Jak działa fotosynteza?

Proces fotosyntezy, w którym rośliny i drzewa zamieniają światło słoneczne w odżywcze energia, na pierwszy rzut oka może wydawać się magią, ale bezpośrednio i pośrednio proces ten podtrzymuje całość świat. Gdy zielone rośliny sięgają po światło, ich liście wychwytują energię słoneczną, wykorzystując pochłaniające światło chemikalia lub specjalne pigmenty, aby wytwarzać żywność z dwutlenku węgla i wody wyciąganej z atmosfery. Proces ten uwalnia tlen jako produkt uboczny z powrotem do atmosfery, składnik powietrza niezbędny dla wszystkich oddychających organizmów.

TL; DR (zbyt długi; Nie czytałem)

Proste równanie fotosyntezy to dwutlenek węgla + woda + energia świetlna = glukoza + tlen. Ponieważ istoty w królestwie roślin zużywają dwutlenek węgla podczas fotosyntezy, uwalniają tlen z powrotem do atmosfery, aby ludzie mogli oddychać; zielone drzewa i rośliny (na lądzie i w morzu) są przede wszystkim odpowiedzialne za tlen w atmosfery, a bez nich zwierzęta i ludzie, a także inne formy życia, mogą nie istnieć w takim stanie, w jakim one są Zrób dzisiaj.

Zielone, rosnące rzeczy są niezbędne dla całego życia na planecie, nie tylko jako pokarm dla roślinożerców i wszystkożerców, ale także do oddychania tlenem. Proces fotosyntezy jest głównym sposobem, w jaki tlen dostaje się do atmosfery. Jest to jedyny biologiczny środek na planecie, który wychwytuje energię świetlną słońca, zamieniając ją w cukry i węglowodany, które dostarczają roślinom składników odżywczych, jednocześnie uwalniając tlen.

Pomyśl o tym: rośliny i drzewa mogą zasadniczo przyciągać energię, która zaczyna się w odległych zakątkach kosmosu, w formę światła słonecznego, zamień je w pożywienie, a przy tym uwolnij potrzebne powietrze, którego organizmy potrzebują do prosperować. Można powiedzieć, że wszystkie rośliny i drzewa wytwarzające tlen mają symbiotyczny związek ze wszystkimi organizmami oddychającymi tlenem. Ludzie i zwierzęta dostarczają roślinom dwutlenek węgla, aw zamian dostarczają tlen. Biolodzy nazywają to symbiotycznym związkiem mutualistycznym, ponieważ wszystkie strony w związku odnoszą korzyści.

W systemie klasyfikacji Linneusza kategoryzacja i ranking wszystkich żywych istot, roślin, glony i rodzaj bakterii zwanej sinicami są jedynymi żywymi organizmami, które produkują żywność z światło słoneczne. Argument za wycinaniem lasów i usuwaniem roślin ze względu na rozwój wydaje się odwrotny do zamierzonego, jeśli: nie ma już ludzi, którzy mogliby żyć w tych osiedlach, ponieważ nie ma roślin i drzew, które mogłyby wytwarzać tlen.

Rośliny i drzewa to autotrofy, żywe organizmy, które wytwarzają własne pożywienie. Biolodzy nazywają je fotoautotrofami, ponieważ robią to za pomocą energii słonecznej. Większość roślin i drzew na świecie to fotoautotrofy.

Przekształcenie światła słonecznego w żywność odbywa się na poziomie komórkowym w liściach roślin w organelli znajdującej się w komórkach roślinnych, strukturze zwanej chloroplastem. Podczas gdy liście składają się z kilku warstw, fotosynteza zachodzi w mezofilu, warstwie środkowej. Małe mikrootwory na spodniej stronie liści, zwane aparatami szparkowymi, kontrolują przepływ dwutlenku węgla i tlenu do iz rośliny, kontrolując wymianę gazową rośliny i bilans wodny rośliny.

Szparki znajdują się na dnie liści, odwrócone od słońca, aby zminimalizować utratę wody. Małe komórki ochronne otaczające aparaty szparkowe kontrolują otwieranie i zamykanie tych podobnych do ust otworów poprzez pęcznienie lub kurczenie się w odpowiedzi na ilość wody w atmosferze. Kiedy aparaty szparkowe się zamykają, fotosynteza nie może zajść, ponieważ roślina nie może pobierać dwutlenku węgla. Powoduje to spadek poziomu dwutlenku węgla w roślinie. Kiedy dzień staje się zbyt gorący i suchy, zrąb zamyka się, aby zachować wilgoć.

