Fotosyntesens effektivitet är andelen ljusenergi som omvandlas av organismer till kemisk energi under fotosyntesen . Fotosyntes kan förenklas i termer av en kemisk reaktion.
6H 2 O + 6CO 2 + energi → C 6 H 12 O 6 + 6O 2där C 6 H 12 O 6 är glukos (som sedan kommer att omvandlas till andra sockerarter , cellulosa , lignin , och så vidare). Värdet av fotosyntetisk produktivitet beror på vad som menas med ljusenergi, det vill säga om allt absorberat ljus tas med i beräkningen och vad det är för slags ljus (se fotosyntetiskt aktiv strålning ). Det krävs åtta (kanske 10 eller fler [1] ) fotoner för att fånga en CO 2 -molekyl . Gibbs energi för att omvandla en mol CO 2 till glukos är 114 kcal, medan åtta mol fotoner med en våglängd på 600 nm innehåller 381 kcal, vilket ger en nominell effektivitet på 30 % [2] . Men endast ljus i området från 400 till 720 nm kan effektivt användas i fotosyntesen. I verkligt solljus faller 45 % av strålningen in i denna region, så den teoretiska maximala omvandlingseffektiviteten för solenergi är cirka 11 %. Men i verkligheten absorberar inte växter allt infallande solljus (på grund av reflektion, andning och behovet av en optimal nivå av solstrålning) och omvandlar inte all energi de samlar in till biomassa , vilket resulterar i 3 till 6 % av total solstrålning i total fotosyntetisk produktivitet [1] . Om fotosyntesen är ineffektiv är det nödvändigt att bli av med överskottsenergi för att undvika skador på fotosyntesapparaten. Typiskt försvinner sådan energi som värme ( icke-fotokemisk släckning ) eller emitteras som klorofyllfluorescens .
Nedan är effektiviteten av att omvandla solljusenergi till biomassa:
| Växt | Effektivitet |
|---|---|
| Växter, typiska | 0,1 % [3] 0,2–2 % [4] |
| Typisk gröda av växter | 1-2 % [3] |
| Sockerrör | 7-8 % (max) [3] [5] |
Nedan är en analys av fotosyntesens energi [6] :
Börjar med solljus som faller på ett löv:
Med andra ord: 100 % av solljuset → biotillgänglig strålning (400-700 nm) är 53 %, och 47 % av den återstående strålningen används inte → 30 % av fotoner går förlorade på grund av ofullständig absorption av 37 % (absorberad fotonenergi) → 24 % går förlorade under överföring genom antennkomplex upp till en energinivå på 700 nm, vilket lämnar 28,2 % av ljusenergin som samlas upp av klorofyll → 32 % omvandlas till ATP och NADPH, och sedan till D-glukos, vilket lämnar 9 % (socker) → 35-40% av sockret konsumeras löv i processen för andning och fotorespiration, 5,4% av energin går till nettoökningen av biomassa.
Många växter använder det mesta av sin återstående energi för att växa rötter. De flesta odlade växter lagrar från ~0,25% till 0,5% av energin från solljus i form av biomassa (majskärnor, potatisstärkelse , etc.). Det enda undantaget är sockerrör, som kan lagra upp till 8 % av solenergin.
Intensiteten av fotosyntesen ökar linjärt med ökande ljusintensitet, men når gradvis mättnad. Beroende på grödan, när belysningen är över 10 000-40 000 lux (solljus antyds), stannar tillväxten av fotosyntesen. Således kan de flesta växter bara använda ~10-20% av den totala energin av middagssolljus [6] . Vilda växter (till skillnad från laboratorieexemplar) har dock många överflödiga, slumpmässigt orienterade löv. Detta gör det möjligt att hålla den genomsnittliga ljusexponeringen för varje blad långt under middagstoppljusnivån, vilket gör att växten kan uppnå nivåer närmare de förväntade laboratorietestresultaten under relativt begränsat ljus.
Endast om ljusintensiteten är över ett visst värde, som kallas ljuskompensationspunkten , absorberar växten mer koldioxid än vad den släpper ut som ett resultat av cellandningen .
