Как работи фотосинтезата?

Процесът на фотосинтеза, при който растенията и дърветата превръщат светлината от слънцето в хранителна енергия, може отначало да изглежда като магия, но пряко и косвено този процес поддържа цялото света. Докато зелените растения посягат към светлината, листата им улавят слънчевата енергия, като използват абсорбиращи светлина химикали или специални пигменти, за да направят храната от въглероден диоксид и вода, изтеглена от атмосферата. Този процес отделя кислород като вторичен продукт обратно в атмосферата, компонент във въздуха, необходим за всички дишащи организми.

TL; DR (твърде дълго; Не прочетох)

Просто уравнение за фотосинтеза е въглероден диоксид + вода + светлинна енергия = глюкоза + кислород. Тъй като образуванията в растителното царство консумират въглероден диоксид по време на фотосинтезата, те отделят кислород обратно в атмосферата, за да могат хората да дишат; зелените дървета и растения (на сушата и в морето) са главно отговорни за кислорода в рамките на атмосфера и без тях животните и хората, както и други форми на живот, може да не съществуват, както те правя днес.

Зелените, растящи неща са необходими за целия живот на планетата, не само като храна за тревопасни и всеядни животни, но и за кислород да диша. Процесът на фотосинтеза е основният начин, по който кислородът навлиза в атмосферата. Това е единственото биологично средство на планетата, което улавя слънчевата светлинна енергия, превръщайки я в захари и въглехидрати, което осигурява хранителни вещества за растенията, като същевременно освобождава кислород.

Помислете за това: Растенията и дърветата могат по същество да изтеглят енергия, която започва във външните пространства на космоса, в форма на слънчева светлина, превърнете я в храна и в процеса освободете необходимия въздух, който организмите изискват процъфтяват. Може да се каже, че всички растения и дървета, произвеждащи кислород, имат симбиотична връзка с всички дишащи кислород организми. Хората и животните осигуряват въглероден диоксид на растенията и те доставят кислород в замяна. Биолозите наричат ​​това мутуалистична симбиотична връзка, защото всички страни във връзката се възползват.

В класификационната система на Линей категоризацията и класирането на всички живи същества, растения, водораслите и вид бактерии, наречени цианобактерии, са единствените живи същества, които произвеждат храна слънчева светлина. Аргументът за изсичането на горите и премахването на растенията в името на развитието изглежда контрапродуктивен, ако не са останали хора, които да живеят в тези разработки, защото не са останали растения и дървета, които да произвеждат кислород.

Растенията и дърветата са автотрофи, живи организми, които сами произвеждат храна. Тъй като те правят това, използвайки светлинната енергия от слънцето, биолозите ги наричат ​​фотоавтотрофи. Повечето растения и дървета на планетата са фотоавтотрофи.

Превръщането на слънчевата светлина в храна се извършва на клетъчно ниво в листата на растенията в органела, намираща се в растителни клетки, структура, наречена хлоропласт. Докато листата се състоят от няколко слоя, фотосинтезата се случва в мезофила, средния слой. Малки микро отвори от долната страна на листата, наречени устици, контролират потока на въглероден диоксид и кислород към и от растението, контролирайки газовия обмен на растението и водния баланс на растението.

Устиците съществуват в долната част на листата, обърнати далеч от слънцето, за да се сведе до минимум загубата на вода. Малки защитни клетки, заобикалящи устиците, контролират отварянето и затварянето на тези подобни на устата отвори чрез подуване или свиване в отговор на количеството вода в атмосферата. Когато устицата се затвори, фотосинтезата не може да възникне, тъй като растението не може да поеме въглероден диоксид. Това води до спадане на нивата на въглероден диоксид в растението. Когато светлите часове станат твърде горещи и сухи, стромата се затваря, за да се запази влагата.

Като органела или структура на клетъчно ниво в листата на растенията, хлоропластите имат външна и вътрешна мембрана, която ги заобикаля. Вътре в тези мембрани има платовидни структури, наречени тилакоиди. Тилакоидната мембрана е мястото, където растенията и дърветата съхраняват хлорофила, зеления пигмент, отговорен за абсорбирането на светлинната енергия от слънцето. Тук се случват първоначалните реакции, зависими от светлината, при които многобройни протеини изграждат транспортната верига, за да пренасят енергия, изтеглена от слънцето, там, където тя трябва да отиде в растението.

