Cum își obțin alimentele ființele vii?

Când te gândești la mâncare, îți vine de obicei imagini cu mâncarea ta preferată? Acesta este un proces natural, deoarece hrana este importantă pentru fiecare lucru viu. Pentru a îndeplini această nevoie de bază, toate ființele vii fie își fac propria hrană, fie o primesc din altă sursă. Oamenii pot mânca atât plante, cât și animale. Unele animale consumă alte animale, în timp ce unele animale mănâncă plante ca hrană. În cele din urmă, vedem că toată lumea de pe această planetă este dependentă de plante pentru hrana lor. Dar atunci, ce mănâncă plantele? De fapt, plantele „mănâncă” lumina soarelui și un gaz numit dioxid de carbon, ambele fiind ușor disponibile chiar aici pe pământ. Procesul prin care plantele terestre își produc propriile alimente folosind lumina soarelui și dioxidul de carbon este cunoscut sub numele de fotosinteză (Figura 1). dioxidul de carbon este absorbit de frunze, lumina soarelui este capturată de o moleculă chimică din plantă, numită clorofilă (Chl). Toate organismele fotosintetice conțin Chl.

Cu toate acestea, modul în care plantele terestre realizează fotosinteza nu ajută organismele care trăiesc în oceane, care acoperă aproape 70% din pământul nostru. Plantele din oceane se confruntă cu probleme h disponibilitatea luminii. Porțiunile de lumină albastră și verde pătrund în apă mai mult decât porțiunile de lumină galbenă și roșie (Figura 2). Din fericire, plantele oceanice primesc ajutor în producerea de alimente dintr-o lumină atât de limitată și dioxid de carbon, din microbi microscopici mici numiți cianobacterii (cunoscute și sub numele de alge albastre-verzi). Acești microbi s-au adaptat condițiilor de lumină slabă și realizează fotosinteza atât pentru ei înșiși, cât și în beneficiul altor ființe vii. Cianobacteriile sunt microbi antici care trăiesc pe pământul nostru de miliarde de ani. Se spune că cianobacteriile sunt responsabile pentru crearea atmosferei umplute cu oxigen în care trăim. Pentru realizarea fotosintezei în condiții de lumină slabă, cianobacteriile au ajutorul proteinelor numite ficobiliproteine, care se găsesc îngropate în membranele celulare (învelișul exterior) al cianobacteriilor.

Ce sunt ficobiliproteinele?

Ficobiliproteinele joacă rolul de asistenți ai Chl în medii acvatice (de apă). Întrucât lumina pătrunde greu în oceane, ficobiliproteinele facilitează acest lucru prin absorbția oricărei lumini disponibile; absorb porțiunea verde a luminii și o transformă în lumină roșie, care este culoarea luminii cerută de Chl. Cu toate acestea, schimbarea culorii luminii nu este atât de ușoară pe cât pare. Lumina verde trebuie să treacă prin diferite molecule de ficobiliproteină, care absorb lumina de o culoare și dau lumină de altă culoare. Culoarea care este dată este apoi preluată de o a doua ficobiliproteină, care o transformă într-o a treia culoare.Acest proces continuă până când lumina emisă este roșie, care poate fi preluată în cele din urmă de Chl. Pentru ca acest întreg proces să aibă loc, avem trei tipuri diferite de molecule de ficobiliproteină dispuse ca un fel de pălărie peste molecula de Chl, după cum puteți vedea în Figura 3. Aceste trei tipuri de ficobiliproteine sunt:

• (a) C-ficoeritrina (CPE), de culoare roșu-roz și responsabilă pentru absorbția porțiunii verzi a soarelui.

• (b) C-ficocianină (CPC), de culoare albastru intens și responsabilă cu absorbția porțiunii roșu portocaliu a soarelui.

• (c) Aloficocianină (APC) ), de culoare albastru deschis și responsabil pentru absorbția porțiunii roșii a soarelui.

