Ako funguje fotosyntéza?

Proces fotosyntézy, pri ktorom rastliny a stromy menia svetlo zo slnka na výživné energia, sa spočiatku môže javiť ako mágia, ale priamo a nepriamo tento proces udržuje celý svet. Keď zelené rastliny dosahujú svetlo, ich listy zachytávajú slnečnú energiu pomocou chemikálií absorbujúcich svetlo alebo špeciálnych pigmentov na výrobu potravy z oxidu uhličitého a vody vytiahnutej z atmosféry. Tento proces uvoľňuje kyslík ako vedľajší produkt späť do atmosféry, zložku vo vzduchu potrebnú pre všetky dýchajúce organizmy.

TL; DR (príliš dlhý; Nečítali)

Jednoduchá rovnica pre fotosyntézu je oxid uhličitý + voda + svetelná energia = glukóza + kyslík. Keď entity v rastlinnej ríši počas fotosyntézy konzumujú oxid uhličitý, uvoľňujú kyslík späť do atmosféry, aby ľudia mohli dýchať; zelené stromy a rastliny (na pevnine a v mori) sú primárne zodpovedné za kyslík v rámci atmosféra a bez nich by zvieratá a ľudia, ako aj iné formy života nemuseli existovať tak, ako sú urob dnes.

Zelené, rastúce veci sú potrebné pre celý život na planéte, nielen ako potrava pre bylinožravce a všežravce, ale aj pre dýchanie kyslíka. Proces fotosyntézy je hlavným spôsobom, ako kyslík vstupuje do atmosféry. Je to jediný biologický prostriedok na planéte, ktorý zachytáva slnečnú energiu slnka a mení ju na cukry a sacharidy, ktoré poskytujú rastlinám živiny a zároveň uvoľňujú kyslík.

Popremýšľajte o tom: Rastliny a stromy môžu v podstate ťahať energiu, ktorá začína vo vonkajších častiach vesmíru, v vo forme slnečného žiarenia, premeňte ju na jedlo a pri tom uvoľnite potrebný vzduch, ktorý organizmy potrebujú prekvitať. Dalo by sa povedať, že všetky rastliny a stromy produkujúce kyslík majú symbiotický vzťah so všetkými organizmami dýchajúcimi kyslík. Ľudia a zvieratá poskytujú rastlinám oxid uhličitý a oni na oplátku dodávajú kyslík. Biológovia to nazývajú relacialistický symbiotický vzťah, pretože z toho majú prospech všetky strany.

V Linnianskom klasifikačnom systéme je kategorizácia a hodnotenie všetkých živých vecí, rastlín, riasy a druh baktérií nazývaných sinice sú jediné živé bytosti, z ktorých sa vyrába potrava slnečné svetlo. Argument na výrub lesov a odstraňovanie rastlín z dôvodu rozvoja sa zdá byť kontraproduktívny, ak v tomto vývoji už nezostávajú ľudia, pretože už nezostávajú žiadne rastliny a stromy na výrobu kyslíka.

Rastliny a stromy sú autotrofy, živé organizmy, ktoré si sami vytvárajú potravu. Pretože to robia pomocou svetelnej energie zo slnka, biológovia ich nazývajú fotoautotrofy. Väčšina rastlín a stromov na planéte sú fotoautotrofy.

Premena slnečného žiarenia na jedlo sa uskutočňuje na bunkovej úrovni v listoch rastlín v organele nachádzajúcej sa v rastlinných bunkách, štruktúre nazývanej chloroplast. Zatiaľ čo listy pozostávajú z niekoľkých vrstiev, fotosyntéza sa deje v mezofyle, v strednej vrstve. Malé mikrootvory na spodnej strane listov, ktoré sa nazývajú prieduchy, riadia tok oxidu uhličitého a kyslíka do a z rastliny a riadia výmenu plynov v rastline a vodnú rovnováhu rastliny.

Stomata existujú na spodnej časti listov, odvrátenej od slnka, aby sa minimalizovala strata vody. Malé strážne bunky obklopujúce prieduchy riadia otváranie a zatváranie týchto otvorov podobných ústam opuchom alebo zmenšením v reakcii na množstvo vody v atmosfére. Keď sa prieduchy uzavrú, nemôže dôjsť k fotosyntéze, pretože rastlina nemôže prijímať oxid uhličitý. To spôsobí pokles hladiny oxidu uhličitého v rastline. Keď je denné svetlo príliš horúce a suché, stroma sa zatvorí, aby chránila vlhkosť.

