Когда вы думаете об отрасли науки, связанной с тем, как растения получают «пищу», вы, скорее всего, в первую очередь думаете о биологии. Но на самом деле это физика на службе биологии, потому что именно световая энергия от Солнца сначала включилась, а теперь продолжает приводить в действие все живое на планете Земля. В частности, это каскад передачи энергии, который приводится в движение, когда фотоны в легких ударных частях хлорофилл молекула.
Роль фотонов в фотосинтез должен поглощаться хлорофиллом таким образом, чтобы электроны в части молекулы хлорофилла становились временно «возбужденными» или переходили в более высокое энергетическое состояние. Когда они возвращаются к своему обычному уровню энергии, энергия, которую они выделяют, запускает первую часть фотосинтеза. Таким образом, без хлорофилла фотосинтез невозможен.
Растительные клетки vs. Клетки животных
И растения, и животные - эукариоты. Таким образом, их клетки имеют гораздо больше, чем тот минимум, который должны иметь все клетки (клеточная мембрана, рибосомы, цитоплазма и ДНК). Их клетки богаты мембраносвязанными
органеллы, которые выполняют специализированные функции внутри клетки. Один из них предназначен исключительно для растений и называется хлоропласт. Именно в этих продолговатых органеллах происходит фотосинтез.Внутри хлоропластов находятся структуры, называемые тилакоидами, которые имеют собственную мембрану. Внутри тилакоидов находится молекула, известная как хлорофилл, в некотором смысле ожидающая инструкций в виде буквальной вспышки света.
Узнайте больше о сходствах и различиях между растительными и животными клетками.
Роль фотосинтеза
Всем живым существам нужен источник углерода в качестве топлива. Животные могут получить их достаточно просто, поедая и ожидая, пока их пищеварительные и клеточные ферменты превратят материю в молекулы глюкозы. Но растения должны поглощать углерод через листья в виде углекислый газ (CO2) в атмосфере.
Роль фотосинтеза состоит в том, чтобы улавливать растения до той же точки, метаболически говоря, что животные сразу же вырабатывают глюкозу из своей пищи. У животных это означает уменьшение размеров различных углеродсодержащих молекул еще до того, как они достигнут клеток, но у растений это означает создание углеродсодержащих молекул. больше и внутри клеток.
Реакции фотосинтеза
В первом наборе реакций, называемом легкие реакции поскольку они требуют прямого света, ферменты под названием Фотосистема I и Фотосистема II в тилакоидной мембране используются для преобразования световой энергии для синтеза молекул АТФ и НАДФН в переносе электронов. система.
Узнайте больше о цепи переноса электронов.
В так называемом темные реакции, которые не требуют света и не нарушаются им, энергия, собранная в АТФ и НАДФН (поскольку ничего может напрямую «хранить» свет) используется для создания глюкозы из углекислого газа и других источников углерода в растение.
Химия хлорофилла
Помимо хлорофилла, у растений есть много пигментов, таких как фикоэртриин и каротиноиды. Однако хлорофилл имеет порфирин кольцевая структура, аналогичная таковой в молекуле гемоглобина у человека. Порфириновое кольцо хлорофилла содержит элемент магний, хотя железо входит в состав гемоглобина.
Хлорофилл поглощает свет в зеленой части видимой части светового спектра, который во всех диапазонах составляет от 350 до 800 миллиардных долей метра.
Фотовозбуждение хлорофилла
В некотором смысле световые рецепторы растений поглощают фотоны и используют их, чтобы толкнуть дремавшие электроны в состояние возбужденного бодрствования, заставляя их бежать вверх по лестнице. В конце концов, соседние электроны в соседних «домах» хлорофилла тоже начинают бегать. Когда они снова засыпают, их бегство по лестнице позволяет вырабатывать сахар с помощью сложного механизма, улавливающего энергию их шагов.
Когда энергия передается от одной молекулы хлорофилла к соседней, это называется резонансной передачей энергии или экситон перевод.