Πώς λειτουργεί η φωτοσύνθεση;

Η διαδικασία φωτοσύνθεσης, στην οποία τα φυτά και τα δέντρα μετατρέπουν το φως από τον ήλιο σε θρεπτικά ενέργεια, μπορεί αρχικά να μοιάζει με μαγεία, αλλά άμεσα και έμμεσα, αυτή η διαδικασία υποστηρίζει το σύνολο κόσμος. Καθώς τα πράσινα φυτά φτάνουν στο φως, τα φύλλα τους συλλαμβάνουν την ενέργεια του ήλιου χρησιμοποιώντας χημικές ουσίες που απορροφούν το φως ή ειδικές χρωστικές ουσίες για να φτιάξουν τρόφιμα από διοξείδιο του άνθρακα και νερό που τραβιέται από την ατμόσφαιρα. Αυτή η διαδικασία απελευθερώνει οξυγόνο ως υποπροϊόν πίσω στην ατμόσφαιρα, ένα συστατικό στον αέρα που απαιτείται για όλους τους αναπνευστικούς οργανισμούς.

TL; DR (Πάρα πολύ καιρό; Δεν διαβάστηκε)

Μια απλή εξίσωση για τη φωτοσύνθεση είναι το διοξείδιο του άνθρακα + νερό + ελαφριά ενέργεια = γλυκόζη + οξυγόνο. Καθώς οι οντότητες στο φυτικό βασίλειο καταναλώνουν διοξείδιο του άνθρακα κατά τη φωτοσύνθεση, απελευθερώνουν οξυγόνο πίσω στην ατμόσφαιρα για να αναπνέουν οι άνθρωποι. τα πράσινα δέντρα και τα φυτά (στην ξηρά και στη θάλασσα) είναι κυρίως υπεύθυνα για το οξυγόνο εντός της ατμόσφαιρα, και χωρίς αυτά, ζώα και άνθρωποι, καθώς και άλλες μορφές ζωής, ενδέχεται να μην υπάρχουν όπως αυτοί κάνε σήμερα.

Πράσινα, αναπτυσσόμενα πράγματα είναι απαραίτητα για όλη τη ζωή στον πλανήτη, όχι μόνο ως τροφή για τα φυτοφάγα και τα παμφάγα, αλλά και για την αναπνοή οξυγόνου. Η διαδικασία φωτοσύνθεσης είναι ο πρωταρχικός τρόπος εισόδου του οξυγόνου στην ατμόσφαιρα. Είναι το μόνο βιολογικό μέσο στον πλανήτη που συλλαμβάνει την ελαφριά ενέργεια του ήλιου, μετατρέποντάς το σε σάκχαρα και υδατάνθρακες που παρέχει θρεπτικά συστατικά στα φυτά ενώ απελευθερώνει οξυγόνο.

Σκεφτείτε το: Τα φυτά και τα δέντρα μπορούν ουσιαστικά να τραβήξουν ενέργεια που ξεκινά από τις εξωτερικές περιοχές του χώρου, στο μορφή φωτός του ήλιου, μετατροπή του σε τροφή και στη διαδικασία, απελευθερώστε τον απαραίτητο αέρα που απαιτούν οι οργανισμοί ευημερώ. Θα μπορούσατε να πείτε ότι όλα τα φυτά και τα δέντρα που παράγουν οξυγόνο έχουν συμβιωτική σχέση με όλους τους οργανισμούς που αναπνέουν οξυγόνο. Οι άνθρωποι και τα ζώα παρέχουν διοξείδιο του άνθρακα στα φυτά και παρέχουν οξυγόνο σε αντάλλαγμα. Οι βιολόγοι το αποκαλούν μια αμοιβαία συμβιωτική σχέση επειδή όλα τα μέρη της σχέσης επωφελούνται.

Στο σύστημα ταξινόμησης Linnaean, η κατηγοριοποίηση και κατάταξη όλων των έμβιων, φυτών, φύκια και ένας τύπος βακτηρίων που ονομάζονται κυανοβακτήρια είναι οι μόνες ζώντες οντότητες που παράγουν τρόφιμα από ηλιακό φως. Το επιχείρημα για τη μείωση των δασών και την αφαίρεση των φυτών για χάρη της ανάπτυξης φαίνεται αντιπαραγωγικό εάν Δεν έχουν μείνει άνθρωποι για να ζήσουν σε αυτές τις εξελίξεις, επειδή δεν υπάρχουν φυτά και δέντρα που απομένουν για την παραγωγή οξυγόνου.

