Kuidas fotosüntees töötab?

Fotosünteesiprotsess, mille käigus taimed ja puud muudavad päikese valguse toiteväärtuseks energia, võib esialgu tunduda maagiana, kuid otseselt ja kaudselt toetab see protsess tervikut maailmas. Kui rohelised taimed jõuavad valguse poole, haaravad nende lehed päikese energiat, kasutades valgust neelavaid kemikaale või spetsiaalseid pigmente, et toitu valmistada atmosfääri tõmmatud süsinikdioksiidist ja veest. Selle protsessi käigus eraldub hapnik kõrvalsaadusena tagasi atmosfääri, mis on kõigi hingavate organismide jaoks vajalik õhus sisalduv komponent.

TL; DR (liiga pikk; Ei lugenud)

Fotosünteesi lihtne võrrand on süsinikdioksiid + vesi + valgusenergia = glükoos + hapnik. Kuna taimeriigi üksused tarbivad fotosünteesi käigus süsinikdioksiidi, eraldavad nad hapnikku atmosfääri tagasi, et inimesed saaksid seda hingata; rohelised puud ja taimed (maismaal ja meres) vastutavad peamiselt Hapniku piirkonnas atmosfääri ja ilma nendeta ei pruugi loomad ja inimesed, nagu ka muud eluvormid, eksisteerida tee täna.

Rohelised kasvavad asjad on vajalikud kogu planeedi eluks, mitte ainult taimtoidulistele ja kõigesööjatele, vaid ka hapniku hingamiseks. Fotosünteesiprotsess on peamine viis hapniku atmosfääri sisenemiseks. See on ainus bioloogiline vahend planeedil, mis seob päikese valgusenergiat, muutes selle suhkruteks ja süsivesikuteks, pakkudes taimedele toitaineid, vabastades samal ajal hapnikku.

Mõelge sellele: taimed ja puud võivad sisuliselt ammutada energiat, mis algab kosmose välimisest otsast päikesevalguse kujul, muutke see toiduks ja vabastage protsessis vajalik õhk, mida organismid vajavad areneda. Võib öelda, et kõigil hapnikku tootvatel taimedel ja puudel on sümbiootiline suhe kõigi hapnikku hingavate organismidega. Inimesed ja loomad tagavad taimedele süsinikdioksiidi ning vastutasuks annavad nad hapnikku. Bioloogid nimetavad seda vastastikuseks sümbiootiliseks suhteks, sest sellest saavad kasu kõik suhte osapooled.

Linnaea klassifitseerimissüsteemis on kõigi elusolendite, taimede, vetikad ja teatud tüüpi bakterid, mida nimetatakse sinivetikateks, on ainsad elusolendid, kellest toitu toodetakse päikesevalgus. Argument metsade raiumiseks ja taimede eemaldamiseks arengu nimel näib olevat kahjulik nendes arengutes pole enam inimesi elama jäänud, sest hapniku tootmiseks pole enam taimi ja puid.

Taimed ja puud on autotroofid, elusorganismid, kes teevad ise toitu. Kuna nad teevad seda päikese valgusenergiat kasutades, nimetavad bioloogid neid fotoautotroofideks. Enamik taime ja puid planeedil on fotoautotroofid.

Päikesevalguse muundumine toiduks toimub rakutasandil taime lehtede sees taimerakkudes leiduvas organellis, struktuuris, mida nimetatakse kloroplastiks. Kui lehed koosnevad mitmest kihist, toimub fotosüntees mesofüllis, keskmises kihis. Lehtede alaküljel olevad väikesed mikroavad, mida nimetatakse stomaatideks, kontrollivad süsinikdioksiidi ja hapniku voogu tehasesse ja tagasi, kontrollides taime gaasivahetust ja taime veetasakaalu.

Veekadude minimeerimiseks on lehtede põhjas päikesest eemale suunatud stoomid. Stomataid ümbritsevad väikesed valvurakud kontrollivad nende suulaadsete avade avanemist ja sulgemist paisumise või kokkutõmbumisega vastusena atmosfääri veekogusele. Stomata sulgemisel ei saa fotosünteesi toimuda, kuna taim ei saa sisse võtta süsinikdioksiidi. See põhjustab taimes süsinikdioksiidi taseme langust. Kui päevavalguse aeg muutub liiga kuumaks ja kuivaks, sulgub strooma niiskuse säilitamiseks.

