Kuinka fotosynteesi toimii?

Fotosynteesiprosessi, jossa kasvit ja puut muuttavat auringon valon ravinnoksi energia, voi aluksi tuntua taikuudelta, mutta suoraan ja epäsuorasti tämä prosessi ylläpitää kokonaisuutta maailman. Kun vihreät kasvit tavoittavat valoa, niiden lehdet vangitsevat auringon energian käyttämällä valoa absorboivia kemikaaleja tai erikoispigmenttejä ruoan valmistamiseksi ilmakehästä vedetystä hiilidioksidista ja vedestä. Tämä prosessi vapauttaa happea sivutuotteena takaisin ilmakehään, joka on komponentti ilmassa, jota tarvitaan kaikille hengittäville organismeille.

TL; DR (liian pitkä; Ei lukenut)

Yksinkertainen yhtälö fotosynteesille on hiilidioksidi + vesi + valoenergia = glukoosi + happi. Kun kasvikunnan sisäiset yksiköt kuluttavat hiilidioksidia fotosynteesin aikana, ne vapauttavat happea takaisin ilmakehään ihmisten hengittämiseksi vihreät puut ja kasvit (maalla ja meressä) ovat ensisijaisesti vastuussa hapesta alueella ilmapiiri, ja ilman niitä eläimiä ja ihmisiä, samoin kuin muita elämänmuotoja, ei ehkä ole olemassa sellaisenaan tehdä tänään.

Vihreät, kasvavat asiat ovat välttämättömiä koko planeetan elämälle, ei vain ruoaksi kasvinsyöjille ja kaikkiruokaisille, vaan myös hapen hengittämiseen. Fotosynteesiprosessi on ensisijainen tapa happea päästä ilmakehään. Se on ainoa biologinen keino planeetalla, joka sieppaa auringon valoenergian muuttamalla sen sokereiksi ja hiilihydraateiksi, joka tarjoaa ravinteita kasveille samalla kun vapauttaa happea.

Ajattele sitä: Kasvit ja puut voivat lähinnä vetää energiaa, joka alkaa avaruuden ulommalta alueelta auringonvalon muodossa, tee siitä ruoka ja vapauta prosessin aikana tarvittava ilma, jota organismit tarvitsevat kukoistaa. Voisit sanoa, että kaikilla happea tuottavilla kasveilla ja puilla on symbioottinen suhde kaikkiin happea hengittäviin organismeihin. Ihmiset ja eläimet toimittavat kasveille hiilidioksidia, ja ne toimittavat happea vastineeksi. Biologit kutsuvat tätä keskinäiseksi symbioottiseksi suhteeksi, koska kaikki parisuhteen osapuolet hyötyvät siitä.

Linnaean luokitusjärjestelmässä kaikkien elävien, kasvien, levät ja tietyntyyppiset bakteerit, joita kutsutaan syanobakteereiksi, ovat ainoita eläviä olentoja, jotka tuottavat ruokaa auringonvalo. Väite metsien kaatamisesta ja kasvien poistamisesta kehityksen vuoksi vaikuttaa haitalliselta, jos ihmisille ei ole jäänyt elää kyseisessä kehityksessä, koska happea tuottavia kasveja ja puita ei ole jäljellä.

Kasvit ja puut ovat autotrofeja, eläviä organismeja, jotka tekevät itse ruokansa. Koska he tekevät tämän käyttämällä auringon valoenergiaa, biologit kutsuvat heitä fotoautotrofeiksi. Suurin osa planeetan kasveista ja puista on fotoautotrofeja.

Auringonvalon muuntuminen ruoaksi tapahtuu solutasolla kasvien lehdissä kasvisoluista löydetyssä organellissa, rakenteessa, jota kutsutaan kloroplastiksi. Vaikka lehdet koostuvat useista kerroksista, fotosynteesi tapahtuu mesofylliin, keskikerrokseen. Pienet mikroaukot lehtien alapuolella, nimeltään stomatat, ohjaavat hiilidioksidin ja hapen virtausta laitokseen ja sieltä pois, ohjaamalla laitoksen kaasunvaihtoa ja laitoksen vesitasapainoa.

Stomatat ovat lehtien pohjassa päin aurinkoa päin vesihävikin minimoimiseksi. Pienet vartiosolut, jotka ympäröivät stomataa, hallitsevat näiden suun kaltaisten aukkojen avautumista ja sulkeutumista turpoamalla tai kutistumalla vastauksena ilmakehän vesimäärään. Kun stomata sulkeutuu, fotosynteesi ei voi tapahtua, koska kasvi ei voi ottaa sisään hiilidioksidia. Tämä aiheuttaa hiilidioksiditasojen laskun laitoksessa. Kun päivänvalo tulee liian kuumaksi ja kuivaksi, strooma sulkeutuu kosteuden säästämiseksi.

