Jak funguje fotosyntéza?

Proces fotosyntézy, při kterém rostliny a stromy mění světlo ze slunce na výživu energie se na první pohled může zdát magická, ale přímo a nepřímo tento proces udržuje celý svět. Když zelené rostliny dosáhnou na světlo, jejich listy zachycují sluneční energii pomocí chemikálií absorbujících světlo nebo speciálních pigmentů k výrobě jídla z oxidu uhličitého a vody vytažené z atmosféry. Tento proces uvolňuje kyslík jako vedlejší produkt zpět do atmosféry, což je složka ve vzduchu potřebná pro všechny dýchající organismy.

TL; DR (příliš dlouhý; Nečetl)

Jednoduchá rovnice pro fotosyntézu je oxid uhličitý + voda + světelná energie = glukóza + kyslík. Protože entity v rostlinné říši během fotosyntézy spotřebovávají oxid uhličitý, uvolňují kyslík zpět do atmosféry, aby lidé mohli dýchat; zelené stromy a rostliny (na souši i v moři) jsou primárně odpovědné za kyslík v EU atmosféra a bez nich by zvířata a lidé, stejně jako jiné formy života, nemuseli existovat tak, jak jsou dělat dnes.

Zelené, rostoucí věci jsou nezbytné pro veškerý život na planetě, nejen jako potrava pro býložravce a všežravce, ale také pro dýchání kyslíku. Proces fotosyntézy je primární způsob, jakým kyslík vstupuje do atmosféry. Je to jediný biologický prostředek na planetě, který zachycuje sluneční energii slunce a mění ji na cukry a sacharidy, které rostlinám dodávají živiny a uvolňují kyslík.

Přemýšlejte o tom: Rostliny a stromy mohou v podstatě táhnout energii, která začíná ve vnějších částech vesmíru, v ve formě slunečního světla, přeměňte ji na jídlo a v tomto procesu uvolněte potřebný vzduch, který organismy vyžadují prospívat. Dalo by se říci, že všechny rostliny a stromy produkující kyslík mají symbiotický vztah se všemi organismy dýchajícími kyslík. Lidé a zvířata dodávají rostlinám oxid uhličitý a na oplátku dodávají kyslík. Biologové tomu říkají vzájemný symbiotický vztah, protože z něj mají prospěch všechny strany.

V lineárním klasifikačním systému je kategorizace a hodnocení všech živých věcí, rostlin, řasy a druh bakterií zvané sinice jsou jediné živé bytosti, které produkují potravu sluneční světlo. Argument kácení lesů a odstraňování rostlin z důvodu rozvoje se zdá být kontraproduktivní, pokud v tomto vývoji nezbývají žádní lidé, protože nezbývají žádné rostliny a stromy, které by vytvářely kyslík.

Rostliny a stromy jsou autotrofy, živé organismy, které si vytvářejí vlastní potravu. Protože to dělají pomocí světelné energie ze slunce, biologové jim říkají fotoautotrofy. Většina rostlin a stromů na planetě jsou fotoautotrofy.

Konverze slunečního světla na potravu probíhá na buněčné úrovni v listech rostlin v organelách nalezených v rostlinných buňkách, struktuře zvané chloroplast. Zatímco listy se skládají z několika vrstev, fotosyntéza probíhá v mezofylu, střední vrstvě. Malé mikrootvory na spodní straně listů zvané průduchy řídí tok oxidu uhličitého a kyslíku do a z rostliny, řídí výměnu plynů rostliny a její vodní bilanci.

Stomata existují na dně listů, odvrácené od slunce, aby se minimalizovala ztráta vody. Malé strážné buňky obklopující průduchy řídí otevírání a zavírání těchto otvorů podobných ústům otokem nebo smršťováním v reakci na množství vody v atmosféře. Když se průduchy uzavřou, nemůže dojít k fotosyntéze, protože rostlina nemůže přijímat oxid uhličitý. To způsobí pokles hladiny oxidu uhličitého v rostlině. Když je denní světlo příliš horké a suché, stroma se zavírá, aby šetřila vlhkost.

