Ich habe versehentlich auf ein "Top n
X
's that Y
"-Ergebnis in Google geklickt und die Top 9 Pflanzen gefunden , die (sic) auch nachts Sauerstoff abgeben (am besten für drinnen) .
In dieser hilfreichen Antwort habe ich eine schöne, prägnante Beschreibung gefunden, die ich hier nur wiedergeben werde:
Die Photosynthese besteht aus zwei allgemeinen Schritten, einem, der Licht benötigt, und einem, der kein Licht benötigt. Der erste Schritt findet in der Thylakoidmembran statt und spaltet Wasser in Sauerstoff, Wasserstoffionen und Energie. Der zweite Schritt ist die Kohlenstofffixierung, die in den Chloroplasten stattfindet und Energie verbraucht, um das Kohlendioxid in Kohlenhydrate umzuwandeln.
Schritt 1:
Schritt 2:
Im Allgemeinen stammt der von Pflanzen freigesetzte Sauerstoff aus der Wasserspaltung, die (in einem mehrstufigen Prozess) durch Photonen angetrieben wird. Soweit ich mich erinnere, sind die Sauerstoffmoleküle ( ) werden normalerweise innerhalb von Sekunden erzeugt und an die Luft abgegeben, und sicherlich innerhalb von Minuten, nachdem alle erforderlichen Photonen dafür absorbiert wurden.
Also frage ich; gibt es pflanzen, die wirklich sinnvolle oder auch nur messbare sauerstoffmengen ohne licht abgeben?
(Oder ist die Idee hier, dass Sie nachts Ihr Licht anlassen und so tatsächlich jede Pflanze nachts Sauerstoff produzieren kann?)
Kurze Antwort: Jede Pflanze kann nachts Sauerstoff produzieren, aber Pflanzen können ohne Licht keinen Sauerstoff produzieren.
Längere Antwort: Es kommt auf die Spontaneität einer Reaktion an, dh ob eine Reaktion ohne Energiezufuhr ablaufen kann oder nicht.
Bevor wir über Spontaneität sprechen, ist es meiner Meinung nach besser, zuerst etwas über den Prozess zu erfahren, über den wir hier sprechen. Bei der Photosynthese findet die Wasserspaltungsreaktion im Sauerstoff entwickelnden Komplex durch einen Prozess statt, der als Joliot-Kok-Zyklus (oder einfach Kok-Zyklus) 1 bekannt ist . Obwohl der vollständige Mechanismus dieses Prozesses noch nicht verstanden ist, kann die grundlegende Reaktion in einem Diagramm als 2 dargestellt werden :
( Beachten Sie, dass im Diagramm die benötigte Zeit in Mikrosekunden und sogar Nanosekunden angegeben ist. Auf molekularer Ebene dauert die Sauerstoffentwicklung also keine Minuten oder sogar Sekunden! In größerem Maßstab kann die Freisetzung von Sauerstoff jedoch seit der Bildung länger dauern Sauerstoff muss viele Flüssigkeiten passieren, wie Thylakoidmembran, Stroma, Chloroplastenmembran, Zytoplasma usw., bevor er schließlich in die Atmosphäre gelangt )
Um zu wissen, wo die Photonen benötigt werden (da das obige Diagramm nicht darüber spricht), lasse ich ein weiteres Diagramm ein, das die Schritte enthält, an denen Photonen hereinkommen (wie von Rutherford et al ., 1989 dargestellt ):
Wie Sie sehen können, erhält der Kok-Zyklus keine direkte Energiezufuhr durch Photonen. Vielmehr ist es das hochenergetische P 680 + , das ein redoxaktives Tyrosin (Y Z ) oxidiert, das die Reaktion vorantreibt (der eigentliche Prozess ist viel komplexer, siehe eine andere Antwort oder Halverson et al ., 2003 für Details).
