معلومة

هل يمكن للنباتات أن تنتج الأكسجين ليلاً (بدون ضوء)؟

هل يمكن للنباتات أن تنتج الأكسجين ليلاً (بدون ضوء)؟



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

لقد نقرت بطريق الخطأ على "الجزء العلوينXهذاص"أدى إلى البحث في google ووجدت أفضل 9 نباتات تعطي (كذا) الأكسجين في الليل أيضًا (الأفضل في الداخل).

في هذه الإجابة المفيدة ، وجدت وصفًا لطيفًا وموجزًا ​​سأعيد إنتاجه هنا:

يتكون التمثيل الضوئي من خطوتين عامتين ، إحداهما تتطلب الضوء والأخرى لا تتطلب ذلك. تحدث الخطوة الأولى في غشاء الثايلاكويد ، وتقسم الماء إلى أكسجين ، وأيونات الهيدروجين ، وطاقة. الخطوة الثانية هي خطوة تثبيت الكربون ، والتي تحدث في البلاستيدات الخضراء وتستخدم الطاقة لتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى كربوهيدرات.

الخطوة 1: $ ce {2 H2O + light → 2 H + O2 + energy} $

الخطوة 2: $ ce {3 CO2 + 6 H + الطاقة → C3H6O3-P + 3 H2O} $

بشكل عام ، يأتي الأكسجين المنطلق من النباتات من انقسام الماء الذي يتم دفعه (في عملية متعددة الخطوات) بواسطة الفوتونات. مما أتذكره ، فإن جزيئات الأكسجين ($ ce {O2} $) عادةً ما يتم إنتاجها وإطلاقها في الهواء في غضون ثوانٍ ، وبالتأكيد في غضون دقائق بعد امتصاص جميع الفوتونات اللازمة لها.

لذلك أنا أسأل. هل هناك نباتات تعطي معنى حقيقيًا ، أو حتى مجرد كميات قابلة للقياس من الأكسجين بدون ضوء؟

(أو هي الفكرة هنا تترك أضواءك مضاءة في الليل وهكذا في الواقع أي نبات يمكن أن تنتج الأكسجين في الليل؟)


اجابة قصيرة: يمكن لأي نبات أن ينتج الأكسجين في الليل ، لكن لا يمكن للنباتات إنتاج الأكسجين بدون ضوء.

أطول إجابة: يعود الأمر كله إلى عفوية التفاعل ، أي ما إذا كان يمكن أن يحدث التفاعل دون إدخال الطاقة أم لا.

قبل أن نتحدث عن العفوية ، أشعر أنه من الأفضل أن أعرف أولاً العملية التي نتحدث عنها هنا. في عملية التمثيل الضوئي ، يحدث تفاعل تقسيم الماء في معقد تطور الأكسجين من خلال عملية تعرف باسم دورة جوليوت-كوك (أو ببساطة ، دورة كوك)1. على الرغم من أن الآلية الكاملة لهذه العملية غير مفهومة حتى الآن ، يمكن تصوير رد الفعل الأساسي في رسم تخطيطي على النحو التالي2:

(انتبه إلى أن الوقت المستغرق في الرسم التخطيطي هو بالميكروثانية وحتى النانوثانية. لذلك ، على المستوى الجزيئي ، لا يستغرق تطور الأكسجين دقائق أو حتى ثوانٍ! ومع ذلك ، على نطاق أوسع ، قد يستغرق إطلاق الأكسجين وقتًا أطول نظرًا لأن الأكسجين المتكون يجب أن يمر عبر العديد من السوائل ، مثل غشاء الثايلاكويد ، والسدى ، وغشاء البلاستيدات الخضراء ، والسيتوبلازم ، وما إلى ذلك قبل أن يخرج أخيرًا في الغلاف الجوي.)

لمعرفة مكان الفوتونات المطلوبة (نظرًا لأن الرسم البياني أعلاه لا يتحدث عن ذلك) ، سأدخل رسمًا تخطيطيًا آخر يتضمن الخطوات التي تأتي منها الفوتونات (كما وصفها رذرفورد) وآخرون, 1989):

كما ترون ، لا تحصل دورة كوك على مدخلات مباشرة للطاقة من خلال الفوتونات. بدلا من ذلك ، فهي عالية الطاقة P680+ الذي يؤكسد التيروزين النشط الأكسدة والاختزال (Yض) ، مما يدفع رد الفعل إلى الأمام (العملية الفعلية أكثر تعقيدًا ، انظر إجابة أخرى أو Halverson وآخرون، 2003 للحصول على التفاصيل).

