Pitanje:
Mogu li biljke proizvoditi kisik noću (bez svjetlosti)?
uhoh
2017-04-18 18:25:08 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Slučajno sam kliknuo rezultat "Top n X 's that Y " u Googleu i pronašao 9 najpopularnijih biljaka koje daje (sic) kisik i noću (najbolje za zatvorene prostore).

U ovom korisnom odgovoru pronašao sam lijep, sažet opis koji Ovdje ću se samo reproducirati:

Fotosinteza se sastoji od dva opća koraka, jednog koji zahtijeva svjetlost i drugog koji ne zahtijeva. Prvi se korak događa u tilakoidnoj membrani i razdvaja vodu na kisik, vodikove ione i energiju. Drugi je korak fiksacije ugljika, koji se događa u kloroplastima i koristi energiju za pretvaranje ugljičnog dioksida u ugljikohidrate.

1. korak: $ \ ce {2 H2O + svjetlost → 2 H + + O2 + energija} $

2. korak: $ \ ce {3 CO2 + 6 H + + energija → C3H6O3- P + 3 H2O} $

Općenito, kisik koji se oslobađa iz biljaka dolazi od cijepanja vode koje fotoni (u više koraka) pokreću fotonima. Koliko se sjećam, molekule kisika ( $ \ ce {O2} $ ) obično se proizvode i ispuštaju u zrak u roku od nekoliko sekundi, i zasigurno u roku od nekoliko minuta nakon što su apsorbirani svi potrebni fotoni za to.

Stoga pitam; postoje li biljke koje doista stvaraju smislene ili čak samo mjerljive količine kisika svjetlo?

(Ili je ovdje ideja da noću ostavljate upaljena svjetla pa zapravo bilo koja biljka može noću stvarati kisik?)

Ma neeee, web stranica je napravila rigoroznu pogrešku. Istina je da CAM biljke mogu apsorbirati CO 2 noću; ali LAŽNO je da CAM biljke noću daju O 2 . To mogu učiniti samo uz prisustvo svjetlosti.
@AlwaysConfused što su CAM postrojenja? Možete li u svoj komentar uključiti vezu - ili proširiti na odgovor? Ovo zvuči kao vrlo vjerojatan scenarij.
Hvala, ali to je bio samo kratki nagovještaj. Za pisanje detaljnog, referenciranog odgovora (slijedeći standarde zajednice) trebat će vremena dok sam sada zauzet nekim drugim poslom. Međutim, ovdje povezujem stranicu wikipedije na [CAM] (https://en.wikipedia.org/wiki/Crassulacean_acid_metabolism). Ukratko, to je prilagodba za smanjenje otvaranja stomala tijekom dana radi uštede vode.
@tomd netko drugi može uzeti loptu jer izgleda da naredna 2 dana neću moći napisati odgovor u skladu sa standardima zajednice. Također bih kasnije mogao napisati odgovor?
@AlwaysConfused možete odgovoriti kad god želite ... napišite odmah, ja pišem jedan (iako to ne uključuje vašu poantu :)
@another'Homosapien' i suradnici sjećaju se da se pitanje prvenstveno odnosi na proizvodnju kisika u mraku, a ne na ono što su oglašivači možda bili zbunjeni.
* Nejasnom što tražite * biraču - pitam mogu li biljke stvarati kisik noću ili ne. Da ili ne. Riječ ću ukloniti iz naslova.
@tomd, učinit ću čitanje koje ste spomenuli, hvala. Trebam se polako olakšati fotosintezi, s rubova. Znam da bih trebao pratiti elektrone, ali znatiželjan sam kako se dva kisika susreću. Volio bih da mogu vidjeti animaciju ili pročitati opis onoga što se događa s dva atoma kisika u dvije početne molekule vode.
@tomd vau - previše velikih riječi za mene! :)
@tomd ovo zvuči zaista zanimljivo! Ovdje ima puno velikih riječi, a neke od njih čine se važnima: https://www.researchgate.net/post/How_CAM_plants_handle_the_O2_evolved_in_photosynthesis_during_daytime Moj naslov kaže "... proizvodimo kisik ... bez svjetlosti" i ponovljeno na kraju pitanja kaže "... napravi ... kisik bez svjetlosti ...", pa mislim da je odgovor kao što sam napisao i dalje "ne" - ali sada žalim što nisam rekao "... otpusti kisik ... "
Jedan odgovor:
another 'Homo sapien'
2017-04-18 23:13:32 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Kratki odgovor: Svaka biljka može proizvoditi kisik noću, ali biljke ne mogu proizvoditi kisik bez svjetlosti.

