Når du tænker på den videnskabsgren, der er involveret i, hvordan planter får deres "mad", overvejer du højst sandsynligt biologi først. Men i virkeligheden er det fysik i tjeneste for biologi, fordi det er lysenergi fra solen, der først sparkede i gear, og nu fortsætter med at drive alt liv på planeten Jorden. Specifikt er det en energioverførselskaskade, der sættes i gang, når fotoner i lette strejke dele af en klorofyl molekyle.
Fotonenes rolle i fotosyntese skal absorberes af klorofyl på en måde, der får elektroner i en del af klorofylmolekylet til midlertidigt at blive "ophidset" eller i en højere energitilstand. Når de glider tilbage mod deres sædvanlige energiniveau, styrker den energi, de frigiver, den første del af fotosyntese. Uden klorofyl kunne fotosyntesen således ikke forekomme.
Planteceller vs. Dyreceller
Planter og dyr er begge eukaryoter. Som sådan har deres celler langt mere end det absolutte minimum, som alle celler skal have (en cellemembran, ribosomer, cytoplasma og DNA). Deres celler er rige på membranbundne
organeller, som udfører specialiserede funktioner i cellen. En af disse er eksklusiv for planter og kaldes kloroplast. Det er inden for disse aflange organeller, at fotosyntese forekommer.Inde i kloroplasterne er strukturer kaldet thylakoider, som har deres egen membran. Inde i thylakoids er hvor molekylet kendt som klorofyl sidder, på en måde afventer instruktioner i form af en bogstavelig lysglimt.
Læs mere om ligheder og forskelle mellem plante- og dyreceller.
Rollen ved fotosyntese
Alle levende ting har brug for en kilde til kulstof til brændstof. Dyr kan få deres simpelthen nok ved at spise og vente på, at deres fordøjelses- og cellulære enzymer vender sagen til glukosemolekyler. Men planter skal tage kulstof gennem deres blade i form af kuldioxidgas (CO2) i atmosfæren.
Fotosyntesens rolle er at sortere fangstplanter op til det samme, metabolisk set, at dyr straks har genereret glukose fra deres mad. Hos dyr betyder det at gøre forskellige kulstofholdige molekyler mindre, før de endda når celler, men i planter betyder det at lave kulstofholdige molekyler større og inden i celler.
Reaktionerne ved fotosyntese
I det første sæt reaktioner, kaldet lysreaktioner fordi de kræver direkte lys, enzymer kaldet Photosystem I og Photosystem II i thylakoidmembranen bruges til at konvertere lysenergi til syntese af ATP- og NADPH-molekyler i en elektrontransport system.
Læs mere om elektrontransportkæden.
I den såkaldte mørke reaktioner, som hverken kræver eller forstyrres af lys, energien høstet i ATP og NADPH (siden intet kan "opbevare" lys direkte) bruges til at opbygge glukose fra kuldioxid og andre kulstofkilder i plante.
Kemi af klorofyl
Planter har mange pigmenter ud over klorofyl, såsom phycoerthryin og carotenoider. Klorofyl har dog en porfyrin ringstruktur, der ligner en i hæmoglobinmolekylet hos mennesker. Porfyrinringen af klorofyl indeholder imidlertid grundstoffet magnesium, hvor jern vises i hæmoglobin.
Klorofyl absorberer lys i den grønne del af den synlige del af lysspektret, som i alt spænder over et interval på ca. 350 til 800 milliardedele meter.
Fotoexcitation af klorofyl
På en måde absorberer plantelysreceptorer fotoner og bruger dem til at sparke elektroner, der har sovet i en tilstand af ophidset vågenhed, hvilket får dem til at løbe op ad en trappe. Til sidst begynder også nærliggende elektroner i nærliggende klorofyl "hjem" at løbe rundt. Når de sætter sig tilbage i deres lur, tillader deres snurrende tilbage nedenunder, at sukker kan bygges gennem en kompleks mekanisme, der fanger energien fra deres fodfald.
Når energi overføres fra et klorofylmolekyle til et tilstødende, kaldes dette resonans energioverførsel, eller exciton overførsel.