Τι είδους αντίδραση είναι η φωτοσύνθεση;

Χωρίς τη σειρά χημικών αντιδράσεων που είναι γνωστά συλλογικά ως φωτοσύνθεση, δεν θα ήσασταν εδώ και ούτε κάποιος άλλος που θα γνωρίζετε. Αυτό μπορεί να σας θεωρήσει περίεργο ισχυρισμό εάν τυχαίνει να γνωρίζετε ότι η φωτοσύνθεση είναι αποκλειστική για τα φυτά και μερικούς μικροοργανισμούς, και ότι δεν υπάρχει ούτε ένα κύτταρο στο σώμα σας ούτε σε οποιοδήποτε ζώο η συσκευή να εκτελεί αυτήν την κομψή ποικιλία αντιδράσεων. Τι δίνει;

Με απλά λόγια, η ζωή των φυτών και η ζωή των ζώων είναι σχεδόν τέλεια συμβιωτικά, πράγμα που σημαίνει ότι ο τρόπος με τον οποίο τα φυτά πληρούν τις μεταβολικές τους ανάγκες είναι εξαιρετικά ωφέλιμο για τα ζώα και το αντίστροφο. Με απλούστερους όρους, τα ζώα λαμβάνουν αέριο οξυγόνο₂) για την παραγωγή ενέργειας από μη αέριες πηγές άνθρακα και να εκκρίνουν διοξείδιο του άνθρακα (CO₂) και νερό (Η₂O) στη διαδικασία, ενώ τα φυτά χρησιμοποιούν CO₂ και Η₂O για να φτιάξετε φαγητό και απελευθερώστε O₂ στο περιβάλλον. Επιπλέον, περίπου το 87% της παγκόσμιας ενέργειας προέρχεται επί του παρόντος από την καύση ορυκτών καυσίμων, τα οποία είναι τελικά προϊόντα φωτοσύνθεσης.

Μερικές φορές λέγεται ότι «η φωτοσύνθεση είναι στα φυτά τι είναι η αναπνοή στα ζώα», αλλά αυτή είναι μια ελαττωματική αναλογία επειδή τα φυτά χρησιμοποιούν και τα δύο, ενώ τα ζώα χρησιμοποιούν μόνο την αναπνοή. Σκεφτείτε τη φωτοσύνθεση ως τον τρόπο με τον οποίο τα φυτά καταναλώνουν και χωνεύουν άνθρακα, στηριζόμενοι στο φως και όχι στην κίνηση και στην πράξη του φαγητού για να βάλετε τον άνθρακα σε μια μορφή που μπορούν να χρησιμοποιήσουν οι μικροσκοπικές κυτταρικές μηχανές.

Η φωτοσύνθεση, παρά το γεγονός ότι δεν χρησιμοποιείται άμεσα από ένα σημαντικό μέρος των ζωντανών όντων, μπορεί να είναι λογικά θεωρείται ως η μία χημική διαδικασία που είναι υπεύθυνη για τη διασφάλιση της συνεχούς ύπαρξης ζωής Η ίδια η Γη. Τα φωτοσυνθετικά κύτταρα λαμβάνουν CO₂ και Η₂O συγκεντρώθηκε από τον οργανισμό από το περιβάλλον και χρησιμοποιήστε την ενέργεια από το φως του ήλιου για να τροφοδοτήσετε τη σύνθεση της γλυκόζης (C₆Η₁₂Ο₆, απελευθερώνοντας το O₂ ως απόβλητο προϊόν. Αυτή η γλυκόζη στη συνέχεια υποβάλλεται σε επεξεργασία από διαφορετικά κύτταρα στο φυτό με τον ίδιο τρόπο που χρησιμοποιείται η γλυκόζη από ζώα κύτταρα: Υποβάλλεται στην αναπνοή για να απελευθερώσει ενέργεια με τη μορφή τριφωσφορικής αδενοσίνης (ATP) και απελευθερώνει CO₂ ως απόβλητο προϊόν. (Το φυτοπλαγκτόν και τα κυανοβακτήρια χρησιμοποιούν επίσης τη φωτοσύνθεση, αλλά για τους σκοπούς αυτής της συζήτησης, οι οργανισμοί που περιέχουν φωτοσυνθετικά κύτταρα αναφέρονται γενικά ως "φυτά".)

