Wie funktioniert Photosynthese?

Der Photosyntheseprozess, bei dem Pflanzen und Bäume das Licht der Sonne in Nährstoffe verwandeln Energie, mag auf den ersten Blick magisch erscheinen, aber dieser Prozess erhält direkt und indirekt das gesamte Welt. Wenn grüne Pflanzen nach dem Licht greifen, fangen ihre Blätter die Energie der Sonne ein, indem sie lichtabsorbierende Chemikalien oder spezielle Pigmente verwenden, um aus Kohlendioxid und Wasser aus der Atmosphäre Nahrung herzustellen. Bei diesem Prozess wird Sauerstoff als Nebenprodukt wieder in die Atmosphäre abgegeben, ein Bestandteil der Luft, der für alle atmenden Organismen benötigt wird.

TL; DR (zu lang; nicht gelesen)

Eine einfache Gleichung für die Photosynthese lautet Kohlendioxid + Wasser + Lichtenergie = Glukose + Sauerstoff. Da Einheiten innerhalb des Pflanzenreichs während der Photosynthese Kohlendioxid verbrauchen, geben sie Sauerstoff zurück in die Atmosphäre, damit die Menschen atmen können; grüne Bäume und Pflanzen (an Land und im Meer) sind in erster Linie für den Sauerstoff im Körper verantwortlich Atmosphäre, und ohne sie könnten Tiere und Menschen sowie andere Lebensformen nicht existieren, da sie heute machen.

Grüne, wachsende Dinge sind für alles Leben auf dem Planeten notwendig, nicht nur als Nahrung für Pflanzen- und Allesfresser, sondern auch als Sauerstoff zum Atmen. Der Photosyntheseprozess ist der wichtigste Weg, über den Sauerstoff in die Atmosphäre gelangt. Es ist das einzige biologische Mittel auf dem Planeten, das die Lichtenergie der Sonne einfängt und sie in Zucker und Kohlenhydrate umwandelt, die Pflanzen mit Nährstoffen versorgen und gleichzeitig Sauerstoff freisetzen.

Denken Sie darüber nach: Pflanzen und Bäume können im Wesentlichen Energie ziehen, die in den äußeren Bereichen des Weltraums beginnt, im Sonnenlicht, wandeln es in Nahrung um und geben dabei die notwendige Luft ab, die Organismen benötigen, um gedeihen. Man könnte sagen, dass alle sauerstoffproduzierenden Pflanzen und Bäume eine Symbiose mit allen sauerstoffatmenden Organismen eingehen. Menschen und Tiere liefern den Pflanzen Kohlendioxid, im Gegenzug liefern sie Sauerstoff. Biologen nennen dies eine gegenseitige symbiotische Beziehung, weil alle Parteien in der Beziehung davon profitieren.

Im linnischen Klassifikationssystem wird die Kategorisierung und Rangordnung aller Lebewesen, Pflanzen, Algen und eine Bakterienart namens Cyanobakterien sind die einzigen Lebewesen, die Nahrung aus produce Sonnenlicht. Das Argument, Wälder abzuholzen und Pflanzen für die Entwicklung zu entfernen, erscheint kontraproduktiv, wenn Es gibt keine Menschen mehr, die in diesen Entwicklungen leben können, weil es keine Pflanzen und Bäume mehr gibt, die Sauerstoff produzieren.

Pflanzen und Bäume sind Autotrophe, lebende Organismen, die ihre eigene Nahrung herstellen. Weil sie dies mit der Lichtenergie der Sonne tun, nennen sie Biologen Photoautotrophe. Die meisten Pflanzen und Bäume auf dem Planeten sind photoautotroph.

