Hvordan fungerer fotosyntese?

Fotosynteseprosessen, der planter og trær gjør lys fra solen til ernæringsmessig energi, kan i begynnelsen virke som magi, men direkte og indirekte opprettholder denne prosessen hele verden. Når grønne planter når lyset, fanger bladene solens energi ved å bruke lysabsorberende kjemikalier eller spesielle pigmenter for å lage mat fra karbondioksid og vann hentet fra atmosfæren. Denne prosessen frigjør oksygen som et biprodukt tilbake i atmosfæren, en komponent i luften som kreves for alle pusteorganismer.

TL; DR (for lang; Leste ikke)

En enkel ligning for fotosyntese er karbondioksid + vann + lysenergi = glukose + oksygen. Ettersom enheter i planteriket forbruker karbondioksid under fotosyntese, frigjør de oksygen tilbake i atmosfæren slik at folk kan puste; grønne trær og planter (på land og i sjøen) er primært ansvarlige for oksygen i atmosfære, og uten dem, eksisterer kanskje ikke dyr og mennesker, så vel som andre livsformer, som de gjør i dag.

Grønne, voksende ting er nødvendige for alt liv på planeten, ikke bare som mat til planteetere og altetende, men for at oksygen skal puste. Fotosynteseprosessen er den primære måten oksygen kommer inn i atmosfæren. Det er det eneste biologiske middelet på planeten som fanger solens lysenergi og endrer det til sukker og karbohydrater som gir næringsstoffer til planter mens de frigjør oksygen.

Tenk på det: Planter og trær kan i hovedsak trekke energi som starter i de ytre delene av rommet, i form av sollys, gjør det til mat, og slipp i løpet av prosessen den nødvendige luften som organismer trenger blomstre. Du kan si at alle oksygenproduserende planter og trær har et symbiotisk forhold til alle oksygenpustende organismer. Mennesker og dyr gir karbondioksid til planter, og de gir oksygen i retur. Biologer kaller dette et mutualistisk symbiotisk forhold fordi alle parter i forholdet drar nytte.

I det Linnéske klassifiseringssystemet, kategoriseringen og rangeringen av alle levende ting, planter, alger og en type bakterier kalt cyanobakterier er de eneste levende enhetene som produserer mat fra sollys. Argumentet for å kutte skog og fjerne planter av hensyn til utviklingen virker kontraproduktivt hvis det er ingen mennesker igjen å leve i denne utviklingen fordi det ikke er planter og trær igjen for å lage oksygen.

Planter og trær er autotrofer, levende organismer som lager sin egen mat. Fordi de gjør dette ved hjelp av lysenergien fra solen, kaller biologer dem fotoautotrofer. De fleste planter og trær på planeten er fotoautotrofer.

Omdannelsen av sollys til mat skjer på mobilnivå i bladene til planter i en organell som finnes i planteceller, en struktur som kalles en kloroplast. Mens blad består av flere lag, skjer fotosyntese i mesofyllen, mellomlaget. Små mikroåpninger på undersiden av bladene kalt stomata styrer strømmen av karbondioksid og oksygen til og fra anlegget, og kontrollerer anleggets gassutveksling og anleggets vannbalanse.

Stomata finnes på bunnen av bladene, vendt bort fra solen, for å minimere vanntap. Små beskyttelsesceller rundt stomataen kontrollerer åpningen og lukkingen av disse munnlignende åpningene ved å hovne opp eller krympe som svar på mengden vann i atmosfæren. Når stomataen lukkes, kan fotosyntese ikke forekomme, siden planten ikke kan ta inn karbondioksid. Dette fører til at karbondioksidnivået i planten synker. Når dagslyset blir for varmt og tørt, lukkes stroma for å spare fuktighet.

Som en organell eller struktur på cellenivå i plantebladene har kloroplaster en ytre og indre membran som omgir dem. Inne i disse membranene er tallerkenformede strukturer kalt thylakoids. Thylakoidmembranen er der planten og trærne lagrer klorofyll, det grønne pigmentet som er ansvarlig for å absorbere lysenergien fra solen. Det er her de første lysavhengige reaksjonene finner sted der mange proteiner utgjør transportkjeden for å føre energi trukket fra solen til dit den trenger å gå i planten.

