Ilma keemiliste reaktsioonide reana, mida ühiselt nimetatakse fotosünteesiks, ei oleks te siin ega keegi teine, keda te tunnete. See võib teile tunduda veider väide, kui juhtub teadma, et fotosüntees on eksklusiivne ainult taimedele ja vähestele mikroorganismidele, ja et ühelgi teie keha ega ühegi looma rakul pole aparaate selle elegantse reaktsioonide valiku teostamiseks. Mis annab?
Lihtsustatult öeldes on taime- ja loomade elu peaaegu täiesti sümbiootiline, mis tähendab, et viis, kuidas taimed oma metaboolsete vajaduste rahuldamiseks kulgevad, on loomadele ülim kasulik ja vastupidi. Kõige lihtsamalt öeldes võtavad loomad hapnikugaasi (O2) energia saamiseks mittegaasilistest süsinikuallikatest ja süsinikdioksiidi gaasi (CO2) ja vesi (H2O) protsessis, samal ajal kui taimed kasutavad CO-d2 ja H2O toidu valmistamiseks ja O vabastamiseks2 keskkonnale. Lisaks sellele saadakse umbes 87 protsenti maailma energiast praegu fossiilkütuste põletamisest, mis on lõppkokkuvõttes ka fotosünteesi saadused.
Mõnikord öeldakse, et "fotosüntees on taimedele see, mis on loomadele hingamine", kuid see on vale analoogia, kuna taimed kasutavad mõlemat, samas kui loomad kasutavad ainult hingamist. Mõelge fotosünteesist kui viisist, kuidas taimed tarbivad ja seedivad süsinikku, tuginedes valgusele, mitte liikumisele ja söömisele, et viia süsinik sellisesse vormi, mida väikesed rakumasinad saavad kasutada.
Kiire ülevaade fotosünteesist
Hoolimata sellest, et märkimisväärne osa elusolendeid seda otseselt ei kasuta, võib fotosüntees olla mõistlikult vaadelda kui ühte keemilist protsessi, mis vastutab elu jätkuva olemasolu tagamise eest Maa ise. Fotosünteetilised rakud võtavad CO2 ja H2O, mille organism on keskkonnast kogunud ja kasutab päikesevalguse energiat glükoosi (C6H12O6), vabastades O2 jääkainena. Seejärel töötlevad seda glükoosi taime erinevad rakud samal viisil kui loom glükoosi rakud: see läbib hingamist, et vabastada energiat adenosiinitrifosfaadina (ATP) ja vabastab selle CO2 jääkainena. (Fütoplankton ja tsüanobakterid kasutavad ka fotosünteesi, kuid selle arutelu eesmärgil nimetatakse fotosünteetilisi rakke sisaldavaid organisme üldiselt taimedeks.)
Organisme, kes kasutavad fotosünteesi glükoosi saamiseks, nimetatakse autotroofideks, mis tõlgib lõdvalt kreeka keelest "isetoiduks". See tähendab, et taimed ei looda toidu jaoks otseselt teistele organismidele. Loomad on seevastu heterotroofid ("muu toit"), kuna nad peavad kasvamiseks ja elus püsimiseks neelama teistest elusallikatest pärinevat süsinikku.
Mis tüüpi reaktsioon on fotosüntees?
Fotosünteesi peetakse redoksreaktsiooniks. Redox on lühend redutseerimis-oksüdeerimisest, mis kirjeldab aatomitasandil erinevate biokeemiliste reaktsioonide toimumist. Fotosünteesiks kutsutavate reaktsioonide seeria täielik ja tasakaalustatud valem, mille komponente lähiajal uuritakse, on:
6H2O + valgus + 6CO2 → C6H12O6 + 6O2
Võite ise veenduda, et iga aatomitüübi arv on noole mõlemal küljel sama: kuus süsinikuaatomit, 12 vesinikuaatomit ja 18 hapnikuaatomit.
Reduktsioon on elektronide eemaldamine aatomist või molekulist, oksüdatsioon aga elektronide omandamine. Vastavalt nimetatakse ühendeid, mis annavad teistele elektronühenditele hõlpsasti elektrone, oksüdeerijateks, samas kui ühendeid, mis kipuvad elektrone saama, nimetatakse redutseerijateks. Redoksreaktsioonid hõlmavad tavaliselt redutseeritavale ühendile vesiniku lisamist.
