Utan serien kemiska reaktioner som kollektivt kallas fotosyntes skulle du inte vara här och inte heller någon annan du känner till. Det här kan vara ett konstigt påstående om du råkar veta att fotosyntes är exklusiv för växter och några mikroorganismer, och att inte en enda cell i din kropp eller hos något djur har apparaten för att utföra detta eleganta sortiment av reaktioner. Vad ger?
Enkelt uttryckt är växtliv och djurliv nästan perfekt symbiotiskt, vilket innebär att växternas sätt att uppfylla sina metaboliska behov är till största nytta för djur och vice versa. I de enklaste termerna tar djur in syrgas (O2) för att hämta energi från icke-gasformiga kolkällor och utsöndra koldioxidgas (CO2) och vatten (H2O) i processen, medan växter använder CO2 och H2O för att göra mat och släpp O2 till miljön. Dessutom kommer cirka 87 procent av världens energi för närvarande från förbränning av fossila bränslen, som i slutändan också är produkter av fotosyntes.
Ibland sägs det att "fotosyntes är för växter vad andning är för djur", men detta är en bristfällig analogi eftersom växter använder båda, medan djur endast använder andning. Tänk på fotosyntes som hur växter konsumerar och smälter kol, förlitar sig på ljus snarare än rörelse och att äta för att sätta kol i en form som små cellulära maskiner kan använda.
En snabb översikt över fotosyntes
Trots att det inte används direkt av en betydande del av levande saker kan fotosyntes vara rimligt betraktas som den enda kemiska processen som är ansvarig för att säkerställa livets pågående existens Jorden själv. Fotosyntetiska celler tar CO2 och H2O samlas av organismen från miljön och använder energin från solljus för att driva syntesen av glukos (C6H12O6), släppa O2 som en avfallsprodukt. Denna glukos bearbetas sedan av olika celler i växten på samma sätt som glukos används av djur celler: Det genomgår andning för att frigöra energi i form av adenosintrifosfat (ATP) och frisättningar CO2 som en avfallsprodukt. (Fytoplankton och cyanobakterier använder också fotosyntes, men för denna diskussion kallas organismer som innehåller fotosyntetiska celler generiskt som "växter".)
Organismer som använder fotosyntes för att framställa glukos kallas autotrofer, vilket översätts löst från grekiska till "självmat". Det vill säga växter förlitar sig inte på andra organismer direkt för mat. Djur, å andra sidan, är heterotrofer ("annan mat") eftersom de måste inta kol från andra levande källor för att växa och förbli vid liv.
Vilken typ av reaktion är fotosyntes?
Fotosyntes anses vara en redoxreaktion. Redox är förkortning för "reduktion-oxidation", som beskriver vad som sker på atomnivå i de olika biokemiska reaktionerna. Den kompletta, balanserade formeln för den serie reaktioner som kallas fotosyntes - vars komponenter kommer att utforskas inom kort - är:
6H2O + ljus + 6CO2 → C6H12O6 + 6O2
Du kan själv verifiera att antalet för varje atomtyp är detsamma på vardera sidan av pilen: Sex kolatomer, 12 väteatomer och 18 syreatomer.
Reduktion är avlägsnande av elektroner från en atom eller molekyl, medan oxidation är en ökning av elektroner. På motsvarande sätt kallas föreningar som lätt ger elektroner till andra föreningar oxidationsmedel, medan de som tenderar att få elektroner kallas reducerande medel. Redoxreaktioner innebär vanligtvis att tillsatsen av väte till föreningen reduceras.
Strukturerna för fotosyntes
Det första steget i fotosyntes kan sammanfattas som "låt det vara ljus." Solljus träffar växternas yta och sätter igång hela processen. Du kanske redan misstänker varför många växter ser ut som de ser ut: Mycket yta i form av blad och grenar som stöder dem som verkar onödiga (om än attraktiva) om du inte vet varför dessa organismer är strukturerade den här vägen. Växtens "mål" är att utsätta så mycket av sig själv för solljus som möjligt - vilket gör det kortaste, minsta växter i vilket ekosystem som helst som en djurkulls runor genom att de båda kämpar för att få tillräckligt energi. Löv är inte överraskande extremt täta i fotosyntetiska celler.
Dessa celler är rika på organismer som kallas kloroplaster, och det är där arbetet med fotosyntes görs, precis som mitokondrier är de organeller där andningen sker. Faktum är att kloroplaster och mitokondrier är strukturellt ganska lika, ett faktum som, precis som praktiskt taget allt i biologiens värld, kan spåras till evolutionens under.) Kloroplaster innehåller specialiserade pigment som optimalt absorberar ljusenergi snarare än att reflektera Det. Det som reflekteras snarare än absorberas råkar ligga i en rad våglängder som tolkas av det mänskliga ögat och hjärnan som en viss färg (ledtråd: Det börjar med "g"). Huvudpigmentet som används för detta ändamål är känt som klorofyll.
Kloroplaster är omgivna av ett dubbelt plasmamembran, vilket är fallet med alla levande celler såväl som de organeller som de innehåller. I växter finns det emellertid ett tredje membran inuti plasmaskiktet, kallat ett tylakoidmembran. Detta membran viks mycket omfattande så att dislike strukturer staplade ovanpå varandra resulterar, inte till skillnad från ett paket med andningsmynt. Dessa tylakoidstrukturer innehåller klorofyll. Utrymmet mellan det inre kloroplastmembranet och tylakoidmembranet kallas stroma.