Duži odgovor: Sve se svodi na spontanost reakcije, tj. može li se reakcija dogoditi bez unosa energije ili ne.

Prije nego što razgovaramo o spontanosti, osjećam da je bolje prvo znati o procesu o kojem ovdje govorimo. U fotosintezi, reakcija cijepanja vode događa se u kompleksu koji razvija kisik postupkom poznatim pod nazivom Joliot-Kokov ciklus (ili jednostavno, Kokov ciklus) 1 . Iako još nije razumljiv cjelovit mehanizam ovog postupka, osnovna reakcija može se prikazati na dijagramu kao 2:

joliot-kok cycle

( Obratite pažnju da je na dijagramu potrebno vrijeme u mikrosekundama, pa čak i nanosekundama. Dakle, na molekularnoj razini, evolucija kisika ne traje minute ili čak sekunde! Međutim, kod većih skala, oslobađanje kisika može potrajati duže jer formirani kisik mora proći kroz mnoge tekućine, poput tilakoidne membrane, strome, membrane kloroplasta, citoplazme itd., prije nego što konačno izađe u atmosferu )

Da bih znao gdje su potrebni fotoni (budući da gornji dijagram ne govori o tome), pustit ću drugi dijagram koji uključuje korake ulaska fotona (kao što prikazuju Rutherford et al , 1989.):

photosystem II

Kao što vidite, Kokov ciklus ne dobiva izravni unos energije kroz fotone . Dapače, upravo energija P 680 + oksidira redoks aktivni tirozin (Y Z ) koji pokreće reakciju naprijed (stvarni je proces mnogo složenije, pogledajte drugi odgovor ili Halverson et al , 2003 za detalje).

Sada, govoreći o spontanosti ove reakcije, oksidacija vode u vodik i kisik endotermni je proces, tj. po svojoj prirodi nije spontana. Zapravo, za proces je potrebno 475 kJ / mol energije ( Wikipedia). Ta je energetska barijera toliko velika da su i u Kokovom ciklusu potrebna 4 fotona da bi se postigla oksidacija 1 molekule vode (općenito se koriste katalizatori kako bi srušili energetsku barijeru nespontane reakcije kako bi se mogla izvodi se u normalnim uvjetima). Nilsson et al , 1857 govori o slobodnoj promjeni energije ($ \ Delta G_0 $) ciklusa. Pogledajte grafikon za promjenu besplatne energije:

free energy change

Kao što je jasno vidljivo iz grafikona, potrebna je veća količina energije za oksidaciju vode ($ E_P ^ +, S_2 \ rightarrow S_3 $) i još veće za oslobađanje dioksida iz kompleksa ($ S_4 \ rightarrow S_0 $) (iako je promjena slobodne energije negativna u posljednjem koraku, tj. Oslobađanje kisika je spontano, još uvijek ukupna energija veća je od one na S 3 ). Dakle, budući da reakcija zahtijeva ukupan unos energije, biljke ne mogu proizvoditi kisik bez svjetlosti . Također, kao što već sumnjate, ovdje je stvar u izobilju svjetlosti iz umjetnih izvora zbog čega neke biljke mogu noću proizvoditi kisik.

BONUS: Ja ću dodajte neke detalje o termodinamici sustava (preskočite ovaj dio ako vas matematika ne zanima). Osnovne jednadžbe koje ću ovdje upotrijebiti su Gibbsova temeljna jednadžba ($ \ Delta G = \ Delta H - T \ Delta S $), Arrheniusova jednadžba ($ k = A \ puta e ^ {- E_a / RT} $) i Eyringova jednadžba ($ k = k_BT / h \ puta e ^ {- \ Delta G ^ \ ddagger / RT} $) i korišteni podaci bit će iz Nilsson et al , 1857.

