Kako deluje fotosinteza?

Proces fotosinteze, pri katerem rastline in drevesa spreminjajo svetlobo sonca v prehransko energija, se sprva zdi čarobna, toda ta proces neposredno in posredno vzdržuje celoto svetu. Ko zelene rastline posegajo po svetlobi, njihovi listi zajemajo sončno energijo z uporabo kemikalij, ki absorbirajo svetlobo, ali posebnih pigmentov, da iz ogljikovega dioksida in vode, ki jo potegnemo iz ozračja, pripravimo hrano. Ta postopek sprošča kisik kot stranski produkt nazaj v ozračje, sestavni del zraka, potreben za vse dihalne organizme.

TL; DR (predolgo; Nisem prebral)

Preprosta enačba za fotosintezo je ogljikov dioksid + voda + svetlobna energija = glukoza + kisik. Ko entitete znotraj rastlinskega kraljestva med fotosintezo porabijo ogljikov dioksid, sproščajo kisik nazaj v ozračje, da lahko ljudje dihajo; zelena drevesa in rastline (na kopnem in v morju) so v glavnem odgovorne za kisik znotraj brez njih živali in ljudje ter druge življenjske oblike morda ne bi obstajali kot oni naredi danes.

Zelene, rastoče stvari so potrebne za vse življenje na planetu, ne samo kot hrana za rastlinojede in vsejede, ampak tudi za dihanje kisika. Proces fotosinteze je primarni način vstopa kisika v ozračje. To je edino biološko sredstvo na planetu, ki zajema sončno svetlobo, jo spreminja v sladkorje in ogljikove hidrate, ki rastlinam zagotavlja hranila, medtem ko sprošča kisik.

Pomislite: Rastline in drevesa lahko v bistvu vlečejo energijo, ki se začne v zunanjih delih vesolja, v sončno svetlobo, jo spremenite v hrano in v tem procesu sprostite potreben zrak, ki ga organizmi zahtevajo uspevajo. Lahko bi rekli, da imajo vse rastline in drevesa, ki proizvajajo kisik, simbiotsko zvezo z vsemi organizmi, ki dihajo kisik. Ljudje in živali rastlinam zagotavljajo ogljikov dioksid, v zameno pa dovajajo kisik. Biologi temu pravijo vzajemno simbiotsko razmerje, ker imajo koristi vse strani v razmerju.

V linenskem klasifikacijskem sistemu je razvrščanje in razvrščanje vseh živih bitij, rastlin, alge in vrsta bakterij, imenovane cianobakterije, so edina živa bitja, ki proizvajajo hrano sončna svetloba. Argument za sečnjo gozdov in odstranjevanje rastlin zaradi razvoja se zdi kontraproduktiven, če v teh dogodkih ni več ljudi, ki bi živeli, ker ni več rastlin in dreves, ki bi ustvarjala kisik.

Rastline in drevesa so avtotrofi, živi organizmi, ki si sami proizvajajo hrano. Ker to počnejo z uporabo svetlobne energije sonca, jih biologi imenujejo fotoavtotrofi. Večina rastlin in dreves na planetu so fotoavtotrofi.

Pretvorba sončne svetlobe v hrano poteka na celični ravni znotraj rastlinskih listov v organeli, ki jo najdemo v rastlinskih celicah, strukturi, imenovani kloroplast. Medtem ko so listi sestavljeni iz več plasti, se fotosinteza zgodi v mezofilu, srednjem sloju. Majhne mikro odprtine na spodnji strani listov, imenovane stomate, nadzirajo pretok ogljikovega dioksida in kisika v obrat in iz njega, nadzirajo izmenjavo plina v rastlini in vodno bilanco rastline.

Stomati obstajajo na dnu listov, obrnjeni stran od sonca, da zmanjšajo izgubo vode. Majhne varovalne celice, ki obdajajo stomote, nadzirajo odpiranje in zapiranje teh ustnih odprtin z otekanjem ali krčenjem kot odziv na količino vode v ozračju. Ko se stomate zaprejo, do fotosinteze ne more priti, saj rastlina ne more vnesti ogljikovega dioksida. To povzroči zmanjšanje ravni ogljikovega dioksida v rastlini. Ko dnevne ure postanejo pretople in suhe, se stroma zapre, da se ohrani vlaga.

