Kaip veikia fotosintezė?

Fotosintezės procesas, kurio metu augalai ir medžiai saulės šviesą paverčia mitybine energija, iš pradžių gali atrodyti kaip magija, tačiau tiesiogiai ir netiesiogiai šis procesas palaiko visumą pasaulyje. Kai žali augalai siekia šviesos, jų lapai užfiksuoja saulės energiją, naudodami šviesą sugeriančias chemines medžiagas ar specialius pigmentus maistui gaminti iš anglies dvideginio ir iš atmosferos ištraukto vandens. Šis procesas išskiria deguonį kaip šalutinį produktą atgal į atmosferą - komponentą ore, reikalingą visiems kvėpuojantiems organizmams.

TL; DR (per ilgai; Neskaiciau)

Paprasta fotosintezės lygtis yra anglies dioksidas + vanduo + šviesos energija = gliukozė + deguonis. Kai augalų karalystės subjektai fotosintezės metu vartoja anglies dvideginį, jie išleidžia deguonį atgal į atmosferą, kad žmonės galėtų kvėpuoti; žalieji medžiai ir augalai (sausumoje ir jūroje) pirmiausia yra atsakingi už deguonį jūroje atmosfera, o be jų gyvūnai ir žmonės, taip pat kitos gyvybės formos gali neegzistuoti, kaip jie daryk šiandien.

Žalieji, augantys daiktai yra būtini visam planetos gyvenimui, ne tik kaip maistas žolėdžiams ir visaėdžiams, bet ir deguoniui kvėpuoti. Fotosintezės procesas yra pagrindinis deguonies patekimo į atmosferą būdas. Tai yra vienintelė biologinė priemonė planetoje, kuri užfiksuoja saulės šviesos energiją, pakeisdama ją į cukrų ir angliavandenius, aprūpinančią augalus maistinėmis medžiagomis, tuo pačiu išskirdama deguonį.

Pagalvokite apie tai: augalai ir medžiai iš esmės gali pritraukti energiją, kuri prasideda išoriniuose kosmoso kampuose saulės pavidalu, paverskite jį maistu ir proceso metu išlaisvinkite organizmams reikalingą orą klestėti. Galima sakyti, kad visi deguonį gaminantys augalai ir medžiai turi simbiotinį ryšį su visais deguonį kvėpuojančiais organizmais. Žmonės ir gyvūnai augalams tiekia anglies dioksidą, o jie mainais teikia deguonį. Biologai tai vadina abipusiais simbiotiniais santykiais, nes naudos teikia visos santykių šalys.

Linnaean klasifikavimo sistemoje visų gyvų daiktų, augalų, dumbliai ir bakterijų rūšis, vadinamos cianobakterijomis, yra vienintelės gyvos būtybės, gaminančios maistą saulės spindulių. Argumentas dėl miškų kirtimo ir augalų pašalinimo siekiant vystymosi atrodo neproduktyvus, jei nebėra žmonių, kurie galėtų gyventi tame įvykyje, nes nėra augalų ir medžių deguoniui gaminti.

Augalai ir medžiai yra autotrofai, gyvi organizmai, patys gaminantys maistą. Kadangi jie tai daro naudodamiesi saulės šviesos energija, biologai juos vadina fotoautotrofais. Dauguma planetos augalų ir medžių yra fotoautotrofai.

Saulės šviesa virsta maistu ląstelių lygiu augalų lapuose esančioje organelėje, esančioje augalų ląstelėse, struktūroje, vadinamoje chloroplastu. Nors lapai susideda iš kelių sluoksnių, fotosintezė vyksta mezofilone, viduriniame sluoksnyje. Mažos mikro angos apatinėje lapų pusėje, vadinamos stomatais, kontroliuoja anglies dioksido ir deguonies srautus į gamyklą ir iš jos, kontroliuojant gamyklos dujų mainus ir augalo vandens balansą.

Stomatos yra ant lapų dugno, nukreiptos į saulę, kad sumažėtų vandens nuostoliai. Mažos apsauginės ląstelės, supančios stomatus, kontroliuoja šių į burną panašių angų atidarymą ir uždarymą, patindamos ar susitraukdamos, reaguodamos į vandens kiekį atmosferoje. Kai stomatai užsidaro, fotosintezė negali vykti, nes augalas negali priimti anglies dioksido. Dėl to sumažėja anglies dioksido kiekis augale. Kai dienos šviesos valandos tampa per karštos ir sausos, stroma užsidaro, kad būtų išsaugota drėgmė.

