Hoe werkt fotosynthese?

Het fotosyntheseproces, waarbij planten en bomen licht van de zon omzetten in voeding energie, lijkt op het eerste gezicht misschien magie, maar direct en indirect ondersteunt dit proces het hele wereld. Terwijl groene planten naar het licht reiken, vangen hun bladeren de energie van de zon op door lichtabsorberende chemicaliën of speciale pigmenten te gebruiken om voedsel te maken van koolstofdioxide en water dat uit de atmosfeer wordt gehaald. Bij dit proces komt zuurstof als bijproduct terug in de atmosfeer, een component in lucht die nodig is voor alle ademende organismen.

TL; DR (te lang; niet gelezen)

Een eenvoudige vergelijking voor fotosynthese is koolstofdioxide + water + lichtenergie = glucose + zuurstof. Omdat entiteiten in het plantenrijk koolstofdioxide verbruiken tijdens fotosynthese, geven ze zuurstof terug aan de atmosfeer zodat mensen kunnen ademen; groene bomen en planten (op het land en in de zee) zijn primair verantwoordelijk voor zuurstof binnen de atmosfeer, en zonder hen zouden dieren en mensen, evenals andere levensvormen, misschien niet bestaan ​​zoals ze doen vandaag.

Groene, groeiende dingen zijn nodig voor al het leven op aarde, niet alleen als voedsel voor herbivoren en alleseters, maar ook voor zuurstof om te ademen. Het fotosyntheseproces is de belangrijkste manier waarop zuurstof de atmosfeer binnenkomt. Het is het enige biologische middel op de planeet dat de lichtenergie van de zon opvangt en deze omzet in suikers en koolhydraten die de planten van voedingsstoffen voorzien terwijl ze zuurstof afgeven.

Denk er eens over na: planten en bomen kunnen in wezen energie trekken die begint in de buitenste regionen van de ruimte, in de vorm van zonlicht, verander het in voedsel en laat daarbij de benodigde lucht vrij die organismen nodig hebben om gedijen. Je zou kunnen zeggen dat alle zuurstofproducerende planten en bomen een symbiotische relatie hebben met alle zuurstofademende organismen. Mensen en dieren leveren koolstofdioxide aan planten en in ruil daarvoor leveren ze zuurstof. Biologen noemen dit een mutualistische symbiotische relatie omdat alle partijen in de relatie er baat bij hebben.

In het Linnaeaanse classificatiesysteem is de indeling en rangschikking van alle levende wezens, planten, algen en een soort bacterie genaamd cyanobacteriën zijn de enige levende wezens die voedsel produceren van zonlicht. Het argument voor het kappen van bossen en het verwijderen van planten omwille van de ontwikkeling lijkt contraproductief als: er zijn geen mensen meer om in die ontwikkelingen te leven omdat er geen planten en bomen meer zijn om zuurstof te maken.

Planten en bomen zijn autotrofen, levende organismen die hun eigen voedsel maken. Omdat ze dit doen met behulp van de lichtenergie van de zon, noemen biologen ze foto-autotrofen. De meeste planten en bomen op aarde zijn foto-autotrofen.

De omzetting van zonlicht in voedsel vindt plaats op cellulair niveau in de bladeren van planten in een organel dat wordt aangetroffen in plantencellen, een structuur die een chloroplast wordt genoemd. Terwijl bladeren uit meerdere lagen bestaan, vindt fotosynthese plaats in het mesofyl, de middelste laag. Kleine micro-openingen aan de onderkant van bladeren, huidmondjes genaamd, regelen de stroom van kooldioxide en zuurstof van en naar de plant, en regelen de gasuitwisseling van de plant en de waterhuishouding van de plant.

Huidmondjes bevinden zich op de onderkant van bladeren, weg van de zon, om waterverlies te minimaliseren. Kleine bewakingscellen rond de huidmondjes regelen het openen en sluiten van deze mondachtige openingen door te zwellen of te krimpen als reactie op de hoeveelheid water in de atmosfeer. Wanneer de huidmondjes sluiten, kan er geen fotosynthese plaatsvinden, omdat de plant geen koolstofdioxide kan opnemen. Hierdoor daalt het kooldioxidegehalte in de plant. Wanneer de daglichturen te warm en droog worden, sluit het stroma om vocht te besparen.