Kot organela ali struktura na celični ravni v rastlinskih listih imajo kloroplasti zunanjo in notranjo membrano, ki ju obdaja. Znotraj teh membran so strukture v obliki plošče, imenovane tilakoidi. V tilakoidni membrani rastline in drevesa shranjujejo klorofil, zeleni pigment, ki je odgovoren za absorpcijo svetlobne energije sonca. Tu se zgodijo začetne reakcije, odvisne od svetlobe, pri katerih številni proteini tvorijo transportno verigo, da prenesejo energijo, potegnjeno s sonca, tja, kamor mora iti znotraj rastline.

Proces fotosinteze je dvostopenjski večstopenjski postopek. Prva stopnja fotosinteze se začne z Svetlobne reakcije, znan tudi kot Od svetlobe odvisen postopek in zahteva svetlobno energijo sonca. Druga stopnja, Temna reakcija fazi, imenovani tudi Calvinov cikel, je postopek, s katerim rastlina s pomočjo NADPH in ATP iz faze svetlobne reakcije proizvaja sladkor.

The Svetlobna reakcija faza fotosinteze vključuje naslednje korake:

• Zbiranje ogljikovega dioksida in vode iz ozračja skozi rastlinske ali drevesne liste.
• Zeleni pigmenti, ki absorbirajo svetlobo v rastlinah ali drevesih, pretvorijo sončno svetlobo v shranjeno kemično energijo.
• Aktivirani s svetlobo, rastlinski encimi po potrebi prenesejo energijo, preden jo sprostijo, da se začne na novo.
  

Vse to poteka na celični ravni znotraj rastlinskih tilakoidov, posameznih sploščenih vrečk, razporejenih v grane ali skladovnice znotraj kloroplastov rastlinskih ali drevesnih celic.

The Calvinov cikel, poimenovan po Berkeleyjevem biokemiku Melvinu Calvinu (1911-1997), prejemniku Nobelove nagrade za kemijo za odkritje leta 1961 stopnja temne reakcije je postopek, pri katerem rastlina s pomočjo NADPH in ATP iz svetlobne reakcije proizvaja sladkor stopnja. Med Calvinovim ciklom potekajo naslednji koraki:

• Fiksacija ogljika, pri kateri rastline povezujejo ogljik z rastlinskimi kemikalijami (RuBP) za fotosintezo.
• Faza redukcije, pri kateri rastlinske in energetske kemikalije reagirajo in tvorijo rastlinski sladkor.
• Tvorba ogljikovih hidratov kot rastlinsko hranilo.
• Faza regeneracije, kjer sladkor in energija sodelujeta, da tvorita molekulo RuBP, ki omogoča ponovni začetek cikla.

V tilakoidno membrano sta vgrajena dva sistema za zajemanje svetlobe: fotosistem I in fotosistem II sestavljen iz več antenskim beljakovinam, kjer rastlinski listi spremenijo svetlobno energijo v kemično energija. Photosystem I zagotavlja oskrbo z nizkoenergijskimi nosilci elektronov, medtem ko drugi dovaja energijske molekule tja, kamor morajo iti.

Klorofil je pigment, ki absorbira svetlobo, znotraj listov rastlin in dreves, ki začne postopek fotosinteze. Kot organski pigment v kloroplastnem tilakoidu klorofil absorbira energijo le v ozkem pasu elektromagnetnega spektra, ki ga proizvaja sonce v območju valovnih dolžin od 700 nanometrov (nm) do 400 nm. Imenujemo ga fotosintetično aktivni sevalni pas, zelena pa stoji sredi spektra vidne svetlobe, ki ločuje nizkoenergijske, vendar daljše valovne dolžine rdeče, rumene in pomarančne od visokoenergijske, krajše valovne dolžine, modre, indigo in vijolice.

Kot klorofili absorbirajo en sam foton oz izrazit paket svetlobne energije, povzroči, da se te molekule vznemirjajo. Ko se rastlinska molekula navduši, preostali koraki v procesu vključujejo vnašanje te vzbujene molekule v sistem za prenos energije prek energije nosilec, imenovan nikotinamid adenin dinukleotid fosfat ali NADPH, za dostavo v drugo stopnjo fotosinteze, fazo temne reakcije ali Calvin Cikel.

Po vstopu v elektronska transportna veriga, postopek izvleče vodikove ione iz vode, ki jo prevzame, in jo dovede v notranjost tilakoida, kjer se ti vodikovi ioni kopičijo. Ioni prehajajo čez polporozno membrano s stromalne strani v tilakoidni lumen in nekaj izgubijo energije v procesu, ko se premikajo skozi beljakovine, ki obstajajo med obema fotosistemoma. Vodikovi ioni se zberejo v tilakoidnem lumnu, kjer počakajo na ponovno energijo, preden sodelujejo v procesu, ki tvori adenozin trifosfat ali ATP, energijsko valuto celice.