Chloroplastai, būdami augalo lapų ląstelių lygmens organelė arba struktūra, turi juos supančią išorinę ir vidinę membraną. Šių membranų viduje yra plokštelės formos struktūros, vadinamos tilakoidais. Tilakoidinė membrana yra vieta, kur augalas ir medžiai kaupia chlorofilą - žalią pigmentą, atsakingą už saulės šviesos absorbciją. Čia vyksta pradinės nuo šviesos priklausomos reakcijos, kurių metu daugybė baltymų sudaro transporto grandinę, kad perneštų energiją, ištraukiamą iš saulės, ten, kur reikia augalo viduje.

Fotosintezės procesas yra dviejų pakopų, daugiapakopis procesas. Pirmasis fotosintezės etapas prasideda Šviesos reakcijos, taip pat žinomas kaip Nuo šviesos priklausomas procesas ir reikalauja saulės šviesos energijos. Antrasis etapas Tamsi reakcija etapas, dar vadinamas Kalvino ciklasyra procesas, kurio metu augalas gamina cukrų naudodamas NADPH ir ATP nuo lengvos reakcijos stadijos.

Šviesos reakcija fotosintezės fazė apima šiuos veiksmus:

• Anglies dioksido ir vandens surinkimas iš atmosferos per augalą ar medžio lapus.
• Šviesą sugeriantys žali augaluose ar medžiuose esantys pigmentai saulės šviesą paverčia kaupiama chemine energija.
• Augalų fermentai, suaktyvinti šviesos, perduoda energiją ten, kur reikia, prieš išleidžiant ją iš naujo.
  

Visa tai vyksta ląstelių lygiu augalo tilakoidų viduje, atskiruose suplotuose maišeliuose, išsidėsčiusiuose granose arba rietuvėse augalo arba medžio ląstelių chloroplastų viduje.

„Calvin Cycle“ pavadintas Berkeley biochemiku Melvinu Calvinu (1911-1997), 1961 m. Nobelio chemijos premijos laureatu už atradimą tamsios reakcijos stadija yra procesas, kurio metu augalas gamina cukrų naudodamas NADPH ir ATP iš šviesos reakcijos. etapas. „Calvin“ ciklo metu atliekami šie veiksmai:

• Anglies fiksavimas, kai augalai jungia anglį su augalų chemikalais (RuBP) fotosintezei atlikti.
• Redukcijos fazė, kai augalų ir energetinės cheminės medžiagos reaguoja kurdamos augalinį cukrų.
• Angliavandenių, kaip augalų maistinių medžiagų, susidarymas.
• Regeneracijos fazė, kurioje cukrus ir energija bendradarbiauja ir sudaro RuBP molekulę, kuri leidžia ciklui pradėti iš naujo.

Tilakoidinėje membranoje yra dvi šviesą fiksuojančios sistemos: I fotosistema ir II fotosistema sudaryta iš daugelio į anteną panašių baltymų, kur augalo lapai šviesos energiją keičia chemine energijos. „I“ fotosistema teikia mažai energijos turinčius elektronų nešiklius, o kita energija tiekia molekules ten, kur joms reikia.

Chlorofilas yra šviesą sugeriantis pigmentas augalų ir medžių lapų viduje, kuris pradeda fotosintezės procesą. Kaip organinis pigmentas chloroplastų tilakoide, chlorofilas absorbuoja energiją tik siauroje juostoje elektromagnetinio spektro, kurį gamina saulė, bangos ilgių diapazone nuo 700 nanometrų (nm) iki 400 nm. Fotosintetiškai aktyvia spinduliuotės juosta vadinama žalia yra matomos šviesos spektro viduryje, skiriančiame mažesnės energijos, bet ilgesnės bangos ilgio raudonos, geltonos ir apelsinų spalvos, mažesnės bangos ilgio, mėlynos, indigonos ir žibuoklės.

Kaip chlorofilai sugeria vienas fotonas arba ryškus šviesos energijos paketą, tai sukelia šių molekulių jaudulį. Kai augalo molekulė susijaudina, kiti proceso etapai apima tos sužadintos molekulės patekimą į energijos transportavimo sistemą per energiją nešiklio, vadinamo nikotinamido adenino dinukleotido fosfatu arba NADPH, pristatymui į antrą fotosintezės etapą, Tamsiosios reakcijos fazę arba Calvin Ciklas.

Įėjus į elektronų perdavimo grandinė, procesas ištraukia vandenilio jonus iš paimto vandens ir tiekia jį į tilakoido vidų, kur šie vandenilio jonai kaupiasi. Jonai praeina per pusiau porėtą membraną nuo stromos pusės iki tilakoido spindžio, praradę dalį energijos procese, jiems judant baltymais, esančiais tarp dviejų fotosistemų. Vandenilio jonai susirenka tilakoidiniame spindyje, kur jie laukia pakartotinės energijos, prieš dalyvaudami procese, kuris daro ląstelės energijos valiutą - adenozino trifosfatą arba ATP.

