-фосфат (G3P) с использованием АТФ и NADPH, полученных в световую фазу.

Регенерация: Часть G3P используется для регенерации рибулозобисфосфата (RuBP), что позволяет циклу продолжаться.

Имитирование фотосинтеза в искусственных системах

Для создания искусственных систем, имитирующих фотосинтез, внимание уделяют нескольким аспектам:

Солнечная энергия: Использование солнечной энергии для нагрева и возбуждения электронов. Это можно достигнуть с помощью солнечных панелей или фотоэлектрических клеток.

Фотокатализаторы: Исследуются различные материалы, такие как окись титана (TiO₂), для катализирования фотохимических реакций, включая превращение воды в водород и фиксацию углерода.

Синтетические молекулы: Разработка синтетических хлорофиллов и других фотосинтетических компонентов для имитации работы природных систем.

Биомиметические системы: Создание устройств, которые имитируют процесс фотосинтеза, включающие в себя микробные топливные элементы или системы, использующие водоросли или бактерии для производства биотоплива.

Карбоновые технологии: Разработка систем, которые могут захватывать и перерабатывать CO₂ в углеводы и другие полезные продукты.

Искусственный фотосинтез представляет собой многообещающую область исследований, направленную на устойчивое производство энергии и минимизацию углеродного следа.