Οι οργανισμοί που χρησιμοποιούν τη φωτοσύνθεση για να φτιάξουν γλυκόζη ονομάζονται αυτότροφες, η οποία μεταφράζεται χαλαρά από τα ελληνικά σε "αυτοφαγία". Δηλαδή, τα φυτά δεν βασίζονται σε άλλους οργανισμούς απευθείας για τρόφιμα. Τα ζώα, από την άλλη πλευρά, είναι ετερότροπα ("άλλα τρόφιμα") επειδή πρέπει να καταναλώνουν άνθρακα από άλλες ζωντανές πηγές για να αναπτυχθούν και να παραμείνουν ζωντανά.

Η φωτοσύνθεση θεωρείται αντίδραση οξειδοαναγωγής. Το Redox είναι συντομογραφία της «μείωσης-οξείδωσης», η οποία περιγράφει τι συμβαίνει σε ατομικό επίπεδο στις διάφορες βιοχημικές αντιδράσεις. Ο πλήρης, ισορροπημένος τύπος για τη σειρά αντιδράσεων που ονομάζεται φωτοσύνθεση - τα συστατικά του οποίου θα εξερευνηθούν σύντομα - είναι:

6Η₂O + φως + 6CO₂ → Γ₆Η₁₂Ο₆ + 6O₂

Μπορείτε να επιβεβαιώσετε μόνοι σας ότι ο αριθμός κάθε τύπου ατόμου είναι ο ίδιος σε κάθε πλευρά του βέλους: Έξι άτομα άνθρακα, 12 άτομα υδρογόνου και 18 άτομα οξυγόνου.

Η αναγωγή είναι η απομάκρυνση ηλεκτρονίων από άτομο ή μόριο, ενώ η οξείδωση είναι η απόκτηση ηλεκτρονίων. Αντίστοιχα, οι ενώσεις που αποδίδουν εύκολα ηλεκτρόνια σε άλλες ενώσεις ονομάζονται οξειδωτικοί παράγοντες, ενώ εκείνες που τείνουν να αποκτούν ηλεκτρόνια ονομάζονται αναγωγικοί παράγοντες. Οι αντιδράσεις Redox συνήθως περιλαμβάνουν την προσθήκη υδρογόνου στην ένωση που μειώνεται.

Το πρώτο βήμα στη φωτοσύνθεση μπορεί να συνοψιστεί ως "ας υπάρξει φως". Το φως του ήλιου χτυπά την επιφάνεια των φυτών, θέτοντας σε κίνηση όλη τη διαδικασία. Ίσως έχετε ήδη υποψιαστεί γιατί πολλά φυτά μοιάζουν με την εμφάνισή τους: Μεγάλη έκταση με τη μορφή φύλλων και κλαδιά που τα υποστηρίζουν που φαίνονται περιττά (αν και ελκυστικά) εάν δεν ξέρετε γιατί είναι δομημένοι αυτοί οι οργανισμοί με αυτόν τον τρόπο. Ο «στόχος» του φυτού είναι να εκθέσει όσο το δυνατόν περισσότερο στο ηλιακό φως - καθιστώντας το συντομότερο, μικρότερο φυτά σε οποιοδήποτε οικοσύστημα μάλλον σαν το ράτσες των απορριμμάτων ζώων, καθώς και οι δύο αγωνίζονται να αποκτήσουν αρκετά ενέργεια. Τα φύλλα, δεν προκαλεί έκπληξη, είναι εξαιρετικά πυκνά στα φωτοσυνθετικά κύτταρα.

