Jump to content
Forum Kopalni Wiedzy
KopalniaWiedzy.pl

Ważne odkrycie Polaków: fotosyntezę napędza nie tylko światło, ale i ciepło

Recommended Posts

Do fotosyntezy potrzebne jest nie tylko światło, ale i ciepło - dowodzą naukowcy z Lublina. Rośliny odzyskują część ciepła, które powstaje w fotosyntezie, i używają go ponownie do zasilania reakcji napędzanych światłem, w tym – do produkcji tlenu – tłumaczy prof. Wiesław Gruszecki.

Naukowcy mają nadzieję, że wiedzę dotyczącą gospodarowania strumieniami energii w aparacie fotosyntetycznym roślin uda się wykorzystać np. w rolnictwie, by zwiększyć plony.

Energia niezbędna do podtrzymywania życia na Ziemi pochodzi z promieniowania słonecznego. Wykorzystanie tej energii możliwe jest dzięki fotosyntezie. W ramach fotosyntezy dochodzi do przetwarzania energii światła na energię wiązań chemicznych, która może być wykorzystana w reakcjach biochemicznych. W procesie tym rośliny rozkładają też wodę, wydzielając do atmosfery tlen, potrzebny nam do oddychania.

Do tej pory sądzono, że w fotosyntezie rośliny korzystają tylko z kwantów światła. Zespół z Uniwersytetu Marii Curie-Skłodowskiej i Instytutu Agrofizyki PAN w Lublinie wskazał jednak dodatkowy mechanizm: do fotosyntezy potrzebna jest również energia cieplna, która - jak się wydawało - powstaje w tym procesie jako nieistotny skutek uboczny. Tymczasem z badań wynika, że ten „recykling energii” jest niezbędny w procesie wydajnego rozkładania wody do tlenu. Wyniki ukazały się w renomowanym czasopiśmie Journal of Physical Chemistry Letters.

Wydajność energetyczna fotosyntezy jest niewielka – mówi w rozmowie z PAP prof. Wiesław Gruszecki z UMCS. Wyjaśnia, że roślina zamienia w biomasę najwyżej 6 proc. energii słonecznej, którą pobiera. Natomiast około 90 proc. energii pochłanianej ze światła jest oddawana do środowiska w postaci ciepła. Dotąd uważaliśmy, że frakcja oddawana do środowiska w postaci ciepła, z punktu widzenia wydajności energetycznej tego procesu, jest nieodwracalnie stracona. Ku naszemu zaskoczeniu okazało się jednak, że aparat fotosyntetyczny w roślinach jest na tyle sprytny, że potrafi jeszcze wykorzystywać część energii rozproszonej na ciepło – mówi.

Naukowiec podkreśla, że są to badania podstawowe. Jego zdaniem mają one jednak szansę znaleźć zastosowanie choćby w rolnictwie.

Jeśli procesy produkcji żywności się nie zmienią, to w połowie XXI wieku, kiedy Ziemię może zamieszkiwać nawet ponad 9 mld ludzi, nie starczy dla wszystkich jedzenia, tym bardziej przy niepokojących zmianach klimatycznych – alarmuje naukowiec. Badania jego zespołu są częścią międzynarodowych działań naukowców. Badają oni, co reguluje przepływy i wiązanie energii w procesie fotosyntezy. W powszechnym przekonaniu wiedza ta umożliwi inżynierię bądź selekcję gatunków roślin, które dawać będą większe plony.

Gdyby produkować rośliny, w których ścieżka odzyskiwania energii cieplnej będzie jeszcze sprawniejsza – uważa badacz – to fotosynteza przebiegać będzie efektywniej, a roślina produkować będzie więcej biomasy. To zaś przekłada się bezpośrednio na większe plony.

Zdaniem prof. Gruszeckiego kolejnym miejscem, gdzie można zastosować nową wiedzę, jest produkcja urządzeń do sztucznej fotosyntezy. Prace nad nimi trwają już w różnych miejscach na Ziemi, również w Polsce.

