Како делује фотосинтеза?

Процес фотосинтезе, у којем биљке и дрвеће претварају светлост од сунца у хранљиву енергија, у почетку може изгледати као магија, али директно и индиректно, овај процес одржава целину света. Док зелене биљке посежу за светлошћу, њихово лишће хвата сунчеву енергију користећи хемикалије које апсорбују светлост или специјалне пигменте за производњу хране од угљен-диоксида и воде извучене из атмосфере. Овај процес ослобађа кисеоник као нуспроизвод назад у атмосферу, компоненту у ваздуху потребну за све организме који дишу.

ТЛ; ДР (предуго; Нисам прочитао)

Једноставна једначина за фотосинтезу је угљен-диоксид + вода + светлосна енергија = глукоза + кисеоник. Како ентитети унутар биљног царства троше угљен-диоксид током фотосинтезе, они ослобађају кисеоник назад у атмосферу да би људи могли да дишу; зелено дрвеће и биљке (на копну и у мору) првенствено су одговорни за кисеоник унутар атмосфери, а без њих животиње и људи, као и други облици живота, можда не би постојали као они уради данас.

Зелене, растуће ствари неопходне су за цео живот на планети, не само као храна биљоједима и свеједима, већ и кисеонику да би дисао. Процес фотосинтезе је примарни начин уласка кисеоника у атмосферу. То је једино биолошко средство на планети које хвата сунчеву светлосну енергију, претварајући је у шећере и угљене хидрате који биљкама даје хранљиве материје док ослобађа кисеоник.

Размислите о томе: Биљке и дрвеће у основи могу повући енергију која започиње у вањским токовима свемира, у облик сунчеве светлости, претворите га у храну и у том процесу испустите потребан ваздух који организми захтевају бујати. Могло би се рећи да све биљке и дрвеће које производе кисеоник имају симбиотски однос са свим организмима који дишу кисеоник. Људи и животиње биљкама пружају угљен-диоксид, а они заузврат испоручују кисеоник. Биолози ово називају међусобним симбиотским односом јер све стране у вези имају користи.

У Линовом класификационом систему, категоризација и рангирање свих живих бића, биљака, алге и врста бактерија која се назива цијанобактерија једина су жива бића која производе храну сунчева светлост. Аргумент за сечу шума и уклањање биљака ради развоја делује контрапродуктивно ако нема више људи који би живели у тим збивањима, јер више нема биљака и дрвећа за стварање кисеоника.

Биљке и дрвеће су аутотрофи, живи организми који сами производе храну. Будући да то раде користећи светлосну енергију сунца, биолози их називају фотоаутотрофима. Већина биљака и дрвећа на планети су фотоаутотрофи.

Претварање сунчеве светлости у храну одвија се на ћелијском нивоу унутар лишћа биљака у органели која се налази у биљним ћелијама, структури која се назива хлоропласт. Док се листови састоје од неколико слојева, фотосинтеза се дешава у мезофилу, средњем слоју. Мали микро отвори на доњој страни лишћа звани стомати контролишу проток угљен-диоксида и кисеоника у и из постројења, контролишући размену гаса и водни биланс биљке.

Стомате постоје на дну лишћа, окренуте сунцем, како би се губици воде свели на минимум. Мале заштитне ћелије које окружују стомате контролишу отварање и затварање ових отвора попут уста бубрењем или скупљањем као одговор на количину воде у атмосфери. Када се стома затвори, фотосинтеза не може да се деси, јер биљка не може да унесе угљен-диоксид. То доводи до пада нивоа угљен-диоксида у биљци. Када дневна светлост постане претопла и сува, строма се затвара ради очувања влаге.

Као органела или структура на ћелијском нивоу у биљним листовима, хлоропласти имају спољну и унутрашњу мембрану која их окружује. Унутар ових мембрана налазе се структуре у облику плоче, назване тилакоиди. У тилакоидној мембрани биљке и дрвеће складиште хлорофил, зелени пигмент одговоран за апсорпцију светлосне енергије сунца. Ту се одвијају почетне реакције зависне од светлости у којима бројни протеини чине транспортни ланац да би енергију извучену са сунца пренели тамо где треба унутар биљке.

