Cum funcționează fotosinteza?

Procesul de fotosinteză, în care plantele și copacii transformă lumina de la soare în nutrițională energie, poate părea la început magie, dar direct și indirect, acest proces susține întregul lume. Pe măsură ce plantele verzi ajung la lumină, frunzele lor captează energia soarelui folosind substanțe chimice absorbante de lumină sau pigmenți speciali pentru a face hrana din dioxid de carbon și apă extrasă din atmosferă. Acest proces eliberează oxigenul ca subprodus înapoi în atmosferă, o componentă din aer necesară tuturor organismelor care respiră.

TL; DR (Prea lung; Nu am citit)

O ecuație simplă pentru fotosinteză este dioxidul de carbon + apă + energie luminoasă = glucoză + oxigen. Deoarece entitățile din regnul plantelor consumă dioxid de carbon în timpul fotosintezei, eliberează oxigen înapoi în atmosferă pentru ca oamenii să respire; copacii și plantele verzi (pe uscat și în mare) sunt în primul rând responsabili de oxigenul din atmosfera și fără ele, animalele și oamenii, precum și alte forme de viață, ar putea să nu existe așa cum există face azi.

Lucrurile verzi, în creștere, sunt necesare pentru toată viața de pe planetă, nu doar ca hrană pentru ierbivore și omnivore, ci pentru ca oxigenul să respire. Procesul de fotosinteză este modul principal în care oxigenul intră în atmosferă. Este singurul mijloc biologic de pe planetă care captează energia luminii soarelui, transformându-l în zaharuri și carbohidrați, care furnizează substanțe nutritive plantelor în timp ce eliberează oxigen.

Gândiți-vă la asta: plantele și copacii pot extrage în esență energia care începe în exteriorul spațiului, în lumina soarelui, transformați-l în alimente și, în acest proces, eliberați aerul necesar de care organismele au nevoie prospera. Ați putea spune că toate plantele și copacii producători de oxigen au o relație simbiotică cu toate organismele care respiră oxigen. Oamenii și animalele furnizează dioxid de carbon plantelor și livrează oxigen în schimb. Biologii numesc aceasta o relație simbioză mutualistă, deoarece toate părțile din relație beneficiază.

În sistemul de clasificare linean, clasificarea și clasarea tuturor ființelor vii, plantelor, algele și un tip de bacterii numite cianobacterii sunt singurele entități vii care produc hrană din lumina soarelui. Argumentul pentru tăierea pădurilor și îndepărtarea plantelor de dragul dezvoltării pare contraproductiv dacă nu mai există oameni care să trăiască în acele dezvoltări, deoarece nu mai sunt plante și copaci rămași pentru a produce oxigen.

Plantele și copacii sunt autotrofi, organisme vii care își fac propria hrană. Deoarece fac acest lucru folosind energia luminii de la soare, biologii le numesc fotoautotrofe. Majoritatea plantelor și copacilor de pe planetă sunt fotoautotrofi.

Conversia luminii solare în alimente are loc la nivel celular în frunzele plantelor dintr-un organet găsit în celulele vegetale, o structură numită cloroplast. În timp ce frunzele constau din mai multe straturi, fotosinteza se întâmplă în mezofilă, stratul mediu. Micile deschideri de pe partea inferioară a frunzelor numite stomate controlează fluxul de dioxid de carbon și oxigen către și de la plantă, controlând schimbul de gaze al plantei și echilibrul apei plantei.

Stomatele există pe fundul frunzelor, îndreptate spre soare, pentru a minimiza pierderile de apă. Micile celule de pază din jurul stomatelor controlează deschiderea și închiderea acestor deschideri asemănătoare gurii prin umflarea sau micșorarea ca răspuns la cantitatea de apă din atmosferă. Când stomatele se închid, fotosinteza nu poate apărea, deoarece planta nu poate lua dioxid de carbon. Acest lucru determină scăderea nivelului de dioxid de carbon din plantă. Când orele de zi devin prea fierbinți și uscați, stroma se închide pentru a conserva umezeala.

Ca organet sau structură la nivel celular în frunzele plantei, cloroplastele au o membrană exterioară și interioară care le înconjoară. În interiorul acestor membrane sunt structuri în formă de platou numite tilacoide. Membrana tilacoidă este locul în care planta și copacii stochează clorofila, pigmentul verde responsabil de absorbția energiei luminoase din soare. Aici au loc reacțiile inițiale dependente de lumină, în care numeroase proteine ​​alcătuiesc lanțul de transport pentru a transporta energia extrasă de la soare până unde trebuie să meargă în interiorul plantei.