Naukowiec wyjaśnia, na czym polegało odkrycie jego zespołu. Z badań wynika, że wśród struktur w chloroplastach, w których zachodzi fotosynteza, znajdują się kompleksy barwnikowo-białkowe. Pełnią one funkcję anten zbierających światło. Okazuje się, że kompleksy te grupują się spontanicznie w struktury zdolne do recyklingu energii rozproszonej w postaci ciepła. Anteny te przekazują również energię wzbudzenia uzyskaną z ciepła do centrów fotosyntetycznych, w których zachodzą reakcje rozszczepienia ładunku elektrycznego (w szczególności do Fotosystemu II). Proces ten wpływa na wzrost wydajności energetycznej fotosyntezy. I umożliwia wykorzystanie w tym procesie promieniowania o niższej energii (również z obszaru bliskiej podczerwieni). Wydaje się mieć to szczególne znaczenie w warunkach niskiej intensywności światła słonecznego.


« powrót do artykułu

Share this post


Link to post
Share on other sites
20 godzin temu, KopalniaWiedzy.pl napisał:

Do tej pory sądzono, że w fotosyntezie rośliny korzystają tylko z kwantów światła. Zespół z Uniwersytetu Marii Curie-Skłodowskiej i Instytutu Agrofizyki PAN w Lublinie wskazał jednak dodatkowy mechanizm: do fotosyntezy potrzebna jest również energia cieplna, która - jak się wydawało - powstaje w tym procesie jako nieistotny skutek uboczny.

Przepraszam, ale ten skutek uboczny to z cieplika, a nie z kwantów*? Obawiam się, że ktoś "przegalopował" w populizmie.

20 godzin temu, KopalniaWiedzy.pl napisał:

alarmuje naukowiec

Bez alarmu nie ma kasy na naukę?

20 godzin temu, KopalniaWiedzy.pl napisał:

inżynierię bądź selekcję gatunków roślin, które dawać będą większe plony

Polecam Kingsajz. Miniaturyzacja ma przyszłość.

20 godzin temu, KopalniaWiedzy.pl napisał:

Prace nad nimi trwają już w różnych miejscach na Ziemi, również w Polsce.

Budujące. ;)

* Sądzono, i tak właśnie jest.

Edited by Astro

Share this post


Link to post
Share on other sites
W dniu 20.04.2020 o 01:32, KopalniaWiedzy.pl napisał:

Do fotosyntezy potrzebne jest nie tylko światło, ale i ciepło

To chyba jest oczywiste? większość reakcji w chemii organicznej ma większą wydajność przy dostarczaniu dodatkowego ciepła. już nawet alchemicy podgrzewali te wszystkie swoje magiczne fiolki i kolby :)

Share this post


Link to post
Share on other sites

Create an account or sign in to comment

You need to be a member in order to leave a comment

Create an account

Sign up for a new account in our community. It's easy!

Register a new account

Sign in

Already have an account? Sign in here.

