Hvordan fungerer fotosyntese?

Fotosyntese-processen, hvor planter og træer gør lys fra solen til ernæringsmæssigt energi, kan i første omgang virke som magi, men direkte og indirekte opretholder denne proces hele verden. Når grønne planter når frem til lyset, fanger deres blade solens energi ved at bruge lysabsorberende kemikalier eller specielle pigmenter til at fremstille mad fra kuldioxid og vand trukket op fra atmosfæren. Denne proces frigiver ilt som et biprodukt tilbage i atmosfæren, en komponent i luften, der kræves til alle vejrtrækningsorganismer.

TL; DR (for lang; Har ikke læst)

En simpel ligning til fotosyntese er kuldioxid + vand + lysenergi = glukose + ilt. Da enheder inden for planteriget forbruger kuldioxid under fotosyntese, frigiver de ilt tilbage i atmosfæren, så folk kan trække vejret; grønne træer og planter (på land og i havet) er primært ansvarlige for ilt i området atmosfære og uden dem eksisterer dyr og mennesker såvel som andre livsformer muligvis ikke som de gør i dag.

Grønne voksende ting er nødvendige for alt liv på planeten, ikke kun som mad til planteædere og altædende, men for ilt at trække vejret. Fotosyntese processen er den primære måde ilt kommer ind i atmosfæren. Det er det eneste biologiske middel på planeten, der fanger solens lysenergi og ændrer det til sukker og kulhydrater, der giver næringsstoffer til planterne, mens de frigiver ilt.

Tænk over det: Planter og træer kan i det væsentlige trække energi, der starter i den ydre del af rummet, i form af sollys, gør det til mad, og frigør i processen den nødvendige luft, som organismer har brug for trives. Man kan sige, at alle iltproducerende planter og træer har et symbiotisk forhold til alle iltåndende organismer. Mennesker og dyr leverer kuldioxid til planter, og de leverer ilt til gengæld. Biologer kalder dette et mutualistisk symbiotisk forhold, fordi alle parter i forholdet har gavn af det.

I det Linnéske klassifikationssystem klassificeres og klassificeres alle levende ting, planter, alger og en type bakterier kaldet cyanobakterier er de eneste levende enheder, der producerer mad fra sollys. Argumentet for at skære skove ned og fjerne planter af hensyn til udviklingen synes kontraproduktivt, hvis der er ingen mennesker tilbage til at leve i denne udvikling, fordi der ikke er nogen planter og træer tilbage til at fremstille ilt.

Planter og træer er autotrofer, levende organismer, der laver deres egen mad. Fordi de gør dette ved hjælp af lysenergien fra solen, kalder biologer dem fotoautotrofer. De fleste planter og træer på planeten er fotoautotrofer.

Omdannelsen af ​​sollys til mad finder sted på celleniveau i planternes blade i en organel, der findes i planteceller, en struktur kaldet en kloroplast. Mens blade består af flere lag, sker fotosyntese i mesophyllen, det midterste lag. Små mikroåbninger på undersiden af ​​blade kaldet stomata styrer strømmen af ​​kuldioxid og ilt til og fra planten og styrer plantens gasudveksling og plantens vandbalance.

Stomata findes i bunden af ​​blade, der vender væk fra solen, for at minimere vandtab. Små beskyttelsesceller, der omgiver stomataen, styrer åbningen og lukningen af ​​disse mundlignende åbninger ved hævelse eller krympning som reaktion på mængden af ​​vand i atmosfæren. Når stomataen lukker, kan fotosyntese ikke forekomme, da planten ikke kan optage kuldioxid. Dette får kuldioxidniveauerne i planten til at falde. Når dagslystimerne bliver for varme og tørre, lukker stroma for at bevare fugt.

Som en organel eller struktur på celleniveau i plantebladene har kloroplaster en ydre og indre membran, der omgiver dem. Inde i disse membraner er tallerkenformede strukturer kaldet thylakoids. Thylakoidmembranen er hvor planten og træerne opbevarer klorofyl, det grønne pigment, der er ansvarlig for at absorbere lysenergien fra solen. Det er her, de indledende lysafhængige reaktioner finder sted, hvor adskillige proteiner udgør transportkæden for at transportere energi trukket fra solen til det sted, hvor den skal gå inden i planten.

