När du tänker på vetenskapens gren som är involverad i hur växter får sin "mat", överväger du troligen biologi först. Men i själva verket är det fysik i biologins tjänst eftersom det är ljusenergi från solen som först sparkade i växel, och nu fortsätter att driva, allt liv på planeten Jorden. Specifikt är det en energiöverföringskaskad som startas när fotoner i ljusstreck delar av en klorofyll molekyl.
Fotons roll i fotosyntes är att absorberas av klorofyll på ett sätt som får elektroner i en del av klorofyllmolekylen att tillfälligt "upphetsas" eller i ett högre energiläge. När de glider tillbaka mot sin vanliga energinivå driver den energi de släpper ut den första delen av fotosyntesen. Således utan klorofyll kunde fotosyntes inte ske.
Växtceller vs. Djurceller
Växter och djur är båda eukaryoter. Som sådana har deras celler mycket mer än det minsta minimum som alla celler måste ha (ett cellmembran, ribosomer, cytoplasma och DNA). Deras celler är rika på membranbundna organeller, som utför specialfunktioner inom cellen. En av dessa är exklusiv för växter och kallas
kloroplast. Det är inom dessa avlånga organeller som fotosyntes sker.Inuti kloroplasterna finns strukturer som kallas tylakoider, som har sitt eget membran. Inuti thylakoids är där molekylen som kallas klorofyll sitter, på sätt och vis väntar på instruktioner i form av en bokstavlig ljusblixt.
Läs mer om likheter och skillnader mellan växt- och djurceller.
Rollen med fotosyntes
Alla levande saker behöver en källa till kol för bränsle. Djur kan få sitt helt enkelt genom att äta och vänta på att deras matsmältnings- och cellulära enzymer förvandlar saken till glukosmolekyler. Men växter måste ta in kol genom sina löv, i form av koldioxidgas (CO2) i atmosfären.
Fotosyntesens roll är att sortera fångstväxter upp till samma punkt, metaboliskt sett, att djuren genast har genererat glukos från maten. Hos djur innebär detta att göra olika kolinnehållande molekyler mindre innan de ens når celler, men i växter betyder det att göra kolinnehållande molekyler större och inom celler.
Reaktionerna vid fotosyntes
I den första uppsättningen reaktioner, kallad ljusreaktioner eftersom de kräver direkt ljus, enzymer som heter Photosystem I och Photosystem II i tylakoidmembranet används för att omvandla ljusenergi för syntes av ATP- och NADPH-molekyler i en elektrontransport systemet.
Läs mer om elektrontransportkedjan.
I den så kallade mörka reaktioner, som varken kräver eller störs av ljus, den energi som skördas i ATP och NADPH (eftersom ingenting kan "lagra" ljus direkt) används för att bygga glukos från koldioxid och andra kolkällor i växt.
Kemi av klorofyll
Växter har många pigment förutom klorofyll, såsom phycoerthryin och karotenoiderna. Klorofyll har dock en porfyrin ringstruktur, liknar en i hemoglobinmolekylen hos människor. Porfyrinringen av klorofyll innehåller dock grundämnet magnesium där järn förekommer i hemoglobin.
Klorofyll absorberar ljus i den gröna delen av det synliga avsnittet av ljusspektret, som övergripande sträcker sig över ett intervall på cirka 350 till 800 miljarder dels meter.
Fotoexcitation av klorofyll
På sätt och vis absorberar växtljusreceptorer fotoner och använder dem för att sparka elektroner som har slumrat i ett tillstånd av upphetsad vakenhet, vilket får dem att springa uppför en trappa. Så småningom börjar närliggande elektroner i närliggande klorofyll "hem" också springa runt. När de sätter sig tillbaka i sina tupplurar tillåter deras skurande nedre våningen att socker kan byggas genom en komplex mekanism som fångar energin från deras fotfall.
När energi överförs från en klorofyllmolekyl till en angränsande, kallas detta resonansenergiöverföring, eller exciton överföra.