Kako djeluje fotosinteza?

Proces fotosinteze, u kojem biljke i drveće pretvaraju svjetlost od sunca u hranjivu tvar energija, u početku se može činiti magijom, ali izravno i neizravno ovaj proces održava cjelinu svijet. Dok zelene biljke posežu za svjetlošću, njihovo lišće hvata sunčevu energiju pomoću kemikalija koje apsorbiraju svjetlost ili posebnih pigmenata za stvaranje hrane od ugljičnog dioksida i vode izvučene iz atmosfere. Ovaj postupak oslobađa kisik kao nusprodukt natrag u atmosferu, komponentu u zraku potrebnu za sve organizme koji dišu.

TL; DR (predugo; Nisam pročitao)

Jednostavna jednadžba za fotosintezu je ugljični dioksid + voda + svjetlosna energija = glukoza + kisik. Dok entiteti unutar biljnog carstva troše ugljični dioksid tijekom fotosinteze, oni oslobađaju kisik natrag u atmosferu da bi ljudi mogli disati; zeleno drveće i biljke (na kopnu i u moru) prvenstveno su odgovorni za kisik unutar atmosferi, a bez njih životinje i ljudi, kao i drugi oblici života, možda ne bi postojali kao oni učiniti danas.

Zelene, rastuće stvari neophodne su za sav život na planetu, ne samo kao hrana biljojedima i svejedima, već kisiku da bi disao. Proces fotosinteze primarni je način ulaska kisika u atmosferu. To je jedino biološko sredstvo na planetu koje hvata sunčevu svjetlosnu energiju, pretvarajući je u šećere i ugljikohidrate koji biljkama osigurava hranjive tvari dok oslobađa kisik.

Razmislite o tome: biljke i drveće u osnovi mogu povući energiju koja započinje u vanjskim dijelovima svemira, u oblik sunčeve svjetlosti, pretvorite je u hranu i u tom procesu ispustite potreban zrak koji organizmi zahtijevaju napredovati. Moglo bi se reći da sve biljke i drveće koje proizvode kisik imaju simbiotski odnos sa svim organizmima koji dišu kisik. Ljudi i životinje biljkama pružaju ugljični dioksid, a oni zauzvrat isporučuju kisik. Biolozi to nazivaju uzajamnim simbiotskim odnosom jer sve strane u vezi imaju koristi.

U Linneovom sustavu klasifikacije kategorizacija i rangiranje svih živih bića, biljaka, alge i vrsta bakterija koja se naziva cijanobakterija jedina su živa bića koja proizvode hranu sunčevu svjetlost. Argument za sječu šuma i uklanjanje biljaka radi razvoja čini se kontraproduktivnim ako nema više ljudi koji bi živjeli u tim zbivanjima, jer više nema biljaka i drveća za stvaranje kisika.

Biljke i drveće su autotrofi, živi organizmi koji sami stvaraju hranu. Budući da to čine koristeći svjetlosnu energiju sunca, biolozi ih nazivaju fotoautotrofima. Većina biljaka i drveća na planetu su fotoautotrofi.

Pretvaranje sunčeve svjetlosti u hranu odvija se na staničnoj razini unutar lišća biljaka u organeli koja se nalazi u biljnim stanicama, strukturi koja se naziva kloroplast. Dok se listovi sastoje od nekoliko slojeva, fotosinteza se događa u mezofilu, srednjem sloju. Mali mikro otvori na donjoj strani lišća zvani stomati kontroliraju protok ugljičnog dioksida i kisika u i iz biljke, kontrolirajući biljnu izmjenu plina i biljnu vodenu bilancu.

Stomati postoje na dnu lišća, okrenuti prema suncu, kako bi se gubici vode sveli na najmanju moguću mjeru. Male zaštitne stanice koje okružuju stomate kontroliraju otvaranje i zatvaranje ovih otvora poput usta bubrenjem ili skupljanjem kao odgovor na količinu vode u atmosferi. Kad se stoma zatvori, ne može doći do fotosinteze, jer biljka ne može unositi ugljični dioksid. To uzrokuje pad razine ugljičnog dioksida u biljci. Kad se dnevno svjetlo pretoplo i suho, stroma se zatvara radi očuvanja vlage.