Процес фотосинтезе је двостепени, вишестепени процес. Прва фаза фотосинтезе започиње са Светлосне реакције, такође познат као Процес зависан од светлости а захтева сунчеву енергију од сунца. Друга фаза, Дарк Реацтион позорница, такође названа Цалвин Цицле, је поступак којим биљка производи шећер уз помоћ НАДПХ и АТП из фазе лагане реакције.

Тхе Лигхт Реацтион фаза фотосинтезе укључује следеће кораке:

• Скупљање угљен-диоксида и воде из атмосфере кроз лишће биљке или дрвета.
• Зелени пигменти који апсорбују светлост у биљкама или дрвећу претварају сунчеву светлост у ускладиштену хемијску енергију.
• Активирани светлошћу, биљни ензими преносе енергију тамо где је потребно пре него што је ослободе да започне изнова.
  

Све се то одвија на ћелијском нивоу унутар биљних тилакоида, појединачних спљоштених врећица, поређаних у гране или наслаге унутар хлоропласта биљака или ћелија дрвећа.

Тхе Цалвин Цицле, назван по биокемичару Беркелеи-а Мелвину Цалвину (1911-1997), добитнику Нобелове награде за хемију за откривање 1961. фаза тамне реакције, је поступак којим биљка производи шећер уз помоћ НАДПХ и АТП из светлосне реакције фаза. Током Цалвиновог циклуса одвијају се следећи кораци:

• Фиксација угљеника у којој биљке повезују угљеник са биљним хемикалијама (РуБП) за фотосинтезу.
• Фаза редукције у којој биљне и енергетске хемикалије реагују стварајући биљни шећер.
• Стварање угљених хидрата као биљног хранљивог састојка.
• Фаза регенерације у којој шећер и енергија сарађују и формирају молекул РуБП, што омогућава поновни почетак циклуса.

У тилакоидну мембрану уграђена су два система за хватање светлости: фотосистем И и фотосистем ИИ састоји се од више протеина налик антени, где биљни листови мењају светлосну енергију у хемијску енергије. Пхотосистем И обезбеђује снабдевање нискоенергетским носачима електрона, док други испоручује енергизоване молекуле тамо где треба.

Хлорофил је пигмент који упија светлост, унутар лишћа биљака и дрвећа, који започиње процес фотосинтезе. Као органски пигмент у хлоропластном тилакоиду, хлорофил апсорбује енергију само у уском појасу електромагнетног спектра произведеног од сунца у таласним дужинама од 700 нанометара (нм) до 400 нм. Назван фотосинтетички активним зрачењем, зелено се налази усред спектра видљиве светлости раздвајајући ниже енергије, али дуже таласне дужине црвене, жуте и наранџасте од високе енергије, краће таласне дужине, плаве, индиго и љубичице.

Као што хлорофили апсорбују један фотон или различит пакет светлосне енергије, узрокује побуду ових молекула. Једном када се биљни молекул узбуди, остали кораци у процесу укључују уношење тог побуђеног молекула у систем транспорта енергије путем енергије носач који се назива никотинамид аденин динуклеотид фосфат или НАДПХ, за испоруку у другу фазу фотосинтезе, фазу тамне реакције или Цалвин Циклус.

Након уласка у ланац за транспорт електрона, процес екстрахује јоне водоника из воде која се уноси и испоручује их у унутрашњост тилакоида, где се ови јони водоника граде. Јони прелазе кроз полупорозну мембрану са стромалне стране у лумен тилакоида, губећи део енергије у процесу, док се крећу кроз протеине који постоје између два фото-система. Јиони водоника се сакупљају у луменима тилакоида, где чекају поновно активирање пре него што учествују у процесу који Аденозин трифосфат или АТП чини енергетском валутом ћелије.