1 fotosistemos antenos baltymai sugeria kitą fotoną, perduodami jį į PS1 reakcijos centrą, vadinamą P700. Oksiduotas centras P700 siunčia didelės energijos elektroną nikotino-amido adenino dinukleotido fosfatui arba NADP + ir redukuoja jį iki NADPH ir ATP. Čia augalų ląstelė šviesos energiją paverčia chemine energija.

Chloroplastas koordinuoja du fotosintezės etapus, kad panaudotų šviesos energiją cukrui gaminti. Chloroplasto viduje esantys tilakoidai atspindi šviesos reakcijų vietas, o Kalvino ciklas vyksta stromos.

Ląstelinis kvėpavimas, susietas su fotosintezės procesu, vyksta augalo ląstelėje, kai jis įgauna šviesos energiją, pakeičia ją į cheminę energiją ir išleidžia deguonį atgal į atmosferą. Kvėpavimas vyksta augalų ląstelėje, kai fotosintezės proceso metu susidaro cukrūs jungiasi su deguonimi, kad gautų energiją ląstelei, formuodamas anglies dioksidą ir vandenį kaip šalutinius šio vaisto produktus kvėpavimas. Paprasta kvėpavimo lygtis yra priešinga fotosintezės lygiai: gliukozė + deguonis = energija + anglies dioksidas + šviesos energija.

Ląstelinis kvėpavimas vyksta visose gyvose augalo ląstelėse, ne tik lapuose, bet ir augalo ar medžio šaknyse. Kadangi ląstelių kvėpavimui atsirasti nereikia šviesos energijos, jis gali pasireikšti dieną arba naktį. Tačiau augalų perlaistymas dirvožemyje, kuriame drenažas yra blogas, sukelia potvynio ląstelių kvėpavimą augalai negali per šaknis įsisavinti pakankamai deguonies ir transformuoti gliukozę, kad palaikytų ląstelės medžiagų apykaitą procesus. Jei augalas per ilgai gauna per daug vandens, jo šaknyse gali trūkti deguonies, o tai iš esmės gali sustabdyti ląstelių kvėpavimą ir užmušti augalą.

Kalifornijos universiteto Merced profesorius Elliottas Campbellas ir jo tyrėjų komanda pažymėjo 2017 m. Balandžio mėn „Nature“, tarptautinis mokslo žurnalas, kurio fotosintezės procesas labai išaugo 20-ajame amžiaus. Tyrėjų grupė atrado pasaulinį fotosintezės proceso, vykstančio du šimtus metų, įrašus.

Tai leido jiems daryti išvadą, kad visa augalų fotosintezė planetoje per jų tyrimus išaugo 30 proc. Nors tyrime nebuvo konkrečiai nustatyta fotosintezės proceso pakilimo priežastis visame pasaulyje, komanda kompiuteriniai modeliai rodo kelis procesus, kurie kartu gali sukelti tokį didelį pasaulinės gamyklos padidėjimą augimas.

Modeliai parodė, kad pagrindinės padidėjusios fotosintezės priežastys yra padidėjęs anglies dvideginio išmetimas atmosferoje (pirmiausia dėl žmogaus veikla), ilgesni augimo laikotarpiai dėl visuotinio atšilimo dėl šių teršalų ir padidėjusios azoto taršos, kurią sukelia masinis žemės ūkis ir iškastinis kuras degimas. Žmonių veikla, nulėmusi šiuos rezultatus, daro teigiamą ir neigiamą poveikį planetai.

Profesorius Campbellas pažymėjo, kad nors padidėjęs anglies dvideginio išmetimas skatina pasėlių produkciją, jis taip pat skatina nepageidaujamų piktžolių ir invazinių rūšių augimą. Jis pažymėjo, kad padidėjęs anglies dvideginio išmetimas tiesiogiai sukelia klimato pokyčius ir sukelia daugiau potvynių pakrantėse vietovėse, ekstremaliomis oro sąlygomis ir padidėjusiu vandenynų rūgštėjimu, kurie visi turi sudėtinį poveikį visame pasaulyje.

Nors 20-ajame amžiuje fotosintezė padidėjo, tai taip pat paskatino augalus sukaupti daugiau anglies pasaulio ekosistemose, todėl jie tapo anglies šaltiniais, o ne anglies kriauklėmis. Net padidėjus fotosintezei, padidėjimas negali kompensuoti iškastinio kuro degimo, kaip didesnis anglies dvideginio išmetimas deginant iškastinį kurą paprastai užgožia augalų gebėjimą įsisavinti CO2.

Tyrėjai išanalizavo Nacionalinės vandenynų ir atmosferos administracijos surinktus Antarkties sniego duomenis, kad išsiaiškintų jų išvadas. Tyrinėdami ledo mėginiuose sukauptas dujas, mokslininkai apžvelgė praeities pasaulinę atmosferą.