Τα φυτά και τα δέντρα είναι αυτότροφες, ζωντανοί οργανισμοί που φτιάχνουν τη δική τους τροφή. Επειδή το κάνουν χρησιμοποιώντας τη φωτεινή ενέργεια από τον ήλιο, οι βιολόγοι τους αποκαλούν φωτοαυτοτρόπους. Τα περισσότερα φυτά και δέντρα στον πλανήτη είναι φωτοατροτροφικά.

Η μετατροπή του ηλιακού φωτός σε τροφή λαμβάνει χώρα σε κυτταρικό επίπεδο μέσα στα φύλλα των φυτών σε ένα οργανικό που βρίσκεται σε φυτικά κύτταρα, μια δομή που ονομάζεται χλωροπλάστης. Ενώ τα φύλλα αποτελούνται από πολλά στρώματα, η φωτοσύνθεση συμβαίνει στη μεσοφύλλη, το μεσαίο στρώμα. Μικρά μικρά ανοίγματα στην κάτω πλευρά των φύλλων που ονομάζονται στοματικά ελέγχουν τη ροή διοξειδίου του άνθρακα και οξυγόνου προς και από το εργοστάσιο, ελέγχοντας την ανταλλαγή αερίων της μονάδας και την ισορροπία νερού της εγκατάστασης.

Στομάτα υπάρχουν στο κάτω μέρος των φύλλων, στραμμένα μακριά από τον ήλιο, για να ελαχιστοποιηθεί η απώλεια νερού. Τα μικρά προστατευτικά κύτταρα που περιβάλλουν τα στομάτα ελέγχουν το άνοιγμα και το κλείσιμο αυτών των ανοιγμάτων που μοιάζουν με το στόμα, διόγκωση ή συρρίκνωση σε απόκριση της ποσότητας νερού στην ατμόσφαιρα. Όταν τα στομάτα κλείσουν, η φωτοσύνθεση δεν μπορεί να συμβεί, καθώς το φυτό δεν μπορεί να προσλάβει διοξείδιο του άνθρακα. Αυτό προκαλεί μείωση των επιπέδων διοξειδίου του άνθρακα στο φυτό. Όταν οι ώρες της ημέρας γίνονται πολύ ζεστές και ξηρές, το στρώμα κλείνει για να διατηρήσει την υγρασία.

Ως οργανικό ή δομή σε κυτταρικό επίπεδο στα φύλλα των φυτών, οι χλωροπλάστες έχουν μια εξωτερική και εσωτερική μεμβράνη που τα περιβάλλει. Μέσα σε αυτές τις μεμβράνες υπάρχουν δομές σε σχήμα πιατέλας που ονομάζονται θυλακοειδή. Η μεμβράνη του θυλακοειδούς είναι όπου το φυτό και τα δέντρα αποθηκεύουν χλωροφύλλη, την πράσινη χρωστική ουσία που είναι υπεύθυνη για την απορρόφηση της φωτεινής ενέργειας από τον ήλιο. Αυτό είναι όπου οι αρχικές εξαρτώμενες από το φως αντιδράσεις πραγματοποιούνται στις οποίες πολλές πρωτεΐνες αποτελούν την αλυσίδα μεταφοράς για τη μεταφορά ενέργειας που τραβιέται από τον ήλιο στο σημείο που χρειάζεται να μεταβεί μέσα στο φυτό.

Η διαδικασία φωτοσύνθεσης είναι μια διαδικασία δύο σταδίων, πολλαπλών βημάτων. Το πρώτο στάδιο της φωτοσύνθεσης ξεκινά με το Ελαφριές αντιδράσεις, επίσης γνωστό ως το Εξαρτώμενη από το φως διαδικασία και απαιτεί ελαφριά ενέργεια από τον ήλιο. Το δεύτερο στάδιο, το Σκοτεινή αντίδραση στάδιο, που ονομάζεται επίσης το Calvin Cycle, είναι η διαδικασία με την οποία το φυτό παράγει ζάχαρη με τη βοήθεια των NADPH και ATP από το στάδιο της ελαφριάς αντίδρασης.