Orgaanina tai rakenteena solutasolla kasvilevyissä kloroplastilla on niitä ympäröivä ulompi ja sisempi kalvo. Näiden kalvojen sisällä on lautasen muotoisia rakenteita, joita kutsutaan tylakoideiksi. Tylakoidikalvo on paikka, jossa kasvi ja puut varastoivat klorofylliä, vihreää pigmenttiä, joka on vastuussa auringon valoenergian absorboinnista. Täällä tapahtuu ensimmäiset valosta riippuvat reaktiot, joissa lukuisat proteiinit muodostavat kuljetusketjun kuljettamaan auringosta vedettyä energiaa sinne, missä sen on mentävä kasvien sisällä.

Fotosynteesiprosessi on kaksivaiheinen, monivaiheinen prosessi. Fotosynteesin ensimmäinen vaihe alkaa Valoreaktiot, joka tunnetaan myös nimellä Valosta riippuvainen prosessi ja vaatii auringon energiaa. Toinen vaihe, Tumma reaktio vaiheessa, jota kutsutaan myös Calvin-sykli, on prosessi, jolla kasvi valmistaa sokeria NADPH: n ja ATP: n avulla kevyestä reaktiovaiheesta alkaen.

Valoreaktio fotosynteesin vaihe sisältää seuraavat vaiheet:

• Hiilidioksidin ja veden kerääminen ilmakehästä kasvien tai puiden lehtien kautta.
• Kasvien tai puiden valoa absorboivat vihreät pigmentit muuttavat auringonvalon varastoituneeksi kemialliseksi energiaksi.
• Valon aktivoimat kasvi-entsyymit kuljettavat energiaa tarvittaessa, ennen kuin vapauttavat sen uudestaan.
  

Kaikki tämä tapahtuu solutasolla kasvin tyloidien sisällä, yksittäisissä litistetyissä pusseissa, jotka on järjestetty granaiksi tai pinoiksi kasvin tai puun solujen kloroplastien sisään.

Calvin-sykli, nimetty Berkeleyn biokemikoksi Melvin Calviniksi (1911-1997), joka sai vuoden 1961 kemian Nobel-palkinnon löytämisestä tumman reaktion vaihe, on prosessi, jossa kasvi valmistaa sokeria NADPH: n ja ATP: n avulla valoreaktiosta vaiheessa. Calvin-syklin aikana seuraavat vaiheet tapahtuvat:

• Hiilikiinnitys, jossa kasvit yhdistävät hiilen kasvikemikaaleihin (RuBP) fotosynteesiä varten.
• Pelkistysvaihe, jossa kasvi- ja energiakemikaalit reagoivat luodakseen kasvisokereita.
• Hiilihydraattien muodostuminen kasvin ravintoaineena.
• Regeneraatiovaihe, jossa sokeri ja energia muodostavat yhdessä RuBP-molekyylin, mikä antaa syklin aloittaa uudelleen.

Tyyliakoidikalvoon on upotettu kaksi valoa sieppaavaa järjestelmää: valojärjestelmä I ja valojärjestelmä II koostuu useista antennin kaltaisista proteiineista, missä kasvin lehdet muuttavat valoenergiaa kemialliseksi energiaa. Photosystem I tarjoaa matalan energian elektronikantajia, kun taas toinen toimittaa jännitteiset molekyylit sinne, missä heidän on mentävä.

Klorofylli on valoa absorboiva pigmentti kasvien ja puiden lehtien sisällä, mikä aloittaa fotosynteesiprosessin. Orgaanisena pigmenttinä kloroplastityylakoidissa klorofylli absorboi energiaa vain kapealla kaistalla auringon tuottaman sähkömagneettisen spektrin aallonpituusalueella 700 nanometriä (nm) - 400 nm. Fotosynteettisesti aktiiviseksi säteilykaistaksi kutsuttu vihreä istuu keskellä näkyvää valospektriä, joka erottaa pienempi energia, mutta pidemmän aallonpituuden punaiset, keltaiset ja appelsiinit korkeasta energiasta, lyhyempi aallonpituus, siniset, indigot ja violetit.

Kuten klorofyylit imevät yksi fotoni tai erillinen valopaketin, se saa nämä molekyylit innostumaan. Kun kasvimolekyyli innostuu, prosessin loput vaiheet käsittävät kyseisen innoissaan olevan molekyylin saamisen energiansiirtojärjestelmään energian kautta nikotinamidiadeniinidinukleotidifosfaatti tai NADPH-kantaja toimitettavaksi fotosynteesin toiseen vaiheeseen, pimeän reaktion vaiheeseen tai Calviniin Sykli.

Syöttämisen jälkeen elektronien siirtoketju, prosessi erottaa vetyionit vedestä ja toimittaa sen tyloidin sisäpuolelle, jossa nämä vetyionit kertyvät. Ionit kulkevat puolihuokoisen membraanin läpi strooman puolelta tyliakoidin onteloon menettämällä joitain prosessin energiasta, kun ne liikkuvat kahden valojärjestelmän välillä olevien proteiinien läpi. Vetyionit kerääntyvät tylakoidin onteloon, missä ne odottavat uudelleenergointia ennen kuin osallistuvat prosessiin, joka tekee adenosiinitrifosfaatista tai ATP: stä, solun energiavaluutasta.