Procesul de fotosinteză este un proces în două etape, în mai multe etape. Prima etapă a fotosintezei începe cu Reacții la lumină, cunoscut și sub numele de Proces dependent de lumină și necesită energie luminoasă de la soare. A doua etapă, Reacție întunecată etapă, numită și Ciclul Calvin, este procesul prin care planta produce zahăr cu ajutorul NADPH și ATP din stadiul de reacție ușoară.

Reacție la lumină faza fotosintezei presupune următorii pași:

• Adunarea dioxidului de carbon și a apei din atmosferă prin frunzele plantei sau ale copacului.
• Pigmenții verzi absorbanți de lumină din plante sau copaci transformă lumina soarelui în energie chimică stocată.
• Activate de lumină, enzimele plantelor transportă energia acolo unde este necesar înainte de ao elibera pentru a începe din nou.
  

Toate acestea se desfășoară la nivel celular în interiorul tilacoidelor plantei, saci individual aplatizați, aranjați în grana sau stive în interiorul cloroplastelor plantei sau celulelor arborelui.

Ciclul Calvin, numit după biochimistul Berkeley Melvin Calvin (1911-1997), beneficiarul Premiului Nobel pentru chimie din 1961 pentru descoperirea etapa de reacție întunecată, este procesul prin care planta produce zahăr cu ajutorul NADPH și ATP din reacția ușoară etapă. În timpul ciclului Calvin, au loc următorii pași:

• Fixarea carbonului în care plantele conectează carbonul la substanțele chimice ale plantelor (RuBP) pentru fotosinteză.
• Faza de reducere prin care substanțele chimice pentru plante și energie reacționează pentru a crea zaharuri din plante.
• Formarea glucidelor ca nutrient vegetal.
• Faza de regenerare în care zahărul și energia cooperează pentru a forma o moleculă RuBP, care permite ciclului să înceapă din nou.

Înglobate în membrana tilacoidă sunt două sisteme de captare a luminii: fotosistemul I și fotosistemul II compus din mai multe proteine ​​asemănătoare antenelor, unde frunzele plantei transformă energia luminii în substanță chimică energie. Fotosistemul I oferă o sursă de purtători de electroni cu energie redusă, în timp ce celălalt furnizează moleculele energizate acolo unde trebuie să meargă.

Clorofila este pigmentul absorbant de lumină, în interiorul frunzelor plantelor și copacilor, care începe procesul de fotosinteză. Ca pigment organic din tilacoidul cloroplast, clorofila absoarbe energia doar într-o bandă îngustă a spectrului electromagnetic produs de soare în intervalul de lungimi de undă de la 700 nanometri (nm) la 400 nm. Numit banda de radiație fotosintetic activă, culoarea verde se află în mijlocul spectrului de lumină vizibilă care separă energie mai mică, dar roșii cu lungime de undă mai mare, galbene și portocale de la energia mare, lungime de undă mai mică, albastru, indigo și violete.

La fel de clorofilele absorb un singur foton sau distinct pachet de energie luminoasă, face ca aceste molecule să devină excitate. Odată ce molecula plantei devine excitată, restul etapelor procesului implică introducerea acelei molecule excitate în sistemul de transport al energiei prin intermediul energiei purtător denumit nicotinamidă adenină dinucleotid fosfat sau NADPH, pentru livrarea în a doua etapă a fotosintezei, a fazei Dark Reaction sau a Calvin Ciclu.

După intrarea în lanțul de transport al electronilor, procesul extrage ioni de hidrogen din apa captată și îl transportă în interiorul tilacoidului, unde acești ioni de hidrogen se acumulează. Ionii trec printr-o membrană semiporoasă din partea stromală către lumenul tilacoid, pierzând unii a energiei din proces, pe măsură ce se deplasează prin proteinele existente între cele două fotosisteme. Ionii de hidrogen se adună în lumenul tilacoid unde așteaptă re-energizarea înainte de a participa la procesul care face din trifosfatul de adenozină sau ATP, moneda energetică a celulei.

