Как работает фотосинтез?

Процесс фотосинтеза, при котором растения и деревья превращают солнечный свет в питательные вещества. энергии, поначалу может показаться магией, но прямо или косвенно этот процесс поддерживает все Мир. Когда зеленые растения тянутся к свету, их листья улавливают солнечную энергию, используя светопоглощающие химические вещества или специальные пигменты для производства пищи из углекислого газа и воды, поступающей из атмосферы. Этот процесс выделяет кислород в качестве побочного продукта обратно в атмосферу, компонент воздуха, необходимый для всех дышащих организмов.

TL; DR (слишком длинный; Не читал)

Простое уравнение фотосинтеза: углекислый газ + вода + световая энергия = глюкоза + кислород. Поскольку существа в царстве растений потребляют углекислый газ во время фотосинтеза, они выделяют кислород обратно в атмосферу, чтобы люди могли дышать; зеленые деревья и растения (на суше и в море) в первую очередь отвечают за кислород в атмосфере, и без них животные и люди, а также другие формы жизни не могли бы существовать, поскольку они сделать сегодня.

Зеленые растения необходимы для всего живого на планете, не только как пища для травоядных и всеядных, но и для того, чтобы дышать кислородом. Процесс фотосинтеза - это основной способ поступления кислорода в атмосферу. Это единственное биологическое средство на планете, которое улавливает энергию солнечного света, превращая ее в сахара и углеводы, которые обеспечивают растения питательными веществами, одновременно выделяя кислород.

Подумайте об этом: растения и деревья, по сути, могут притягивать энергию, которая начинается из дальних уголков космоса, в форме солнечного света, превратить его в пищу и в процессе высвободить воздух, необходимый организмам для процветать. Можно сказать, что все растения и деревья, производящие кислород, находятся в симбиотических отношениях со всеми организмами, дышащими кислородом. Люди и животные обеспечивают растения углекислым газом, а взамен они доставляют кислород. Биологи называют это мутуалистическими симбиотическими отношениями, потому что все стороны в отношениях выигрывают.

В системе классификации Линнея категоризация и ранжирование всех живых существ, растений, водоросли и тип бактерий, называемых цианобактериями, - единственные живые существа, которые производят пищу из Солнечный свет. Аргумент в пользу вырубки лесов и удаления растений ради развития кажется контрпродуктивным, если в этих застройках не осталось людей, которые могли бы жить, потому что не осталось растений и деревьев, которые могли бы производить кислород.

Растения и деревья - автотрофы, живые организмы, которые сами производят пищу. Поскольку они делают это, используя световую энергию солнца, биологи называют их фотоавтотрофами. Большинство растений и деревьев на планете - фотоавтотрофы.

Преобразование солнечного света в пищу происходит на клеточном уровне в листьях растений в органелле, обнаруженной в клетках растений, структуре, называемой хлоропластом. В то время как листья состоят из нескольких слоев, фотосинтез происходит в мезофилле, среднем слое. Небольшие микроотверстия на нижней стороне листьев, называемые устьицами, контролируют поток углекислого газа и кислорода к растению и от него, регулируя газообмен и водный баланс растения.

Устьица расположены на нижней части листьев, обращены в сторону от солнца, чтобы минимизировать потерю воды. Маленькие замыкающие клетки, окружающие устьица, управляют открытием и закрытием этих ротовидных отверстий, набухая или сжимаясь в ответ на количество воды в атмосфере. Когда устьица закрываются, фотосинтез невозможен, так как растение не может поглощать углекислый газ. Это приводит к снижению уровня углекислого газа в растении. Когда световой день становится слишком жарким и сухим, строма закрывается, чтобы сохранить влагу.

В качестве органеллы или структуры на клеточном уровне в листьях растений хлоропласты имеют внешнюю и внутреннюю мембраны, которые их окружают. Внутри этих мембран находятся пластинчатые структуры, называемые тилакоидами. Тилакоидная мембрана - это место, где растения и деревья хранят хлорофилл, зеленый пигмент, отвечающий за поглощение световой энергии от солнца. Именно здесь происходят начальные светозависимые реакции, в которых многочисленные белки составляют транспортную цепь, переносящую энергию, оттянутую от солнца, туда, где она должна идти внутри растения.