Sign In Now

  • Similar Content

    • By KopalniaWiedzy.pl
      Astrofizycy uważają, że znaleźli potężne i unikatowe narzędzie do wykrywania ciemnej materii – egzoplanety. W opublikowanym przez siebie artykule naukowcy stwierdzają, że obecność ciemnej materii można wykryć, mierząc jej wpływ na temperaturę egzoplanet.
      Sądzimy, że istnieje 300 miliardów egzoplanet. Jeśli odkryjemy i przebadamy niewielki odsetek z nich, to zyskamy olbrzymią ilość informacji na temat ciemnej materii, stwierdził Juri Smironv z Ohio State University. Smirnov i Rebecca Lane ze SLAC National Accelerator Laboratory są autorami artykułu opublikowanego w Physical Review Letters.
      Uczony dodaje, że gdy ciemna materia zostaje przechwycona przez grawitację egzoplanet, jest wciągana do jądra planety, gdzie dochodzi do jej anihilacji, co wiąże się z uwolnieniem ciepła. Im więcej ciemnej materii, tym więcej ciepła jest w ten sposób emitowane. Ciepło to może zaś zostać zarejestrowane przez Teleskop Kosmiczny Jamesa Webba (James Webb Space Telescope – JWST), który ma zostać wystrzelony w październiku bieżącego roku. Jeśli egzoplanety będą wydzielały nadmiarowe ciepło związane z obecnością ciemnej materii, powinniśmy być w stanie to zauważyć, dodaje Smirnov.
      Zdaniem uczonych planety spoza Układu Słonecznego mogą być szczególnie pomocne w wykrywaniu lżejszej ciemnej materii, tej o niższej masie. Dotychczas nie prowadzono poszukiwań ciemnej materii w takich zakresach masy.
      Naukowcy uważają, że gęstość ciemnej materii rośnie w kierunku centrum Drogi Mlecznej. Jeśli to prawda, to powinniśmy zauważyć, że planety bliżej centrum galaktyki rozgrzewają się bardziej niż te na jej obrzeżach. Jeśli byśmy coś takiego zarejestrowali byłoby to niesamowite odkrycie. Wskazywałoby, że znaleźliśmy ciemną materię, mówi Smirnov.
      Smirnov i Lane proponują, by przyjrzeć się „gorącym Jowiszom” oraz brązowym karłom. To w tych obiektach najłatwiej będzie zauważyć nadmiarowe ciepło spowodowane obecnością ciemnej materii. Uczeni uważają też, że warto poszukać i badać swobodne planety, takie, które nie orbitują wokół gwiazd. W ich przypadku nadmiarowe ciepło powinno być jeszcze bardziej oczywistym sygnałem obecności ciemnej materii, gdyż nie dociera do nich energia z gwiazd macierzystych.
      Olbrzymią zaletą wykorzystania egzoplanet jako wykrywaczy ciemnej materii jest fakt, że nie potrzeba do tego nowych rodzajów urządzeń lub technologii czy przeprowadzania takich badań, jakich dotychczas nie wykonywano.
      Obecnie znamy ponad 4300 egzoplanet i niemal 6000 kandydatów na planety. W ciągu najbliższych lat misja Gaia, wysłana przez Europejską Agencję Kosmiczną, powinna wykryć dziesiątki tysięcy kolejnych egzoplanet. Będziemy więc mieli olbrzymią liczbę obiektów, które można badać w poszukiwaniu ciemnej materii.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Szwajcarscy naukowcy zauważyli, że w drewnie zainfekowanym rozkładającymi je grzybami dochodzi do 55-krotnego zwiększenia produkcji energii. Po 10 tygodniach od zainfekowania drewno wytwarzało tyle energii, że wystarczało to do zasilenia LED-ów. Uczeni twierdzą, że podłoga z drewna potraktowanego grzybem mogłaby wytwarzać odnawialną energię elektryczną, która powstawałaby wskutek chodzenia ludzi po takiej podłodze.
      Już przed wieloma dziesięcioleciami zauważono, że pod wpływem nacisku w drewnie powstają ładunki elektryczne. Ten efekt piezoelektryczny to wynik deformacji krystalicznej celulozy. Jednak jest on bardzo słaby, około 20-krotnie słabszy niż analogiczny efekt w kryształach kwarcu. Ponadto drewno nie jest łatwo zdeformować.