Die Umwandlung von Sonnenlicht in Nahrung findet auf zellulärer Ebene in den Blättern von Pflanzen in einer in Pflanzenzellen vorkommenden Organelle statt, einer Struktur, die als Chloroplasten bezeichnet wird. Während Blätter aus mehreren Schichten bestehen, findet die Photosynthese im Mesophyll, der mittleren Schicht, statt. Kleine Mikroöffnungen auf der Unterseite der Blätter, Stomata genannt, steuern den Fluss von Kohlendioxid und Sauerstoff zur und von der Pflanze, steuern den Gasaustausch der Pflanze und den Wasserhaushalt der Pflanze.

Stomata befinden sich auf der Unterseite der Blätter, die der Sonne abgewandt sind, um den Wasserverlust zu minimieren. Kleine Schließzellen, die die Stomata umgeben, kontrollieren das Öffnen und Schließen dieser mundähnlichen Öffnungen, indem sie als Reaktion auf die Wassermenge in der Atmosphäre anschwellen oder schrumpfen. Wenn sich die Spaltöffnungen schließen, kann keine Photosynthese stattfinden, da die Pflanze kein Kohlendioxid aufnehmen kann. Dadurch sinkt der Kohlendioxidgehalt der Pflanze. Wenn die Tageslichtstunden zu heiß und trocken werden, schließt sich das Stroma, um Feuchtigkeit zu speichern.

Als Organelle oder Struktur auf zellulärer Ebene in den Pflanzenblättern haben Chloroplasten eine äußere und innere Membran, die sie umgibt. Innerhalb dieser Membranen befinden sich plattenförmige Strukturen, die Thylakoide genannt werden. In der Thylakoidmembran speichern Pflanzen und Bäume Chlorophyll, das grüne Pigment, das für die Absorption der Lichtenergie der Sonne verantwortlich ist. Hier finden die ersten lichtabhängigen Reaktionen statt, bei denen zahlreiche Proteine ​​die Transportkette bilden, um die von der Sonne gewonnene Energie dorthin zu transportieren, wo sie in der Pflanze benötigt wird.

Der Photosyntheseprozess ist ein zweistufiger, mehrstufiger Prozess. Die erste Stufe der Photosynthese beginnt mit der Lichtreaktionen, auch bekannt als die Lichtabhängiger Prozess und benötigt Lichtenergie von der Sonne. Die zweite Stufe, die Dunkle Reaktion Bühne, auch genannt Calvin-Zyklus, ist der Prozess, bei dem die Pflanze mit Hilfe von NADPH und ATP aus der Lichtreaktionsphase Zucker herstellt.

Das Lichtreaktion Phase der Photosynthese umfasst die folgenden Schritte:

• Sammeln von Kohlendioxid und Wasser aus der Atmosphäre durch die Blätter der Pflanze oder des Baumes.
• Lichtabsorbierende Grünpigmente in Pflanzen oder Bäumen wandeln das Sonnenlicht in gespeicherte chemische Energie um.
• Durch Licht aktiviert, transportieren pflanzliche Enzyme die Energie dorthin, wo sie gebraucht wird, bevor sie sie für einen neuen Start freisetzt.
  

All dies findet auf zellulärer Ebene in den Thylakoiden der Pflanze statt, einzelnen abgeflachten Säcken, die in Grana oder Stapeln in den Chloroplasten der Pflanzen- oder Baumzellen angeordnet sind.

Das Calvin-Zyklus, benannt nach dem Berkeley-Biochemiker Melvin Calvin (1911-1997), der 1961 den Nobelpreis für Chemie für seine Entdeckung erhielt discover die Dunkelreaktionsphase, ist der Prozess, bei dem die Pflanze mit Hilfe von NADPH und ATP aus der Lichtreaktion Zucker macht Bühne. Während des Calvin-Zyklus finden folgende Schritte statt:

• Kohlenstofffixierung, bei der Pflanzen den Kohlenstoff für die Photosynthese mit Pflanzenchemikalien (RuBP) verbinden.
• Reduktionsphase, in der Pflanzen- und Energiechemikalien reagieren, um Pflanzenzucker zu erzeugen.
• Die Bildung von Kohlenhydraten als Pflanzennährstoff.
• Regenerationsphase, in der Zucker und Energie zusammenwirken, um ein RuBP-Molekül zu bilden, das den Zyklus von neuem beginnen lässt.