Taimede lehtedes rakutasandil oleva organelli või struktuurina on kloroplastidel neid ümbritsev välimine ja sisemine membraan. Nende membraanide sees on vaagnakujulised struktuurid, mida nimetatakse tülakoidideks. Tilakoidmembraan on koht, kus taim ja puud hoiavad klorofülli, rohelist pigmenti, mis vastutab päikesest pärineva valgusenergia neelamise eest. Siin toimuvad esialgsed valgusest sõltuvad reaktsioonid, kus arvukad valgud moodustavad transpordiahela, et viia päikeselt tõmmatud energia sinna, kuhu taime sees peab minema.

Fotosünteesiprotsess on kaheastmeline, mitmeastmeline protsess. Fotosünteesi esimene etapp algab Valgusreaktsioonid, tuntud ka kui Valgusest sõltuv protsess ja nõuab päikeselt valgusenergiat. Teine etapp, Tume reaktsioon etapp, mida nimetatakse ka Calvini tsükkel, on protsess, mille käigus taim valmistab NADPH ja ATP abil suhkrut kerge reaktsiooni staadiumist.

The Valgusreaktsioon fotosünteesi faas hõlmab järgmisi samme:

• Süsinikdioksiidi ja vee kogumine atmosfäärist taime või puu lehtede kaudu.
• Taimedes või puudes valgust neelavad rohelised pigmendid muudavad päikesevalguse salvestatud keemiliseks energiaks.
• Valguse poolt aktiveeritud taimeensüümid transpordivad energiat sinna, kuhu vaja, enne kui nad uuesti alustavad.
  

Kõik see toimub raku tasandil taime tülakoidide, üksikute lamestatud kotikeste sees, mis on paigutatud grana või virnadena taime või puurakkude kloroplastide sisse.

The Calvini tsükkel, nime saanud Berkeley biokeemik Melvin Calvin (1911-1997), kes sai 1961. aastal Nobeli keemiauhinna avastamise eest tumereaktsioon on protsess, mille käigus taim valmistab NADPH ja ATP abil valgusreaktsioonist suhkrut etapp. Calvini tsükli ajal toimuvad järgmised sammud:

• Süsiniku fikseerimine, milles taimed ühendavad süsiniku taimekemikaalidega (RuBP) fotosünteesi jaoks.
• Redutseerimisfaas, kus taime- ja energiakemikaalid reageerivad taimsete suhkrute loomisele.
• Süsivesikute moodustumine taimse toitainena.
• Regenereerimisfaas, kus suhkur ja energia moodustavad RuBP molekuli, mis võimaldab tsükli uuesti alustada.

Tülakoidmembraani sisse on kinnitatud kaks valgust püüdvat süsteemi: I fotosüsteem ja II fotosüsteem koosneb mitmest antennilaadsest valgust, kus taime lehed muudavad valgusenergia keemiliseks energia. I fotosüsteem pakub madala energiaga elektronkandjaid, teine ​​aga annab pingestatud molekulid sinna, kuhu nad peavad minema.

Klorofüll on valgust neelav pigment taimede ja puude lehtede sees, mis alustab fotosünteesi protsessi. Orgaanilise pigmendina kloroplasti tülakoidis neelab klorofüll energiat ainult kitsas ribas päikese tekitatud elektromagnetilisest spektrist lainepikkuste vahemikus 700 nanomeetrit (nm) kuni 400 nm nm. Fotosünteetiliselt aktiivseks kiirgusribaks nimetatud roheline istub nähtava valgusspektri keskel, eraldades madalama energiaga, kuid pikema lainepikkusega punased, kollakad ja oranžid energiast, lühem lainepikkus, sinised, indigod ja kannikesed.

As klorofüllid imenduvad üks footon või eristatav valgusenergia pakett, põhjustab see nende molekulide põnevust. Kui taime molekul on põnevil, hõlmavad protsessi ülejäänud etapid selle ergastatud molekuli jõudmist energia kaudu energiasüsteemi kandja, mida nimetatakse nikotiinamiidadeniindinukleotiidfosfaadiks või NADPH, fotosünteesi teise etapi, tumereaktsiooni faasi või Calvini toimetamiseks Tsükkel.

Pärast sisestamist elektronide transpordiahel, eraldab protsess sisseveetud veest vesinikuioonid ja toimetab selle tüakoidi sisemusse, kus need vesinikuioonid kogunevad. Ioonid läbivad poolpoorset membraani strooma küljelt tülakoidse luumenini, kaotades osa protsessis olevast energiast, kui nad liiguvad läbi kahe fotosüsteemi vahel eksisteerivate valkude. Vesinikioonid kogunevad tülakoidi luumenisse, kus nad ootavad uuesti energiat, enne kui nad osalevad protsessis, mis muudab raku energiavaluutaks adenosiinitrifosfaadi või ATP.