Ako organela alebo štruktúra na bunkovej úrovni v listoch rastlín majú chloroplasty vonkajšiu a vnútornú membránu, ktorá ich obklopuje. Vo vnútri týchto membrán sa nachádzajú doštičkovité štruktúry, ktoré sa nazývajú tylakoidy. Tylakoidná membrána je miesto, kde rastlina a stromy uchovávajú chlorofyl, zelený pigment zodpovedný za absorpciu svetelnej energie zo slnka. To je miesto, kde prebiehajú počiatočné reakcie závislé na svetle, v ktorých množstvo bielkovín tvorí transportný reťazec, ktorý prenáša energiu vytiahnutú zo slnka na miesto, kam potrebuje v rámci rastliny.

Proces fotosyntézy je dvojstupňový, viacstupňový proces. Prvá fáza fotosyntézy sa začína Svetelné reakcie, tiež známy ako Proces závislý od svetla a vyžaduje svetelnú energiu zo slnka. Druhá etapa, Temná reakcia etapa, nazývaná tiež Calvinov cyklus, je proces, pri ktorom rastlina vyrába cukor pomocou NADPH a ATP zo stupňa svetelnej reakcie.

The Svetelná reakcia fáza fotosyntézy zahŕňa tieto kroky:

• Zhromažďovanie oxidu uhličitého a vody z atmosféry cez listy rastliny alebo stromu.
• Zelené pigmenty absorbujúce svetlo v rastlinách alebo stromoch premieňajú slnečné svetlo na uloženú chemickú energiu.
• Rastlinné enzýmy, ktoré sú aktivované svetlom, prenášajú energiu podľa potreby predtým, ako ju uvoľnia, aby mohli začať odznova.
  

To všetko sa deje na bunkovej úrovni vo vnútri tylakoidov rastliny, jednotlivých sploštených vakov, usporiadaných do grana alebo stohov vo vnútri chloroplastov rastlín alebo buniek stromu.

The Calvinov cyklus, pomenovaný pre biochemika Berkeleya Melvina Calvina (1911-1997), držiteľa Nobelovej ceny za chémiu z roku 1961 za objav štádium temnej reakcie, je proces, pri ktorom rastlina vyrába svetlo pomocou NADPH a ATP zo svetelnej reakcie etapa. Počas Calvinovho cyklu prebiehajú nasledujúce kroky:

• Uhlíková fixácia, pri ktorej rastliny spájajú uhlík s rastlinnými chemikáliami (RuBP) na fotosyntézu.
• Fáza redukcie, pri ktorej rastlinné a energetické chemikálie reagujú na tvorbu rastlinných cukrov.
• Tvorba sacharidov ako rastlinnej živiny.
• Fáza regenerácie, pri ktorej cukor a energia spolupracujú na vytvorení molekuly RuBP, ktorá umožňuje znovu začať cyklus.

V tylakoidnej membráne sú zabudované dva systémy zachytávajúce svetlo: fotosystém I a fotosystém II Pozostáva z viacerých proteínov podobných anténe, kde listy rastliny menia svetelnú energiu na chemickú energie. Fotosystém I poskytuje zásobu nízkoenergetických nosičov elektrónov, zatiaľ čo druhý dodáva energetické molekuly tam, kam potrebujú.

Chlorofyl je pigment absorbujúci svetlo vo vnútri listov rastlín a stromov, ktorý začína proces fotosyntézy. Ako organický pigment v chloroplastovom tylakoide absorbuje chlorofyl energiu iba v úzkom pásme elektromagnetického spektra produkovaného slnkom v rozsahu vlnových dĺžok 700 nanometrov (nm) až 400 nm. Zelená, nazývaná fotosynteticky aktívne pásmo žiarenia, je zelená v strede spektra viditeľného svetla oddeľujúceho nižšia energia, ale dlhšia vlnová dĺžka červená, žltá a pomaranč od vysokej energie, kratšia vlnová dĺžka, modrá, indigo a fialky.

Ako chlorofyly absorbujú jediný fotón alebo odlišný balíček svetelnej energie, spôsobuje, že sa tieto molekuly vzrušujú. Akonáhle sa molekula rastliny stane excitovanou, ďalšie kroky v procese zahŕňajú jej získanie prostredníctvom systému energie do systému transportu energie. nosič nazývaný nikotínamid adenín dinukleotid fosfát alebo NADPH na dodanie do druhého štádia fotosyntézy, fázy Dark Reaction alebo Calvin Cyklus.

Po vstupe do reťazec transportu elektrónov, proces extrahuje vodíkové ióny z prijatej vody a dodáva ich do vnútra tylakoidu, kde sa tieto vodíkové ióny hromadia. Ióny prechádzajú cez semi-poréznu membránu zo stromálnej strany do tylakoidného lúmenu a časť z nich stratia energie v procese, keď sa pohybujú cez proteíny existujúce medzi dvoma fotosystémmi. Vodíkové ióny sa zhromažďujú v tylakoidnom lúmene, kde čakajú na opätovné napájanie pred účasťou na procese, ktorý robí z adenozíntrifosfátu alebo ATP, energetickú menu bunky.