Als een organel of structuur op cellulair niveau in de bladeren van de plant, hebben chloroplasten een buiten- en binnenmembraan dat hen omringt. Binnen deze membranen bevinden zich schotelvormige structuren die thylakoïden worden genoemd. Het thylakoïde membraan is waar de plant en bomen chlorofyl opslaan, het groene pigment dat verantwoordelijk is voor het absorberen van de lichtenergie van de zon. Dit is waar de eerste lichtafhankelijke reacties plaatsvinden, waarbij talrijke eiwitten de transportketen vormen om de door de zon aangetrokken energie naar de plaats in de plant te transporteren.

Het fotosyntheseproces is een proces in twee fasen en in meerdere stappen. De eerste fase van fotosynthese begint met de Lichte reacties, ook bekend als de Lichtafhankelijk proces en vereist lichtenergie van de zon. De tweede fase, de Donkere reactie podium, ook wel de Calvin cyclus, is het proces waarbij de plant suiker maakt met behulp van NADPH en ATP uit de lichte reactiefase.

De Lichte reactie fase van fotosynthese omvat de volgende stappen:

• Het verzamelen van koolstofdioxide en water uit de atmosfeer via de bladeren van de plant of boom.
• Lichtabsorberende groene pigmenten in planten of bomen zetten het zonlicht om in opgeslagen chemische energie.
• Geactiveerd door licht, transporteren plantenenzymen de energie waar nodig voordat ze deze vrijgeven om opnieuw te beginnen.
  

Dit alles vindt plaats op cellulair niveau in de thylakoïden van de plant, individuele afgeplatte zakjes, gerangschikt in grana of stapels in de chloroplasten van de plant of boomcellen.

De Calvijn cyclus, genoemd naar Berkeley biochemicus Melvin Calvin (1911-1997), de ontvanger van de 1961 Nobelprijs voor de Scheikunde voor het ontdekken de donkere reactiefase, is het proces waarbij de plant suiker maakt met behulp van NADPH en ATP uit de lichtreactie stadium. Tijdens de Calvincyclus vinden de volgende stappen plaats:

• Koolstoffixatie waarbij planten de koolstof verbinden met plantchemicaliën (RuBP) voor fotosynthese.
• Reductiefase waarbij plant- en energiechemicaliën reageren om plantensuikers te creëren.
• De vorming van koolhydraten als voedingsstof voor planten.
• Regeneratiefase waarin suiker en energie samenwerken om een ​​RuBP-molecuul te vormen, waardoor de cyclus opnieuw kan beginnen.

Ingebed in het thylakoïde membraan zijn twee lichtvangende systemen: fotosysteem I en fotosysteem II bestaat uit meerdere antenne-achtige eiwitten, waar de bladeren van de plant lichtenergie omzetten in chemische stoffen energie. Fotosysteem I levert een voorraad elektronendragers met lage energie, terwijl het andere de geactiveerde moleculen aflevert waar ze heen moeten.

Chlorofyl is het lichtabsorberende pigment, in de bladeren van planten en bomen, dat het fotosyntheseproces begint. Als een organisch pigment in de chloroplast thylakoïde, absorbeert chlorofyl alleen energie binnen een smalle band van het door de zon geproduceerde elektromagnetische spectrum binnen het golflengtebereik van 700 nanometer (nm) tot 400 nm. Genaamd de fotosynthetisch actieve stralingsband, groen zit in het midden van het zichtbare lichtspectrum en scheidt de lagere energie, maar langere golflengte rood, geel en oranje van de hoge energie, kortere golflengte, blauw, indigo's en viooltjes.

Net zo chlorofylen absorberen een enkel foton of onderscheidend pakket van lichtenergie, het zorgt ervoor dat deze moleculen opgewonden raken. Zodra het plantenmolecuul opgewonden raakt, zijn de rest van de stappen in het proces het krijgen van dat opgewonden molecuul in het energietransportsysteem via de energie drager genaamd nicotinamide adenine dinucleotide fosfaat of NADPH, voor levering aan de tweede fase van fotosynthese, de donkere reactiefase of de Calvin Fiets.

Na het betreden van de elektronentransportketen, haalt het proces waterstofionen uit het opgenomen water en levert het aan de binnenkant van de thylakoïde, waar deze waterstofionen zich ophopen. De ionen gaan door een semi-poreus membraan van de stromale zijde naar het thylakoïde lumen en verliezen wat van de energie in het proces, terwijl ze door de eiwitten bewegen die tussen de twee fotosystemen bestaan. De waterstofionen verzamelen zich in het thylakoïde lumen waar ze wachten op hernieuwde energie voordat ze deelnemen aan het proces dat adenosinetrifosfaat of ATP maakt, de energievaluta van de cel.