1. fotosüsteemi antennivalgud neelavad teise footoni, edastades selle PS1 reaktsioonikeskusesse nimega P700. Oksüdeeritud keskus P700 saadab kõrge energiaga elektroni nikotiinamiidi adeniin-dinukleotiidfosfaadile või NADP + ja redutseerib selle NADPH ja ATP moodustamiseks. Siin muundab taimerakk valgusenergia keemiliseks energiaks.

Kloroplast koordineerib fotosünteesi kahte etappi, et kasutada valguse energiat suhkru valmistamiseks. Kloroplasti sees olevad tüüloidid esindavad valgusreaktsioonide saite, stroomas aga Calvini tsükkel.

Fotosünteesiprotsessiga seotud rakuhingamine toimub taimerakus, kui see võtab sisse valgusenergiat, muudab selle keemiliseks energiaks ja vabastab hapniku tagasi atmosfääri. Hingamine toimub taimerakus, kui fotosünteesiprotsessis tekkivad suhkrud ühendub hapnikuga raku jaoks energia saamiseks, moodustades süsinikdioksiidi ja vee hingamine. Hingamise lihtne võrrand on vastupidine fotosünteesi omale: glükoos + hapnik = energia + süsinikdioksiid + valgusenergia.

Rakuline hingamine toimub kõigis taime elusrakkudes, mitte ainult lehtedes, vaid ka taime või puu juurtes. Kuna rakuline hingamine ei vaja valgusenergiat, võib see toimuda kas päeval või öösel. Kuid taimede ülekastmine halva drenaažiga pinnases põhjustab ujutatud rakuhingamist taimed ei saa juurte kaudu piisavalt hapnikku sisse viia ja muundada glükoosi, et säilitada raku ainevahetust protsessid. Kui taim saab liiga kaua liiga palju vett, võib tema juurtest ilma jääda hapnik, mis võib sisuliselt rakuhingamise peatada ja taime tappa.

California ülikool Merced professor Elliott Campbell ja tema teadlaste meeskond märkisid 2017. aasta aprilli artiklis Rahvusvaheline teadusajakiri "Nature", mille fotosünteesiprotsess kasvas 20. ajal dramaatiliselt sajandil. Uurimisrühm avastas kakssada aastat kestnud fotosünteesiprotsessi ülemaailmse rekordi.

See viis nad järeldusele, et kogu taime fotosünteesi kogu planeedil kasvas nende uuritud aastate jooksul 30 protsenti. Kuigi uuring ei tuvastanud konkreetselt fotosünteesiprotsessi ülestõusu põhjust globaalselt, on meeskonna oma arvutimudelid viitavad mitmele protsessile, kui need kokku kombineerida, mis võib põhjustada ülemaailmse tehase nii suure kasvu kasvu.

Mudelid näitasid, et suurenenud fotosünteesi peamised põhjused hõlmavad suurenenud süsinikdioksiidi heitkoguseid atmosfääris (peamiselt inimese põhjustatud) tegevused), pikemad kasvuperioodid globaalse soojenemise tõttu nendest heitmetest ning suurenenud lämmastikureostus, mis on põhjustatud massilisest põllumajandusest ja fossiilkütustest põlemine. Nende tulemusteni viinud inimtegevus avaldab planeedile nii positiivset kui ka negatiivset mõju.

Professor Campbell märkis, et kuigi süsinikdioksiidi heitkoguste suurenemine stimuleerib põllukultuuride tootlust, stimuleerib see ka soovimatute umbrohtude ja invasiivsete liikide kasvu. Ta märkis, et süsinikdioksiidi suurenenud heitkogused põhjustavad otseselt kliimamuutusi, mis põhjustavad rannikualadel rohkem üleujutusi piirkonnad, ekstreemsed ilmastikutingimused ja ookeani hapestumise sagenemine, millel kõigil on liitmõju ülemaailmselt.

Kuigi fotosüntees suurenes 20. sajandi jooksul, põhjustas see ka taimede ökosüsteemides kogu maailmas rohkem süsiniku kogumist, mille tagajärjel muutusid nad süsinikuallikate asemel süsinikuallikateks. Isegi fotosünteesi suurenemisega ei saa kasv kompenseerida fossiilkütuste põlemist, nagu fossiilkütuste põletamisel tekkivad suuremad süsinikdioksiidi heitkogused kipuvad taime omastamisvõimet ületama CO2.

Uurijad analüüsisid oma järelduste väljatöötamiseks Riikliku ookeani- ja atmosfääriameti kogutud Antarktika lumeandmeid. Jääproovides talletatud gaasi uurides vaatasid teadlased üle mineviku globaalsed atmosfäärid.