      Niektórzy naukowcy interesują się efektem piezoelektrycznym w materiałach budowlanych. Dość wspomnieć, że budynki są odpowiedzialne za 40% konsumpcji energii oraz 25% emisji gazów cieplarnianych. Gdyby udało się wykorzystać efekt piezoelektryczny z materiałów budowlanych można by produkować, w skali globalnej, olbrzymie ilości czystej odnawialnej energii.
      Ingo Burgert i jego koledzy ze Szwajcarskiego Instytutu Technologicznego w Zurichu (ETH Zurich) odkryli, że potraktowanie drewna mieszaniną nadtlenku wodoru i kwasu octowego prowadzi do 85-krotnego zwiększenia produkcji energii w drewnie w wyniku efektu piezoelektrycznego. Mieszanina taka rozpuszcza ligninę, pozostawiając celulozę, która staje się bardziej elastyczna. Z 1,5 centymetra sześciennego takiego drewna można uzyskać 0,69 V, czyli 85-krotnie więcej niż ze zwykłego drewna. Co więcej, wydajność taka utrzymuje się przez 600 cykli ściskania. Oddziałując na takie drewno można zasilać LED-y czy prosty wyświetlacz ciekłokrystaliczny.
      Jednak uczeni chcieli odwołać się do bardziej naturalnego procesu, bez potrzeby używania szkodliwych środków chemicznych. A naturalnym procesem zmieniającym strukturę drewna jest jego rozkład przez grzyby. W ramach eksperymentów zainfekowali drewno grzybem Ganoderma applanatum. Po 10 tygodniach drewno straciło 45% wagi i w tym momencie jego podatność na nacisk była najlepsza, a jednocześnie wracało ono do swojego oryginalnego kształtu po ustąpieniu nacisku.
      Analizy wykazały, że 1,5 cm2 takiego drewna poddane naciskowi 45 kPa generuje 0,87 V, podczas gdy to samo drewno niezainfekowane grzybem generuje 0,015 V. Co więcej pod naciskiem 100 kPa z drewna uzyskiwano 1,32 V.
      Analizy wykazały, że grzyby zmieniają strukturę i skład chemiczny ścian komórkowych drewna, zwiększając naturalne właściwości piezoelektryczne tego materiału. "Pracujemy obecnie nad stworzeniem instalacji pokazowej, która ma udowodnić, że można w ten sposób zasilać czujniki zintegrowane w drewnianej podłodze", mówi Burgert.
      Badania były prowadzone na drewnie balsy, gdyż grzyb szybko rozkłada w nim ligninę. Naukowcy chcą wykorzystać tę samą technikę na rodzimych gatunkach.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Nowa, wykorzystująca światło, technologia lewitacji, pozwoli na zbadanie niedostępnych obecnie obszarów atmosfery. Mohsen Azadi i jego koledzy z University of Pennsylvania pracują nad niewielkimi urządzeniami, które – wykorzystując zjawisko fotoforezy – będą lewitowały w mezosferze, obszarze położonym 50–80 kilometrów nad powierzchnią Ziemi.
      Gęstość powietrza w mezosferze jest zbyt mała, by mogły latać tam samoloty. Nie latają tam również balony. Dlatego obszar ten jest bardzo słabo poznany. Jednym z rozwiązań problemu umieszczenia tam obiektu latającego byłoby wykorzystanie fotoforezy, ruchu miniaturowych obiektów w aerozolach, do którego dochodzi w wyniku nierównomiernego absorbowania przez nie promieniowania cieplnego.
      Azadi i jego zespół chcą doprowadzić do lewitacji dość sporych obiektów. Rozpoczęli eksperymenty z folią poliestrową o średnicy 6 mm i grubości 500 nm. Na spodniej stronie umieścili 300-nanometrowej grubości warstwę węglowych nanorurek, tworząc w ten sposób miniaturowe pułapki, w których uwięzione zostaje powietrze. Swoje dyski umieścili w komorze próżniowej, w której panowało ciśnienie 10 Pa, i oświetlili je światłem o intensywności porównywalnej ze światłem słonecznym.
