Hogyan működik a fotoszintézis?

A fotoszintézis folyamata, amelynek során a növények és a fák a nap fényét táplálékossá változtatják energia, eleinte varázslatnak tűnhet, de közvetlenül és közvetve ez a folyamat fenntartja az egészet világ. Ahogy a zöld növények a fény felé nyúlnak, leveleik megfogják a nap energiáját fényelnyelő vegyszerek vagy speciális pigmentek felhasználásával, hogy szén-dioxidból és a légkörből vett vízből készítsenek ételt. Ez a folyamat az oxigént melléktermékként szabadítja fel a légkörbe, amely minden légző szervezet számára szükséges alkatrész a levegőben.

TL; DR (túl hosszú; Nem olvastam)

A fotoszintézis egyszerű egyenlete a szén-dioxid + víz + fényenergia = glükóz + oxigén. Mivel a növényvilágban lévő szervezetek szén-dioxidot fogyasztanak a fotoszintézis során, oxigént engednek vissza a légkörbe, hogy az emberek lélegezhessenek; a zöld fák és növények (a szárazföldön és a tengerben) elsősorban felelősek az oxigénért az oxigénen belül légkör, és nélkülük nem biztos, hogy az állatok és az emberek, valamint más életformák léteznének tegye ma.

A zöld, növekvő dolgok a bolygó minden életéhez szükségesek, nemcsak táplálékként a növényevőknek és mindenevőknek, hanem az oxigén lélegzéséhez is. A fotoszintézis folyamata az oxigén elsődleges módja a légkörbe jutáshoz. Ez az egyetlen biológiai eszköz a bolygón, amely megfogja a nap fényenergiáját, cukrokká és szénhidrátokká változtatja, és táplálja a növényeket, miközben oxigént szabadít fel.

Gondolj csak bele: A növények és a fák lényegében olyan energiát tudnak meghúzni, amely a tér külső szakaszában, a napfény formájában, étellé változtassa, és közben szabadítsa fel a szükséges levegőt, amelyre az organizmusoknak szüksége van boldogulni. Mondhatnánk, hogy minden oxigént termelő növény és fa szimbiotikus kapcsolatban áll az összes oxigént lélegző organizmussal. Az emberek és az állatok széndioxidot juttatnak a növényekhez, és cserébe oxigént szállítanak. A biológusok ezt kölcsönös szimbiotikus kapcsolatnak nevezik, mert a kapcsolat minden résztvevője előnyös.

A Linnéi osztályozási rendszerben minden élőlény, növény, az algák és a cianobaktériumok nevű baktériumok az egyetlen élőlények, amelyekből táplálékot termelnek napfény. Az erdők kivágására és a növények eltávolítására vonatkozó érv a fejlődés érdekében kontraproduktívnak tűnik, ha nem marad ember, aki élhetne ezekben a fejlesztésekben, mert nincsenek növények és fák, amelyek oxigént termelnének.

A növények és a fák autotrófák, élő szervezetek, amelyek maguk készítik el az ételüket. Mivel ezt a nap fényének felhasználásával teszik, a biológusok fotoautotrófáknak nevezik őket. A bolygó legtöbb növénye és fája fotoautotróf.

A napfény táplálékká történő átalakulása a növény sejtjeiben található organellumban, a kloroplasztnak nevezett struktúrában a növények levelein belül sejtszinten történik. Míg a levelek több rétegből állnak, a fotoszintézis a mezofillban, a középső rétegben történik. A sztómáknak nevezett levelek alsó oldalán lévő kis mikro nyílások szabályozzák a szén-dioxid és az oxigén áramlását az üzembe és onnan vissza, szabályozva az üzem gázcseréjét és az üzem vízháztartását.

A vízveszteség minimalizálása érdekében a levelek fenekén sztómák találhatók, a naptól félre fordítva. A sztómákat körülvevő kis őrsejtek duzzadással vagy zsugorodással ellenőrzik ezeknek a szájszerű nyílásoknak a nyitását és záródását a légköri vízmennyiségre reagálva. Amikor a sztómák záródnak, a fotoszintézis nem következhet be, mivel a növény nem képes befogadni a szén-dioxidot. Ez a növény szén-dioxid-szintjének csökkenését okozza. Amikor a nappali órák túl melegek és szárazak lesznek, a sztróma bezárul a nedvesség megőrzése érdekében.

