Jaką reakcją jest fotosynteza?

Bez serii reakcji chemicznych, znanych jako fotosynteza, nie byłoby ciebie tutaj, podobnie jak nikogo innego, kogo znasz. Może to wydać Ci się dziwne, jeśli wiesz, że fotosynteza dotyczy wyłącznie roślin i kilku mikroorganizmów, i że ani jedna komórka w twoim ciele ani w żadnym zwierzęciu nie ma aparatury do przeprowadzania tak eleganckiego zestawu reakcji. Co daje?

Mówiąc prościej, życie roślinne i zwierzęce są niemal idealnie symbiotyczne, co oznacza, że ​​sposób, w jaki rośliny zaspokajają swoje potrzeby metaboliczne, jest niezwykle korzystny dla zwierząt i vice versa. Mówiąc najprościej, zwierzęta pobierają gazowy tlen (O₂) do pozyskiwania energii z niegazowych źródeł węgla i wydalania gazowego dwutlenku węgla (CO₂) i wody (H₂O) w procesie, podczas gdy rośliny wykorzystują CO₂ i H₂O zrobić jedzenie i uwolnić O₂ do otoczenia. Ponadto około 87 procent światowej energii pochodzi obecnie ze spalania paliw kopalnych, które ostatecznie są również produktami fotosyntezy.

Czasami mówi się, że „fotosynteza jest dla roślin tym, czym oddychanie jest dla zwierząt”, ale jest to błędna analogia, ponieważ rośliny wykorzystują obie, podczas gdy zwierzęta wykorzystują tylko oddychanie. Pomyśl o fotosyntezie jako sposobie, w jaki rośliny konsumują i trawią węgiel, polegając na świetle, a nie na poruszaniu się i akcie jedzenia, aby nadać węgiel w formie, którą mogą wykorzystać małe maszyny komórkowe.

Fotosynteza, mimo że nie jest wykorzystywana bezpośrednio przez znaczną część istot żywych, może być: rozsądnie postrzegane jako jedyny proces chemiczny odpowiedzialny za zapewnienie ciągłości istnienia życia na Sama Ziemia. Komórki fotosyntetyczne pobierają CO₂ i H₂O pozyskiwane przez organizm ze środowiska i wykorzystujące energię światła słonecznego do zasilania syntezy glukozy (C₆H₁₂O₆), zwalniając O₂ jako produkt odpadowy. Ta glukoza jest następnie przetwarzana przez różne komórki w roślinie w ten sam sposób, w jaki glukoza jest wykorzystywana przez zwierzę komórki: ulega oddychaniu, aby uwolnić energię w postaci adenozynotrójfosforanu (ATP) i uwalnia) WSPÓŁ₂ jako produkt odpadowy. (Fitoplankton i cyjanobakterie również wykorzystują fotosyntezę, ale dla celów tej dyskusji organizmy zawierające komórki fotosyntetyczne są ogólnie określane jako „rośliny”).

Organizmy, które wykorzystują fotosyntezę do wytwarzania glukozy, nazywane są autotrofami, co w luźnym tłumaczeniu z greckiego oznacza „samożywność”. Oznacza to, że rośliny nie polegają bezpośrednio na innych organizmach jako pożywienie. Z drugiej strony zwierzęta są heterotrofami („inną żywnością”), ponieważ muszą pobierać węgiel z innych żywych źródeł, aby rosnąć i pozostać przy życiu.

Fotosynteza jest uważana za reakcję redoks. Redox to skrót od „redukcja-utlenianie”, który opisuje, co zachodzi na poziomie atomowym w różnych reakcjach biochemicznych. Kompletna, zbilansowana formuła serii reakcji zwanych fotosyntezą – której składowe zostaną wkrótce zbadane – to:

6H₂O + światło + 6 CO₂ → C₆H₁₂O₆ + 60₂

Możesz sam sprawdzić, czy liczba atomów każdego typu jest taka sama po obu stronach strzałki: sześć atomów węgla, 12 atomów wodoru i 18 atomów tlenu.

Redukcja to usuwanie elektronów z atomu lub cząsteczki, podczas gdy utlenianie to pozyskiwanie elektronów. Odpowiednio, związki, które łatwo przekazują elektrony innym związkom, nazywane są środkami utleniającymi, podczas gdy te, które mają tendencję do pozyskiwania elektronów, nazywane są środkami redukującymi. Reakcje redoks zwykle obejmują dodanie wodoru do związku, który jest redukowany.

