Kad razmišljate o grani znanosti koja je uključena u način na koji biljke dobivaju svoju "hranu", najvjerojatnije prvo razmislite o biologiji. Ali u stvarnosti, fizika je u službi biologije, jer je svjetlosna energija sunca prvo pokrenula brzinu, a sada nastavlja s radom cijeli život na planeti Zemlji. Točnije, riječ je o kaskadi prijenosa energije koja se pokreće kada fotoni u laganim udarnim dijelovima a klorofil molekula.
Uloga fotona u fotosinteza treba apsorbirati klorofilom na način koji uzrokuje da se elektroni u dijelu molekule klorofila privremeno "uzbude" ili u višem energetskom stanju. Dok se vraćaju prema uobičajenoj razini energije, energija koju oslobađaju pokreće prvi dio fotosinteze. Stoga bez klorofila ne bi moglo doći do fotosinteze.
Biljne stanice vs. Životinjske stanice
Biljke i životinje su oboje eukarioti. Kao takve, njihove stanice imaju daleko više od najmanjeg minimuma koji sve stanice moraju imati (staničnu membranu, ribosome, citoplazmu i DNA). Njihove stanice bogate su membranom vezanom
organele, koji obavljaju specijalizirane funkcije unutar stanice. Jedna od njih je ekskluzivna za biljke i naziva se kloroplast. U tim duguljastim organelama dolazi do fotosinteze.Unutar kloroplasta nalaze se strukture zvane tilakoidi, koje imaju vlastitu membranu. Unutar tilakoida nalazi se molekula poznata kao klorofil, koja u određenom smislu čeka upute u obliku doslovnog bljeska svjetlosti.
Pročitajte više o sličnostima i razlikama između biljnih i životinjskih stanica.
Uloga fotosinteze
Sva živa bića trebaju izvor ugljika za gorivo. Životinje svoje mogu dobiti dovoljno jednostavno jedući i čekajući da njihovi probavni i stanični enzimi tvar pretvore u molekule glukoze. Ali biljke moraju unositi ugljik kroz svoje lišće, u obliku plin ugljični dioksid (CO2) u atmosferi.
Uloga fotosinteze je sortirati biljke do iste točke, metabolički govoreći, da životinje odjednom generiraju glukozu iz hrane. U životinja to znači smanjenje molekula koje sadrže ugljik prije nego što uopće dođu do stanica, no kod biljaka to znači stvaranje molekula koje sadrže ugljik veći i unutar stanica.
Reakcije fotosinteze
U prvom nizu reakcija, nazvanom svjetlosne reakcije jer im je potrebna izravna svjetlost, enzimi zvani Photosystem I i Photosystem II u tilakoidnoj membrani koriste se za pretvaranje svjetlosne energije za sintezu molekula ATP i NADPH u transportu elektrona sustav.
Pročitajte više o lancu transporta elektrona.
U tzv mračne reakcije, koji niti zahtijevaju niti ometaju svjetlost, energiju prikupljenu u ATP-u i NADPH-u (jer ništa može izravno "čuvati" svjetlost) koristi se za izgradnju glukoze iz ugljičnog dioksida i drugih izvora ugljika u biljka.
Kemija klorofila
Biljke osim klorofila imaju i mnoge pigmente, poput fikoerthrina i karotenoida. Klorofil, međutim, ima porfirin prstenasta struktura, slična onoj u molekuli hemoglobina u ljudi. Porfirinski prsten klorofila sadrži element magnezij, gdje se željezo pojavljuje u hemoglobinu.
Klorofil upija svjetlost u zelenom dijelu vidljivog dijela svjetlosnog spektra, koji se sve proteže u rasponu od oko 350 do 800 milijarditih dijelova metra.
Fotoekscitacija klorofila
U određenom smislu, biljni receptori svjetlosti apsorbiraju fotone i koriste ih za poticanje elektrona koji su drijemali u stanje uzbuđene budnosti, što ih dovodi do uspona niz stepenice. Na kraju i susjedni elektroni u obližnjim klorofilskim "kućama" počinju trčati uokolo. Dok se vraćaju u drijemanje, njihovo brzo vraćanje dolje omogućuje izgradnju šećera kroz složeni mehanizam koji zarobljava energiju njihovih koraka.
Kada se energija prenosi s jedne molekule klorofila na susjednu, to se naziva rezonancijski prijenos energije, ili exciton prijenos.