ο Ελαφριά αντίδραση Η φάση της φωτοσύνθεσης περιλαμβάνει τα ακόλουθα βήματα:

• Συγκέντρωση διοξειδίου του άνθρακα και νερού από την ατμόσφαιρα μέσω του φυτού ή των φύλλων του δέντρου.
• Οι πράσινες χρωστικές ουσίες που απορροφούν το φως σε φυτά ή δέντρα μετατρέπουν το ηλιακό φως σε αποθηκευμένη χημική ενέργεια.
• Ενεργοποιημένα από το φως, τα φυτικά ένζυμα μεταφέρουν την ενέργεια όπου χρειάζεται προτού την απελευθερώσουν για να ξεκινήσουν εκ νέου.
  

Όλα αυτά συμβαίνουν σε κυτταρικό επίπεδο εντός των θυλακοειδών του φυτού, μεμονωμένοι πεπλατυσμένοι σάκοι, διατεταγμένοι σε γκρανά ή στοίβες μέσα στους χλωροπλάστες των φυτών ή των δέντρων.

ο Calvin Cycle, ονομάστηκε για τον βιοχημικό του Μπέρκλεϋ Μελβίν Κάλβιν (1911-1997), ο αποδέκτης του βραβείου Νόμπελ του 1961 στη Χημεία για ανακάλυψη το στάδιο Dark Reaction, είναι η διαδικασία με την οποία το φυτό παράγει ζάχαρη με τη βοήθεια NADPH και ATP από την ελαφριά αντίδραση στάδιο. Κατά τη διάρκεια του κύκλου Calvin, πραγματοποιούνται τα ακόλουθα βήματα:

• Στερέωση άνθρακα στην οποία τα φυτά συνδέουν τον άνθρακα με φυτικά χημικά (RuBP) για φωτοσύνθεση.
• Φάση μείωσης κατά την οποία τα φυτικά και ενεργειακά χημικά αντιδρούν για τη δημιουργία φυτικών σακχάρων.
• Ο σχηματισμός υδατανθράκων ως θρεπτικό συστατικό των φυτών.
• Φάση αναγέννησης όπου η ζάχαρη και η ενέργεια συνεργάζονται για να σχηματίσουν ένα μόριο RuBP, το οποίο επιτρέπει στον κύκλο να ξεκινήσει ξανά.

Ενσωματωμένες εντός της θυλακοειδούς μεμβράνης είναι δύο συστήματα δέσμευσης φωτός: το φωτοσύστημα Ι και το φωτοσύστημα II αποτελείται από πολλαπλές πρωτεΐνες που μοιάζουν με κεραία, όπου τα φύλλα του φυτού αλλάζουν την ελαφριά ενέργεια σε χημική ουσία ενέργεια. Το Photosystem I παρέχει μια παροχή φορέων ηλεκτρονίων χαμηλής ενέργειας ενώ ο άλλος παρέχει τα ενεργοποιημένα μόρια όπου πρέπει να πάνε.

Η χλωροφύλλη είναι η χρωστική που απορροφά το φως, μέσα στα φύλλα των φυτών και των δέντρων, που ξεκινά τη διαδικασία φωτοσύνθεσης. Ως οργανική χρωστική ουσία εντός του χλωροπλαστικού θυλακοειδούς, η χλωροφύλλη απορροφά μόνο ενέργεια μέσα σε μια στενή ζώνη του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος που παράγεται από τον ήλιο εντός του εύρους μήκους κύματος από 700 νανόμετρα (nm) έως 400 νμ. Ονομάζεται φωτοσυνθετικά ενεργή ζώνη ακτινοβολίας, το πράσινο κάθεται στη μέση του φάσματος ορατού φωτός που διαχωρίζει το χαμηλότερη ενέργεια, αλλά μακρύτερα κόκκινα, κίτρινα και πορτοκάλια μήκους κύματος από την υψηλή ενέργεια, μικρότερο μήκος κύματος, μπλε, indigoes και βιολέτες.