Fotosünteesi struktuurid
Fotosünteesi esimese sammu võib kokku võtta kui "laske olla valgust". Päikesevalgus lööb taimede pinnale, pannes kogu protsessi liikuma. Võite juba kahtlustada, miks paljud taimed näevad välja nagu nad näevad välja: suur pindala lehtede ja neid toetavad oksad, mis tunduvad ebavajalikud (ehkki atraktiivsed), kui te ei tea, miks need organismid on üles ehitatud nii. Taime "eesmärk" on nii palju kui võimalik päikesevalguse kätte saada - tehes sellest kõige lühema, väiksema taimed meeldivad igas ökosüsteemis pigem loomapesakonna runtidele, kuna mõlemad võitlevad piisava hulga saamiseks energia. Pole üllatav, et lehed on fotosünteetilistes rakkudes ülitihedad.
Nendes rakkudes on palju organisme, mida nimetatakse kloroplastideks ja seal tehakse fotosünteesi tööd, nagu mitokondrid on organellid, milles hingamine toimub. Tegelikult on kloroplastid ja mitokondrid struktuurilt üsna sarnased, mis võib sarnaselt praktiliselt kõigega bioloogiamaailmas Kloroplastid sisaldavad spetsialiseeritud pigmente, mis optimaalselt neelavad valgusenergiat, mitte ei peegelda seda. See, mis pigem peegeldub kui imendub, on juhtumisi lainepikkuste vahemikus, mida inimese silm ja aju tõlgendavad konkreetse värvina (vihje: see algab tähega "g"). Peamine sel eesmärgil kasutatav pigment on tuntud kui klorofüll.
Kloroplastid on ümbritsetud kahekordse plasmamembraaniga, nagu see on kõigi elusrakkude ja neis sisalduvate organellide puhul. Taimedes eksisteerib aga plasma kaksikkihisisene kolmas membraan, mida nimetatakse tülakoidmembraaniks. See membraan on väga laialdaselt kokku pandud, nii et erinevalt hingetõmmispakendist on tulemuseks üksteise otsa laotud erinevad struktuurid. Need tülakoidstruktuurid sisaldavad klorofülli. Sisemise kloroplasti membraani ja tilakoidmembraani vahelist ruumi nimetatakse stroomaks.
Fotosünteesi mehhanism
Fotosüntees jaguneb valgus- ja valgussõltumatute reaktsioonide kogumiks, mida tavaliselt nimetatakse valgus- ja pimedusreaktsioonideks ning mida kirjeldatakse hiljem üksikasjalikult. Nagu võisite järeldada, tekivad kõigepealt valgusreaktsioonid.
Kui päikese valgus lööb klorofülli ja teisi tilakoidide sees olevaid pigmente, plahvatab see sisuliselt lahti klorofüllis olevate aatomite elektronid ja prootonid ning tõstab need kõrgemale energiatasemele, muutes need vabamaks rändama. Elektronid suunatakse elektronide transpordiahela reaktsioonidesse, mis avanevad tülakoidmembraanil endal. Siin saavad elektron aktseptorid, näiteks NADP, osa neist elektronidest, mida kasutatakse ka ATP sünteesi juhtimiseks. ATP on rakkude jaoks põhiliselt USA rahandussüsteemi jaoks mõeldud dollarid: praktiliselt kõik metaboolsed protsessid viiakse läbi "energiavaluutana".
Sel ajal, kui päikese käes suplevad klorofülli molekulid on ühtäkki leidnud, et neil on elektronidest puudu. See on koht, kus vesi siseneb piiresse ja panustab vesiniku kujul asenduselektrone, vähendades seeläbi klorofülli. Kuna vesinik on kadunud, on kunagine vesi nüüd molekulaarne hapnik - O2. See hapnik levib rakust välja ja täielikult taimest välja ning osa sellest on suutnud täpselt sel sekundil leida tee teie enda kopsudesse.
Kas fotosüntees on endergooniline?
Fotosünteesi nimetatakse endergooniliseks reaktsiooniks, kuna see nõuab jätkamiseks energia sisestamist. Päike on kogu planeedil oleva energia ülim allikas (fakt, mida erinevad inimesed võivad mingil tasandil mõista antiikaja kultuurid, mis pidasid päikest omaette jumaluseks) ja taimed on esimesed, kes selle pealt kinni võtavad produktiivne kasutamine. Ilma selle energiata poleks kuidagi võimalik muuta süsinikdioksiidi, väikest, lihtsat molekuli, glükoosiks, oluliselt suuremaks ja keerukamaks molekuliks. Kujutage ette, et kõnnite trepist ülespoole, kuid ei kuluta kuidagi energiat ja näete probleemi, millega taimed silmitsi seisavad.