Jako organella lub struktura na poziomie komórkowym w liściach roślin, chloroplasty mają otaczającą je zewnętrzną i wewnętrzną błonę. Wewnątrz tych błon znajdują się struktury w kształcie talerza zwane tylakoidami. W błonie tylakoidów rośliny i drzewa przechowują chlorofil, zielony pigment odpowiedzialny za pochłanianie energii świetlnej ze słońca. To tutaj zachodzą początkowe reakcje zależne od światła, w których liczne białka tworzą łańcuch transportowy, który przenosi energię pobieraną ze słońca do miejsca, w którym musi się ona znaleźć w roślinie.

Proces fotosyntezy jest procesem dwuetapowym, wieloetapowym. Pierwszy etap fotosyntezy rozpoczyna się Reakcje świetlne, znany również jako Proces zależny od światła i wymaga energii świetlnej ze słońca. Drugi etap, Ciemna reakcja scena, zwana także Cykl Calvina, to proces, w którym roślina wytwarza cukier za pomocą NADPH i ATP z fazy lekkiej reakcji.

Lekka reakcja Light faza fotosyntezy obejmuje następujące etapy:

• Zbieranie dwutlenku węgla i wody z atmosfery przez liście rośliny lub drzewa.
• Zielone pigmenty pochłaniające światło w roślinach lub drzewach przekształcają światło słoneczne w zmagazynowaną energię chemiczną.
• Aktywowane światłem enzymy roślinne transportują energię tam, gdzie jest to potrzebne, zanim ją uwolnią, aby rozpocząć od nowa.
  

Wszystko to odbywa się na poziomie komórkowym wewnątrz tylakoidów rośliny, pojedynczych spłaszczonych worków, ułożonych w granę lub stosy wewnątrz chloroplastów rośliny lub komórek drzewa.

Cykl Calvina, nazwany na cześć biochemika z Berkeley Melvina Calvina (1911-1997), laureata Nagrody Nobla w dziedzinie chemii w 1961 roku za odkrycie etap ciemnej reakcji, to proces, w którym roślina wytwarza cukier za pomocą NADPH i ATP z reakcji jasnej etap. Podczas cyklu Calvina mają miejsce następujące kroki:

• Wiązanie węgla, w którym rośliny łączą węgiel z roślinnymi substancjami chemicznymi (RuBP) w celu fotosyntezy.
• Faza redukcji, w której chemikalia roślinne i energetyczne reagują, tworząc cukry roślinne.
• Powstawanie węglowodanów jako odżywki dla roślin.
• Faza regeneracji, w której cukier i energia współpracują, tworząc cząsteczkę RuBP, co pozwala na ponowne rozpoczęcie cyklu.

W błonie tylakoidów osadzone są dwa systemy wychwytujące światło: fotosystem I i fotosystem II składa się z wielu białek przypominających anteny, w których liście rośliny zamieniają energię świetlną na chemiczną energia. Fotosystem I dostarcza nośniki elektronów o niskiej energii, podczas gdy drugi dostarcza energetyzowane molekuły tam, gdzie muszą się udać.

Chlorofil to absorbujący światło pigment znajdujący się wewnątrz liści roślin i drzew, który rozpoczyna proces fotosyntezy. Jako pigment organiczny w tylakoidzie chloroplastowym, chlorofil pochłania energię tylko w wąskim paśmie widma elektromagnetycznego wytwarzanego przez słońce w zakresie długości fal od 700 nanometrów (nm) do 400 nm. Nazywany fotosyntetycznie aktywnym pasmem promieniowania, zielony znajduje się pośrodku widma światła widzialnego, oddzielając niższa energia, ale dłuższe fale czerwienie, żółcie i pomarańcze z wysokoenergetycznych, krótsze fale, błękity, indygo i fiołki.

Tak jak chlorofile absorbują pojedynczy foton lub odrębny pakiet energii świetlnej, powoduje wzbudzenie tych cząsteczek. Gdy cząsteczka rośliny zostanie wzbudzona, pozostałe etapy procesu obejmują wprowadzenie tej wzbudzonej cząsteczki do systemu transportu energii za pośrednictwem energii nośnik zwany fosforanem dinukleotydu nikotynamidoadeninowego lub NADPH, do dostarczania do drugiego etapu fotosyntezy, fazy ciemnej reakcji lub Calvin Cykl.

Po wejściu do łańcuch transportu elektronów, proces ten ekstrahuje jony wodorowe z pobranej wody i dostarcza je do wnętrza tylakoidu, gdzie te jony wodorowe się gromadzą. Jony przechodzą przez półporowatą błonę od strony zrębu do światła tylakoidów, tracąc część energii w procesie, ponieważ przechodzą przez białka istniejące między dwoma fotosystemami. Jony wodorowe gromadzą się w świetle tylakoidów, gdzie czekają na ponowne zasilenie, zanim wezmą udział w procesie, który sprawia, że ​​adenozynotrójfosforan lub ATP jest walutą energetyczną komórki.