In die Thylakoidmembran eingebettet sind zwei Lichteinfangsysteme: Photosystem I und Photosystem II besteht aus mehreren antennenartigen Proteinen, in denen die Blätter der Pflanze Lichtenergie in chemische umwandeln Energie. Photosystem I liefert eine Versorgung mit niederenergetischen Elektronenträgern, während das andere die energetisierten Moleküle dorthin bringt, wo sie hin müssen.

Chlorophyll ist das lichtabsorbierende Pigment in den Blättern von Pflanzen und Bäumen, das den Photosyntheseprozess beginnt. Als organisches Pigment innerhalb des Chloroplasten-Thylakoids absorbiert Chlorophyll Energie nur in einem schmalen Band des von der Sonne erzeugten elektromagnetischen Spektrums im Wellenlängenbereich von 700 Nanometer (nm) bis 400 nm. Grün wird als photosynthetisch aktive Strahlungsbande bezeichnet und befindet sich in der Mitte des sichtbaren Lichtspektrums, das die niedrigere Energie, aber längerwellige Rot-, Gelb- und Orangetöne von der hohen Energie, kürzere Wellenlänge, Blau, Indigo und Veilchen.

Wie Chlorophylle absorbieren ein einzelnes Photon oder deutlich Paket von Lichtenergie bewirkt, dass diese Moleküle angeregt werden. Sobald das Pflanzenmolekül angeregt ist, besteht der Rest der Schritte darin, dieses angeregte Molekül über die Energie in das Energietransportsystem zu bringen Träger namens Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid-Phosphat oder NADPH, zur Abgabe an die zweite Stufe der Photosynthese, die Dunkelreaktionsphase oder die Calvin Zyklus.

Nach dem Betreten der Elektronentransportkette, entzieht der Prozess dem aufgenommenen Wasser Wasserstoffionen und gibt sie an das Innere des Thylakoids ab, wo sich diese Wasserstoffionen aufbauen. Die Ionen passieren eine halbporöse Membran von der Stromaseite zum Thylakoidlumen und verlieren dabei etwas der Energie in diesem Prozess, während sie sich durch die Proteine ​​bewegen, die zwischen den beiden Photosystemen existieren. Die Wasserstoffionen sammeln sich im Thylakoidlumen, wo sie auf die Wiedererregung warten, bevor sie an dem Prozess teilnehmen, der Adenosintriphosphat oder ATP, die Energiewährung der Zelle, macht.

Die Antennenproteine ​​im Photosystem 1 absorbieren ein weiteres Photon und leiten es an das PS1-Reaktionszentrum namens P700 weiter. Als oxidiertes Zentrum sendet P700 ein hochenergetisches Elektron an Nicotin-Adenin-Dinukleotidphosphat oder NADP+ aus und reduziert es zu NADPH und ATP. Hier wandelt die Pflanzenzelle Lichtenergie in chemische Energie um.

Der Chloroplast koordiniert die beiden Phasen der Photosynthese, um Lichtenergie zur Herstellung von Zucker zu verwenden. Die Thylakoide im Chloroplasten stellen die Orte der Lichtreaktionen dar, während der Calvin-Zyklus im Stroma stattfindet.

Die Zellatmung, die mit dem Photosyntheseprozess verbunden ist, findet innerhalb der Pflanzenzelle statt, indem sie Lichtenergie aufnimmt, in chemische Energie umwandelt und Sauerstoff an die Atmosphäre zurückgibt. Die Atmung findet innerhalb der Pflanzenzelle statt, wenn die Zucker während des Photosyntheseprozesses produziert werden verbindet sich mit Sauerstoff zu Energie für die Zelle und bildet Kohlendioxid und Wasser als Nebenprodukte von Atmung. Eine einfache Gleichung für die Atmung ist der Photosynthese entgegengesetzt: Glukose + Sauerstoff = Energie + Kohlendioxid + Lichtenergie.