Процесът на фотосинтеза е двуетапен, многоетапен процес. Първият етап на фотосинтезата започва с Светлинни реакции, известен също като Процес, зависим от светлината и изисква светлинна енергия от слънцето. Вторият етап, Тъмната реакция етап, наричан още Цикъл на Калвин, е процесът, при който растението произвежда захар с помощта на НАДФН и АТФ от етапа на светлинна реакция.

The Светлинна реакция фазата на фотосинтезата включва следните стъпки:

• Събиране на въглероден диоксид и вода от атмосферата през листата на растението или дървото.
• Абсорбиращите светлината зелени пигменти в растенията или дърветата превръщат слънчевата светлина в съхранена химическа енергия.
• Активирани от светлината, растителните ензими транспортират енергията там, където е необходимо, преди да я освободят, за да започне отново.
  

Всичко това се извършва на клетъчно ниво във вътрешността на тилакоидите на растението, отделни сплескани торбички, подредени в грана или купчини вътре в хлоропластите на растението или дървесните клетки.

The Цикъл на Калвин, кръстен на биохимика в Бъркли Мелвин Калвин (1911-1997), носител на Нобелова награда за химия за откриване през 1961 г. за откриване етап на тъмната реакция, е процесът, при който растението произвежда захар с помощта на НАДФН и АТФ от светлинната реакция сцена. По време на цикъла на Калвин се извършват следните стъпки:

• Фиксиране на въглерод, при което растенията свързват въглерода с растителните химикали (RuBP) за фотосинтеза.
• Фаза на редукция, при която растителните и енергийните химикали реагират, създавайки растителни захари.
• Образуването на въглехидрати като хранително вещество за растенията.
• Фаза на регенерация, при която захарта и енергията си сътрудничат, за да образуват молекула RuBP, която позволява цикълът да започне отново.

В тилакоидната мембрана са вградени две системи за улавяне на светлина: фотосистема I и фотосистема II състоящ се от множество антеноподобни протеини, където листата на растението променят светлинната енергия в химическа енергия. Photosystem I осигурява доставка на нискоенергийни електронни носители, докато другият доставя енергизираните молекули там, където трябва да отидат.

Хлорофилът е поглъщащият светлината пигмент вътре в листата на растенията и дърветата, който започва процеса на фотосинтеза. Като органичен пигмент в хлоропластния тилакоид, хлорофилът абсорбира енергия само в тясна лента на електромагнитния спектър, произведен от слънцето в диапазона на дължината на вълната от 700 нанометра (nm) до 400 нм. Наречен като фотосинтетично активна радиационна лента, зеленият цвят се намира в средата на спектъра на видимата светлина, разделящ по-ниска енергия, но по-дълги вълни червени, жълти и портокалови от високоенергийни, по-къси дължини на вълната, блус, индиго и теменужки.

Като хлорофилите абсорбират единичен фотон или отличителен пакет светлинна енергия, той кара тези молекули да се възбуждат. След като растителната молекула се възбуди, останалите стъпки в процеса включват вкарването на тази възбудена молекула в енергийната транспортна система чрез енергията носител, наречен никотинамид аденин динуклеотид фосфат или NADPH, за доставка до втория етап на фотосинтезата, фазата на тъмната реакция или Calvin Цикъл.

След влизане в електронна транспортна верига, процесът извлича водородните йони от поетата вода и я доставя във вътрешността на тилакоида, където тези водородни йони се натрупват. Йоните преминават през полупореста мембрана от стромалната страна до тилакоидния лумен, като губят част на енергията в процеса, докато те се движат през протеините, съществуващи между двете фотосистеми. Водородните йони се събират в тилакоидния лумен, където чакат повторно енергизиране, преди да участват в процеса, който прави аденозин трифосфат или АТФ, енергийната валута на клетката.