      Dyski rozgrzewają się i oddają ciepło do otaczającego je powietrza. Powietrze uwięzione w nanorurkach ogrzewane jest dłużej, niż to nad dyskiem. Dzięki temu, gdy już się wyrwie z nanorurkowej pułapki, ma większą prędkość. Powstaje siła pchająca dysk do góry i umożliwiająca mu lewitowanie.
      Naukowcy, odpowiednio manipulując intensywnością światła, byli w stanie kontrolować, w jaki sposób porusza się dysk. Stworzyli na tej podstawie model teoretyczny jego wznoszenia się i ruchu.
      Potrzebne są jeszcze dodatkowe badania i prace nad tą koncepcją, jednak już wkrótce może być ona na tyle rozwinięta, że możliwe będzie skonstruowanie lekkich urządzeń latających samodzielnie na wysokości od 50 do 100 kilometrów i zabierających dodatkowe obciążenie o wadze 10 mg. Co więcej, możliwości takich urządzeń będzie można zwiększyć, jeśli setki tego typu lewitujących dysków zostaną połączone za pomocą lekki włókien węglowych. Tego typu „rój” połączonych dysków mógłby zostać wyposażony w urządzenia do badania zapylenia mezosfery czy śledzenia cyrkulacji powietrza. Możliwe stałoby się zatem badanie najsłabiej poznanego obszaru atmosfery.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Naukowcy z University of Massachusetts Amhers odkryli, w jaki sposób spowodować, by przedmioty poruszały się, korzystając wyłącznie z przepływu energii w otoczeniu. Ich badania mogą przydać się w licznych zastosowaniach – od produkcji zabawek po przemysł wojskowy. Wszędzie tam, gdzie potrzebne jest zapewnienie źródła napędu. Ponadto pozwolą nam w przyszłości więcej dowiedzieć się o tym, jak natura napędza niektóre rodzaje ruchu.
      Profesor Al Crosby, student Yongjin Kim oraz Jay Van den Berg z Uniwersytetu Technologicznego w Delft (Holandia) prowadzili bardzo nudny eksperyment. Jego częścią było obserwowanie, jak wysycha kawałek żelu. Naukowcy zauważyli, że gdy długi pasek żelu schnie, tracąc wilgoć wskutek parowania, zaczyna się poruszać. Większość tych ruchów była powolna, jednak od czasu do czasu żel przyspieszał. Te przyspieszenia miały związek z nierównomiernym wysychaniem. Dodatkowe badania ujawniły, że znaczenie ma tutaj kształt i że żelowe paski mogą „zresetować się”, by kontynuować ruch.
      Wiele zwierząt i roślin, szczególnie tych małych, korzysta ze specjalnych elementów działających jak sprężyny i zatrzaski, co pozwala im bardzo szybko się poruszać, znacznie szybciej niż zwierzęta korzystające wyłącznie z mięśni. Dobrym przykładem takiego ruchu są takie rośliny jak muchołówki, a w świecie zwierzęcym są to koniki polne i mrówki z rodzaju Odontomachus. Niestabilność to jedna z metod, którą natura wykorzystuje do stworzenia mechanizmu sprężyny i zatrzasku. Coraz częściej wykorzystuje się taki mechanizm by umożliwić szybki ruch małym robotom i innym urządzeniom. Jednak większość z tych mechanizmów potrzebuje silnika lub pomocy ludzkich rąk, by móc kontynuować ruch. Nasze odkrycie pozwala na stworzenie mechanizmów, które nie będą potrzebowały źródła zasilania czy silnika, mówi Crosby.
      Naukowcy wyjaśniają, że po zaobserwowaniu poruszających się pasków i zbadaniu podstaw fizyki wysychania żelu, rozpoczęli eksperymenty w celu określenia takich kształtów, które z największym prawdopodobieństwem spowodują, że przedmiot będzie reagował tak, jak się spodziewamy i że będzie poruszał się bez pomocy silnika czy ludzkich dłoni przeprowadzających jakiś rodzaj resetu.