Anténne proteíny vo fotosystéme 1 absorbujú ďalší fotón a prenášajú ho do reakčného centra PS1 s názvom P700. Oxidované centrum P700 vysiela vysokoenergetický elektrón na nikotínamidadeníndinukleotidfosfát alebo NADP + a redukuje ho na formu NADPH a ATP. To je miesto, kde rastlinná bunka premieňa svetelnú energiu na chemickú.

Chloroplast koordinuje dva stupne fotosyntézy, aby sa na výrobu cukru použila svetelná energia. Tylakoidy vo vnútri chloroplastov predstavujú miesta svetelných reakcií, zatiaľ čo Calvinov cyklus sa vyskytuje v stróme.

Bunkové dýchanie spojené s procesom fotosyntézy sa vyskytuje v rastlinnej bunke, keď prijíma svetelnú energiu, mení ju na chemickú energiu a uvoľňuje kyslík späť do atmosféry. Dýchanie nastáva v rastlinnej bunke, keď sa cukry produkujú počas procesu fotosyntézy kombinuje s kyslíkom a vyrába energiu pre bunku a vytvára oxid uhličitý a vodu ako vedľajšie produkty dýchanie. Jednoduchá rovnica pre dýchanie je opačná ako pri fotosyntéze: glukóza + kyslík = energia + oxid uhličitý + svetelná energia.

Bunkové dýchanie sa vyskytuje vo všetkých živých bunkách rastliny, nielen v listoch, ale aj v koreňoch rastliny alebo stromu. Pretože bunkové dýchanie nepotrebuje svetelnú energiu, môže sa vyskytnúť buď vo dne alebo v noci. Ale nadmerné napájanie rastlín v pôdach so zlým odtokom spôsobuje problém bunkového dýchania, pretože je zaplavený rastliny nemôžu prijímať dostatok kyslíka cez svoje korene a transformovať glukózu, aby udržali metabolický stav bunky procesy. Ak rastlina prijíma príliš veľa vody príliš dlho, môžu byť jej korene zbavené kyslíka, čo môže v podstate zastaviť bunkové dýchanie a zabiť rastlinu.

Profesor Elliottt Campbell z Kalifornskej univerzity a jeho tím výskumníkov to uviedol v článku z apríla 2017 v „Príroda“, medzinárodný vedecký časopis, že proces fotosyntézy sa v priebehu 20. storočia dramaticky zvýšil storočia. Výskumný tím objavil globálny záznam fotosyntetického procesu, ktorý sa rozprestiera na dvesto rokoch.

To ich viedlo k záveru, že celkový objem všetkej fotosyntézy rastlín na planéte vzrástol počas rokov, ktoré skúmali, o 30 percent. Zatiaľ čo výskum špecificky neidentifikoval príčinu nárastu v procese fotosyntézy na celom svete, výskumníci zistili počítačové modely naznačujú kombináciu niekoľkých procesov, ktoré by mohli viesť k tak veľkému nárastu globálneho závodu rast.

Modely ukázali, že medzi hlavné príčiny zvýšenej fotosyntézy patria zvýšené emisie oxidu uhličitého v atmosfére (primárne kvôli človeku) činnosti), dlhšie vegetačné obdobia z dôvodu globálneho otepľovania v dôsledku týchto emisií a zvýšeného znečistenia dusíkom spôsobeného masovým poľnohospodárstvom a fosílnymi palivami spaľovanie. Ľudské aktivity, ktoré viedli k týmto výsledkom, majú na planétu pozitívny aj negatívny vplyv.

Profesor Campbell poznamenal, že zvýšené emisie oxidu uhličitého stimulujú produkciu plodín, ale tiež stimulujú rast nežiaducich burín a inváznych druhov. Poznamenal, že zvýšené emisie oxidu uhličitého priamo spôsobujú zmenu podnebia, čo vedie k väčším záplavám pozdĺž pobrežia oblasti, extrémne poveternostné podmienky a zvýšenie acidifikácie oceánov, čo všetko má zmiešané účinky globálne.

Aj keď sa fotosyntéza v priebehu 20. storočia skutočne zvýšila, spôsobila tiež to, že rastliny ukladali viac uhlíka do ekosystémov na celom svete, čo viedlo k tomu, že sa namiesto uhlíkových záchytov stali zdrojmi uhlíka. Aj s nárastom fotosyntézy nemôže nárast kompenzovať spaľovanie fosílnych palív, ako napr viac emisií oxidu uhličitého zo spaľovania fosílnych palív má tendenciu premôcť schopnosť elektrárne absorbovať ich CO2.

Vedci analyzovali údaje o snehu z Antarktídy zhromaždené Národným úradom pre oceán a atmosféru s cieľom rozvinúť ich zistenia. Štúdiom plynu uloženého vo vzorkách ľadu vedci preskúmali globálnu atmosféru minulosti.