Białka antenowe w fotosystemie 1 absorbują inny foton, przekazując go do centrum reakcji PS1 zwanego P700. Utlenione centrum, P700, wysyła elektron o wysokiej energii do fosforanu dinukleotydu nikotynowo-amidoadeninowego lub NADP+ i redukuje go, tworząc NADPH i ATP. To tutaj komórka roślinna zamienia energię świetlną na energię chemiczną.

Chloroplast koordynuje dwa etapy fotosyntezy, aby wykorzystać energię świetlną do produkcji cukru. Tylakoidy wewnątrz chloroplastu reprezentują miejsca reakcji świetlnych, podczas gdy cykl Calvina występuje w zrębie.

Oddychanie komórkowe, związane z procesem fotosyntezy, zachodzi w komórce roślinnej, ponieważ pobiera energię świetlną, zamienia ją na energię chemiczną i uwalnia tlen z powrotem do atmosfery. Oddychanie zachodzi w komórce roślinnej, gdy cukry wytwarzane podczas procesu fotosyntezy łączy się z tlenem, aby wytworzyć energię dla komórki, tworząc dwutlenek węgla i wodę jako produkty uboczne oddychanie. Proste równanie na oddychanie jest przeciwne do fotosyntezy: glukoza + tlen = energia + dwutlenek węgla + energia świetlna.

Oddychanie komórkowe zachodzi we wszystkich żywych komórkach rośliny, nie tylko w liściach, ale także w korzeniach rośliny lub drzewa. Ponieważ oddychanie komórkowe nie wymaga energii świetlnej, może zachodzić zarówno w dzień, jak iw nocy. Jednak nadmierne podlewanie roślin w glebach o słabym drenażu powoduje problem z oddychaniem komórkowym, ponieważ jest zalewany rośliny nie mogą pobierać wystarczającej ilości tlenu przez korzenie i przekształcać glukozy, aby podtrzymać metabolizm komórki cell procesy. Jeśli roślina otrzymuje zbyt dużo wody przez zbyt długi czas, jej korzenie mogą zostać pozbawione tlenu, co może zasadniczo zatrzymać oddychanie komórkowe i zabić roślinę.

University of California Merced Professor Elliott Campbell i jego zespół badaczy zauważyli w artykule z kwietnia 2017 r. w: „Nature”, międzynarodowego czasopisma naukowego, że proces fotosyntezy dramatycznie wzrósł w latach 20-tych XX w stulecie. Zespół badawczy odkrył globalny zapis procesu fotosyntezy trwającego dwieście lat.

Doprowadziło to do wniosku, że całkowita fotosynteza roślin na planecie wzrosła o 30 procent w ciągu lat, które badali. Chociaż w badaniach nie zidentyfikowano konkretnie przyczyny globalnego przyspieszenia procesu fotosyntezy, zespół modele komputerowe sugerują kilka procesów w połączeniu, które mogą skutkować tak dużym wzrostem globalnego zakładu wzrost.

Modele wykazały, że głównymi przyczynami wzmożonej fotosyntezy są zwiększone emisje dwutlenku węgla do atmosfery (głównie spowodowane przez człowieka). działalności), dłuższe sezony wegetacyjne z powodu globalnego ocieplenia spowodowanego tymi emisjami i zwiększonym zanieczyszczeniem azotem spowodowanym przez masowe rolnictwo i paliwa kopalne spalanie. Działalność człowieka, która doprowadziła do tych wyników, ma zarówno pozytywny, jak i negatywny wpływ na planetę.

Profesor Campbell zauważył, że chociaż zwiększona emisja dwutlenku węgla stymuluje plony, stymuluje również wzrost niechcianych chwastów i gatunków inwazyjnych. Zauważył, że zwiększone emisje dwutlenku węgla bezpośrednio powodują zmianę klimatu prowadzącą do większej liczby powodzi wzdłuż wybrzeża obszary, ekstremalne warunki pogodowe i wzrost zakwaszenia oceanów, z których wszystkie mają złożony wpływ globalnie.

Chociaż fotosynteza wzrosła w XX wieku, spowodowała również, że rośliny magazynują więcej węgla w ekosystemach na całym świecie, co powoduje, że stają się one źródłem węgla zamiast pochłaniaczem dwutlenku węgla. Nawet przy wzroście fotosyntezy wzrost ten nie może zrekompensować spalania paliw kopalnych, ponieważ większe emisje dwutlenku węgla ze spalania paliw kopalnych mają tendencję do przytłaczania zdolności przyswajania przez roślinę CO2.

Naukowcy przeanalizowali dane dotyczące śniegu na Antarktydzie zebrane przez Narodową Administrację Oceaniczną i Atmosferyczną, aby rozwinąć swoje odkrycia. Badając gaz przechowywany w próbkach lodu, naukowcy dokonali przeglądu globalnych atmosfer z przeszłości.