Die Zellatmung findet in allen lebenden Zellen der Pflanze statt, nicht nur in den Blättern, sondern auch in den Wurzeln der Pflanze oder des Baumes. Da die Zellatmung keine Lichtenergie benötigt, kann sie sowohl am Tag als auch in der Nacht erfolgen. Eine Überwässerung von Pflanzen in Böden mit schlechter Drainage verursacht jedoch ein Problem für die Zellatmung, da überschwemmt Pflanzen können nicht genug Sauerstoff über ihre Wurzeln aufnehmen und Glukose umwandeln, um den Stoffwechsel der Zelle aufrechtzuerhalten Prozesse. Wenn die Pflanze zu lange zu viel Wasser erhält, kann ihren Wurzeln Sauerstoff entzogen werden, was die Zellatmung im Wesentlichen stoppen und die Pflanze abtöten kann.

Der Merced-Professor Elliott Campbell von der University of California und sein Forscherteam stellten in einem Artikel vom April 2017 in. fest "Nature", einem internationalen Wissenschaftsjournal, dass der Photosyntheseprozess im 20 Jahrhundert. Das Forscherteam entdeckte eine zweihundertjährige globale Aufzeichnung des Photosyntheseprozesses.

Daraus schlossen sie, dass die Gesamtheit der pflanzlichen Photosynthese auf dem Planeten in den Jahren, in denen sie forschten, um 30 Prozent gewachsen ist. Während die Forschung die Ursache für einen weltweiten Anstieg des Photosyntheseprozesses nicht spezifisch identifizierte, hat das Team Computermodelle schlagen mehrere Prozesse vor, wenn sie kombiniert werden, die zu einem so großen Anstieg der weltweiten Pflanzenproduktion führen könnten Wachstum.

Die Modelle zeigten, dass die Hauptursachen für eine gesteigerte Photosynthese erhöhte Kohlendioxidemissionen in die Atmosphäre sind (hauptsächlich durch menschliche Aktivitäten), längere Vegetationsperioden aufgrund der globalen Erwärmung aufgrund dieser Emissionen und erhöhter Stickstoffbelastung durch Massenlandwirtschaft und fossile Brennstoffe Verbrennung. Menschliche Aktivitäten, die zu diesen Ergebnissen geführt haben, haben sowohl positive als auch negative Auswirkungen auf den Planeten.

Professor Campbell stellte fest, dass erhöhte Kohlendioxidemissionen zwar die Ernteproduktion stimulieren, aber auch das Wachstum unerwünschter Unkräuter und invasiver Arten stimulieren. Er stellte fest, dass erhöhte Kohlendioxidemissionen direkt den Klimawandel verursachen, was zu mehr Überschwemmungen entlang der Küsten führt Gebiete, extreme Wetterbedingungen und eine zunehmende Versauerung der Ozeane, die alle zusätzliche Auswirkungen haben global.

Während die Photosynthese im 20. Jahrhundert zunahm, führte sie auch dazu, dass Pflanzen mehr Kohlenstoff in Ökosystemen auf der ganzen Welt speichern, was dazu führte, dass sie zu Kohlenstoffquellen statt zu Kohlenstoffsenken wurden. Selbst mit der Zunahme der Photosynthese kann die Zunahme die Verbrennung fossiler Brennstoffe nicht kompensieren, da Mehr Kohlendioxidemissionen aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe neigen dazu, die Aufnahmefähigkeit einer Pflanze zu überfordern CO2.

Die Forscher analysierten antarktische Schneedaten, die von der National Oceanic and Atmospheric Administration gesammelt wurden, um ihre Ergebnisse zu entwickeln. Durch die Untersuchung des in den Eisproben gespeicherten Gases überprüften die Forscher die globalen Atmosphären der Vergangenheit.