الآن ، بالحديث عن عفوية هذا التفاعل ، فإن أكسدة الماء إلى هيدروجين وأكسجين هي عملية ماصة للحرارة ، أي أنها غير تلقائية بطبيعتها. في الواقع ، تتطلب العملية 475 كيلو جول / مول من الطاقة لحدوثها (ويكيبيديا). حاجز الطاقة هذا كبير جدًا لدرجة أنه في دورة كوك أيضًا ، هناك حاجة إلى 4 فوتونات لإحداث أكسدة لجزيء ماء واحد (بشكل عام ، يتم استخدام المحفزات بحيث تخفض حاجز الطاقة للتفاعل غير التلقائي بحيث يمكن أن يكون أجريت في ظل الظروف العادية). نيلسون وآخرون، 1857 يتحدث عن تغيير الطاقة الحرة ($ Delta G_0 $) من الدورة. انظر الرسم البياني لتغيير الطاقة الحرة:

كما هو واضح من الرسم البياني ، هناك حاجة إلى قدر أكبر من الطاقة لأكسدة الماء ($ E_P ^ +، S_2 rightarrow S_3 $) وحتى أعلى لتحرير ثنائي الأكسجين من المركب ($ S_4 rightarrow S_0 $) (على الرغم من يكون تغيير الطاقة الحرة سالبًا للخطوة الأخيرة ، أي أن تحرير الأكسجين تلقائيًا ، ولا تزال الطاقة الإجمالية أكبر من تلك الموجودة في S3). وهكذا ، بما أن التفاعل يتطلب مدخلات طاقة كلية ، لا تستطيع النباتات إنتاج الأكسجين بدون ضوء. أيضًا ، كما تشك بالفعل ، فإن النقطة هنا هي وفرة الضوء من مصادر من صنع الإنسان مما يجعل بعض النباتات قادرة على إنتاج الأكسجين في الليل.

علاوة: سأضيف بعض التفاصيل حول الديناميكا الحرارية للنظام (تجاوز هذا الجزء إذا لم تكن مهتمًا بالرياضيات). المعادلات الأساسية التي سأستخدمها هنا هي معادلة جيبس ​​الأساسية ($ Delta G = Delta H - T Delta S $) ، معادلة Arrhenius ($ k = A times e ^ {- E_a / RT} $) ومعادلة Eyring ($ k = k_BT / h times e ^ {- Delta G ^ ddagger / RT} $) وستكون البيانات المستخدمة من نيلسون وآخرون, 1857.

من $ Delta G = Delta H - T Delta S $ ، لعمل رد فعل تلقائي ($ Delta G <0 $) ، إما أن يكون هناك إطلاق للحرارة ($ Delta H <0 $) أو زيادة في إنتروبيا ($ Delta S> 0 $). كما نعلم الآن ، يكون التفاعل ماصًا للحرارة ، أي أن هناك امتصاصًا للحرارة. لذلك ، يجب أن تكون هناك زيادة في الانتروبيا الكلية لدفع التفاعل إلى الأمام. إذا نظرت إلى الرسم البياني لتغير الطاقة الحرة في خطوات مختلفة من التفاعل ، فستجد ما يلي:

في هذا ، $ Delta G_0 $ هو التغير الكلي للطاقة ، $ Delta G_ {in} $ هو مدخلات الطاقة المطلوبة (معطى بالفوتونات) ، $ Delta G_ {ex} $ هو تغيير الطاقة النهائي المجاني و $ Delta G ^ ddagger $ هو طاقة جيبس ​​للتنشيط. هنا ، يتوافق $ Delta G_ {ex} $ (الظاهر باللون الأزرق) مع تغير الكون فقط عندما يتم إطلاق المنتجات النهائية (الأكسجين والبروتونات) من النظام نظرًا لعدم وجود تغيير في المحتوى الحراري هنا.

في الافراج عن وسيط المرحلة ، الكسر الجزيئي $ x = 1 دولار للأكسجين ، بينما في منتج منفصل جزء الخلد المرحلة للمياه $ x_1 = 56 / ([O_2] _0 + 56) $ وللأكسجين $ x_2 = [O_2] _0 / ([O_2] _0 + 56) $ (بافتراض مولارية الماء = 56 M) منذ في يمكن أن تظل المرحلة النهائية ، الماء أو الأكسجين أو كليهما مرتبطين بالموقع النشط.