Jako organela nebo struktura na buněčné úrovni v listech rostlin mají chloroplasty vnější a vnitřní membránu, která je obklopuje. Uvnitř těchto membrán jsou talířovité struktury zvané tylakoidy. Tylakoidní membrána je místem, kde rostlina a stromy uchovávají chlorofyl, zelený pigment odpovědný za absorpci světelné energie ze slunce. To je místo, kde dochází k počátečním reakcím závislým na světle, ve kterých četné proteiny tvoří transportní řetězec, který přenáší energii vytaženou ze slunce na místo, kam potřebuje v rostlině.

Proces fotosyntézy je dvoustupňový, vícestupňový proces. První fáze fotosyntézy začíná Světelné reakce, také známý jako Proces závislý na světle a vyžaduje světelnou energii ze slunce. Druhá fáze, Temná reakce fáze, nazývaná také Calvinův cyklus, je proces, při kterém rostlina vyrábí cukr pomocí NADPH a ATP z fáze světelné reakce.

The Světelná reakce fáze fotosyntézy zahrnuje následující kroky:

• Shromažďování oxidu uhličitého a vody z atmosféry prostřednictvím rostlin nebo listů stromu.
• Světlo absorbující zelené pigmenty v rostlinách nebo stromech přeměňují sluneční světlo na uloženou chemickou energii.
• Aktivované světlem, rostlinné enzymy přenášejí energii tam, kde je potřeba, než ji uvolní, aby mohla začít znovu.
  

To vše se odehrává na buněčné úrovni uvnitř rostlinných tylakoidů, jednotlivých zploštělých váčků, uspořádaných do grana nebo hromad v chloroplastech rostlinných nebo stromových buněk.

The Calvinův cyklus, jmenován pro biochemika Berkeleye Melvina Calvina (1911-1997), nositele Nobelovy ceny za chemii z roku 1961 za objev fáze Dark Reaction, je proces, při kterém rostlina vyrábí cukr pomocí NADPH a ATP ze světelné reakce etapa. Během Calvinova cyklu probíhají následující kroky:

• Uhlíková fixace, při které rostliny spojují uhlík s rostlinnými chemikáliemi (RuBP) pro fotosyntézu.
• Fáze redukce, při které rostlinné a energetické chemikálie reagují na rostlinné cukry.
• Tvorba sacharidů jako rostlinné živiny.
• Fáze regenerace, kdy cukr a energie spolupracují za vzniku molekuly RuBP, což umožňuje opětovné spuštění cyklu.

V tylakoidní membráně jsou zabudovány dva systémy zachycující světlo: fotosystém I a fotosystém II složený z několika proteinů podobných anténě, což je místo, kde listy rostliny mění světelnou energii na chemickou energie. Photosystem I poskytuje zásobu nízkoenergetických nosičů elektronů, zatímco druhý dodává energetické molekuly tam, kam potřebují.

Chlorofyl je pigment absorbující světlo uvnitř listů rostlin a stromů, který zahajuje proces fotosyntézy. Jako organický pigment v chloroplastovém tylakoidu absorbuje chlorofyl energii pouze v úzkém pásmu elektromagnetického spektra produkovaného sluncem v rozsahu vlnových délek 700 nanometrů (nm) až 400 nm. Zelená, která se nazývá fotosynteticky aktivní radiační pásmo, sedí uprostřed spektra viditelného světla oddělujícího nižší energie, ale delší vlnová délka červená, žlutá a pomeranče od vysoké energie, kratší vlnová délka, modrá, indigo a fialky.

Tak jako chlorofyly absorbují jediný foton nebo odlišný balíček světelné energie, způsobuje, že se tyto molekuly vzrušují. Jakmile se molekula rostliny vzruší, zbývající kroky procesu zahrnují získání této vzrušené molekuly do systému přenosu energie pomocí energie nosič zvaný nikotinamid adenin dinukleotid fosfát nebo NADPH, pro dodání do druhé fáze fotosyntézy, fáze Dark Reaction nebo Calvin Cyklus.

Po vstupu do elektronový transportní řetězec, proces extrahuje vodíkové ionty z přijaté vody a dodává ji dovnitř tylakoidu, kde se tyto vodíkové ionty hromadí. Iony procházejí semi-porézní membránou ze stromální strany do lumenu thylakoidu a některé z nich ztrácejí energie v procesu, když se pohybují skrz proteiny existující mezi dvěma fotosystémy. Vodíkové ionty se shromažďují v lumen thylakoidu, kde čekají na opětovné nabití energie, než se účastní procesu, který z Adenosintrifosfátu nebo ATP, energetické měny buňky.