De antenne-eiwitten in fotosysteem 1 absorberen een ander foton en geven het door aan het PS1-reactiecentrum genaamd P700. P700, een geoxideerd centrum, zendt een hoogenergetisch elektron uit naar nicotin-amide-adenine-dinucleotide-fosfaat of NADP+ en reduceert dit tot NADPH en ATP. Hier zet de plantencel lichtenergie om in chemische energie.

De chloroplast coördineert de twee stadia van fotosynthese om lichtenergie te gebruiken om suiker te maken. De thylakoïden in de chloroplast vertegenwoordigen de plaatsen van de lichtreacties, terwijl de Calvin-cyclus plaatsvindt in het stroma.

Cellulaire ademhaling, gekoppeld aan het fotosyntheseproces, vindt plaats in de plantencel omdat het lichtenergie opneemt, het verandert in chemische energie en zuurstof terug in de atmosfeer afgeeft. Ademhaling vindt plaats in de plantencel wanneer de suikers worden geproduceerd tijdens het fotosyntheseproces combineert met zuurstof om energie voor de cel te maken, waarbij koolstofdioxide en water worden gevormd als bijproducten van ademhaling. Een eenvoudige vergelijking voor ademhaling is tegengesteld aan die van fotosynthese: glucose + zuurstof = energie + koolstofdioxide + lichtenergie.

Cellulaire ademhaling vindt plaats in alle levende cellen van de plant, niet alleen in de bladeren, maar ook in de wortels van de plant of boom. Omdat cellulaire ademhaling geen lichtenergie nodig heeft, kan dit zowel overdag als 's nachts plaatsvinden. Maar planten te veel water geven in bodems met slechte drainage veroorzaakt een probleem voor cellulaire ademhaling, zoals overstroomd planten kunnen niet genoeg zuurstof via hun wortels opnemen en glucose transformeren om de stofwisseling van de cel in stand te houden processen. Als de plant te lang te veel water krijgt, kunnen de wortels zuurstof tekort komen, wat in wezen de cellulaire ademhaling kan stoppen en de plant kan doden.

University of California Merced Professor Elliott Campbell en zijn team van onderzoekers noteerden in een artikel van april 2017 in: "Nature", een internationaal wetenschappelijk tijdschrift, dat het fotosyntheseproces in de 20e enorm toenam eeuw. Het onderzoeksteam ontdekte een wereldwijd record van het fotosyntheseproces over tweehonderd jaar.

Dit bracht hen tot de conclusie dat het totaal van alle fotosynthese van planten op aarde in de jaren die ze onderzochten met 30 procent groeide. Hoewel het onderzoek niet specifiek de oorzaak van een stijging in het fotosyntheseproces wereldwijd identificeerde, heeft het team computermodellen suggereren verschillende processen, wanneer gecombineerd, die zouden kunnen resulteren in zo'n grote toename van de wereldwijde fabriek groei.

De modellen toonden aan dat de belangrijkste oorzaken van verhoogde fotosynthese een verhoogde uitstoot van kooldioxide in de atmosfeer zijn (voornamelijk als gevolg van menselijke activiteiten), langere groeiseizoenen vanwege de opwarming van de aarde als gevolg van deze emissies en verhoogde stikstofvervuiling door massalandbouw en fossiele brandstoffen verbranding. Menselijke activiteiten die tot deze resultaten hebben geleid, hebben zowel positieve als negatieve effecten op de planeet.

Professor Campbell merkte op dat hoewel een verhoogde uitstoot van kooldioxide de productie van gewassen stimuleert, het ook de groei van ongewenst onkruid en invasieve soorten stimuleert. Hij merkte op dat verhoogde uitstoot van kooldioxide direct klimaatverandering veroorzaakt, wat leidt tot meer overstromingen langs de kust gebieden, extreme weersomstandigheden en een toename van de verzuring van de oceaan, die allemaal verergerende effecten hebben wereldwijd.

Hoewel de fotosynthese in de 20e eeuw toenam, zorgde het er ook voor dat planten meer koolstof opsloegen in ecosystemen over de hele wereld, waardoor ze koolstofbronnen werden in plaats van koolstofputten. Zelfs met de toename van de fotosynthese kan de toename de verbranding van fossiele brandstoffen niet compenseren, omdat meer kooldioxide-emissies door verbranding van fossiele brandstoffen hebben de neiging om het opnamevermogen van een plant te overweldigen CO2.

De onderzoekers analyseerden Antarctische sneeuwgegevens verzameld door de National Oceanic and Atmospheric Administration om hun bevindingen te ontwikkelen. Door het gas te bestuderen dat in de ijsmonsters is opgeslagen, hebben de onderzoekers de mondiale atmosferen uit het verleden bekeken.