Fotosyntesmätsystem är inte kapabla att direkt mäta mängden ljus som absorberas av ett löv. Ljusresponskurvor som kan mätas och plottas gör det dock möjligt att jämföra olika växters fotosyntetiska effektivitet.
År 2010 visade en studie utförd vid University of Maryland att fotosyntetiska cyanobakterier ger ett betydande bidrag till den globala kolcykeln och utför cirka 20-30% av den totala lagringen av ljusenergi till kemisk bindningsenergi med en intensitet på ~450 terawatt [7] .
VärldssiffrorEnligt studien som nämns ovan är jordens totala fotosyntetiska produktivitet ~1500-2250 terawatt eller 47,3-71 zetta joule per år. Med tanke på att effekten av solstrålning som når jordens yta är 178 000 terawatt [7] är den totala effektiviteten av fotosyntesen på planeten mellan 0,84 % och 1,26 % (se även jordens värmebalans ).
Typiska råvaror för produktion av vegetabiliska biobränslen är palmolja , sojabönor , ricinolja , solrosolja , safflorolja , majsetanol och sockerrörsetanol.
En analys av hawaiianska oljepalmplantager hävdade att den kunde ge en produktion på 600 liter biodiesel per hektar och år, vilket är 2835 watt per hektar eller 0,7 W/m 2 [8]. Den vanliga belysningsnivån på Hawaii är 5,5 kWh/(m 2 dag) eller 230 watt [9] . För en viss oljepalmplantage, om den faktiskt producerar 600 liter biodiesel per hektar per år, betyder det att den kommer att omvandla 0,3 % av den infallande solenergin till bränsle.
Jämför detta med en typisk solcellsanläggning [ 10] som producerar cirka 22 W/m2 ( ungefär 10 % av den genomsnittliga solinstrålningen) under ett år. Dessutom producerar solcellspaneler elektricitet, som är en högordnad energiform , och omvandlingen av biodiesel till mekanisk energi innebär att en betydande del av energin försvinner. Å andra sidan är flytande bränsle mycket bekvämare för ett fordon än el, som måste lagras i tunga, dyra batterier.
C3 - växter använder Calvin -cykeln för att fixera kol . I C 4 - växter modifieras denna cykel på ett sådant sätt att Rubisco isoleras från atmosfäriskt syre, och kolfixering i mesofyllceller går genom oxaloacetat och malat , som sedan transporteras till lokaliseringsplatsen för Rubisco och andra enzymer i Calvin-cykeln , isolerad i cellerna i höljet av det ledande knippet, där är frisättningen av CO 2 . Till skillnad från C4 , i CAM-växter , är Rubisco (och andra Calvin- cykelenzymer ) inte spatialt utan tidsmässigt isolerade från den höga koncentrationen av syre som frigörs under fotosyntesen, eftersom O 2 frigörs under dagen och atmosfärisk CO 2 fixeras på natten och lagras som äppelsyra. Under dagen håller CAM-växter sina stomata stängda och använder äppelsyran som lagras på natten som en kolkälla för sockersyntes.
C 3 -fotosyntes kräver 18 ATP för syntesen av en glukosmolekyl, medan C 4 -vägen förbrukar 20 ATP för detta. Trots den höga förbrukningen av ATP är C4 -fotosyntes en stor evolutionär fördel, eftersom den tillåter anpassning till områden med högt ljus, där den ökade förbrukningen av ATP mer än uppvägs av hög ljusintensitet. Förmågan att trivas trots begränsad tillgång på vatten ökar möjligheten att använda tillgängligt ljus. Den enklare C3-fotosyntesvägen, som fungerar i de flesta växter, är anpassad till fuktiga förhållanden med svagt ljus som de som finns på nordliga breddgrader. Majs , sockerrör och sorghum är C4- växter. Dessa växter är ekonomiskt viktiga delvis på grund av deras relativt höga fotosyntetiska effektivitet jämfört med många andra grödor.