Протеини антене у фотосистему 1 апсорбују још један фотон, преносећи га у ПС1 реакциони центар под називом П700. Оксидисани центар, П700 шаље високоенергијски електрон у никотин-амид аденин динуклеотид фосфат или НАДП + и редукује га у НАДПХ и АТП. Овде биљна ћелија претвара светлосну енергију у хемијску.

Хлоропласт координира две фазе фотосинтезе да би користио светлосну енергију за стварање шећера. Тилакоиди унутар хлоропласта представљају места светлосних реакција, док се Цалвинов циклус јавља у строми.

Ћелијско дисање, везано за процес фотосинтезе, јавља се унутар биљне ћелије док узима светлосну енергију, мења је у хемијску и ослобађа кисеоник назад у атмосферу. Респирација се јавља унутар биљне ћелије када се шећери производе током процеса фотосинтезе комбинује се са кисеоником да би створио енергију за ћелију, стварајући угљендиоксид и воду као нуспродукте дисање. Једноставна једначина за дисање супротна је оној фотосинтезе: глукоза + кисеоник = енергија + угљен-диоксид + светлосна енергија.

Ћелијско дисање се јавља у свим биљним живим ћелијама, не само у лишћу, већ и у корену биљке или дрвета. Будући да ћелијском дисању није потребна светлосна енергија, може се јавити и дању и ноћу. Али прекомерно заливање биљака у земљиштима са лошом дренажом узрокује проблем ћелијског дисања, као преплављено биљке не могу да уносе довољно кисеоника кроз своје корене и трансформишу глукозу да би одржале метаболизам ћелије процеси. Ако биљка предуго прима превише воде, њени корени могу бити лишени кисеоника, што у суштини може зауставити ћелијско дисање и убити биљку.

Универзитет у Калифорнији Мерцед професор Еллиотт Цампбелл и његов тим истраживача приметили су у чланку из априла 2017. године „Натуре“, међународни научни часопис, да се процес фотосинтезе драматично повећао током 20. године века. Истраживачки тим открио је глобални запис фотосинтетског процеса који се протеже двеста година.

То их је навело на закључак да је укупан број свих фотосинтеза биљака на планети порастао за 30 процената током година које су истраживали. Иако истраживање није конкретно идентификовало узрок преокрета у процесу фотосинтезе на глобалном нивоу, тим је рачунарски модели сугеришу неколико процеса, у комбинацији, који би могли резултирати тако великим повећањем глобалних постројења раст.

Модели су показали да водећи узрок повећане фотосинтезе укључује повећану емисију угљен-диоксида у атмосферу (пре свега због људи активности), дуже сезоне раста због глобалног загревања услед ових емисија и повећаног загађења азотом изазваног масовном пољопривредом и фосилним горивима сагоревање. Људске активности које су довеле до ових резултата имају и позитивне и негативне ефекте на планети.

Професор Цампбелл је приметио да, иако повећане емисије угљен-диоксида стимулишу производњу усева, подстичу и раст нежељених корова и инвазивних врста. Приметио је да повећане емисије угљен-диоксида директно узрокују климатске промене које доводе до већих поплава дуж обале подручја, екстремни временски услови и повећање закисељавања океана, што све има сложене ефекте глобално.

Иако се фотосинтеза повећала током 20. века, такође је узроковала да биљке складиште више угљеника у екосистемима широм света, што је резултирало тиме да постају извори угљика уместо понора угљеника. Чак и са повећањем фотосинтезе, повећање не може надокнадити сагоревање фосилних горива, као веће емисије угљен-диоксида изгарањем фосилних горива имају тенденцију да надвладају способност биљке да прихвати ЦО2.

Истраживачи су анализирали антарктичке податке о снегу које је прикупила Национална управа за океане и атмосферу како би развили своје налазе. Проучавајући гас ускладиштен у узорцима леда, истраживачи су прегледали глобалне атмосфере из прошлости.