A kloroplasztikák a növény leveleiben sejtszintű szervként vagy szerkezetként sejtenek külső és belső hártyát. Ezekben a membránokban tálak alakú szerkezetek vannak, amelyeket tilakoidoknak neveznek. A thilakoid membránon a növény és a fák a klorofillot, a zöld pigmentet tárolják, amely a nap fényenergiájának elnyeléséért felelős. Itt zajlanak azok a kezdeti fényfüggő reakciók, amelyek során számos fehérje alkotja a szállítási láncot, hogy a napból felhúzott energiát oda vigye, ahova a növényen belül el kell mennie.

A fotoszintézis folyamata kétlépcsős, többlépcsős folyamat. A fotoszintézis első szakasza a Fényreakciók, más néven Fényfüggő folyamat és fényenergiát igényel a naptól. A második szakasz, a Sötét reakció színpad, más néven Calvin Cycle, az a folyamat, amelynek során a növény cukort készít a NADPH és az ATP segítségével a könnyű reakció stádiumától kezdve.

A Fényreakció a fotoszintézis fázisa a következő lépéseket tartalmazza:

• Szén-dioxid és víz gyűjtése a légkörből a növény vagy a fa levelein keresztül.
• A növények vagy fák fényelnyelő zöld pigmentjei a napfényt tárolt kémiai energiává alakítják.
• A fény által aktivált növényi enzimek szükség esetén szállítják az energiát, mielőtt elengednék az újrakezdéshez.
  

Mindez sejtszinten zajlik a növény tilakoidjain belül, az egyes lapított tasakokban, amelyek a növény vagy a fasejtek kloroplasztikái belsejében gránákban vagy halmokban helyezkednek el.

A Calvin Cycle, elnevezése Berkeley biokémikus, Melvin Calvin (1911-1997), az 1961-es kémiai Nobel-díjas kitüntetés felfedezéséért a sötét reakció szakasza az a folyamat, amelynek során a növény a könnyű reakcióból NADPH és ATP segítségével cukrot állít elő színpad. A Calvin-ciklus során a következő lépések történnek:

• Szén rögzítés, amelyben a növények összekapcsolják a szenet a növényi vegyi anyagokkal (RuBP) a fotoszintézis érdekében.
• Redukciós fázis, amelynek során a növényi és az energetikai vegyi anyagok reagálnak a növényi cukrok létrehozására.
• A szénhidrátok, mint növényi tápanyag képződése.
• Regenerációs szakasz, ahol a cukor és az energia együttműködve RuBP molekulát képez, amely lehetővé teszi a ciklus újrakezdését.

A tilakoid membránba két fényrögzítő rendszer ágyazódik be: az I. fotoszisztéma és a II több antennaszerű fehérjéből áll, ahol a növény levelei a fényenergiát kémikussá változtatják energia. Az I. fotoszisztéma biztosítja az alacsony energiájú elektronhordozók ellátását, míg a másik az energiával táplált molekulákat szállítja oda, ahova kell.

A klorofill a fényelnyelő pigment, a növények és a fák levelein belül, amely megkezdi a fotoszintézis folyamatát. A klorofill a tilakoid szerves pigmentjeként a klorofill csak keskeny sávon belül vesz fel energiát a nap által előállított elektromágneses spektrum 700 nm-es (nm) és 400 nm közötti hullámhossztartományán belül nm. A fotoszintetikusan aktív sugárzási sávnak nevezett zöld a látható fényspektrum közepén ül, elválasztva a alacsonyabb energiájú, de hosszabb hullámhosszú vörösek, sárgák és narancsok a magas energiától, rövidebb hullámhosszúak, kékek, indigók és ibolya.

Mint a klorofillak felszívódnak egyetlen foton vagy különböző fényenergia-csomagot, ez izgatja ezeket a molekulákat. Amint a növényi molekula izgatottá válik, a folyamat további lépései magukban foglalják az izgatott molekula bekerülését az energiatranszport rendszerbe az energián keresztül. nikotinamid-adenin-dinukleotid-foszfát vagy NADPH nevű hordozó, a fotoszintézis második szakaszába, a Sötét reakció fázisába vagy a Calvinbe történő szállításhoz Ciklus.

Miután belépett a elektronszállító lánc, az eljárás a felvett vízből kivonja a hidrogénionokat, és a tilakoid belsejébe juttatja, ahol ezek a hidrogénionok felépülnek. Az ionok egy félig porózus membránon haladnak át a stroma oldalától a thilakoid lumenig, elveszítve néhányat az energia energiája a folyamatban, miközben a két fotorendszer között létező fehérjéken keresztül haladnak. A hidrogénionok a thilakoid lumenben gyűlnek össze, ahol újraenergálásra várnak, mielőtt részt vesznek az adenozin-trifoszfátot vagy ATP-t, a sejt energia pénznemét előállító folyamatban.