      To pokazuje, że różne materiały mogą generować ruch wyłącznie dzięki interakcji z otoczeniem, np. poprzez parowanie. Materiały te mogą być przydatne w tworzeniu nowych robotów, szczególnie małych, w których trudno jest zmieścić silniki, akumulatory czy inne źródła energii, stwierdza profesor Crosby.
      Ta praca to część większego multidyscyplinarnego projektu, w ramach którego próbujemy zrozumieć naturalne i sztuczne systemy, pozwalające na stworzenie w przyszłości skalowalnych metod generowania energii na potrzeby ruchu mechanicznego. Szukamy też materiałów i struktur do przechowywania energii. Odkrycie może znaleźć wiele różnych zastosowań w Armii i Departamencie Obrony, mówi doktor Ralph Anthenien, jeden z dyrektorów Army Research Office. Badania Crosby'ego są finansowane przez U.S. Army Combat Capabilities Development Command.
      Więcej na ten temat przeczytamy w artykule Autonomous snapping and jumping polymer gels.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Niemieccy fizycy z Uniwersytetu im. Goethego we Frankfurcie dokonali najkrótszego w historii pomiaru czasu. We współpracy z naukowcami z DESY (Niemiecki Synchrotron Elektronowy) w Hamburgu i Instytutu Fritza Habera w Berlinie zmierzyli czas przejścia światła przez molekułę. Dokonany pomiar mieści się w przedziale zeptosekund.
      W 1999 roku egipski chemik Ahmed Zewail otrzymał Nagrodę Nobla za zmierzenie prędkości, z jaką molekuły zmieniają kształt. Wykorzystując laser stwierdził, że tworzenie się i rozpadanie wiązań chemicznych odbywa się w ciągu femtosekund. Jedna femtosekunda to zaś 0,000000000000001 sekundy (10-15 s).
      Teraz zespół profesora Reinharda Dörnera po raz pierwszy w historii dokonał pomiarów odcinków czasu, które są o cały rząd wielkości krótsze od femtosekundy. Niemcy zmierzyli, ile czasu zajmuje fotonowi przejście przez molekułę wodoru. Okazało się, że dla średniej długości wiązania molekuły czas ten wynosi 247 zeptosekund. To najkrótszy odcinek czasu, jaki kiedykolwiek udało się zmierzyć. Jedna zeptosekunda to 10-21 sekundy.
      Pomiarów dokonano wykorzystując molekułę H2, którą wzbudzono w akceleratorze za pomocą promieniowania rentgenowskiego. Energia promieni została dobrana tak, by pojedynczy foton wystarczył do wyrzucenia obu elektronów z molekuły.
      Elektrony zachowują się jednocześnie jak cząstki i fale. Wyrzucenie pierwszego z nich skutkowało pojawieniem się fali, po chwili zaś dołączyła fala drugiego elektronu. Z kolei foton zachowywał się jak płaski kamyk, który dwukrotnie skakał po falach.
      Jako, że znaliśmy orientację przestrzenną molekuły wodoru, wykorzystaliśmy interferencję fal obu elektronów, by dokładnie obliczyć, kiedy foton dotarł do pierwszego, a kiedy do drugiego atomu wodoru. Okazało się, że czas, jaki zajęło fotonowi przejście pomiędzy atomami, wynosi do 247 zeptosekund, w zależności od tego, jak daleko z punktu widzenia fotonu znajdowały się oba atomy, wyjaśnia Sven Grudmann.
      Profesor Reinhard Dörner dodaje: Po raz pierwszy udało się zaobserwować, że elektrony w molekule nie reagują na światło w tym samym czasie. Opóźnienie ma miejsce, gdyż informacja w molekule rozprzestrzenia się z prędkością światła. Dzięki tym badaniom możemy udoskonalić naszą technologię i wykorzystać ją do innych badań.

      « powrót do artykułu
  • Recently Browsing   0 members

    No registered users viewing this page.

×
×
  • Create New...