Hur fungerar fotosyntes?

Fotosyntesprocessen, där växter och träd förvandlar ljus från solen till näringsämne energi, kan till en början verka som magi, men direkt och indirekt upprätthåller denna process hela värld. När gröna växter når ljuset fångar deras löv solens energi genom att använda ljusabsorberande kemikalier eller speciella pigment för att göra mat från koldioxid och vatten som dras från atmosfären. Denna process frigör syre som en biprodukt tillbaka till atmosfären, en komponent i luft som krävs för alla andningsorganismer.

TL; DR (för lång; Läste inte)

En enkel ekvation för fotosyntes är koldioxid + vatten + ljusenergi = glukos + syre. Eftersom enheter inom växtriket konsumerar koldioxid under fotosyntes släpper de tillbaka syre i atmosfären så att människor kan andas; gröna träd och växter (på land och i havet) är främst ansvariga för syre i atmosfär, och utan dem, kanske djur och människor, liksom andra livsformer, inte existerar som de gör idag.

Gröna växande saker är nödvändiga för allt liv på planeten, inte bara som mat för växtätare och allätare utan för att syre andas. Fotosyntesprocessen är det primära sättet att syre kommer in i atmosfären. Det är det enda biologiska sättet på planeten som fångar upp solens ljusenergi och förvandlar den till sockerarter och kolhydrater som ger näringsämnen till växter medan de släpper ut syre.

Tänk på det: växter och träd kan i huvudsak dra energi som börjar i yttre delar av rymden, i form av solljus, förvandla det till mat och släpp i processen ut den luft som organismerna behöver för att behöva frodas. Man kan säga att alla syreproducerande växter och träd har ett symbiotiskt förhållande till alla syreandningsorganismer. Människor och djur ger koldioxid till växter och de levererar syre i gengäld. Biologer kallar detta ett mutualistiskt symbiotiskt förhållande eftersom alla parter i förhållandet gynnas.

I det Linnéska klassificeringssystemet klassificeras och klassificeras alla levande saker, växter, alger och en typ av bakterier som kallas cyanobakterier är de enda levande enheter som producerar mat från solljus. Argumentet för att hugga skog och ta bort växter för utvecklingens skull verkar kontraproduktivt om det finns inga människor kvar att leva i denna utveckling eftersom det inte finns några växter och träd kvar för att göra syre.

Växter och träd är autotrofer, levande organismer som gör sin egen mat. Eftersom de gör detta med hjälp av ljusenergin från solen kallar biologer dem fotoautotrofer. De flesta växter och träd på planeten är fotoautotrofer.

Omvandlingen av solljus till mat sker på en cellulär nivå i bladens växter i en organell som finns i växtceller, en struktur som kallas en kloroplast. Medan löv består av flera lager, händer fotosyntes i mesofyllen, mellanskiktet. Små mikroöppningar på undersidan av löv som kallas stomata styr flödet av koldioxid och syre till och från anläggningen och kontrollerar anläggningens gasutbyte och anläggningens vattenbalans.

Stomata finns på botten av löv som vetter bort från solen för att minimera vattenförlust. Små skyddsceller som omger stomatan kontrollerar öppningen och stängningen av dessa munliknande öppningar genom svullnad eller krympning som svar på mängden vatten i atmosfären. När stomatan stängs kan fotosyntes inte uppstå, eftersom växten inte kan ta in koldioxid. Detta gör att koldioxidhalterna i anläggningen sjunker. När dagsljuset blir för varmt och torrt stängs stroma för att spara fukt.

Som en organell eller struktur på cellulär nivå i växtbladen har kloroplaster ett yttre och inre membran som omger dem. Inuti dessa membran finns tallrikformade strukturer som kallas tylakoider. Thylakoidmembranet är där växten och träden lagrar klorofyll, det gröna pigmentet som ansvarar för att absorbera ljusenergin från solen. Det är här de första ljusberoende reaktionerna äger rum där många proteiner utgör transportkedjan för att transportera energi som dras från solen till dit den behöver gå inom växten.