Kao organela ili struktura na staničnoj razini u biljnom lišću, kloroplasti imaju vanjsku i unutarnju opnu koja ih okružuje. Unutar ovih membrana nalaze se strukture u obliku pladnja, zvane tilakoidi. U tilakoidnoj membrani biljke i drveće pohranjuju klorofil, zeleni pigment odgovoran za apsorpciju svjetlosne energije sunca. Tu se odvijaju početne reakcije ovisno o svjetlu u kojima brojni proteini čine transportni lanac kako bi energiju izvučenu sa sunca prenijeli tamo gdje treba unutar biljke.

Proces fotosinteze je dvostupanjski, višestupanjski postupak. Prva faza fotosinteze započinje s Svjetlosne reakcije, također poznat kao Proces ovisan o svjetlu a zahtijeva svjetlosnu energiju sunca. Druga faza, Tamna reakcija pozornica, koja se naziva i Calvinov ciklus, je postupak kojim biljka proizvodi šećer uz pomoć NADPH i ATP iz faze lagane reakcije.

The Svjetlosna reakcija faza fotosinteze uključuje sljedeće korake:

• Skupljanje ugljičnog dioksida i vode iz atmosfere kroz lišće biljke ili stabla.
• Zeleni pigmenti koji apsorbiraju svjetlost u biljkama ili drveću pretvaraju sunčevu svjetlost u uskladištenu kemijsku energiju.
• Aktivirani svjetlom, biljni enzimi prenose energiju tamo gdje je potrebna prije nego što je oslobađaju da započne iznova.
  

Sve se to odvija na staničnoj razini unutar biljnih tilakoida, pojedinačnih spljoštenih vrećica, poredanih u grane ili naslage unutar kloroplasta biljke ili stanica drveća.

The Calvinov ciklus, nazvan po Berkeleyevom biokemičaru Melvinu Calvinu (1911. - 1997.), dobitniku Nobelove nagrade za kemiju 1961. za otkriće faza tamne reakcije, postupak je kojim biljka stvara šećer uz pomoć NADPH i ATP iz svjetlosne reakcije pozornica. Tijekom Calvinovog ciklusa odvijaju se sljedeći koraci:

• Fiksacija ugljika u kojoj biljke povezuju ugljik s biljnim kemikalijama (RuBP) za fotosintezu.
• Faza redukcije u kojoj biljne i energetske kemikalije reagiraju stvarajući biljne šećere.
• Stvaranje ugljikohidrata kao biljnog hranjivog sastojka.
• Faza regeneracije u kojoj šećer i energija surađuju u stvaranju molekule RuBP, što omogućuje ponovni početak ciklusa.

U tilakoidnu membranu ugrađena su dva sustava za hvatanje svjetlosti: fotosustav I i fotosustav II sastoji se od više proteina nalik anteni, gdje biljni listovi mijenjaju svjetlosnu energiju u kemijsku energije. Photosystem I pruža opskrbu niskoenergijskim nosačima elektrona, dok drugi isporučuje energizirane molekule tamo gdje trebaju ići.

Klorofil je pigment koji apsorbira svjetlost, unutar lišća biljaka i drveća, koji započinje proces fotosinteze. Kao organski pigment unutar kloroplastnog tilakoida, klorofil apsorbira energiju samo u uskom pojasu elektromagnetskog spektra proizvedenog od sunca u valnom rasponu od 700 nanometara (nm) do 400 nm. Nazvan fotosintetički aktivnim zračenjem, zeleno se nalazi usred spektra vidljive svjetlosti razdvajajući niže energije, ali duže valne duljine crvene, žute i narančaste od visoke energije, kraće valne duljine, blues, indigo i ljubičice.

Kao klorofili apsorbiraju jedan foton ili različit paket svjetlosne energije, uzrokuje uzbuđenje ovih molekula. Jednom kada se biljna molekula uzbudi, ostali koraci u procesu uključuju unošenje te pobuđene molekule u sustav transporta energije putem energije nosač koji se naziva nikotinamid adenin dinukleotid fosfat ili NADPH, za isporuku u drugi stupanj fotosinteze, fazu tamne reakcije ili Calvinov Ciklus.

Nakon ulaska u lanac za transport elektrona, proces izvlači vodikove ione iz vode koja se uzima i doprema ih u unutrašnjost tilakoida, gdje se ovi vodikovi ioni nakupljaju. Ioni prolaze kroz poluporoznu membranu sa stromalne strane do lumena tilakoida, gubeći dio energije u procesu, dok se kreću kroz proteine ​​koji postoje između dva fotosustava. Vodikovi ioni skupljaju se u lumenu tilakoida, gdje čekaju ponovno aktiviranje prije nego što sudjeluju u procesu koji Adenozin trifosfat ili ATP čini energetskom valutom stanice.

