Достаточно ли эффективен фотосинтез? Может надо его улучшить?

Как работает фотосинтез? Растения и бактерии превращают солнечный свет в сахар с помощью магии фотосинтеза. Эволюция этого процесса позволила жизни быть такой, какой она есть сегодня. Вся жизнь питается солнцем, прямо или косвенно.

Этот важный процесс состоит из ряда сложных химических реакций. Большие растения имеют крошечные "заводы", которые контролируют каждый шаг этой реакции. Этот процесс является сложным, но простая версия заключается в том, что белки перемещают электроны для зарядки молекул, которые производят сахар. В конце концов, растения объединяют CO2 и воду, производя сахар и кислород .

Что делает фотосинтез медленным?

Один из белков, участвующих в фотосинтезе, наделен основной задачей захвата CO2. Этот фермент называется RuBisCO , и это самый распространенный белок на Земле. Часть причины этого заключается в том, что он не очень хорош в своей работе.

Оказывается, что RuBisCO случайно захватывает кислород вместо углекислого газа примерно в пятую часть времени. Когда это случается, токсины создаются токсины, а не еда. Для того чтобы уменьшить вред, завод тратит энергию рециркулируя и извлекая эти токсины. Это может привести к потере эффективности на 20-50%.

Этот белок настолько древний и необходим для жизни, что кажется, что для эволюции нет места. Согласно оценкам, "рубиско" возник от 720 до 1,2 миллиарда лет назад . Поскольку это так важно, любое снижение в работе его функций должно было бы привести к его постепенной эволюции во избежание этой ошибки. Однако, иногда вещи должны стать хуже, прежде чем они становятся лучше.

Создание лучшего фотосинтеза

Мы давно знаем, что эффективность растений может быть повышена. Изменить что-то настолько важное нелегко. Реализация проекта по повышению эффективности фотосинтеза (RIPE) направлена на то, чтобы сделать именно это.

У исследователей из Университета штата Иллинойс были захватывающие прорывы в этой области. Они исследовали, как растения удаляют токсины, произведенные RuBisCO, и их результаты довольно впечатляющие.

Исследователи отредактировали гены 1700 растений, чтобы проверить этот процесс. Лучших результатов работы RuBisCO стало на 40% больше .

RuBisCO работает хуже при более высоких температурах. С ростом изменения климата это может стать реальной проблемой, и исследователи надеются улучшить продовольственную безопасность во всем мире. Программа RIPE стремится предоставить эти инновации фермерам безвозмездно.

Исследователи в Китае и Сан-Франциско добились успеха с аналогичной работой. Они использовали биоинженерный подход под названием GOC для улучшения фотосинтеза и фотореспирации и смогли увеличить урожайность риса на 27 процентов .

Изменение фотосинтеза также позволило исследователям экономить воду. Редактирование пор растительных листьев (устьиц) позволило растениям расти более эффективно.

Управление фотосинтезом имеет захватывающие последствия, и совершенствование технологии может позволить нам создавать наши собственные фотосинтетические организмы .

Другие исследователи обнаружили, что при правильных обстоятельствах RuBisCO может быть значительно более эффективным.

Можем ли мы сделать лучше?

Люди создали свою собственную версию фотосинтеза. Панели солнечных батарей (или фотогальванические элементы) достигают такой же цели как фотосинтез путем перевода солнечного света в энергию.

Сравнение двух процессов является сложным. Фотосинтез производит сахар, который можно хранить в течение длительного времени. Панели солнечных батарей производят электричество, но хранить это электричество главная проблема.

Батареи неэффективны и опасны. Для всех возобновляемых источников энергии необходимы исследования в области улучшения технологии использования батарей.

С точки зрения производства чистой энергии, фотосинтез не так хорошо. Около 3% доступного солнечного света преобразовывается в результате фотосинтеза. Панели солнечных батарей, с другой стороны, могут преобразовать до 10% из доступного света. Это несоответствие указывает на неэффективность фотосинтеза.

Передовые технологии даже смогли достигнуть эффективностей до 40% . Они еще не практичны, но показывают, что есть много возможностей для улучшения.

Растения также обеспечивают другие преимущества. Производя энергию, они также потребляют CO2, помогая смягчать изменение климата. Когда CO2 используется, они создают кислород. Этот процесс создает воздух, которым мы дышим.

Хотя фотосинтезу есть что улучшить, нам еще есть чему поучиться у растений. Разнообразие растений все еще может скрывать важные секреты сбора и хранения энергии.

Статья опубликована Университетом штата Иллинойс.

ПС:

Лично мне кажется, что все эти устремления "сделать растения лучше" до добра не доведут. В погоне за мечтой "поиграть в Бога", редактируя геномы всего и вся, направо и на лево, можно доиграться до реального, а не Библейского Апокалипсиса.

Миллионы лет росли растения на планете Земля и выработанного ими кислорода хватало на все живые организмы с лихвой. По земле-матушке бродили стада гигантских динозавров, а деревья росли до небес. Сейчас же наука вдруг стала пенять на несовершенство фотосинтеза и предлагает его "улучшить", вместо того, что бы задуматься - почему нам стало не хватать драгоценного кислорода?

Ответ ведь прост - мы - люди, сами и нарушили этот идеальный природный баланс. Своими заводами, машинами, всей своей жизнедеятельностью, которая направлена не на сохранение природы и нас в ней, а в подстраивании природы под свои интересы.

Природа - совершенный механизм в котором все взаимосвязано. В том числе и работа фотосинтеза. Все вырабатывается в том количестве, которое необходимо для всех живых организмов, а не только для одного вида Хомо Сапиенс.

Да, можно отредактировать геном и увеличить выработку нужного только нам, но ведь причина не в плохой работе природных механизмов, а в том, что мы погубили огромное количество природных "заводов". За время существования человеческой цивилизации, количество растений резко уменьшилось. Вот она причина всего, а не плохой фотосинтез.

Людям надо больше кислорода, а другим организмам его надо меньше, так зачем перестраивать все растения только под себя. Мы же можем спровоцировать так называемый "эффект бабочки", когда игры в редактирование геномов, суть и последствия которых люди даже не могут в полной мере осознать, могут привести просто к коллапсу всей биосистемы Земли.

Когда мы уже поймем, что мы лишь один вид из многих видов жизни. И вести мы должны себя соответственно. Мы ведем себя, как варвары на чужой планете. Как будто у нас есть еще десяток в запасе. Мы доиграемся до полного краха биосферы и останемся одни на планете превращенной в безжизненную пустыню...