Процесс фотосинтеза - это двухэтапный, многоступенчатый процесс. Первый этап фотосинтеза начинается с Легкие реакции, также известный как Легко зависимый процесс и требует световой энергии от солнца. Второй этап, Темная реакция этап, также называемый Цикл Кальвина, это процесс, при котором растение производит сахар с помощью НАДФН и АТФ на стадии легкой реакции.

В Легкая реакция Фаза фотосинтеза включает следующие этапы:

• Сбор углекислого газа и воды из атмосферы через листья растений или деревьев.
• Светопоглощающие зеленые пигменты растений или деревьев преобразуют солнечный свет в запасенную химическую энергию.
• Активируемые светом, растительные ферменты переносят энергию туда, где это необходимо, прежде чем высвободить ее, чтобы начать заново.
  

Все это происходит на клеточном уровне внутри тилакоидов растения, отдельных сплюснутых мешочков, расположенных в грану или стопки внутри хлоропластов клеток растения или дерева.

В Цикл Кальвина, назван в честь биохимика Беркли Мелвина Кальвина (1911-1997), лауреата Нобелевской премии по химии 1961 года за открытие Стадия темной реакции - это процесс, при котором растение производит сахар с помощью НАДФН и АТФ из световой реакции. сцена. Во время цикла Кальвина выполняются следующие шаги:

• Фиксация углерода, при которой растения соединяют углерод с химическими веществами растений (RuBP) для фотосинтеза.
• Фаза восстановления, при которой химические вещества растений и энергетики вступают в реакцию с образованием растительных сахаров.
• Образование углеводов как питательного вещества для растений.
• Фаза регенерации, на которой сахар и энергия взаимодействуют с образованием молекулы RuBP, что позволяет циклу возобновиться.

В тилакоидную мембрану встроены две светозахватывающие системы: фотосистема I и фотосистема II. состоит из множества антенно-подобных белков, в которых листья растения превращают световую энергию в химическую. энергия. Фотосистема I обеспечивает поставку низкоэнергетических носителей электронов, в то время как другая доставляет заряженные молекулы туда, куда им нужно.

Хлорофилл - это поглощающий свет пигмент в листьях растений и деревьев, который запускает процесс фотосинтеза. Как органический пигмент тилакоида хлоропласта, хлорофилл поглощает энергию только в узкой полосе. электромагнитного спектра, создаваемого солнцем, в диапазоне длин волн от 700 нанометров (нм) до 400 нм. Зеленый цвет, называемый полосой фотосинтетически активного излучения, находится в середине видимого светового спектра, разделяя световые лучи. более низкая энергия, но более длинноволновые красные, желтые и оранжевые цвета от высокой энергии, более короткая длина волны, синий, индиго и фиалки.

В виде хлорофиллы поглощают одиночный фотон или отчетливый пакет световой энергии, он заставляет эти молекулы возбуждаться. Как только молекула растения становится возбужденной, остальные этапы процесса включают в себя передачу этой возбужденной молекулы в систему переноса энергии с помощью энергии носитель, называемый никотинамидадениндинуклеотидфосфатом или НАДФН, для доставки на вторую стадию фотосинтеза, фазу темновой реакции или фазу Кальвина. Цикл.

После входа в электронная транспортная цепь, процесс извлекает ионы водорода из принятой воды и доставляет ее внутрь тилакоида, где эти ионы водорода накапливаются. Ионы проходят через полупористую мембрану со стороны стромы в просвет тилакоида, теряя часть энергии в процессе, поскольку они перемещаются через белки, существующие между двумя фотосистемами. Ионы водорода собираются в просвете тилакоидов, где они ждут повторной активации, прежде чем участвовать в процессе, который превращает аденозинтрифосфат или АТФ в энергетическую валюту клетки.