Proteinele antenei din fotosistemul 1 absorb un alt foton, reluându-l către centrul de reacție PS1 numit P700. Un centru oxidat, P700 trimite un electron de mare energie către fosfat de nicotină-amidă adenină dinucleotidică sau NADP + și îl reduce pentru a forma NADPH și ATP. Aici celula vegetală transformă energia luminii în energie chimică.

Cloroplastul coordonează cele două etape ale fotosintezei pentru a utiliza energia luminii pentru a produce zahăr. Tilakoidele din interiorul cloroplastului reprezintă locurile reacțiilor la lumină, în timp ce ciclul Calvin are loc în stromă.

Respirația celulară, legată de procesul de fotosinteză, are loc în interiorul celulei vegetale pe măsură ce preia energia luminii, o transformă în energie chimică și eliberează oxigenul în atmosferă. Respirația are loc în interiorul celulei vegetale atunci când zaharurile produse în timpul procesului fotosintetic se combină cu oxigenul pentru a produce energie pentru celulă, formând dioxid de carbon și apă ca subproduse ale respiraţie. O ecuație simplă pentru respirație este opusă celei din fotosinteză: glucoză + oxigen = energie + dioxid de carbon + energie luminoasă.

Respirația celulară are loc în toate celulele vii ale plantei, nu numai în frunze, ci și în rădăcinile plantei sau ale copacului. Deoarece respirația celulară nu are nevoie de energie luminoasă pentru a avea loc, ea poate apărea fie în timpul zilei, fie în noapte. Dar supraaglomerarea plantelor în soluri cu drenaj slab provoacă o problemă pentru respirația celulară, deoarece este inundată plantele nu pot lua suficient oxigen prin rădăcini și transformă glucoza pentru a menține metabolizarea celulei proceselor. Dacă planta primește prea multă apă pentru prea mult timp, rădăcinile ei pot fi private de oxigen, ceea ce poate opri respirația celulară și poate ucide planta.

Profesorul Elliott Campbell de la Universitatea din California Merced și echipa sa de cercetători au remarcat într-un articol din aprilie 2017 în „Nature”, un jurnal internațional de știință, că procesul de fotosinteză a crescut dramatic în timpul celui de-al 20-lea secol. Echipa de cercetare a descoperit o înregistrare globală a procesului fotosintetic care se întinde pe două sute de ani.

Acest lucru i-a determinat să concluzioneze că totalul fotosintezei plantelor de pe planetă a crescut cu 30 la sută în anii în care au cercetat. În timp ce cercetarea nu a identificat în mod specific cauza creșterii în procesul de fotosinteză la nivel global, a echipei modelele computerizate sugerează mai multe procese, atunci când sunt combinate, care ar putea duce la o creștere atât de mare a instalației globale creştere.

Modelele au arătat că principalele cauze ale fotosintezei crescute includ emisiile crescute de dioxid de carbon în atmosferă (în principal datorate omului activități), sezoane de creștere mai lungi din cauza încălzirii globale datorate acestor emisii și a poluării crescute cu azot cauzate de agricultura în masă și combustibilii fosili combustie. Activitățile umane care au condus la aceste rezultate au atât efecte pozitive, cât și negative asupra planetei.

Profesorul Campbell a menționat că, deși emisiile crescute de dioxid de carbon stimulează producția culturilor, stimulează și creșterea buruienilor nedorite și a speciilor invazive. El a menționat că emisiile crescute de dioxid de carbon cauzează în mod direct schimbări climatice, ducând la mai multe inundații de-a lungul zonelor de coastă zone, condiții meteorologice extreme și o creștere a acidificării oceanelor, toate acestea având efecte de compunere la nivel global.

În timp ce fotosinteza a crescut în cursul secolului al XX-lea, a provocat, de asemenea, plantele să stocheze mai mult carbon în ecosistemele din întreaga lume, rezultând ca acestea să devină surse de carbon în loc de chiuvete de carbon. Chiar și cu creșterea fotosintezei, creșterea nu poate compensa arderea combustibililor fosili, deoarece mai multe emisii de dioxid de carbon provenite din arderea combustibililor fosili tind să copleșească capacitatea unei fabrici de a fi absorbită CO2.

Cercetătorii au analizat datele din zăpada Antarcticii colectate de Administrația Națională Oceanică și Atmosferică pentru a-și dezvolta descoperirile. Studiind gazul stocat în probele de gheață, cercetătorii au analizat atmosferele globale din trecut.