Valojärjestelmän 1 antenniproteiinit absorboivat toisen fotonin, välittäen sen PS1-reaktiokeskukseen nimeltä P700. Hapetettu keskus, P700, lähettää korkean energian elektronin nikotiiniamidi-adeniinidinukleotidifosfaattiin tai NADP +: iin ja pelkistää sen NADPH: ksi ja ATP: ksi. Tässä kasvisolu muuntaa valoenergian kemialliseksi energiaksi.

Kloroplasti koordinoi fotosynteesin kaksi vaihetta ja käyttää valoenergiaa sokerin valmistamiseen. Kloroplastin sisällä olevat tyloidit edustavat valoreaktioiden kohtia, kun taas Calvin-sykli esiintyy stroamassa.

Fotosynteesiprosessiin sidottu soluhengitys tapahtuu kasvisolussa, kun se vie valoenergiaa, muuttaa sen kemialliseksi energiaksi ja vapauttaa happea takaisin ilmakehään. Hengitys tapahtuu kasvisolussa, kun fotosynteesin aikana syntyvät sokerit yhdistyy hapen kanssa energian tuottamiseksi solulle muodostaen hiilidioksidia ja vettä sivutuotteina hengitys. Yksinkertainen hengitysyhtälö on vastakohta fotosynteesille: glukoosi + happi = energia + hiilidioksidi + valoenergia.

Soluhengitystä esiintyy kaikissa kasvin elävissä soluissa paitsi lehdissä myös kasvin tai puun juurissa. Koska soluhengitys ei vaadi valoenergian esiintymistä, se voi tapahtua joko päivällä tai yöllä. Mutta kasvien ylikastelu maaperässä, jolla on huono viemäröinti, aiheuttaa tulvan aiheuttaman ongelman soluhengitykselle kasvit eivät pysty ottamaan riittävästi happea juuriensa kautta ja muuttamaan glukoosia ylläpitämään solun aineenvaihduntaa prosessit. Jos kasvi saa liian paljon vettä liian kauan, sen juurista voi puuttua happi, mikä voi olennaisesti pysäyttää soluhengityksen ja tappaa kasvin.

Kalifornian yliopiston Merced-professori Elliott Campbell ja hänen tutkijaryhmänsä totesivat huhtikuun 2017 artikkelissa "Nature", kansainvälinen tiedelehti, jonka fotosynteesiprosessi lisääntyi dramaattisesti 20. vuosisadan aikana vuosisadalla. Tutkimusryhmä löysi maailmanlaajuisen ennätyksen kaksisataa vuotta kuluneesta fotosynteesistä.

Tämä johti heidät siihen johtopäätökseen, että planeetan kaikkien kasvien fotosynteesien kokonaismäärä kasvoi 30 prosenttia tutkittujen vuosien aikana. Vaikka tutkimuksessa ei tunnistettu nimenomaan fotosynteesiprosessin nousun syytä globaalisti, tiimin tietokonemallit viittaavat useisiin prosesseihin, kun ne yhdistetään, mikä voi johtaa niin suureen kasvuun maailmanlaajuisessa laitoksessa kasvu.

Mallit osoittivat, että lisääntyneen fotosynteesin tärkeimmät syyt ovat lisääntyneet hiilidioksidipäästöt ilmakehässä (pääasiassa ihmisen aiheuttamien) (kasvihuonekaasupäästöt), pidemmät kasvukaudet, johtuen näiden päästöjen aiheuttamasta ilmaston lämpenemisestä, sekä maatalouden ja fossiilisten polttoaineiden aiheuttama lisääntynyt typpisaaste palaminen. Näihin tuloksiin johtaneella ihmisen toiminnalla on sekä positiivisia että kielteisiä vaikutuksia planeetalle.

Professori Campbell totesi, että vaikka lisääntyneet hiilidioksidipäästöt stimuloivat viljelytuotantoa, se stimuloi myös ei-toivottujen rikkaruohojen ja invasiivisten lajien kasvua. Hän totesi, että lisääntyneet hiilidioksidipäästöt aiheuttavat suoraan ilmastonmuutoksen, mikä johtaa enemmän tulviin rannikolla alueet, äärimmäiset sääolosuhteet ja valtamerien happamoitumisen lisääntyminen, joilla kaikilla on monimutkaisia ​​vaikutuksia maailmanlaajuisesti.

Vaikka fotosynteesi lisääntyi 1900-luvulla, se aiheutti myös kasvien varastoivan enemmän hiiltä ekosysteemeihin ympäri maailmaa, minkä seurauksena niistä tuli hiilen lähteitä hiilinielujen sijaan. Jopa fotosynteesin lisääntyessä kasvu ei voi kompensoida fossiilisten polttoaineiden palamista, kuten fossiilisten polttoaineiden poltosta aiheutuvat hiilidioksidipäästöt lisäävät yleensä laitoksen kykyä omaksua CO2.

Tutkijat analysoivat Etelämantereen lumitiedot, jotka National Oceanic and Atmospheric Administration keräsi havaintojensa kehittämiseksi. Tutkimalla jäänäytteisiin varastoitua kaasua tutkijat tarkastelivat menneisyyden ilmakehää.