Pierwszy krok w fotosyntezie można podsumować jako „niech stanie się światło”. Światło słoneczne pada na powierzchnię roślin, wprawiając w ruch cały proces. Możesz już podejrzewać, dlaczego wiele roślin wygląda tak, jak wygląda: duża powierzchnia w postaci liści i gałęzie, które je wspierają, które wydają się niepotrzebne (choć atrakcyjne), jeśli nie wiesz, dlaczego te organizmy są ustrukturyzowane tą drogą. „Celem” rośliny jest wystawienie jak największej ilości siebie na działanie promieni słonecznych – wykonanie najkrótszego, najmniejszego rośliny w dowolnym ekosystemie przypominają raczej chrząszcze ze ściółki zwierzęcej, ponieważ obaj walczą o uzyskanie wystarczającej ilości energia. Nic dziwnego, że liście są niezwykle gęste w komórkach fotosyntetycznych.

Komórki te są bogate w organizmy zwane chloroplastami, w których odbywa się praca fotosyntezy, podobnie jak mitochondria są organellami, w których zachodzi oddychanie. W rzeczywistości chloroplasty i mitochondria są strukturalnie dość podobne, co, jak praktycznie wszystko w świecie biologii, może należy doszukiwać się w cudach ewolucji.) Chloroplasty zawierają specjalistyczne pigmenty, które optymalnie pochłaniają energię świetlną, a nie odbijają to. To, co jest odbijane, a nie pochłaniane, znajduje się w zakresie długości fal, które ludzkie oko i mózg interpretują jako określony kolor (wskazówka: zaczyna się od „g”). Głównym pigmentem używanym do tego celu jest chlorofil.

Chloroplasty są otoczone podwójną błoną plazmatyczną, tak jak w przypadku wszystkich żywych komórek oraz zawartych w nich organelli. Jednak u roślin, wewnątrz dwuwarstwy osocza istnieje trzecia błona, zwana błoną tylakoidową. Ta membrana jest bardzo mocno złożona, dzięki czemu powstają struktury przypominające krążki ułożone jedna na drugiej, podobnie jak opakowanie miętówek. Te struktury tylakoidowe zawierają chlorofil. Przestrzeń między wewnętrzną błoną chloroplastową a błoną tylakoidową nazywa się zrębem.

Fotosynteza dzieli się na zestaw reakcji zależnych od światła i niezależnych od światła, zwykle nazywanych reakcjami jasnymi i ciemnymi i szczegółowo opisanych w dalszej części. Jak mogłeś dojść do wniosku, reakcje świetlne pojawiają się jako pierwsze.

Kiedy światło słoneczne uderza w chlorofil i inne pigmenty wewnątrz tylakoidów, zasadniczo wybucha elektrony i protony z atomów w chlorofilu i podnoszą je na wyższy poziom energii, dzięki czemu są bardziej swobodne migrować. Elektrony są kierowane do łańcuchowych reakcji transportu elektronów, które rozwijają się na samej błonie tylakoidów. Tutaj akceptory elektronów, takie jak NADP, odbierają niektóre z tych elektronów, które są również wykorzystywane do napędzania syntezy ATP. ATP jest zasadniczo dla komórek tym, czym dolary są dla systemu finansowego USA: jest „walutą energetyczną”, za pomocą której ostatecznie przeprowadzane są praktycznie wszystkie procesy metaboliczne.

Podczas gdy tak się dzieje, skąpanym w słońcu molekułom chlorofilu nagle brakuje elektronów. To tutaj woda wchodzi do walki i dostarcza elektrony zastępcze w postaci wodoru, redukując w ten sposób chlorofil. Po zaginięciu wodoru to, co kiedyś było wodą, jest teraz tlenem cząsteczkowym – O₂. Ten tlen całkowicie dyfunduje z komórki i rośliny, a część z niego zdołała przedostać się do twoich własnych płuc dokładnie w tej sekundzie.

Fotosynteza nazywana jest reakcją endergoniczną, ponieważ wymaga dostarczenia energii, aby mogła przebiegać. Słońce jest ostatecznym źródłem wszelkiej energii na planecie (fakt być może rozumiany na pewnym poziomie przez różnych). kultury starożytności, które uważały słońce za samo w sobie bóstwo) i rośliny są pierwszymi, które je przechwytują wydajne wykorzystanie. Bez tej energii nie byłoby możliwości, aby dwutlenek węgla, mała, prosta cząsteczka, została przekształcona w glukozę, znacznie większą i bardziej złożoną cząsteczkę. Wyobraź sobie, że wchodzisz po schodach, nie zużywając energii, a zobaczysz problem, z którym borykają się rośliny.