Антенните протеини във фотосистема 1 абсорбират друг фотон, пренасочвайки го към реакционния център PS1, наречен P700. Окислен център, P700 изпраща високоенергиен електрон към никотин-амид аденин динуклеотид фосфат или NADP + и го редуцира, за да образува NADPH и ATP. Тук растителната клетка преобразува светлинната енергия в химическа енергия.

Хлоропластът координира двата етапа на фотосинтезата, за да използва светлинна енергия, за да направи захар. Тилакоидите вътре в хлоропласта представляват местата на светлинните реакции, докато цикълът на Калвин се появява в стромата.

Клетъчното дишане, обвързано с процеса на фотосинтеза, възниква в растителната клетка, тъй като приема светлинна енергия, променя я на химическа енергия и освобождава кислород обратно в атмосферата. Дишането възниква в растителната клетка, когато захарите се образуват по време на фотосинтетичния процес комбинира се с кислород, за да произвежда енергия за клетката, образувайки въглероден диоксид и вода като странични продукти от дишане. Простото уравнение за дишането е противоположно на фотосинтезата: глюкоза + кислород = енергия + въглероден диоксид + светлинна енергия.

Клетъчното дишане се случва във всички живи клетки на растението, не само в листата, но и в корените на растението или дървото. Тъй като клетъчното дишане не се нуждае от светлинна енергия, то може да се случи както през деня, така и през нощта. Но преливането на растения в почви с лош дренаж създава проблем за клетъчното дишане, тъй като е затрупан растенията не могат да поемат достатъчно кислород през корените си и да трансформират глюкозата, за да поддържат метаболизма на клетката процеси. Ако растението получава твърде много вода твърде дълго, корените му могат да бъдат лишени от кислород, което по същество може да спре клетъчното дишане и да убие растението.

Университетът в Калифорния Merced професор Елиът Кембъл и неговият екип от изследователи отбелязват в статия от април 2017 г. в "Nature", международно научно списание, че процесът на фотосинтеза се е увеличил драстично през 20-ти век. Изследователският екип откри глобален запис на фотосинтетичния процес, пресичащ двеста години.

Това ги накара да стигнат до заключението, че общият брой на всички фотосинтези на растения на планетата е нараснал с 30 процента през годините, които са изследвали. Въпреки че проучването не идентифицира конкретно причината за повишаване на процеса на фотосинтеза в световен мащаб, екипът компютърните модели предполагат няколко процеса, когато се комбинират, които могат да доведат до такова голямо увеличение на глобалните инсталации растеж.

Моделите показаха, че водещите причини за повишена фотосинтеза включват увеличени емисии на въглероден диоксид в атмосферата (главно поради човешките дейности), по-дълги вегетационни сезони поради глобалното затопляне поради тези емисии и увеличеното замърсяване с азот, причинено от масовото земеделие и изкопаемите горива изгаряне. Човешките дейности, довели до тези резултати, имат както положителни, така и отрицателни ефекти върху планетата.

Професор Кембъл отбеляза, че докато повишените емисии на въглероден диоксид стимулират производството на реколта, той също така стимулира растежа на нежелани плевели и инвазивни видове. Той отбеляза, че увеличените емисии на въглероден диоксид пряко причиняват климатични промени, водещи до по-голямо наводнение по крайбрежието райони, екстремни метеорологични условия и увеличаване на подкисляването на океана, всички от които имат сложни ефекти в световен мащаб.

Докато фотосинтезата се е увеличила през 20-ти век, това също е накарало растенията да съхраняват повече въглерод в екосистемите по целия свят, в резултат на което те са се превърнали в източници на въглерод вместо в мивки за въглерод. Дори и с увеличаването на фотосинтезата, увеличението не може да компенсира изгарянето на изкопаеми горива, тъй като повече емисии на въглероден диоксид от изгарянето на изкопаеми горива са склонни да преодолеят способността на предприятието да усвоява CO2.

Изследователите анализираха данните за снега в Антарктика, събрани от Националната администрация за океаните и атмосферата, за да разработят своите открития. Изследвайки газа, съхраняван в ледените проби, изследователите направиха преглед на глобалната атмосфера от миналото.