Aritmeetilises mõttes on endergoonilised reaktsioonid need, mille produktide energiatase on kõrgem kui reaktantidel. Nende reaktsioonide vastupidist, energeetiliselt öeldes, nimetatakse eksergooniliseks, mille korral saadustel on madalam energia kui reaktsioonidel ja seeläbi reaktsiooni käigus energia vabaneb. (See on sageli kuumuse vormis - jällegi, kas te muutute soojemaks või muutute treeninguga külmemaks?) Seda väljendatakse reaktsiooni vaba energiaga ΔG °, mis fotosünteesi jaoks on +479 kJ ⋅ mol-1 ehk 479 džauli energiat mooli kohta. Positiivne märk tähistab endotermilist reaktsiooni, negatiivne aga eksotermilist protsessi.
Fotosünteesi heledad ja tumedad reaktsioonid
Valgusreaktsioonides puruneb vesi päikesevalguse poolt, pimedas reaktsioonides aga prootonid (H+) ja elektronid (nt−), mis on vabanenud valgusreaktsioonidest, kasutatakse CO-st glükoosi ja muude süsivesikute kogumiseks2.
Valgusreaktsioonid on antud valemiga:
2H2O + valgus → O2 + 4H+ + 4e−(ΔG ° = +317 kJ ⋅ mol−1)
ja tumedad reaktsioonid on antud:
CO2 + 4H+ + 4e− → CH2O + H2O (ΔG ° = +162 kJ ⋅ mol−1)
Üldiselt annab see ülaltoodud täieliku võrrandi:
H2O + valgus + CO2 → CH2O + O2(ΔG ° = +479 kJ ⋅ mol−1)
Näete, et mõlemad reaktsioonikomplektid on endergoonilised, valgusreaktsioonid tugevamalt.
Mis on energia sidumine?
Energiasidestamine elussüsteemides tähendab ühest protsessist saadava energia kasutamist muude protsesside juhtimiseks, mida muidu ei toimuks. Ühiskond ise toimib omamoodi nii: Ettevõtted peavad tihtipeale laenama suuri summasid, et sellest välja tulla kohapeal, kuid lõpuks muutuvad mõned neist ettevõtetest väga kasumlikuks ja võivad teha vahendeid kättesaadavaks ka teistele alustavatele ettevõtetele ettevõtted.
Fotosüntees on hea näide energiasidestumisest, kuna päikesevalgusest saadav energia on seotud kloroplastides toimuvate reaktsioonidega, et reaktsioonid saaksid edasi areneda. Lõppkokkuvõttes premeerib taim ülemaailmset süsinikuringet sünteesides glükoosi ja muid süsinikuühendeid, mida saab kohe või tulevikus siduda teiste reaktsioonidega. Näiteks toodavad nisutaimed tärklist, mida kasutati kogu maailmas inimeste ja teiste loomade peamise toiduallikana. Kuid mitte kogu taimede valmistatud glükoos ei ole salvestatud; osa sellest liigub taimerakkude erinevatesse osadesse, kus glükolüüsil vabanev energia on lõppkokkuvõttes seotud taime mitokondrites toimuvate reaktsioonidega, mille tulemuseks on ATP moodustumine. Kuigi taimed esindavad toiduahela põhja ja neid peetakse laialdaselt passiivse energia ja hapnikuna doonoritel on neil ainevahetusvajadused omaette, nad peavad kasvama suuremaks ja paljunema nagu teisedki organismid.
Miks ei saa tellimusi muuta?
Kõrvalt võib öelda, et õpilastel on sageli raskusi keemiliste reaktsioonide tasakaalu õppimisega, kui neid ei esitata tasakaalustatud kujul. Selle tulemusel võib õpilastel oma nokitsemisel tekkida kiusatus tasakaalustatud tulemuse saavutamiseks reaktsioonis muuta molekulide abonentide väärtusi. See segadus võib tuleneda teadmisest, et reaktsioonide tasakaalustamiseks on lubatud muuta molekulide ees olevaid numbreid. Mis tahes molekuli alaindeksi muutmine muudab selle molekuli hoopis teiseks molekuliks. Näiteks O muutmine2 ka3 ei lisa massi järgi ainult 50 protsenti rohkem hapnikku; see muudab hapnikugaasi osooniks, mis ei osaleks uuritavas reaktsioonis kaugelt sarnasel viisil.