Iz $ \ Delta G = \ Delta H - T \ Delta S $, da bi došlo do spontane reakcije ($ \ Delta G < 0 $), trebalo bi doći do oslobađanja topline ($ \ Delta H < 0 $) ili povećanje entropije ($ \ Delta S > 0 $). Kao što sada znamo, reakcija je endotermna tj. Postoji apsorpcija topline. Dakle, mora doći do povećanja ukupne entropije da bi reakcija bila naprijed. Ako pogledate grafikon promjene slobodne energije u različitim koracima reakcije, ispada ovako:

graph

U ovom , $ \ Delta G_0 $ je ukupna promjena energije, $ \ Delta G_ {in} $ je potreban unos energije (daje fotoni), $ \ Delta G_ {ex} $ je konačna besplatna promjena energije i $ \ Delta G ^ \ ddagger $ je Gibbsova energija aktivacije. Ovdje $ \ Delta G_ {ex} $ (prikazano plavom bojom) odgovara samo promjeni entropije kad se konačni proizvodi (kisik i protoni) oslobode iz sustava jer ovdje nema promjene entalpije.

U srednji stupanj oslobađanja molekularni udio $ x = 1 $ za kisik, dok je u razdvojenom proizvodu stupanj molarni udio za vodu $ x_1 = 56 / ([O_2] _0 + 56 ) $ i za kisik $ x_2 = [O_2] _0 / ([O_2] _0 + 56) $ (pod pretpostavkom molarnosti vode = 56 M), jer u završnoj fazi voda ili kisik ili oboje mogu ostati vezani uz aktivno mjesto.

Za oslobađanje kisika: $ [O_2] _0 = 273 ~ \ mu M $ i $ T = 298 ~ K $

što daje $ \ Delta G_1 = - ~ T \ Delta S_1 = - ~ 314 ~ meV $

Za oslobađanje protona: $ \ Delta G_2 = - ~ T \ Delta S_2 = - ~ 516 ~ meV $ (budući da nema entalpijske promjene, $ \ Delta H $ se zanemaruje)

Sada, $ \ Delta G_ {ex} = \ Delta G_1 + \ Delta G_2 = - ~ 314 - 516 = - ~ 830 ~ meV $

Također $ \ Delta G_0 = \ Delta G_ {in} + \ Delta G_ {ex} $

Budući da je $ \ Delta G_ {ex} > \ Delta G_0 $ dakle $ \ Delta G_ {in} > 0 $ tj. Energija se isporučuje.

Sada, za reakciju $ ~~ P_ {680} Y_Z ^ {ox} M_3 \ rightarrow P_ {680} Y_ZM_0 + O_2 $ (za koju napravili smo gornji grafikon)

Vremenska konstanta $ \ tau \ približno 10 ^ {- 3} ~ s $

tj. $ 1 / k = 10 ^ {- 3} ~ s $

ili $ k = 10 ^ 3 ~ s ^ {- 1} $

Korištenjem Eyringove jednadžbe $ k = k_BT / h \ puta \ times e ^ {- \ Delta G ^ \ ddagger / RT} $

Dobivamo $ \ Delta G ^ \ ddagger = - ~ 580 ~ meV $

Drugim riječima, $ \ Delta G_ {in} \ leq - ~ 580 ~ meV $

Opet $ \ Delta G_0 = \ Delta G_ {in} + \ Delta G_ { ex} $

Pri rješavanju, $ \ Delta G_0 \ leq - ~ 250 ~ meV $

Opet, iz Eyringove jednadžbe, dobivamo $ k \ geq 10 ^ 4 ~ s ^ {-1} $

Velika konstanta brzine pokazuje da postoji snažna pokretačka sila za oslobađanje kisika iz sustava, što je vrlo vjerojatno zbog povećane entropije konačnog proizvoda.