Antenski proteini v fotosistemu 1 absorbirajo drug foton in ga posredujejo v reakcijski center PS1, imenovan P700. Oksidiran center, P700 pošlje visokoenergijski elektron v nikotin-amid adenin dinukleotid fosfat ali NADP + in ga zmanjša, da tvori NADPH in ATP. Tu rastlinska celica pretvori svetlobno energijo v kemično energijo.

Kloroplast koordinira dve stopnji fotosinteze za uporabo svetlobne energije za izdelavo sladkorja. Tilakoidi znotraj kloroplasta predstavljajo mesta svetlobnih reakcij, medtem ko se Calvinov cikel pojavlja v stromi.

Celično dihanje, povezano s postopkom fotosinteze, se pojavi znotraj rastlinske celice, ko prevzame svetlobno energijo, jo spremeni v kemično in sprosti kisik nazaj v ozračje. Dihanje se pojavi v rastlinski celici, ko se sladkorji proizvedejo med fotosintetskim postopkom združuje s kisikom, da ustvari energijo za celico in tvori ogljikov dioksid in vodo kot stranski produkt dihanje. Preprosta enačba za dihanje je nasprotna fotosintezi: glukoza + kisik = energija + ogljikov dioksid + svetlobna energija.

Celično dihanje se pojavi v vseh rastlinskih živih celicah, ne samo v listih, temveč tudi v koreninah rastline ali drevesa. Ker celično dihanje ne potrebuje svetlobne energije, se lahko pojavi podnevi ali ponoči. Toda prekomerno zalivanje rastlin v tleh s slabo drenažo povzroča težave s celičnim dihanjem, saj je poplavljeno rastline ne morejo vzeti dovolj kisika skozi svoje korenine in preoblikovati glukozo, da ohranijo presnovo celice procesov. Če rastlina predolgo prejme preveč vode, lahko njene korenine izgubijo kisik, kar lahko v bistvu ustavi celično dihanje in rastlino ubije.

Univerza v Kaliforniji Merced, profesor Elliott Campbell in njegova skupina raziskovalcev, so to zapisali v članku aprila 2017 v "Nature", mednarodna znanstvena revija, da se je postopek fotosinteze v 20. stoletju močno povečal stoletja. Raziskovalna skupina je odkrila svetovni zapis fotosintetskega procesa, ki sega čez dvesto let.

To jih je pripeljalo do zaključka, da je skupna količina vseh fotosintez rastlin na planetu v letih, ki so jih raziskovali, zrasla za 30 odstotkov. Medtem ko raziskave niso natančno opredelile vzroka globalnega vzpona v procesu fotosinteze, pa ekipa računalniški modeli nakazujejo več procesov, ki bi lahko v kombinaciji povzročili tako velik porast globalne tovarne rast.

Modeli so pokazali, da vodilni vzroki za povečano fotosintezo vključujejo povečane emisije ogljikovega dioksida v ozračje (predvsem zaradi človeka dejavnosti), daljše rastne sezone zaradi globalnega segrevanja zaradi teh emisij in povečanega onesnaževanja z dušikom zaradi množičnega kmetijstva in fosilnih goriv zgorevanje. Človekove dejavnosti, ki so privedle do teh rezultatov, imajo na planet tako pozitivne kot negativne učinke.

Profesor Campbell je opozoril, da čeprav povečane emisije ogljikovega dioksida spodbujajo pridelek, spodbujajo pa tudi rast neželenih plevelov in invazivnih vrst. Opozoril je, da povečane emisije ogljikovega dioksida neposredno povzročajo podnebne spremembe, ki vodijo do več poplav ob obali območja, ekstremne vremenske razmere in povečanje zakisanosti oceanov, ki imajo vse sestavljene učinke globalno.

Medtem ko se je fotosinteza v 20. stoletju povečala, je rastlinam tudi povzročilo, da so shranjevale več ogljika v ekosisteme po vsem svetu, zaradi česar so postale viri ogljika namesto ponorov ogljika. Tudi s povečanjem fotosinteze povečanje ne more nadomestiti zgorevanja fosilnih goriv, ​​saj več emisij ogljikovega dioksida pri zgorevanju fosilnih goriv ponavadi premaga sposobnost obrata za prevzem CO2.

Raziskovalci so analizirali podatke o snegu na Antarktiki, ki jih je zbrala Nacionalna uprava za oceane in atmosfero, da bi razvili svoje ugotovitve. S preučevanjem plina, shranjenega v vzorcih ledu, so raziskovalci pregledali preteklo globalno ozračje.