Fotosynteseprocessen er en totrins, flertrinsproces. Den første fase af fotosyntese begynder med Lysreaktioner, også kendt som Let afhængig proces og kræver lysenergi fra solen. Den anden fase, den Mørk reaktion scene, også kaldet Calvin Cycle, er den proces, hvormed planten fremstiller sukker ved hjælp af NADPH og ATP fra lysreaktionstrinnet.

Det Lysreaktion fase af fotosyntese involverer følgende trin:

• Indsamling af kuldioxid og vand fra atmosfæren gennem planten eller træets blade.
• Lysabsorberende grønne pigmenter i planter eller træer omdanner sollyset til lagret kemisk energi.
• Aktiveret af lys transporterer planteenzymer energien, hvor det er nødvendigt, inden de frigives for at begynde på ny.
  

Alt dette finder sted på celleniveau inde i plantens thylakoids, individuelle fladede sække, arrangeret i grana eller stakke inde i kloroplasterne i planten eller træcellerne.

Det Calvin Cycle, opkaldt efter Berkeley-biokemiker Melvin Calvin (1911-1997), modtageren af ​​Nobelprisen i kemi fra 1961 for at opdage Dark Reaction-stadiet, er den proces, hvormed planten fremstiller sukker ved hjælp af NADPH og ATP fra lysreaktionen scene. I løbet af Calvin Cycle finder følgende trin sted:

• Kulstoffiksering, hvor planter forbinder kulstof med plantekemikalier (RuBP) til fotosyntese.
• Reduktionsfase, hvorved plante- og energikemikalier reagerer for at skabe plantesukker.
• Dannelsen af ​​kulhydrater som et plante næringsstof.
• Regenereringsfase, hvor sukker og energi samarbejder for at danne et RuBP-molekyle, som gør det muligt for cyklussen at starte igen.

Indlejret i thylakoidmembranen er to lysfangstsystemer: fotosystem I og fotosystem II består af flere antennelignende proteiner, hvor plantens blade ændrer lysenergi til kemisk energi. Fotosystem I tilvejebringer en forsyning med lavenergi-elektronbærere, mens den anden leverer de energikilder, hvor de skal hen.

Klorofyl er det lysabsorberende pigment inde i planterne og træernes blade, der begynder fotosyntese processen. Som et organisk pigment i chloroplast-thylakoid absorberer klorofyl kun energi inden for et smalt bånd af det elektromagnetiske spektrum produceret af solen inden for bølgelængdeområdet fra 700 nanometer (nm) til 400 nm. Kaldet det fotosyntetisk aktive strålingsbånd, grønt sidder midt i det synlige lysspektrum, der adskiller lavere energi, men længere bølgelængde røde, gule og appelsiner fra høj energi, kortere bølgelængde, blues, indigoes og violer.

Som klorofyl absorberer en enkelt foton eller tydelig pakke med lysenergi, får det disse molekyler til at blive ophidsede. Når plantemolekylet bliver ophidset, involverer resten af ​​trinene i processen at få det ophidsede molekyle ind i energitransportsystemet via energien bærer kaldet nicotinamid-adenindinucleotidphosphat eller NADPH til levering til anden fase af fotosyntese, Dark Reaction-fasen eller Calvin Cyklus.

Efter at have indtastet elektrontransportkæde, processen ekstraherer hydrogenioner fra det optagne vand og leverer det til indersiden af ​​thylakoid, hvor disse hydrogenioner opbygges. Ionerne passerer over en semi-porøs membran fra stromalsiden til thylakoid lumen og mister noget af energien i processen, når de bevæger sig gennem proteinerne, der findes mellem de to fotosystemer. Brintionerne samles i thylakoid-lumen, hvor de venter på genindkobling, inden de deltager i processen, der gør adenosintrifosfat eller ATP, celleens energivaluta.