Dakle, enzim ukida slobodnu energiju reakcije, ali na štetu povećane barijere aktivacijske energije. Vraćajući se na glavnu točku, budući da se u sustav za reakciju dovodi energija, reakcija nije spontana. Međutim, posljednji korak reakcije je spontan (kao što se također vidi na prvom grafikonu) zbog povećanja translacijske i rotacijske entropije konačnih proizvoda kada se oslobode (u gornjim izračunima zanemarili smo rotacijsku entropiju zbog nedostatka podataka). Također, gornji izračuni su samo za posljednji korak reakcije ($ S_4 \ rightarrow S_0 $) pokazali njezinu spontanost. U svim ostalim koracima sustavu se mora dovoditi energija za pokretanje reakcije naprijed (kao što je prikazano na prvom i drugom grafikonu gore), čineći cjelokupnu reakciju endergoničnom. Nadam se da ovo sada pomaže.

Reference:

1. Suradnici na Wikipediji. "Kompleks koji razvija kisik". Wikipedia, Slobodna enciklopedija. Wikipedia, Slobodna enciklopedija, 1. siječnja 2017. Web. 18. travnja 2017.

2. Evolucija kisika - 1996, Antony Crofts, Sveučilište Illinois u Urbana-Champaign sub >

3. AW Rutherford, Photosystem II, enzim koji cijepa vodu, Trendovi u biokemijskim znanostima, svezak 14, izdanje 6, 1989, stranice 227-232, ISSN 0968-0004, http://dx.doi.org/10.1016/0968-0004 ( 89) 90032-7.

4. Halverson, Kelly M. i Bridgette A. Barry. "Dokazi o spontanim strukturnim promjenama u mraku prilagođenom stanju Photosustava II." Biophysical Journal 85.4 (2003): 2581–2588. Ispis.

5. Suradnici na Wikipediji. "Heterogena oksidacija vode." Wikipedia, Slobodna enciklopedija. Wikipedia, Slobodna enciklopedija, 18. travnja 2017. Web. 18. travnja 2017.

6. Håkan Nilsson, Laurent Cournac, Fabrice Rappaport, Johannes Messinger, Jérôme Lavergne, Procjena pogonske sile za kisik formacija u fotosintezi, Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics, svezak 1857., izdanje 1., siječnja 2016., stranice 23-33, ISSN 0005-2728, http://doi.org/10.1016/j.bbabio.2015.09.011 .

O Bože, ovo je od velike pomoći, hvala. Uzet ću malo vremena da to pročitam. Je li $ \ ce {O2} $ pušten u milisekundama sve do zraka ili prvo mora difundirati kroz neku tekućinu?
A ako dođete do daha, postavio sam i još jedno [pitanje fotosinteze] (https://biology.stackexchange.com/q/58572/27918).
Želio bih dodati CAM biljke, one otvaraju stomate samo tijekom noći kako bi upile CO2. Ostatak dana je zatvoren. Dakle, O2 proizveden kroz kalvinov ciklus ne oslobađa se danju, već noću, pitanje je. Nisam mogao pronaći puno istraživanja o tome, možda nije puno učinjeno. Nisam provjerio jesu li biljke navedene na OP-ovoj web stranici CAM. Mogli bi biti. Ipak zanimljivo. [Researchgate] (https://www.researchgate.net/post/How_CAM_plants_handle_the_O2_evolved_in_photosynthesis_during_daytime) o tome raspravlja.
Žao mi je, ne Calvinov ciklus, kroz fotolizu.
Neću više pisati odgovore. Samo treba previše vremena.
Upravo sam vidio "poboljšanja" ovdje - trebat će mi malo više vremena da sve pročitam, ali vau! U međuvremenu imam tu nevolju zbog koje uočavam sitne pogreške, a da i ne gledam - ovdje bi jedinice trebale biti obrnute sekunde: $ k = 10 ^ 3 ~ s $
Niži učitelj fizike bio je opsesivan prema jedinicama, naučio nas je gledati jedinice * prije * gledanja jednadžbe. Sad je to samo refleks s kojim moram živjeti;)
Možete li, molim vas, zaustaviti pretjerano komentiranje i preći na [chat] (http://chat.stackexchange.com/rooms/1997/the-biosphere) za ovo?


Ova pitanja su automatski prevedena s engleskog jezika.Izvorni sadržaj dostupan je na stackexchange-u, što zahvaljujemo na cc by-sa 3.0 licenci pod kojom se distribuira.
Loading...