Anténní proteiny ve fotosystému 1 absorbují další foton a přenášejí jej do reakčního centra PS1 zvaného P700. Oxidované centrum, P700 vysílá vysokoenergetický elektron na nikotinamid adenindinukleotid fosfát nebo NADP + a redukuje jej za vzniku NADPH a ATP. To je místo, kde rostlinná buňka převádí světelnou energii na chemickou energii.

Chloroplast koordinuje dvě fáze fotosyntézy k využití světelné energie k výrobě cukru. Tylakoidy uvnitř chloroplastů představují místa světelných reakcí, zatímco Calvinův cyklus se vyskytuje ve stromatu.

Buněčné dýchání, spojené s procesem fotosyntézy, se vyskytuje v rostlinné buňce, když přijímá světelnou energii, mění ji na chemickou energii a uvolňuje kyslík zpět do atmosféry. K dýchání v rostlinné buňce dochází, když se cukry produkované během fotosyntetického procesu kombinuje s kyslíkem a vyrábí energii pro buňku a vytváří oxid uhličitý a vodu jako vedlejší produkty dýchání. Jednoduchá rovnice pro dýchání je opačná než u fotosyntézy: glukóza + kyslík = energie + oxid uhličitý + světelná energie.

Buněčné dýchání se vyskytuje ve všech živých buňkách rostliny, nejen v listech, ale také v kořenech rostliny nebo stromu. Jelikož buněčné dýchání nepotřebuje světelnou energii, může k ní docházet ve dne i v noci. Nadměrné zalévání rostlin v půdách se špatným odtokem však způsobuje problém buněčného dýchání, protože je zaplaven rostliny nemohou přijímat dostatek kyslíku kořeny a přeměňovat glukózu, aby udržovaly metabolismus buňky procesy. Pokud rostlina přijímá příliš mnoho vody příliš dlouho, mohou být její kořeny zbaveny kyslíku, což může v podstatě zastavit buněčné dýchání a zabít rostlinu.

Profesor Elliott Campbell z Kalifornské univerzity a jeho tým výzkumníků uvedl v článku z dubna 2017 v „Příroda“, mezinárodní vědecký žurnál, že proces fotosyntézy se během dvacátého století dramaticky zvýšil století. Výzkumný tým objevil globální záznam fotosyntetického procesu obkročujícího dvě stě let.

To je vedlo k závěru, že součet veškeré rostlinné fotosyntézy na planetě vzrostl během let, které zkoumali, o 30 procent. Zatímco výzkum konkrétně neidentifikoval příčinu nárůstu v procesu fotosyntézy globálně, tým počítačové modely navrhují několik procesů, pokud jsou kombinovány, které by mohly vést k tak velkému nárůstu globálního závodu růst.

Modely ukázaly, že hlavní příčiny zvýšené fotosyntézy zahrnují zvýšené emise oxidu uhličitého v atmosféře (především kvůli člověku) činnosti), delší vegetační období z důvodu globálního oteplování v důsledku těchto emisí a zvýšeného znečištění dusíkem způsobeným masovým zemědělstvím a fosilními palivy spalování. Lidské aktivity, které vedly k těmto výsledkům, mají na planetu pozitivní i negativní dopad.

Profesor Campbell poznamenal, že zatímco zvýšené emise oxidu uhličitého stimulují produkci plodin, stimulují také růst nežádoucích plevelů a invazivních druhů. Poznamenal, že zvýšené emise oxidu uhličitého přímo způsobují změnu klimatu, což vede k větším záplavám podél pobřeží oblasti, extrémní povětrnostní podmínky a zvýšení okyselování oceánů, které mají všechny složené účinky globálně.

I když fotosyntéza během 20. století skutečně vzrostla, způsobila také to, že rostliny ukládaly více uhlíku v ekosystémech po celém světě, což mělo za následek, že se místo uhlíkových propadů staly zdroji uhlíku. I s nárůstem fotosyntézy nemůže nárůst kompenzovat spalování fosilních paliv, jako více emisí oxidu uhličitého ze spalování fosilních paliv má tendenci přemoci schopnost zařízení absorbovat CO2.

Vědci analyzovali antarktická sněhová data shromážděná Národním úřadem pro oceán a atmosféru, aby rozvinuli svá zjištění. Studiem plynu uloženého ve vzorcích ledu vědci zkoumali globální atmosféru minulosti.