Antenneproteinerne i fotosystem 1 absorberer en anden foton og videresender den til PS1-reaktionscentret kaldet P700. Et oxideret center, P700 sender en højenergielektron til nikotinamid-adenindinukleotidphosphat eller NADP + og reducerer den til dannelse af NADPH og ATP. Det er her, plantecellen omdanner lysenergi til kemisk energi.

Kloroplast koordinerer de to faser af fotosyntese for at bruge lysenergi til at fremstille sukker. Thylakoiderne inde i kloroplasten repræsenterer stederne for lysreaktionerne, mens Calvin-cyklen forekommer i stroma.

Cellular respiration, bundet til fotosynteseprocessen, forekommer inden i plantecellen, når den optager lysenergi, ændrer den til kemisk energi og frigiver ilt tilbage i atmosfæren. Åndedræt forekommer inden i plantecellen sker, når sukkerne produceres under den fotosyntetiske proces kombineres med ilt for at skabe energi til cellen og danne kuldioxid og vand som biprodukter af respiration. En simpel ligning for respiration er modsat fotosyntese: glukose + ilt = energi + kuldioxid + lysenergi.

Cellular respiration forekommer i alle plantens levende celler, ikke kun i bladene, men også i rødderne på planten eller træet. Da cellulær respiration ikke har brug for lysenergi for at forekomme, kan den forekomme hverken dag eller nat. Men overvanding af planter i jord med dårlig dræning forårsager et problem for cellulær respiration, som oversvømmet planter kan ikke optage nok ilt gennem deres rødder og omdanne glukose til at opretholde cellens metaboliske processer. Hvis planten får for meget vand for længe, ​​kan dets rødder fratages ilt, hvilket i det væsentlige kan stoppe cellulær respiration og dræbe planten.

University of California Merced Professor Elliott Campbell og hans team af forskere bemærkede i en artikel fra april 2017 i "Nature", et internationalt videnskabeligt tidsskrift, at fotosynteseprocessen steg dramatisk i løbet af det 20. år århundrede. Forskergruppen opdagede en global registrering af den fotosyntetiske proces, der strækker sig over to hundrede år.

Dette fik dem til at konkludere, at summen af ​​al plantefotosyntese på planeten voksede med 30 procent i de år, de undersøgte. Mens forskningen ikke specifikt identificerede årsagen til en uptick i fotosyntese processen globalt, er holdets computermodeller foreslår flere processer, når de kombineres, der kan resultere i en så stor stigning i det globale anlæg vækst.

Modellerne viste, at de vigtigste årsager til øget fotosyntese inkluderer øgede kuldioxidemissioner i atmosfæren (primært på grund af mennesker aktiviteter), længere vækstsæsoner på grund af den globale opvarmning på grund af disse emissioner og øget kvælstofforurening forårsaget af masselandbrug og fossilt brændstof forbrænding. Menneskelige aktiviteter, der førte til disse resultater, har både positive og negative virkninger på planeten.

Professor Campbell bemærkede, at mens øget kuldioxidemission stimulerer afgrødeproduktion, stimulerer det også væksten af ​​uønsket ukrudt og invasive arter. Han bemærkede, at øgede kuldioxidemissioner direkte forårsager klimaændringer, der fører til mere oversvømmelse langs kysten områder, ekstreme vejrforhold og en stigning i forsuring af havet, som alle har sammensatte effekter globalt.

Mens fotosyntese steg i det 20. århundrede, fik det også planter til at lagre mere kulstof i økosystemer rundt om i verden, hvilket resulterede i, at de blev kulstofkilder i stedet for kulstofdræn. Selv med stigningen i fotosyntese kan stigningen ikke kompensere for forbrænding af fossile brændstoffer, som mere kuldioxidemissioner fra forbrænding af fossile brændstoffer har tendens til at overvælde et anlægs evne til at optage CO2.

Forskerne analyserede antarktiske snedata indsamlet af National Oceanic and Atmospheric Administration for at udvikle deres fund. Ved at studere den gas, der er lagret i isprøverne, gennemgik forskerne de tidligere verdens atmosfærer.