Οπως και απορροφούν τις χλωροφύλλης ένα μόνο φωτόνιο ή διακριτή πακέτο ελαφριάς ενέργειας, προκαλεί αυτά τα μόρια να ενθουσιαστούν. Μόλις το φυτικό μόριο ενθουσιαστεί, τα υπόλοιπα βήματα της διαδικασίας περιλαμβάνουν την είσοδο αυτού του διεγερμένου μορίου στο σύστημα μεταφοράς ενέργειας μέσω της ενέργειας φορέας που ονομάζεται φωσφορικό δινουκλεοτίδιο νικοτιναμίδης αδενίνη ή NADPH, για παράδοση στο δεύτερο στάδιο της φωτοσύνθεσης, της φάσης Dark Reaction ή του Calvin Κύκλος.

Αφού μπείτε στο αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων, η διαδικασία εξάγει ιόντα υδρογόνου από το νερό που εισέρχεται και το παραδίδει στο εσωτερικό του θυλακοειδούς, όπου συσσωρεύονται αυτά τα ιόντα υδρογόνου. Τα ιόντα περνούν από μια ημιπορώδη μεμβράνη από την στρωματική πλευρά στον θυλακοειδή αυλό, χάνοντας μερικά της ενέργειας στη διαδικασία, καθώς κινούνται μέσω των πρωτεϊνών που υπάρχουν μεταξύ των δύο φωτοσυστημάτων. Τα ιόντα υδρογόνου συγκεντρώνονται στον αυλό του θυλακοειδούς όπου περιμένουν να ενεργοποιηθεί ξανά πριν συμμετάσχουν στη διαδικασία που καθιστά την αδενοσίνη τριφωσφορική ή ATP, το ενεργειακό νόμισμα του κυττάρου.

Οι πρωτεΐνες κεραίας στο φωτοσύστημα 1 απορροφούν ένα άλλο φωτόνιο, μεταδίδοντάς το στο κέντρο αντίδρασης PS1 που ονομάζεται P700. Ένα οξειδωμένο κέντρο, το P700 στέλνει ένα ηλεκτρόνιο υψηλής ενέργειας σε φωσφορικό δινουκλεοτίδιο αδενίνης νικοτίνης-αμιδίου ή NADP + και το μειώνει για να σχηματίσει NADPH και ATP. Αυτό είναι όπου το φυτικό κύτταρο μετατρέπει την ελαφριά ενέργεια σε χημική ενέργεια.

Ο χλωροπλάστης συντονίζει τα δύο στάδια της φωτοσύνθεσης για να χρησιμοποιήσει ελαφριά ενέργεια για την παραγωγή ζάχαρης. Τα θυλακοειδή εντός του χλωροπλάστη αντιπροσωπεύουν τις θέσεις των αντιδράσεων φωτός, ενώ ο Κύκλος Calvin εμφανίζεται στο στρώμα.

Η κυτταρική αναπνοή, συνδεδεμένη με τη διαδικασία φωτοσύνθεσης, συμβαίνει μέσα στο φυτικό κύτταρο καθώς παίρνει ελαφριά ενέργεια, την αλλάζει σε χημική ενέργεια και απελευθερώνει οξυγόνο πίσω στην ατμόσφαιρα. Η αναπνοή συμβαίνει στο φυτικό κύτταρο συμβαίνει όταν τα σάκχαρα που παράγονται κατά τη διάρκεια της φωτοσυνθετικής διαδικασίας συνδυάζεται με οξυγόνο για να κάνει ενέργεια για το κύτταρο, σχηματίζοντας διοξείδιο του άνθρακα και νερό ως υποπροϊόντα αναπνοή. Μια απλή εξίσωση για την αναπνοή είναι αντίθετη από αυτήν της φωτοσύνθεσης: γλυκόζη + οξυγόνο = ενέργεια + διοξείδιο του άνθρακα + ελαφριά ενέργεια.

Η κυτταρική αναπνοή συμβαίνει σε όλα τα ζωντανά κύτταρα του φυτού, όχι μόνο στα φύλλα, αλλά και στις ρίζες του φυτού ή του δέντρου. Επειδή η κυτταρική αναπνοή δεν χρειάζεται ελαφριά ενέργεια, μπορεί να συμβεί είτε την ημέρα είτε τη νύχτα. Όμως τα υπερβύθιση φυτών σε εδάφη με κακή αποστράγγιση προκαλούν πρόβλημα στην κυτταρική αναπνοή, όπως κατακλύζεται Τα φυτά δεν μπορούν να πάρουν αρκετό οξυγόνο μέσω των ριζών τους και να μετατρέψουν τη γλυκόζη για να διατηρήσουν το μεταβολικό των κυττάρων διαδικασίες. Εάν το φυτό λαμβάνει πάρα πολύ νερό για πολύ καιρό, οι ρίζες του μπορεί να στερούνται οξυγόνου, το οποίο ουσιαστικά μπορεί να σταματήσει την κυτταρική αναπνοή και να σκοτώσει το φυτό.