لإطلاق الأكسجين: $ [O_2] _0 = 273 ~ mu M $ و $ T = 298 ~ K $

والذي يعطي $ Delta G_1 = - ~ T Delta S_1 = - ~ 314 ~ meV $

لإطلاق البروتون: $ Delta G_2 = - ~ T Delta S_2 = - ~ 516 ~ meV $ (نظرًا لعدم وجود تغيير في المحتوى الحراري ، تم إهمال $ Delta H $)

الآن ، $ Delta G_ {ex} = Delta G_1 + Delta G_2 = - ~ 314-516 = - ~ 830 ~ meV $

أيضًا $ Delta G_0 = Delta G_ {in} + Delta G_ {ex} $

منذ $ Delta G_ {ex}> Delta G_0 $ لذلك $ Delta G_ {in}> 0 $ أي يتم توفير الطاقة.

الآن ، للتفاعل $ ~~ P_ {680} Y_Z ^ {ox} M_3 rightarrow P_ {680} Y_ZM_0 + O_2 $ (الذي صنعنا له الرسم البياني أعلاه)

ثابت الوقت $ tau حوالي 10 ^ {- 3} ~ s $

أي $ 1 / k = 10 ^ {- 3} ~ s $

أو $ k = 10 ^ 3 ~ s ^ {- 1} $

استخدام معادلة Eyring $ k = k_BT / h times e ^ {- Delta G ^ ddagger / RT} $

نحصل على $ Delta G ^ ddagger = - ~ 580 ~ meV $

بمعنى آخر $ Delta G_ {in} leq - ~ 580 ~ meV $

مرة أخرى $ Delta G_0 = Delta G_ {in} + Delta G_ {ex} $

عند الحل ، $ Delta G_0 leq - ~ 250 ~ meV $

مرة أخرى ، من معادلة Eyring ، نحصل على $ k geq 10 ^ 4 ~ s ^ {- 1} $

يوضح ثابت المعدل الكبير أن هناك قوة دافعة قوية لإطلاق الأكسجين من النظام ، وهو أمر محتمل جدًا بسبب زيادة إنتروبيا المنتج النهائي.

وهكذا ، فإن الإنزيم يخفض الطاقة الحرة للتفاعل ، ولكن على حساب حاجز طاقة التنشيط المتزايد. بالعودة إلى النقطة الرئيسية ، حيث يتم توفير الطاقة لنظام التفاعل ، يكون التفاعل غير تلقائي. ومع ذلك ، فإن الخطوة الأخيرة من التفاعل تكون تلقائية (كما هو موضح أيضًا في الرسم البياني الأول) بسبب الزيادة في الانتروبيا الترجمية والتناوب للمنتجات النهائية عند إطلاقها (في الحسابات أعلاه ، أهملنا الانتروبيا الدورانية بسبب نقص البيانات). أيضًا ، الحسابات المذكورة أعلاه كانت فقط للخطوة الأخيرة من التفاعل ($ S_4 rightarrow S_0 $) لإظهار عفويتها. في جميع الخطوات الأخرى ، يجب توفير الطاقة للنظام لدفع التفاعل إلى الأمام (كما هو موضح في الرسمين البيانيين الأول والثاني أعلاه) ، مما يجعل التفاعل الكلي متوترًا. آمل أن يساعد هذا الآن.

مراجع:

1. المساهمون في ويكيبيديا. "مجمع تطوير الأكسجين." ويكيبيديا، الموسوعة الحرة. ويكيبيديا ، الموسوعة الحرة ، 1 يناير 2017. الويب. 18 أبريل 2017.

2. Oxygen Evolution - 1996 ، أنتوني كروفتس ، جامعة إلينوي في أوربانا شامبين

3. أ. راذرفورد ، نظام الصور الثاني ، إنزيم تقسيم الماء ، الاتجاهات في العلوم البيوكيميائية ، المجلد 14 ، العدد 6 ، 1989 ، الصفحات 227-232 ، ISSN 0968-0004 ، http://dx.doi.org/10.1016/0968-0004 ( 89) 90032-7.

4. هالفرسون ، كيلي م ، وبريدجيت أ. باري. "دليل على التغييرات الهيكلية العفوية في حالة التكيف الداكن لنظام الصور II." المجلة الفيزيائية الحيوية 85.4 (2003): 2581-2588. مطبعة.

5. المساهمون في ويكيبيديا. "أكسدة الماء غير المتجانسة." ويكيبيديا، الموسوعة الحرة. ويكيبيديا ، الموسوعة الحرة ، 18 أبريل 2017. الويب. 18 أبريل 2017.

6. Håkan Nilsson، Laurent Cournac، Fabrice Rappaport، Johannes Messinger، Jérôme Lavergne، تقدير القوة الدافعة لتشكيل الديوكسيجين في التمثيل الضوئي، Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics، Volume 1857، Issue 1، January 2016، Pages 23- 33 ، ISSN 0005-2728 ، http://doi.org/10.1016/j.bbabio.2015.09.011.


شاهد الفيديو: Saturacija kiseonika (أغسطس 2022).