Proteini antene u fotosustavu 1 apsorbiraju još jedan foton, prenoseći ga u PS1 reakcijski centar pod nazivom P700. Oksidirani centar, P700 šalje visokoenergijski elektron u nikotin-amid adenin dinukleotid fosfat ili NADP + i reducira ga u NADPH i ATP. Tu biljna stanica pretvara svjetlosnu energiju u kemijsku.

Kloroplast koordinira dvije faze fotosinteze kako bi iskoristio svjetlosnu energiju za stvaranje šećera. Tilakoidi unutar kloroplasta predstavljaju mjesta svjetlosnih reakcija, dok se Calvinov ciklus javlja u stromi.

Stanično disanje, vezano uz proces fotosinteze, događa se unutar biljne stanice dok uzima svjetlost, mijenja je u kemijsku energiju i oslobađa kisik natrag u atmosferu. Do disanja unutar biljne stanice dolazi kada se šećeri stvaraju tijekom procesa fotosinteze kombinira se s kisikom kako bi stvorio energiju za stanicu, stvarajući ugljični dioksid i vodu kao nusprodukte disanje. Jednostavna jednadžba disanja suprotna je onoj fotosinteze: glukoza + kisik = energija + ugljični dioksid + svjetlosna energija.

Stanično disanje javlja se u svim biljnim živim stanicama, ne samo u lišću, već i u korijenju biljke ili stabla. Budući da staničnom disanju nije potrebna svjetlosna energija, može se dogoditi i danju i noću. Ali prekomjerno zalijevanje biljaka u tlima s lošom drenažom stvara problem staničnom disanju, kao što je preplavljeno biljke ne mogu unijeti dovoljno kisika kroz svoje korijenje i transformirati glukozu kako bi održale metabolizam stanice procesi. Ako biljka predugo prima previše vode, njezino korijenje može biti lišeno kisika, što u biti može zaustaviti stanično disanje i ubiti biljku.

Sveučilište u Kaliforniji Merced, profesor Elliott Campbell i njegov tim istraživača primijetili su u članku iz travnja 2017 "Nature", međunarodni znanstveni časopis, da se proces fotosinteze dramatično povećao tijekom 20. stoljeća stoljeću. Istraživački tim otkrio je globalni zapis fotosintetskog procesa koji se proteže dvjesto godina.

To ih je navelo na zaključak da je ukupna ukupna fotosinteza biljaka na planetu porasla za 30 posto tijekom godina koje su istraživali. Iako istraživanje nije posebno identificiralo uzrok globalnog porasta u procesu fotosinteze, tim je to učinio računalni modeli sugeriraju nekoliko procesa, u kombinaciji, koji bi mogli rezultirati tako velikim povećanjem globalnog postrojenja rast.

Modeli su pokazali da vodeći uzroci povećane fotosinteze uključuju povećane emisije ugljičnog dioksida u atmosferu (prvenstveno zbog čovjeka aktivnosti), dulje sezone rasta zbog globalnog zatopljenja zbog tih emisija i povećanog onečišćenja dušikom izazvanog masovnom poljoprivredom i fosilnim gorivima izgaranje. Ljudske aktivnosti koje su dovele do ovih rezultata imaju i pozitivne i negativne učinke na planet.

Profesor Campbell primijetio je da iako povećane emisije ugljičnog dioksida stimuliraju proizvodnju usjeva, također potiču rast neželjenih korova i invazivnih vrsta. Primijetio je da povećane emisije ugljičnog dioksida izravno uzrokuju klimatske promjene što dovodi do većih poplava duž obale područja, ekstremni vremenski uvjeti i povećanje zakiseljavanja oceana, što sve ima složene učinke globalno.

Iako se fotosinteza povećala tijekom 20. stoljeća, također je uzrokovala da biljke pohranjuju više ugljika u ekosustave širom svijeta, što je rezultiralo time da postaju izvori ugljika umjesto ponora ugljika. Čak i s povećanjem fotosinteze, to povećanje ne može nadoknaditi izgaranje fosilnih goriva, jer više emisija ugljičnog dioksida izgaranjem fosilnih goriva ima tendenciju nadvladati sposobnost postrojenja da prihvati CO2.

Istraživači su analizirali podatke o snijegu s Antarktika koje je prikupila Nacionalna uprava za oceane i atmosferu kako bi razvili svoja otkrića. Proučavajući plin pohranjen u uzorcima leda, istraživači su pregledali globalne atmosfere iz prošlosti.