Az 1. fotorendszerben található antennaproteinek elnyelik egy másik fotont, továbbítva azt a P100 nevű PS1 reakcióközponthoz. Egy oxidált központ, a P700 nagy energiájú elektront küld a nikotin-amid-adenin-dinukleotid-foszfátnak vagy a NADP + -nak, és redukálva NADPH-t és ATP-t képez. A növényi sejt itt alakítja a fényenergiát kémiai energiává.

A kloroplaszt a fotoszintézis két szakaszát koordinálja a fényenergia felhasználásával a cukor előállításához. A kloroplaszt belsejében lévő tilakoidok képviselik a fényreakciók helyét, míg a Calvin-ciklus a sztrómában fordul elő.

A fotoszintézis folyamathoz kötött sejtlégzés a növényi sejtben történik, amikor befogadja a fényenergiát, kémiai energiává változtatja és oxigént juttat vissza a légkörbe. A légzés a növényi sejten belül akkor következik be, amikor a fotoszintetikus folyamat során keletkezett cukrok oxigénnel kombinálva energiát termel a sejt számára, széndioxidot és vizet képezve légzés. Egyszerű légzési egyenlet ellentétes a fotoszintézisével: glükóz + oxigén = energia + szén-dioxid + fényenergia.

A sejtes légzés a növény minden élő sejtjében előfordul, nemcsak a levelekben, hanem a növény vagy a fa gyökereiben is. Mivel a sejtes légzéshez nincs szükség fényenergiára, előfordulhat nappal vagy éjszaka is. A gyenge vízelvezetésű talajban lévő növények túlöntözése azonban elöntve problémát okoz a sejtek légzésében a növények nem tudnak elegendő oxigént befogadni a gyökereken keresztül, és átalakítani a glükózt a sejt anyagcseréjének fenntartása érdekében folyamatok. Ha a növény túl sok vizet kap túl sokáig, gyökerei oxigénhiányosak lehetnek, ami lényegében megállíthatja a sejtek légzését és megöli a növényt.

A Kaliforniai Egyetem Merced professzor, Elliott Campbell és kutatócsoportja megjegyezte egy 2017. áprilisi cikkében A "Nature" nemzetközi tudományos folyóirat, amely szerint a fotoszintézis folyamata a 20. év során drámai módon megnőtt század. A kutatócsoport globális nyilvántartást fedezett fel a kétszáz éven át tartó fotoszintetikus folyamatról.

Ez arra a következtetésre késztette őket, hogy a bolygón az összes növényi fotoszintézis összességében 30 százalékkal nőtt az általuk kutatott évek alatt. Noha a kutatás világosan nem azonosította a fotoszintézis folyamatának emelkedésének okát, a csapaté a számítógépes modellek több olyan folyamatot sugallnak, amelyek együttesen olyan nagy növekedést eredményezhetnek a globális üzemben növekedés.

A modellek azt mutatták, hogy a megnövekedett fotoszintézis vezető okai közé tartozik a megnövekedett szén-dioxid-kibocsátás a légkörben (elsősorban az emberi eredetűnek) tevékenységek), az ezen kibocsátások miatti globális felmelegedés, valamint a tömeges mezőgazdaság és a fosszilis üzemanyagok égés. Az ilyen tevékenységekhez vezető emberi tevékenységeknek pozitív és negatív hatása is van a bolygóra.

Campbell professzor megjegyezte, hogy bár a megnövekedett szén-dioxid-kibocsátás serkenti a terméskibocsátást, serkenti a nem kívánt gyomok és invazív fajok növekedését is. Megjegyezte, hogy a megnövekedett szén-dioxid-kibocsátás közvetlenül okozza az éghajlatváltozást, amely további áradásokat eredményez a part mentén területek, az extrém időjárási viszonyok és az óceánok savasodásának növekedése, amelyek mind összetett hatással bírnak globálisan.

Míg a 20. század folyamán a fotoszintézis fokozódott, a növények több szén-dioxidot is elraktároztak a világ ökoszisztémáiban, aminek következtében szénforrásokká váltak szénelnyelők helyett. A fotoszintézis növekedésével sem lehet kompenzálni a fosszilis tüzelőanyagok égését, mint a fosszilis tüzelőanyagok elégetéséből származó több szén-dioxid-kibocsátás általában elnyomja a növény felvételi képességét CO2.

A kutatók az Országos Óceáni és Légköri Igazgatóság által összegyűjtött antarktiszi hóadatokat elemezték eredményeik kidolgozása érdekében. A jégmintákban tárolt gáz tanulmányozásával a kutatók áttekintették a múlt globális légkörét.