W kategoriach arytmetycznych reakcje endergoniczne to takie, w których produkty mają wyższy poziom energii niż substraty. Przeciwieństwo tych reakcji, energetycznie rzecz biorąc, nazywane są egzergonicznymi, w których produkty mają niższą energię niż reakcje i dzięki temu energia jest uwalniana podczas reakcji. (Często występuje to w postaci ciepła – znowu, czy robisz się cieplej, czy robisz się zimniej podczas ćwiczeń?) Wyraża się to w postaci energii swobodnej ΔG° reakcji, która dla fotosyntezy wynosi +479 kJ ⋅ molo^-1 lub 479 dżuli energii na mol. Znak dodatni wskazuje na reakcję endotermiczną, a znak ujemny wskazuje na proces egzotermiczny.

W reakcjach świetlnych woda jest rozbijana przez światło słoneczne, podczas gdy w reakcjach ciemnych protony (H⁺) i elektronów (e⁻) uwolnione w reakcjach świetlnych są wykorzystywane do budowy glukozy i innych węglowodanów z CO₂.

Reakcje świetlne podane są wzorem:

2H₂O + światło → O₂ + 4 godz⁺ + 4e⁻(ΔG° = +317 kJ ⋅ mol⁻¹)

a ciemne reakcje są podane przez:

WSPÓŁ₂ + 4 godz⁺ + 4e⁻ → CH₂O + H₂O (ΔG° = +162 kJ ⋅ mol⁻¹)

Ogólnie daje to pełne równanie przedstawione powyżej:

H₂O + światło + CO₂ → CH₂O + O₂(ΔG° = +479 kJ ⋅ mol⁻¹)

Widać, że oba zestawy reakcji są endergoniczne, reakcje świetlne są silniejsze.

Sprzężenie energii w żywych systemach oznacza wykorzystanie energii udostępnionej z jednego procesu do napędzania innych procesów, które w innym przypadku by nie miały miejsca. Samo społeczeństwo działa w ten sposób: przedsiębiorstwa często muszą pożyczać z góry duże sumy pieniędzy, aby odejść od grunt, ale ostatecznie niektóre z tych biznesów stają się bardzo dochodowe i mogą udostępniać środki innym start-upom firm.

Fotosynteza stanowi dobry przykład sprzężenia energii, ponieważ energia światła słonecznego jest sprzężona z reakcjami w chloroplastach, dzięki czemu reakcje mogą się rozwijać. Roślina ostatecznie nagradza globalny cykl węglowy, syntetyzując glukozę i inne związki węgla, które można sprzęgać z innymi reakcjami, natychmiast lub w przyszłości. Na przykład rośliny pszenicy wytwarzają skrobię, używaną na całym świecie jako główne źródło pożywienia dla ludzi i innych zwierząt. Ale nie cała glukoza wytwarzana przez rośliny jest magazynowana; część z nich dociera do różnych części komórek roślinnych, gdzie energia uwolniona w glikolizie jest ostatecznie sprzężona z reakcjami w mitochondriach roślin, które prowadzą do powstania ATP. Podczas gdy rośliny stanowią dno łańcucha pokarmowego i są powszechnie postrzegane jako energia pasywna i tlen dawcy mają własne potrzeby metaboliczne, muszą rosnąć i rozmnażać się tak jak inni organizmy.

Nawiasem mówiąc, uczniowie często mają problemy z nauką równoważenia reakcji chemicznych, jeśli nie są one dostarczane w zrównoważonej formie. W rezultacie podczas majsterkowania uczniowie mogą ulec pokusie zmiany wartości indeksów dolnych w cząsteczkach w reakcji w celu uzyskania zrównoważonego wyniku. To zamieszanie może wynikać ze świadomości, że dozwolone jest zmienianie liczb przed cząsteczkami w celu zrównoważenia reakcji. Zmiana indeksu dolnego dowolnej cząsteczki zmienia ją w zupełnie inną cząsteczkę. Na przykład zmiana O₂ także₃ nie tylko dodaje 50 procent więcej tlenu pod względem masy; zamienia on gazowy tlen w ozon, który nie uczestniczyłby w badanej reakcji w mało podobny sposób.