Wenn wir nun über die Spontaneität dieser Reaktion sprechen, ist die Oxidation von Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff ein endothermer Prozess, dh er ist von Natur aus nicht spontan. Tatsächlich benötigt der Prozess 475 kJ/mol Energie für seinen Ablauf ( Wikipedia ). Diese Energiebarriere ist so groß, dass auch im Kok-Zyklus 4 Photonen benötigt werden, um die Oxidation von 1 Wassermolekül herbeizuführen (im Allgemeinen werden Katalysatoren verwendet, damit sie die Energiebarriere einer nicht spontanen Reaktion senken, damit sie stattfinden kann unter normalen Bedingungen durchgeführt). Nilsson et al. , 1857, spricht über freie Energieänderung ( ) des Zyklus. Siehe die Grafik für die Änderung der freien Energie:
Wie aus der Grafik deutlich ersichtlich ist, wird eine höhere Energiemenge benötigt, um Wasser zu oxidieren ( ) und noch höher für die Freisetzung von Disauerstoff aus dem Komplex ( ) (obwohl die Änderung der freien Energie für den letzten Schritt negativ ist, dh die Freisetzung von Sauerstoff erfolgt spontan, ist die Gesamtenergie immer noch größer als die bei S 3 ). Da die Reaktion also eine Gesamtenergiezufuhr erfordert, können Pflanzen ohne Licht keinen Sauerstoff produzieren . Wie Sie bereits vermuten, ist der Punkt hier auch der Lichtreichtum aus künstlichen Quellen, der einige Pflanzen in die Lage versetzt, nachts Sauerstoff zu produzieren.
BONUS: Ich werde einige Details über die Thermodynamik des Systems hinzufügen (überspringen Sie diesen Teil, wenn Sie nicht an Mathematik interessiert sind). Die grundlegenden Gleichungen, die ich hier verwenden werde, sind die Gibbs Fundamental Equation ( ), Arrhenius-Gleichung ( ) und Eyring-Gleichung ( ) und die verwendeten Daten stammen von Nilsson et al , 1857 .
Aus , um eine spontane Reaktion hervorzurufen ( ), entweder sollte Wärme freigesetzt werden ( ) oder Entropiezunahme ( ). Wie wir heute wissen, ist die Reaktion endotherm, dh es findet Wärmeaufnahme statt. Es muss also eine Erhöhung der Gesamtentropie stattfinden, um die Reaktion voranzutreiben. Wenn Sie sich den Graphen für die Änderung der freien Energie in verschiedenen Reaktionsschritten ansehen, sieht das so aus:
In diesem, ist die Gesamtenergieänderung, ist der erforderliche Energieeintrag (gegeben durch Photonen), ist die endgültige freie Energieänderung und ist die Aktivierungsenergie von Gibbs. Hier, (in blau dargestellt) entspricht nur der Entropieänderung, wenn Endprodukte (Sauerstoff und Protonen) aus dem System freigesetzt werden, da hier keine Enthalpieänderung stattfindet.
In der Freisetzungszwischenstufe der Stoffmengenanteil für Sauerstoff, während im dissoziierten Produktstadium der Molenbruch für Wasser und für Sauerstoff (unter der Annahme einer Molarität von Wasser = 56 M), da im Endstadium Wasser oder Sauerstoff oder beide an das aktive Zentrum gebunden bleiben können.
Zur Freisetzung von Sauerstoff: und
was gibt
Für die Freisetzung von Protonen: (da es keine Enthalpieänderung gibt, wird vernachlässigt)
Jetzt,
Ebenfalls
Seit deshalb dh es wird Energie zugeführt.
Nun zur Reaktion (für die wir das obige Diagramm erstellt haben)
Zeitkonstante
dh
oder
Verwenden der Eyring-Gleichung
Wir bekommen
Mit anderen Worten
Wieder
Beim Lösen,
Auch hier erhalten wir aus der Eyring-Gleichung
Die große Geschwindigkeitskonstante zeigt, dass es eine starke treibende Kraft für die Freisetzung von Sauerstoff aus dem System gibt, was sehr wahrscheinlich auf eine erhöhte Entropie des Endprodukts zurückzuführen ist.
Somit senkt das Enzym die freie Energie der Reaktion, jedoch auf Kosten einer erhöhten Aktivierungsenergiebarriere. Um auf den Hauptpunkt zurückzukommen, da dem System für die Reaktion Energie zugeführt wird, ist die Reaktion nicht spontan. Der letzte Schritt der Reaktion ist jedoch spontan (wie auch im ersten Diagramm zu sehen), da die Translations- und Rotationsentropie der Endprodukte bei ihrer Freisetzung zunimmt (in den obigen Berechnungen haben wir die Rotationsentropie wegen fehlender Daten vernachlässigt). Außerdem galten die obigen Berechnungen nur für den letzten Reaktionsschritt ( ), um seine Spontaneität zu zeigen. In allen anderen Schritten muss dem System Energie zugeführt werden, um die Reaktion voranzutreiben (wie im ersten und zweiten Diagramm oben gezeigt), wodurch die Gesamtreaktion endergonisch wird. Ich hoffe das hilft jetzt.
Verweise:
2. Sauerstoffentwicklung – 1996, Antony Crofts, Universität von Illinois in Urbana-Champaign
Immer verwirrt
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ein weiterer 'Homo sapien'
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