Αυτά τα κύτταρα είναι πλούσια σε οργανισμούς που ονομάζονται χλωροπλάστες, όπου γίνεται το έργο της φωτοσύνθεσης, όπως τα μιτοχόνδρια είναι τα οργανίδια στα οποία εμφανίζεται η αναπνοή. Στην πραγματικότητα, οι χλωροπλάστες και τα μιτοχόνδρια είναι αρκετά δομικά παρόμοια, γεγονός που, όπως σχεδόν όλα στον κόσμο της βιολογίας, μπορεί να εντοπιστούν στα θαύματα της εξέλιξης.) Οι χλωροπλάστες περιέχουν εξειδικευμένες χρωστικές ουσίες που απορροφούν βέλτιστα την ελαφριά ενέργεια αντί να αντανακλούν το. Αυτό που αντανακλάται και όχι απορροφάται συμβαίνει να βρίσκεται σε μια σειρά μηκών κύματος που ερμηνεύεται από το ανθρώπινο μάτι και τον εγκέφαλο ως ένα συγκεκριμένο χρώμα (υπόδειξη: Ξεκινά με "g"). Η κύρια χρωστική ουσία που χρησιμοποιείται για το σκοπό αυτό είναι γνωστή ως χλωροφύλλη.

Οι χλωροπλάστες περιβάλλονται από μια διπλή μεμβράνη πλάσματος, όπως συμβαίνει με όλα τα ζωντανά κύτταρα καθώς και τα οργανίδια που περιέχουν. Στα φυτά, ωστόσο, υπάρχει μια τρίτη μεμβράνη εσωτερική στο διστρωματικό πλάσμα, που ονομάζεται μεμβράνη θυλακοειδούς. Αυτή η μεμβράνη διπλώνεται πολύ εκτεταμένα έτσι ώστε οι ανόμοιες δομές να στοιβάζονται η μια πάνω στην άλλη, όχι σε αντίθεση με μια συσκευασία μέντας. Αυτές οι δομές θυλακοειδούς περιέχουν χλωροφύλλη. Ο χώρος μεταξύ της εσωτερικής μεμβράνης χλωροπλάστης και της θυλακοειδούς μεμβράνης ονομάζεται στρώμα.

Η φωτοσύνθεση χωρίζεται σε ένα σύνολο αντιδράσεων που εξαρτώνται από το φως και δεν εξαρτώνται από το φως, συνήθως ονομάζονται αντιδράσεις φωτός και σκοτάδι και περιγράφονται λεπτομερώς αργότερα. Όπως ίσως έχετε καταλήξει, οι ελαφριές αντιδράσεις εμφανίζονται πρώτα.

Όταν το φως από τον ήλιο χτυπά τη χλωροφύλλη και άλλες χρωστικές ουσίες μέσα στα θυλακοειδή, ουσιαστικά εκρήγνυται ηλεκτρόνια και πρωτόνια από τα άτομα στη χλωροφύλλη και τα ανυψώνουν σε υψηλότερο επίπεδο ενέργειας, καθιστώντας τα πιο ελεύθερα μεταναστεύω. Τα ηλεκτρόνια εκτρέπονται στις αντιδράσεις αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων που ξεδιπλώνονται στην ίδια τη θυλακοειδή μεμβράνη. Εδώ, δέκτες ηλεκτρονίων όπως το NADP λαμβάνουν μερικά από αυτά τα ηλεκτρόνια, τα οποία χρησιμοποιούνται επίσης για να οδηγήσουν τη σύνθεση του ATP. Το ATP είναι ουσιαστικά στα κύτταρα ποια είναι τα δολάρια για το χρηματοοικονομικό σύστημα των ΗΠΑ: Είναι το «ενεργειακό νόμισμα» που χρησιμοποιεί ουσιαστικά όλες τις μεταβολικές διεργασίες τελικά διεξάγονται.