Fotosyntese prosessen er en totrinns, flertrinnsprosess. Den første fasen av fotosyntese begynner med Lysreaksjoner, også kjent som Lett avhengig prosess og krever lysenergi fra solen. Den andre fasen, den Dark Reaction scenen, også kalt Calvin Cycle, er prosessen der planten lager sukker ved hjelp av NADPH og ATP fra lysreaksjonstrinnet.

De Lysreaksjon fase av fotosyntese innebærer følgende trinn:

• Samle karbondioksid og vann fra atmosfæren gjennom planten eller treets blader.
• Lysabsorberende grønne pigmenter i planter eller trær omdanner sollyset til lagret kjemisk energi.
• Aktivert av lys, transporterer planteenzymer energien der det er nødvendig før de slipper den for å begynne på nytt.
  

Alt dette foregår på cellenivå inne i plantens tylakoider, individuelle flatede sekker, ordnet i grana eller stabler inne i kloroplaster av planten eller trecellene.

De Calvin Cycle, oppkalt etter Berkeley-biokjemiker Melvin Calvin (1911-1997), mottakeren av 1961-Nobelprisen i kjemi for å oppdage Dark Reaction-trinnet, er prosessen der planten lager sukker ved hjelp av NADPH og ATP fra lysreaksjonen scene. I løpet av Calvin-syklusen finner du følgende trinn:

• Karbonfiksering der planter kobler karbon til plantekjemikalier (RuBP) for fotosyntese.
• Reduksjonsfase der plante- og energikjemikalier reagerer for å skape plantesukker.
• Dannelsen av karbohydrater som et næringsstoff.
• Regenereringsfase hvor sukker og energi samarbeider for å danne et RuBP-molekyl, som lar syklusen starte på nytt.

Innebygd i thylakoidmembranen er to lysfangende systemer: fotosystem I og fotosystem II består av flere antennelignende proteiner som er der plantens blader endrer lysenergi til kjemisk energi. Fotosystem I gir en tilførsel av lavenergi-elektronbærere mens den andre leverer de energiske molekylene dit de trenger å gå.

Klorofyll er det lysabsorberende pigmentet, inne i bladene til planter og trær, som begynner fotosynteseprosessen. Som et organisk pigment i kloroplast-tylakoid absorberer klorofyll bare energi i et smalt bånd av det elektromagnetiske spektrum produsert av solen innenfor bølgelengdeområdet 700 nanometer (nm) til 400 nm. Kalt det fotosyntetisk aktive strålingsbåndet, sitter grønt midt i det synlige lysspekteret som skiller mellom lavere energi, men lengre bølgelengde røde, gule og appelsiner fra høy energi, kortere bølgelengde, blues, indigoes og fioler.

Som klorofyll absorberer en enkelt foton eller distinkt pakke med lysenergi, får det disse molekylene til å bli begeistret. Når plantemolekylet blir spent, innebærer resten av trinnene i prosessen å få det opphissede molekylet inn i energitransportsystemet via energien bærer kalt nikotinamid adenin dinukleotid fosfat eller NADPH, for levering til andre trinn av fotosyntese, Dark Reaction fase eller Calvin Syklus.

Etter å ha gått inn i elektrontransportkjedeprosessen ekstraherer hydrogenioner fra vannet som tas inn og leverer det til innsiden av thylakoid, hvor disse hydrogenionene bygger seg opp. Ionene passerer over en semi-porøs membran fra stromalsiden til thylakoid lumen, og mister noe av energien i prosessen, når de beveger seg gjennom proteinene som eksisterer mellom de to fotosystemene. Hydrogenionene samles i tylakoidlumen hvor de venter på ny energi før de deltar i prosessen som gjør Adenosintrifosfat eller ATP, celleens energivaluta.