Fotosyntesprocessen är en tvåstegsprocess i flera steg. Den första etappen av fotosyntes börjar med Ljusreaktioner, även känd som Lättberoende process och kräver ljusenergi från solen. Den andra etappen, den Mörk reaktion scen, även kallad Calvin Cycle, är den process genom vilken växten tillverkar socker med hjälp av NADPH och ATP från ljusreaktionssteget.

De Ljusreaktion fas av fotosyntes involverar följande steg:

• Samla koldioxid och vatten från atmosfären genom växten eller trädets löv.
• Ljusabsorberande gröna pigment i växter eller träd omvandlar solljuset till lagrad kemisk energi.
• Aktiverad av ljus transporterar växtenzymer energin där det behövs innan den släpps för att börja på nytt.
  

Allt detta sker på cellulär nivå inuti växtens tylakoider, individuella tillplattade säckar, ordnade i grana eller staplar inuti kloroplasterna i växten eller trädcellerna.

De Calvin Cycle, utnämnd till Berkeley-biokemisten Melvin Calvin (1911-1997), mottagaren av Nobelpriset i kemi 1961 för att upptäcka Dark Reaction-steget, är den process genom vilken växten gör socker med hjälp av NADPH och ATP från ljusreaktionen skede. Under Calvin Cycle sker följande steg:

• Kolfixering där växter ansluter kolet till växtkemikalier (RuBP) för fotosyntes.
• Reduktionsfas där växt- och energikemikalier reagerar för att skapa växt socker.
• Bildandet av kolhydrater som ett växtnäringsämne.
• Regenereringsfas där socker och energi samverkar för att bilda en RuBP-molekyl, vilket gör att cykeln startar igen.

Inbäddat i tylakoidmembranet är två ljusfångande system: fotosystem I och fotosystem II består av flera antennliknande proteiner som är där växtens blad förändrar ljusenergi till kemisk energi. Fotosystem I tillhandahåller en försörjning av lågenergi-elektronbärare medan den andra levererar de energiförsedda molekylerna dit de behöver gå.

Klorofyll är det ljusabsorberande pigmentet, inuti löv av växter och träd, som börjar fotosyntesprocessen. Som ett organiskt pigment i kloroplasten tylakoid absorberar klorofyll bara energi inom ett smalt band av det elektromagnetiska spektrum som produceras av solen inom våglängdsområdet 700 nanometer (nm) till 400 nm. Kallas det fotosyntetiskt aktiva strålningsbandet, grönt sitter i mitten av det synliga ljusspektret som skiljer mellan lägre energi, men längre våglängdsröda, gula och apelsiner från hög energi, kortare våglängd, blues, indigoes och violer.

Som klorofyller absorberar en enda foton eller distinkt paket med ljusenergi, orsakar det att dessa molekyler blir upphetsade. När växtmolekylen blir upphetsad innebär resten av stegen i processen att få den upphetsade molekylen in i energitransportsystemet via energin bärare som kallas nikotinamidadenindinukleotidfosfat eller NADPH, för leverans till andra steget av fotosyntes, Dark Reaction-fasen eller Calvin Cykel.

Efter att ha gått in i elektron transport kedjaprocessen extraherar vätejoner från det vatten som tas in och levererar det till insidan av tylakoid, där dessa vätejoner byggs upp. Jonerna passerar över ett halvporöst membran från stromalsidan till tylakoidlumen och förlorar en del av energin i processen, när de rör sig genom proteinerna som finns mellan de två fotosystemen. Vätejonerna samlas i tylakoidlumen där de väntar på återaktivering innan de deltar i processen som gör Adenosintrifosfat eller ATP, cellens energivaluta.

