Kā darbojas fotosintēze?

Fotosintēzes process, kurā augi un koki saules gaismu pārvērš par uzturvielu enerģija, sākotnēji var šķist maģija, bet tieši un netieši šis process uztur visu pasaulē. Zaļajiem augiem sasniedzot gaismu, to lapas uztver saules enerģiju, izmantojot gaismu absorbējošas ķīmiskas vielas vai īpašus pigmentus, lai pagatavotu pārtiku no oglekļa dioksīda un no atmosfēras izvilkta ūdens. Šis process skābekli kā blakusproduktu izdala atpakaļ atmosfērā, kas ir gaisā esošā sastāvdaļa, kas nepieciešama visiem elpojošajiem organismiem.

TL; DR (pārāk ilgi; Nelasīju)

Vienkāršs fotosintēzes vienādojums ir oglekļa dioksīds + ūdens + gaismas enerģija = glikoze + skābeklis. Tā kā augu valsts vienības fotosintēzes laikā patērē oglekļa dioksīdu, tās atmosfērā izdala skābekli, lai cilvēki varētu elpot; zaļie koki un augi (uz sauszemes un jūrā) galvenokārt ir atbildīgi par skābekli EEZ atmosfēru, un bez tiem dzīvnieki un cilvēki, kā arī citas dzīvības formas, iespējams, nepastāvētu kā viņi dari šodien.

Zaļās, augošās lietas ir nepieciešamas visai planētas dzīvei, ne tikai kā barība zālēdājiem un visēdājiem, bet arī skābekļa elpošanai. Fotosintēzes process ir primārais veids, kā skābeklis nonāk atmosfērā. Tas ir vienīgais bioloģiskais līdzeklis uz planētas, kas uztver saules gaismas enerģiju, mainot to par cukuriem un ogļhidrātiem, kas augiem nodrošina barības vielas, vienlaikus atbrīvojot skābekli.

Padomājiet par to: augi un koki būtībā var izvilkt enerģiju, kas sākas kosmosa ārējos posmos saules gaismu, pārvērš to pārtikā un procesā atbrīvo organismiem nepieciešamo gaisu zelt. Varētu teikt, ka visiem augiem, kas ražo skābekli, ir simbiotiskas attiecības ar visiem skābekli elpojošajiem organismiem. Cilvēki un dzīvnieki nodrošina augiem oglekļa dioksīdu, un viņi pretī piegādā skābekli. Biologi to sauc par savstarpējām simbiotiskām attiecībām, jo ​​labumu gūst visas attiecībās iesaistītās puses.

Linnaean klasifikācijas sistēmā visu dzīvo lietu, augu, aļģes un baktēriju veids, ko sauc par zilaļģēm, ir vienīgās dzīvās būtnes, no kurām ražo pārtiku saules gaisma. Arguments par mežu izciršanu un augu noņemšanu attīstības labad šķiet neproduktīvs, ja šajos notikumos vairs nav cilvēku, kam dzīvot, jo nav augu un koku, kas ražotu skābekli.

Augi un koki ir autotrofi, dzīvi organismi, kas paši gatavo pārtiku. Tā kā viņi to dara, izmantojot saules gaismas enerģiju, biologi tos sauc par fotoautotrofiem. Lielākā daļa augu un koku uz planētas ir fotoautotrofi.

Saules gaismas pārveidošana pārtikā notiek šūnu līmenī augu lapās organellā, kas atrodas augu šūnās, struktūrā, ko sauc par hloroplastu. Kamēr lapas sastāv no vairākiem slāņiem, fotosintēze notiek mezofilā, vidējā slānī. Nelielas mikro atveres lapu apakšpusē, ko sauc par stomātiem, kontrolē oglekļa dioksīda un skābekļa plūsmu uz un no auga, kontrolējot rūpnīcas gāzes apmaiņu un rūpnīcas ūdens bilanci.

Stomāti pastāv lapu apakšā, vērsti prom no saules, lai samazinātu ūdens zudumu. Mazas aizsargslēpes, kas ieskauj stomatus, kontrolē šo mutei līdzīgo atveru atvēršanos un aizvēršanos, uzpūšoties vai sarūkot, reaģējot uz ūdens daudzumu atmosfērā. Kad stomāti aizveras, fotosintēze nevar notikt, jo augs nevar uzņemt oglekļa dioksīdu. Tas izraisa oglekļa dioksīda līmeņa pazemināšanos rūpnīcā. Kad dienasgaismas laiks kļūst pārāk karsts un sauss, stroma aizveras, lai saglabātu mitrumu.