Mekanismen för fotosyntes
Fotosyntes är uppdelad i en uppsättning ljusberoende och ljusoberoende reaktioner, vanligtvis kallade ljus och mörka reaktioner och beskrivs i detalj senare. Som du kanske har kommit fram till inträffar ljusreaktionerna först.
När ljus från solen slår på klorofyllen och andra pigment inuti tylakoiderna spränger det i huvudsak lös elektroner och protoner från atomerna i klorofyll och höjer dem till en högre energinivå, vilket gör dem friare att flytta. Elektronerna avleds till elektrontransportkedjereaktionerna som utvecklas på själva tylakoidmembranet. Här mottar elektronacceptorer som NADP några av dessa elektroner, som också används för att driva syntesen av ATP. ATP är i huvudsak för celler vad dollar är för det amerikanska finansiella systemet: Det är "energivalutan" som använder praktiskt taget alla metaboliska processer i slutändan.
Medan detta händer har de solbadande klorofyllmolekylerna plötsligt befunnit sig sakna elektroner. Det är här vatten kommer in i striden och bidrar med ersättningselektroner i form av väte, vilket minskar klorofyllen. Med väte försvunnit är det som en gång var vatten nu molekylärt syre - O2. Detta syre sprider sig helt ur cellen och ut ur växten, och en del av det har lyckats hitta sig in i dina egna lungor just på denna sekund.
Är fotosyntes endergonisk?
Fotosyntes kallas en endergonisk reaktion eftersom den kräver en inmatning av energi för att kunna fortsätta. Solen är den ultimata källan till all energi på planeten (ett faktum kanske förstås på någon nivå av de olika antika kulturer som betraktade solen som en gud i sig) och växter är de första som fångar upp den för produktiv användning. Utan denna energi skulle det inte finnas något sätt för koldioxid, en liten, enkel molekyl, att omvandlas till glukos, en betydligt större och mer komplex molekyl. Tänk dig att du går uppför en trappa medan du på något sätt inte spenderar energi, och du kan se det problem som växter står inför.
I aritmetiska termer är endergoniska reaktioner de där produkterna har en högre energinivå än reaktanterna har. Motsatsen till dessa reaktioner kallas energiskt sett exergonisk, där produkterna har lägre energi än reaktionerna och därmed frigörs energi under reaktionen. (Detta är ofta i form av värme - igen, blir du varmare eller blir du kallare med träning?) Detta uttrycks i termer av den fria energin ΔG ° för reaktionen, som för fotosyntes är +479 kJ ⋅ mol-1 eller 479 joule energi per mol. Det positiva tecknet indikerar en endoterm reaktion, medan ett negativt tecken indikerar en exoterm process.
Ljus och mörka reaktioner av fotosyntes
I ljusreaktionerna bryts vatten isär från solljus, medan protonerna (H.+) och elektroner (e−) som frigörs i ljusreaktionerna används för att sätta ihop glukos och andra kolhydrater från CO2.
Ljusreaktionerna ges med formeln:
2H2O + ljus → O2 + 4H+ + 4e−(AG ° = +317 kJ ⋅ mol−1)
och de mörka reaktionerna ges av:
CO2 + 4H+ + 4e− → CH2O + H2O (AG ° = +162 kJ ⋅ mol−1)
Sammantaget ger detta den kompletta ekvationen som avslöjas ovan:
H2O + ljus + CO2 → CH2O + O2(AG ° = +479 kJ ^ mol−1)
Du kan se att båda reaktionssätten är endergoniska, ljusreaktionerna starkare.
Vad är energikoppling?
Energikoppling i levande system innebär att man använder energi som görs tillgänglig från en process för att driva andra processer som annars inte skulle äga rum. Samhället själv fungerar på det här sättet: Företagen måste ofta låna stora summor pengar i förväg för att komma av men i slutändan blir några av dessa företag mycket lönsamma och kan göra medel tillgängliga för andra nystartade företag företag.
Fotosyntes representerar ett bra exempel på energikoppling, eftersom energi från solljus kopplas till reaktioner i kloroplaster så att reaktionerna kan utvecklas. Anläggningen belönar så småningom den globala kolcykeln genom att syntetisera glukos och andra kolföreningar som kan kopplas till andra reaktioner, omedelbart eller i framtiden. Till exempel producerar veteplanter stärkelse som används över hela världen som en huvudkälla för livsmedel för människor och andra djur. Men inte allt glukos som produceras av växter lagras; en del av det fortsätter till olika delar av växtceller, där den energi som frigörs vid glykolys i slutändan kopplas till reaktioner i växtens mitokondrier som resulterar i bildandet av ATP. Medan växter representerar botten av livsmedelskedjan och ses allmänt som passiv energi och syre givare, de har sina egna metaboliska behov, de måste växa sig större och reproducera precis som andra organismer.
Varför kan inte prenumerationer ändras?
Bortsett från det har eleverna ofta svårt att lära sig att balansera kemiska reaktioner om de inte tillhandahålls i balanserad form. Som ett resultat kan studenterna frestas att ändra värdena på prenumerationerna i molekyler i reaktionen för att uppnå ett balanserat resultat. Denna förvirring kan härröra från att veta att det är tillåtet att ändra siffrorna framför molekylerna för att balansera reaktionerna. Att ändra prenumerationen på en molekyl förvandlar den molekylen till en helt annan molekyl. Till exempel att ändra O2 till O3 tillför inte bara 50 procent mer syre i termer av massa; det ändrar syrgas till ozon, vilket inte skulle delta i reaktionen som studeras på ett liknande sätt.