Ο καθηγητής Elledt Campbell του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας, Elliott Campbell και η ομάδα ερευνητών του σημείωσαν σε ένα άρθρο του Απριλίου 2017 στο «Φύση», ένα διεθνές επιστημονικό περιοδικό, ότι η διαδικασία φωτοσύνθεσης αυξήθηκε δραματικά κατά τη διάρκεια του 20ου αιώνας. Η ερευνητική ομάδα ανακάλυψε ένα παγκόσμιο ρεκόρ της φωτοσυνθετικής διαδικασίας που εκτείνεται στα διακόσια χρόνια.

Αυτό τους οδήγησε στο συμπέρασμα ότι το σύνολο όλων των φυτικών φωτοσύνθεσης στον πλανήτη αυξήθηκε κατά 30 τοις εκατό κατά τη διάρκεια των ετών που ερεύνησαν. Ενώ η έρευνα δεν προσδιορίζει συγκεκριμένα την αιτία της αύξησης της διαδικασίας φωτοσύνθεσης σε παγκόσμιο επίπεδο, της ομάδας μοντέλα υπολογιστών προτείνουν διάφορες διαδικασίες, όταν συνδυάζονται, που θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε μια τόσο μεγάλη αύξηση στο παγκόσμιο εργοστάσιο ανάπτυξη.

Τα μοντέλα έδειξαν ότι οι κύριες αιτίες της αυξημένης φωτοσύνθεσης περιλαμβάνουν αυξημένες εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα (κυρίως λόγω του ανθρώπου δραστηριότητες), μεγαλύτερες εποχές ανάπτυξης λόγω της υπερθέρμανσης του πλανήτη λόγω αυτών των εκπομπών και της αυξημένης ρύπανσης του αζώτου που προκαλείται από τη μαζική γεωργία και τα ορυκτά καύσιμα καύση. Οι ανθρώπινες δραστηριότητες που οδήγησαν σε αυτά τα αποτελέσματα έχουν τόσο θετικά όσο και αρνητικά αποτελέσματα στον πλανήτη.

Ο καθηγητής Campbell σημείωσε ότι ενώ οι αυξημένες εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα διεγείρουν την παραγωγή των καλλιεργειών, διεγείρει επίσης την ανάπτυξη ανεπιθύμητων ζιζανίων και επεμβατικών ειδών. Σημείωσε ότι οι αυξημένες εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα προκαλούν άμεσα την κλιματική αλλαγή που οδηγεί σε περισσότερες πλημμύρες κατά μήκος των παράκτιων περιοχών περιοχές, ακραίες καιρικές συνθήκες και αύξηση της οξίνισης των ωκεανών, που όλα έχουν επιβαρυντικά αποτελέσματα παγκοσμίως.

Ενώ η φωτοσύνθεση αυξήθηκε κατά τη διάρκεια του 20ου αιώνα, προκάλεσε επίσης τα φυτά να αποθηκεύουν περισσότερο άνθρακα σε οικοσυστήματα σε όλο τον κόσμο, με αποτέλεσμα να γίνονται πηγές άνθρακα αντί για καταβόθρες άνθρακα. Ακόμη και με την αύξηση της φωτοσύνθεσης, η αύξηση δεν μπορεί να αντισταθμίσει την καύση ορυκτών καυσίμων, όπως περισσότερες εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα από την καύση ορυκτών καυσίμων τείνουν να κατακλύζουν την ικανότητα του εργοστασίου να απορροφά CO2.

Οι ερευνητές ανέλυσαν δεδομένα χιονιού στην Ανταρκτική που συλλέχθηκαν από την Εθνική Ωκεάνια και Ατμοσφαιρική Διοίκηση για να αναπτύξουν τα ευρήματά τους. Μελετώντας το αέριο που είναι αποθηκευμένο στα δείγματα πάγου, οι ερευνητές εξέτασαν τις παγκόσμιες ατμόσφαιρες του παρελθόντος.