Antennproteinerna i fotosystem 1 absorberar en annan foton och vidarebefordrar den till PS1-reaktionscentret P700. Ett oxiderat centrum, P700 skickar ut en högenergielektron till nikotinamid-adenindinukleotidfosfat eller NADP + och reducerar den till att bilda NADPH och ATP. Det är här växtcellen omvandlar ljusenergi till kemisk energi.

Kloroplasten samordnar de två faserna av fotosyntes för att använda ljusenergi för att göra socker. Tylakoiderna inne i kloroplasten representerar platserna för ljusreaktionerna, medan Calvin-cykeln förekommer i stroma.

Cellandning, knuten till fotosyntesprocessen, sker i växtcellen när den tar in ljusenergi, ändrar den till kemisk energi och släpper ut syre tillbaka till atmosfären. Andning sker inom växtcellen när sockerarterna produceras under fotosyntetiska processen kombinerar med syre för att skapa energi för cellen, bilda koldioxid och vatten som biprodukter av andning. En enkel ekvation för andning är motsatt den för fotosyntes: glukos + syre = energi + koldioxid + ljusenergi.

Cellandning sker i alla plantans levande celler, inte bara i bladen utan också i rötterna till växten eller trädet. Eftersom cellulär andning inte behöver ljusenergi för att uppstå, kan det inträffa antingen på dagen eller natten. Men övervattning av växter i mark med dålig dränering orsakar ett problem för cellulär andning, som översvämmad växter kan inte ta in tillräckligt med syre genom sina rötter och omvandla glukos för att upprätthålla cellens ämnesomsättning processer. Om växten får för mycket vatten för länge kan dess rötter berövas syre, vilket i huvudsak kan stoppa cellandningen och döda växten.

University of California Merced Professor Elliott Campbell och hans forskargrupp noterade i en artikel i april 2017 i "Nature", en internationell vetenskaplig tidskrift, att fotosyntesprocessen ökade dramatiskt under 20: e århundrade. Forskargruppen upptäckte ett globalt register över den fotosyntetiska processen som sträckte sig över två hundra år.

Detta ledde dem till slutsatsen att summan av all växtfotosyntes på planeten växte med 30 procent under de år de undersökte. Medan forskningen inte specifikt identifierade orsaken till en uptick i fotosyntesprocessen globalt, är teamets datormodeller föreslår flera processer, när de kombineras, som kan resultera i en så stor ökning av den globala anläggningen tillväxt.

Modellerna visade att de främsta orsakerna till ökad fotosyntes inkluderar ökade koldioxidutsläpp i atmosfären (främst på grund av människan aktiviteter), längre växtsäsonger på grund av global uppvärmning på grund av dessa utsläpp och ökad kväveförorening orsakad av massjordbruk och fossila bränslen förbränning. Mänskliga aktiviteter som ledde till dessa resultat har både positiva och negativa effekter på planeten.

Professor Campbell noterade att även om ökade koldioxidutsläpp stimulerar grödans produktion stimulerar det också tillväxten av oönskade ogräs och invasiva arter. Han noterade att ökade koldioxidutsläpp direkt orsakar klimatförändringar som leder till mer översvämningar längs kusten områden, extrema väderförhållanden och en ökning av försurningen i havet, som alla har förvärrande effekter globalt.

Medan fotosyntesen ökade under 1900-talet, orsakade det också att växter lagrade mer kol i ekosystem runt om i världen, vilket resulterade i att de blev kolkällor istället för kolsänkor. Även med ökningen av fotosyntes kan ökningen inte kompensera för förbränning av fossila bränslen, som mer koldioxidutsläpp från förbränning av fossila bränslen tenderar att överväldiga en anläggnings förmåga att ta upp CO2.

Forskarna analyserade Antarktis snödata som samlats in av National Oceanic and Atmospheric Administration för att utveckla sina resultat. Genom att studera gasen som lagrats i isproverna granskade forskarna de globala atmosfärerna från det förflutna.