Антенные белки в фотосистеме 1 поглощают другой фотон, передавая его в реакционный центр PS1, называемый P700. Окисленный центр, P700 посылает электрон с высокой энергией никотинамид адениндинуклеотид фосфату или НАДФ + и восстанавливает его с образованием НАДФН и АТФ. Здесь растительная клетка преобразует световую энергию в химическую энергию.

Хлоропласт координирует две стадии фотосинтеза, чтобы использовать световую энергию для производства сахара. Тилакоиды внутри хлоропласта представляют собой участки световых реакций, в то время как цикл Кальвина происходит в строме.

Клеточное дыхание, связанное с процессом фотосинтеза, происходит внутри растительной клетки, поскольку оно принимает световую энергию, превращает ее в химическую энергию и высвобождает кислород обратно в атмосферу. Дыхание происходит внутри растительной клетки, когда в процессе фотосинтеза производятся сахара. соединяется с кислородом, чтобы производить энергию для клетки, образуя углекислый газ и воду как побочные продукты дыхание. Простое уравнение дыхания противоположно уравнению фотосинтеза: глюкоза + кислород = энергия + углекислый газ + световая энергия.

Клеточное дыхание происходит во всех живых клетках растения, не только в листьях, но и в корнях растения или дерева. Поскольку для клеточного дыхания не требуется световая энергия, оно может происходить как днем, так и ночью. Но чрезмерный полив растений на почвах с плохим дренажем вызывает проблемы с клеточным дыханием, так как растения не могут получать достаточное количество кислорода через свои корни и преобразовывать глюкозу, чтобы поддерживать метаболизм клетки. процессы. Если растение слишком долго получает слишком много воды, его корни могут быть лишены кислорода, что может существенно остановить клеточное дыхание и убить растение.

Профессор Калифорнийского университета Мерсед Эллиот Кэмпбелл и его группа исследователей отметили в статье, опубликованной в апреле 2017 г. "Nature", международный научный журнал, о том, что процесс фотосинтеза резко усилился в 20-е гг. век. Исследовательская группа обнаружила мировой рекорд фотосинтетического процесса, охватывающий двести лет.

Это привело их к выводу, что общий объем фотосинтеза растений на планете вырос на 30 процентов за те годы, которые они исследовали. В то время как исследование не определило конкретно причину всплеска процесса фотосинтеза во всем мире, команда исследователей компьютерные модели предполагают несколько процессов, если их объединить, которые могут привести к такому значительному увеличению мировых производственных мощностей. рост.

Модели показали, что ведущие причины повышенного фотосинтеза включают повышенные выбросы углекислого газа в атмосферу (в первую очередь из-за человеческого фактора). деятельности), более длительный вегетационный период из-за глобального потепления из-за этих выбросов и увеличения загрязнения азотом, вызванного массовым сельским хозяйством и ископаемым топливом горение. Человеческая деятельность, которая привела к этим результатам, имеет как положительные, так и отрицательные последствия для планеты.

Профессор Кэмпбелл отметил, что, хотя повышенные выбросы углекислого газа стимулируют урожай, он также стимулирует рост нежелательных сорняков и инвазивных видов. Он отметил, что увеличение выбросов углекислого газа напрямую вызывает изменение климата, что приводит к увеличению наводнений вдоль побережья. районы, экстремальные погодные условия и усиление подкисления океана - все это имеет комплексные эффекты глобально.

Хотя фотосинтез действительно увеличился в 20-м веке, он также заставил растения накапливать больше углерода в экосистемах по всему миру, в результате чего они стали источниками углерода, а не поглотителями углерода. Даже с увеличением фотосинтеза это увеличение не может компенсировать сжигание ископаемого топлива, поскольку больше выбросов углекислого газа от сжигания ископаемого топлива, как правило, подавляет способность растений поглощать СО2.

Исследователи проанализировали данные о снеге в Антарктике, собранные Национальным управлением океанических и атмосферных исследований, чтобы разработать свои выводы. Изучая газ, хранящийся в образцах льда, исследователи изучили глобальную атмосферу прошлого.