Ενώ αυτό συμβαίνει, τα μόρια χλωροφύλλης που κάνουν ηλιοθεραπεία βρέθηκαν ξαφνικά ελλείμματα ηλεκτρονίων. Αυτό είναι όπου το νερό εισέρχεται στο ξέσπασμα και συμβάλλει στην αντικατάσταση ηλεκτρονίων με τη μορφή υδρογόνου, μειώνοντας έτσι τη χλωροφύλλη. Με το υδρογόνο του που εξαφανίστηκε, αυτό που κάποτε ήταν νερό είναι τώρα μοριακό οξυγόνο - Ο₂. Αυτό το οξυγόνο διαχέεται εξ ολοκλήρου από το κύτταρο και έξω από το φυτό και μερικά από αυτά κατάφεραν να βρουν το δρόμο τους στους δικούς σας πνεύμονες ακριβώς αυτό το δευτερόλεπτο.

Η φωτοσύνθεση ονομάζεται ενδονική αντίδραση επειδή απαιτεί είσοδο ενέργειας για να προχωρήσει. Ο ήλιος είναι η απόλυτη πηγή όλης της ενέργειας στον πλανήτη (ένα γεγονός ίσως κατανοητό σε κάποιο επίπεδο από τα διάφορα κουλτούρες της αρχαιότητας που θεώρησαν τον ήλιο από μόνη τους θεότητα) και τα φυτά είναι τα πρώτα που τον παρακολουθούν παραγωγική χρήση. Χωρίς αυτήν την ενέργεια, δεν θα υπήρχε τρόπος να μετατραπεί το διοξείδιο του άνθρακα, ένα μικρό, απλό μόριο σε γλυκόζη, ένα σημαντικά μεγαλύτερο και πιο περίπλοκο μόριο. Φανταστείτε τον εαυτό σας να ανεβείτε σκάλες ενώ κατά κάποιον τρόπο δεν ξοδεύετε ενέργεια και μπορείτε να δείτε το πρόβλημα που αντιμετωπίζουν τα φυτά.

Με αριθμητικούς όρους, οι ενδονικές αντιδράσεις είναι εκείνες στις οποίες τα προϊόντα έχουν υψηλότερο επίπεδο ενέργειας από ό, τι τα αντιδραστήρια. Το αντίθετο αυτών των αντιδράσεων, ενεργώντας μιλώντας, ονομάζεται εξεργονικό, στο οποίο τα προϊόντα έχουν χαμηλότερη ενέργεια από τις αντιδράσεις και έτσι η ενέργεια απελευθερώνεται κατά τη διάρκεια της αντίδρασης. (Αυτό συμβαίνει συχνά με τη μορφή θερμότητας - και πάλι, γίνετε πιο ζεστοί ή γίνετε πιο κρύοι με την άσκηση;) Αυτό εκφράζεται σε όρους ελεύθερης ενέργειας ΔG ° της αντίδρασης, η οποία για τη φωτοσύνθεση είναι +479 kJ ⋅ mol^-1 ή 479 joules ενέργειας ανά γραμμομόριο. Το θετικό σημάδι υποδηλώνει μια ενδοθερμική αντίδραση, ενώ ένα αρνητικό σημάδι δείχνει μια εξώθερμη διαδικασία.

Στις αντιδράσεις φωτός, το νερό διασπάται από το φως του ήλιου, ενώ στο σκοτάδι αντιδράσεις, τα πρωτόνια (Η⁺) και ηλεκτρόνια (π.χ.⁻) απελευθερώνεται στο φως οι αντιδράσεις χρησιμοποιούνται για τη συγκέντρωση γλυκόζης και άλλων υδατανθράκων από CO₂.

Οι ελαφριές αντιδράσεις δίδονται από τον τύπο:

2Η₂O + φως → O₂ + 4Η⁺ +4ε⁻(ΔG ° = +317 kJ ⋅ mol⁻¹)

και οι σκοτεινές αντιδράσεις δίδονται από:

CO₂ + 4Η⁺ +4ε⁻ → CH₂Ο + Η₂O (ΔG ° = +162 kJ ⋅ mol⁻¹)

Συνολικά, αυτό δίνει την πλήρη εξίσωση που αποκαλύπτεται παραπάνω:

Η₂O + φως + CO₂ → CH₂Ο + Ο₂(ΔG ° = +479 kJ ⋅ mol⁻¹)

Μπορείτε να δείτε ότι και τα δύο σύνολα αντιδράσεων είναι ενδογενικά, οι ελαφριές αντιδράσεις ισχυρότερα.