Hloroplastiem kā organellam vai struktūrai šūnu līmenī augu lapās ir ārējā un iekšējā membrāna, kas tos ieskauj. Šo membrānu iekšpusē ir plāksnes formas struktūras, ko sauc par tilakoīdiem. Tilakoidā membrāna ir vieta, kur augs un koki uzglabā hlorofilu - zaļo pigmentu, kas ir atbildīgs par saules gaismas enerģijas absorbēšanu. Šeit notiek sākotnējās no gaismas atkarīgās reakcijas, kurās daudzi olbaltumvielas veido transporta ķēdi, lai no saules izvilkto enerģiju nogādātu vietā, kur tai augā jāiet.

Fotosintēzes process ir divpakāpju, daudzpakāpju process. Pirmais fotosintēzes posms sākas ar Gaismas reakcijas, kas pazīstams arī kā No gaismas atkarīgs process un no saules prasa gaismas enerģiju. Otrais posms Tumšā reakcija posms, saukts arī par Kalvina cikls, ir process, kurā augs ar NADPH un ATP palīdzību no vieglās reakcijas stadijas ražo cukuru.

The Gaismas reakcija fotosintēzes fāze ietver šādas darbības:

• Oglekļa dioksīda un ūdens savākšana no atmosfēras caur augu vai koka lapām.
• Augos vai kokos gaismu absorbējoši zaļie pigmenti pārveido saules gaismu uzkrātajā ķīmiskajā enerģijā.
• Augu fermenti, kurus aktivizē gaisma, transportē enerģiju, kur nepieciešams, pirms to atbrīvo, lai sāktu no jauna.
  

Tas viss notiek šūnu līmenī auga tilakoīdu iekšienē, atsevišķos saplacinātos maisiņos, kas sakārtoti granās vai kaudzītēs augu vai koku šūnu hloroplastu iekšpusē.

The Kalvina cikls, nosaukts par Bērklija bioķīmiķi Melvinu Kalvinu (1911-1997), 1961. gada Nobela ķīmijas prēmijas saņēmēju par atklāšanu tumšās reakcijas posms ir process, kurā augs ar gaismas reakcijas palīdzību ražo cukuru ar NADPH un ATP palīdzību posmā. Kalvina cikla laikā notiek šādas darbības:

• Oglekļa fiksācija, kurā augi savieno oglekli ar augu ķīmiskajām vielām (RuBP) fotosintēzei.
• Redukcijas fāze, kurā augu un enerģijas ķīmiskās vielas reaģē, veidojot augu cukurus.
• Ogļhidrātu kā augu barības vielas veidošanās.
• Reģenerācijas fāze, kurā cukurs un enerģija sadarbojas, veidojot RuBP molekulu, kas ļauj ciklam atsākties.

Tilakoīda membrānā ir divas gaismas uztveršanas sistēmas: I fotosistēma un II fotosistēma sastāv no vairākiem antenai līdzīgiem proteīniem, kur auga lapas maina gaismas enerģiju ķīmiskā formā enerģija. I fotosistēma nodrošina zema enerģijas elektronu nesēju piegādi, bet otra piegādā enerģiju saturošās molekulas tur, kur tām jāiet.

Hlorofils ir gaismu absorbējošs pigments augu un koku lapu iekšpusē, kas sāk fotosintēzes procesu. Hlorofils kā organisks pigments hloroplastu tilakoīdā absorbē enerģiju tikai šaurā joslā no saules radītā elektromagnētiskā spektra viļņu garuma diapazonā no 700 nanometriem (nm) līdz 400 nm. Saukts par fotosintētiski aktīvo starojuma joslu, zaļais sēž redzamās gaismas spektra vidū, atdalot zemākas enerģijas, bet garāka viļņa garuma sarkanie, dzeltenie un apelsīni no augstās enerģijas, īsāks viļņu garums, zilie, indigo un vijolītes.

Kā hlorofili absorbē viens fotons vai atšķirīgs gaismas enerģijas paketi, tas izraisa šo molekulu sajūsmu. Kad augu molekula ir satraukta, pārējie procesa posmi ietver šīs ierosinātās molekulas nokļūšanu enerģijas transporta sistēmā, izmantojot enerģiju nesēju, ko sauc par nikotinamīda adenīna dinukleotīda fosfātu vai NADPH, piegādei fotosintēzes otrajā posmā, Tumšās reakcijas fāzē vai Calvin Cikls.

Pēc ievadīšanas elektronu transporta ķēde, process izvelk ūdeņraža jonus no uzņemtā ūdens un nogādā to tilakoīda iekšpusē, kur šie ūdeņraža joni uzkrājas. Joni šķērso daļēji porainu membrānu no stromas puses līdz tilakoidālajam lūmenam, daļu zaudējot enerģijas šajā procesā, pārvietojoties pa olbaltumvielām, kas pastāv starp divām fotosistēmām. Ūdeņraža joni pulcējas tilakoīda lūmenā, kur viņi gaida atkārtotu enerģiju, pirms piedalās procesā, kas veido adenozīna trifosfātu vai ATP, kas ir šūnas enerģijas valūta.