Motivul pentru care ficobiliproteinele absorb lumina de diferite culori este acela că conțin în interiorul lor molecule chimice numite biline, care le conferă culorile lor strălucitoare. Aceste biline sunt responsabile pentru absorbția luminii de o culoare și emiterea de lumină de altă culoare, provocând astfel o schimbare a culorii luminii. Instrumentele avansate ne-au permis să analizăm dispunerea acestor molecule și proteine în cianobacterii. Știm că ficobiliproteinele au formă de discuri, iar discurile sunt stivuite una peste alta pentru a forma structura asemănătoare pălăriei. Un capăt al stivei este realizat din CPE, în timp ce celălalt capăt este din CPC. Acest ansamblu se alătură nucleului, realizat din APC. Întreaga structură este legată de Chl, care acceptă lumina roșie emisă de APC. Aranjamentul structurii asemănătoare pălăriei a fost prezentat în Figura 3.

Cum are loc transferul de energie luminoasă în ficobiliproteine?

Schimbarea culorii luminii de la verde la roșu are loc loc printr-un proces cunoscut sub numele de fluorescență. Să vedem ce este fluorescența. Imaginați-vă un recipient transparent umplut cu un lichid de culoare roz care, atunci când este iluminat cu o lanternă, strălucește un portocaliu strălucitor! Exact asta face CPE (Figura 4). Toate ficobiliproteinele posedă această proprietate interesantă de a emite lumină vizibilă de o culoare diferită de culoarea luminii care este strălucită asupra lor. După ce CPE schimbă lumina verde în galben-portocaliu, CPC preia lumina galben-portocalie și o schimbă în roșu deschis. APC preia această lumină roșie deschisă și o schimbă într-o lumină roșie intensă pentru Chl. Deci, acum avem lumina verde schimbată în roșu, care este culoarea luminii pe care natura intenționa să o absoarbă Chl. Întregul proces este un fel de cursă de ștafetă, în care fiecare participant preia locul în care s-a oprit precedentul (Figura 5). Aceste ficobiliproteine sunt o parte importantă a micilor organisme microscopice numite cianobacterii, care realizează fotosinteza în același mod ca și plantele terestre. Singura diferență este că utilizează un set diferit de molecule chimice – cianobacteriile folosesc ficobiliproteine în timp ce plantele terestre utilizează Chl.

Ce am învățat?

Deci, știm acum că fotosinteza este procesul prin care plantele își produc hrana, folosind Chl. Știm, de asemenea, că cantitatea redusă de lumină disponibilă în oceane scade acest proces fotosintetic. Natura a dezvoltat unele molecule chimice ajutătoare cunoscute sub numele de ficobiliproteine, care sunt capabile să absoarbă culorile luminii disponibile în oceane și să transforme această lumină într-o culoare pe care o pot folosi moleculele Chl. Aceste ficobiliproteine se găsesc în cianobacterii mici, invizibile cu ochiul liber, a căror fotosinteză este responsabilă pentru furnizarea de alimente organismelor vii din oceane și, de asemenea, pentru producerea oxigenului din atmosfera noastră pe care o respirăm în fiecare secundă.Nu este interesant faptul că aceste mici organisme pot face o astfel de diferență în viața marină? În viitor, sperăm să înțelegem mai bine funcțiile ficobiliproteinelor și rolurile pe care acestea le pot juca în beneficiul omenirii.

Glosar

Fotosinteza: un proces prin care plantele produc alimente pentru ei și pentru alte organisme folosind lumina soarelui și dioxidul de carbon gazos.

Clorofilă: O moleculă chimică prezentă în plante care absoarbe lumina soarelui pentru fotosinteză.

Ficobiliproteine: pigmenți colorați găsiți în cianobacterii și anumite alte organisme, care ajută în fotosinteză prin absorbția anumitor culori de lumină pe care clorofila nu le poate absorbi.

Fluorescență: Proprietatea anumitor compuși de a absorbi o culoare de lumină și de a emite o altă culoare. Ficobiliproteinele folosesc această proprietate pentru a schimba culoarea luminii pe care o absorb, astfel încât lumina să poată fi utilizată pentru fotosinteză.

Declarație privind conflictul de interese

Autorii declară că cercetarea a fost efectuată în absența oricărei relații comerciale sau financiare care ar putea fi interpretată ca un potențial conflict de interese.

Mulțumiri

Acest manuscris a primit numărul de înregistrare CSIR-CSMCRI – 114/2016. TG recunoaște cu recunoștință AcSIR pentru doctorat. înscriere și CSIR (CSC 0105) pentru sprijin financiar.