Η ενεργειακή σύζευξη σε ζωντανά συστήματα σημαίνει τη χρήση ενέργειας που διατίθεται από μία διαδικασία για την οδήγηση άλλων διαδικασιών που διαφορετικά δεν θα πραγματοποιούνταν. Η ίδια η κοινωνία δουλεύει με αυτόν τον τρόπο: Οι επιχειρήσεις συχνά πρέπει να δανείζονται μεγάλα χρηματικά ποσά εκ των προτέρων για να ξεφύγουν έδαφος, αλλά τελικά ορισμένες από αυτές τις επιχειρήσεις καθίστανται εξαιρετικά κερδοφόρες και μπορούν να διαθέσουν κεφάλαια για άλλες νεοσύστατες επιχειρήσεις εταιρείες.

Η φωτοσύνθεση αντιπροσωπεύει ένα καλό παράδειγμα ενεργειακής σύζευξης, καθώς η ενέργεια από το ηλιακό φως συνδέεται με αντιδράσεις σε χλωροπλάστες έτσι ώστε οι αντιδράσεις να μπορούν να ξεδιπλωθούν. Το εργοστάσιο επιβραβεύει τελικά τον παγκόσμιο κύκλο άνθρακα συνθέτοντας γλυκόζη και άλλες ενώσεις άνθρακα που μπορούν να συζευχθούν με άλλες αντιδράσεις, αμέσως ή στο μέλλον. Για παράδειγμα, τα φυτά σίτου παράγουν άμυλο, που χρησιμοποιείται παγκοσμίως ως κύρια πηγή τροφής για ανθρώπους και άλλα ζώα. Αλλά δεν αποθηκεύεται όλη η γλυκόζη που παράγεται από τα φυτά. Μερικά από αυτά προχωρούν σε διαφορετικά μέρη των φυτικών κυττάρων, όπου η ενέργεια που απελευθερώνεται στη γλυκόλυση συνδέεται τελικά με αντιδράσεις στα μιτοχόνδρια του φυτού που έχουν ως αποτέλεσμα το σχηματισμό της ΑΤΡ. Ενώ τα φυτά αντιπροσωπεύουν τον πυθμένα της τροφικής αλυσίδας και θεωρούνται ευρέως ως παθητική ενέργεια και οξυγόνο δότες, έχουν δικές τους μεταβολικές ανάγκες, πρέπει να μεγαλώνουν και να αναπαράγονται όπως άλλοι οργανισμοί.

Εκτός αυτού, οι μαθητές συχνά δυσκολεύονται να μάθουν να εξισορροπούν τις χημικές αντιδράσεις εάν αυτές δεν παρέχονται σε ισορροπημένη μορφή. Ως αποτέλεσμα, στο παιχνίδι τους, οι μαθητές μπορεί να μπουν στον πειρασμό να αλλάξουν τις τιμές των συνδρομών σε μόρια στην αντίδραση, προκειμένου να επιτύχουν ένα ισορροπημένο αποτέλεσμα. Αυτή η σύγχυση μπορεί να οφείλεται στο να γνωρίζουμε ότι επιτρέπεται να αλλάζουμε τους αριθμούς μπροστά από τα μόρια για να εξισορροπήσουμε τις αντιδράσεις. Η αλλαγή του δείκτη οποιουδήποτε μορίου μετατρέπει αυτό το μόριο σε διαφορετικό μόριο. Για παράδειγμα, η αλλαγή O₂ πολύ₃ δεν προσθέτει απλώς 50% περισσότερο οξυγόνο ως προς τη μάζα · αλλάζει το αέριο οξυγόνο σε όζον, το οποίο δεν θα συμμετάσχει στην υπό μελέτη αντίδραση με παρόμοιο τρόπο.