1. fotosistēmas antenas olbaltumvielas absorbē citu fotonu, pārsūtot to uz PS1 reakcijas centru ar nosaukumu P700. Oksidēts centrs P700 izsūta augstas enerģijas elektronu nikotīna amīda adenīna dinukleotīda fosfātam vai NADP + un reducē to, veidojot NADPH un ATP. Šeit augu šūna gaismas enerģiju pārvērš ķīmiskajā enerģijā.

Hloroplasts koordinē divus fotosintēzes posmus, lai gaismas enerģiju izmantotu cukura ražošanai. Hloroplasta iekšienē esošie tilakoīdi atspoguļo gaismas reakciju vietas, savukārt Kalvina cikls notiek stromā.

Šūnu elpošana, kas saistīta ar fotosintēzes procesu, notiek augu šūnā, kad tā uzņem gaismas enerģiju, maina to uz ķīmisko enerģiju un izdala skābekli atpakaļ atmosfērā. Elpošana notiek augu šūnā, kad fotosintēzes procesā radušies cukuri savienojas ar skābekli, lai iegūtu enerģiju šūnai, veidojot oglekļa dioksīdu un ūdeni kā blakusproduktus elpošana. Vienkāršs elpošanas vienādojums ir pretējs fotosintēzei: glikoze + skābeklis = enerģija + oglekļa dioksīds + gaismas enerģija.

Šūnu elpošana notiek visās auga dzīvajās šūnās, ne tikai lapās, bet arī auga vai koka saknēs. Tā kā šūnu elpošanai nav nepieciešama gaismas enerģija, tā var notikt gan dienā, gan naktī. Bet augu pārmērīga laistīšana augsnē ar sliktu drenāžu rada pārmērīgu šūnu elpošanu augi caur saknēm nevar uzņemt pietiekami daudz skābekļa un pārveidot glikozi, lai uzturētu šūnas vielmaiņu procesi. Ja augs pārāk ilgi saņem pārāk daudz ūdens, tā saknēm var atņemt skābekli, kas būtībā var apturēt šūnu elpošanu un augu nogalināt.

Kalifornijas universitātes Merced profesors Elliott Campbell un viņa pētnieku komanda atzīmēja 2017. gada aprīļa rakstā "Nature", starptautisks zinātnes žurnāls, ka 20. gadā fotosintēzes process dramatiski pieauga gadsimtā. Pētnieku grupa atklāja globālu fotosintēzes procesa ierakstu, kas atrodas divsimt gadu.

Tas ļāva viņiem secināt, ka visu augu fotosintēzes apjoms uz planētas viņu pētīto gadu laikā pieauga par 30 procentiem. Lai gan pētījumā nav īpaši identificēts fotosintēzes procesa augšupejas cēlonis visā pasaulē, komanda datoru modeļi liecina par vairākiem procesiem, ja tos apvieno, kas var izraisīt tik lielu globālās rūpnīcas pieaugumu izaugsmi.

Modeļi parādīja, ka galvenie palielinātas fotosintēzes cēloņi ietver paaugstinātu oglekļa dioksīda emisiju atmosfērā (galvenokārt cilvēka radīto aktivitātes), ilgāki augšanas laiki globālās sasilšanas dēļ šo emisiju dēļ un palielināts slāpekļa piesārņojums, ko izraisa masveida lauksaimniecība un fosilais kurināmais sadegšana. Cilvēku aktivitātes, kas noveda pie šiem rezultātiem, uz planētu ietekmē gan pozitīvi, gan negatīvi.

Profesors Kempbels atzīmēja, ka, lai gan palielinātas oglekļa dioksīda emisijas stimulē kultūraugu ražu, tas stimulē arī nevēlamu nezāļu un invazīvu sugu augšanu. Viņš atzīmēja, ka palielinātas oglekļa dioksīda emisijas tieši izraisa klimata pārmaiņas, izraisot vairāk plūdu piekrastē apgabali, ekstremāli laika apstākļi un okeāna paskābināšanās palielināšanās, un tiem visiem ir pastiprinoša ietekme globāli.

Kaut arī 20. gadsimtā fotosintēze palielinājās, tas arī izraisīja augu uzkrāšanos vairāk oglekļa ekosistēmās visā pasaulē, kā rezultātā tie kļuva par oglekļa avotiem, nevis oglekļa izlietnēm. Pat palielinoties fotosintēzei, pieaugums nevar kompensēt fosilā kurināmā sadegšanu, kā vairāk oglekļa dioksīda emisiju no fosilā kurināmā sadedzināšanas mēdz nomākt auga spēju uzņemt CO2.

Pētnieki analizēja Antarktikas sniega datus, ko apkopojusi Nacionālā okeānu un atmosfēras pārvalde, lai izstrādātu savus secinājumus. Pētot ledus paraugos uzkrāto gāzi, pētnieki pārskatīja pagātnes globālo atmosfēru.