Antenneproteinene i fotosystem 1 absorberer en ny foton og videreformidler den til PS1-reaksjonssenteret kalt P700. Et oksidert senter, P700 sender ut et høyenergi-elektron til nikotinamid-adenindinukleotidfosfat eller NADP + og reduserer det til å danne NADPH og ATP. Det er her plantecellen omdanner lysenergi til kjemisk energi.

Kloroplast koordinerer de to stadiene av fotosyntese for å bruke lysenergi til å lage sukker. Thylakoidene inne i kloroplasten representerer stedene for lysreaksjonene, mens Calvin-syklusen forekommer i stroma.

Cellular respirasjon, bundet til fotosyntese prosessen, forekommer i plantecellen når den tar inn lysenergi, endrer den til kjemisk energi og frigjør oksygen tilbake i atmosfæren. Åndedrett forekommer i plantecellen skjer når sukker produsert under fotosyntetisk prosess kombineres med oksygen for å lage energi til cellen og danne karbondioksid og vann som biprodukter av åndedrett. En enkel ligning for respirasjon er motsatt av fotosyntese: glukose + oksygen = energi + karbondioksid + lysenergi.

Cellular respirasjon forekommer i alle plantens levende celler, ikke bare i bladene, men også i røttene til planten eller treet. Siden cellulær respirasjon ikke trenger lysenergi for å oppstå, kan den oppstå hverken dag eller natt. Men overvanning av planter i jord med dårlig drenering forårsaker et problem for cellulær respirasjon, som oversvømt planter kan ikke ta inn nok oksygen gjennom røttene og transformere glukose for å opprettholde cellens metabolske prosesser. Hvis planten får for mye vann for lenge, kan røttene fratas oksygen, noe som egentlig kan stoppe cellulær respirasjon og drepe planten.

University of California Merced Professor Elliott Campbell og hans forskerteam bemerket i en artikkel fra april 2017 i "Nature", et internasjonalt vitenskapelig tidsskrift, at fotosynteseprosessen økte dramatisk i løpet av den 20. århundre. Forskerteamet oppdaget en global oversikt over den fotosyntetiske prosessen som strekker seg over to hundre år.

Dette førte dem til å konkludere med at summen av all plantefotosyntese på planeten vokste med 30 prosent i løpet av årene de undersøkte. Mens forskningen ikke spesifikt identifiserte årsaken til en uptick i fotosyntese prosessen globalt, er teamets datamodeller antyder flere prosesser, når de kombineres, som kan resultere i en så stor økning i det globale anlegget vekst.

Modellene viste at de viktigste årsakene til økt fotosyntese inkluderer økte karbondioksidutslipp i atmosfæren (primært på grunn av mennesker aktiviteter), lengre vekstsesonger på grunn av global oppvarming på grunn av disse utslippene og økt nitrogenforurensning forårsaket av masselandbruk og fossilt drivstoff forbrenning. Menneskelige aktiviteter som førte til disse resultatene har både positive og negative effekter på planeten.

Professor Campbell bemerket at mens økte karbondioksidutslipp stimulerer avling, stimulerer det også veksten av uønsket ugress og invasive arter. Han bemerket at økte karbondioksidutslipp direkte forårsaker klimaendringer som fører til mer flom langs kysten områder, ekstreme værforhold og en økning i forsuring av havet, som alle har forsterkende effekter globalt.

Mens fotosyntese økte i løpet av 1900-tallet, førte det også til at planter lagret mer karbon i økosystemer rundt om i verden, noe som resulterte i at de ble karbonkilder i stedet for karbonvask. Selv med økningen i fotosyntese, kan ikke økningen kompensere for forbrenning av fossilt brensel, som mer karbondioksidutslipp fra forbrenning av fossilt brensel har en tendens til å overvelde et anleggs evne til å ta opp CO2.

Forskerne analyserte antarktis snødata samlet inn av National Oceanic and Atmospheric Administration for å utvikle funnene. Ved å studere gassen som er lagret i isprøvene, gjennomgikk forskerne de globale atmosfærene fra fortiden.