Як працює фотосинтез?

Процес фотосинтезу, при якому рослини та дерева перетворюють світло від сонця на поживне енергія, спочатку може здатися магією, але прямо і побічно цей процес підтримує ціле світ. Коли зелені рослини тягнуться до світла, їх листя вловлюють енергію сонця за допомогою поглинаючих світло хімічних речовин або спеціальних пігментів, щоб зробити їжу з вуглекислого газу та води, витягнутої з атмосфери. Цей процес виділяє кисень як побічний продукт назад в атмосферу, компонент у повітрі, необхідний для всіх дихаючих організмів.

TL; ДР (занадто довгий; Не читав)

Просте рівняння для фотосинтезу - вуглекислий газ + вода + світлова енергія = глюкоза + кисень. Оскільки сутності рослинного світу споживають вуглекислий газ під час фотосинтезу, вони викидають кисень назад в атмосферу, щоб люди могли дихати; зелені дерева і рослини (на суші та в морі) в основному відповідають за кисень всередині атмосфери, і без них тварини та люди, а також інші форми життя могли б не існувати як вони робити сьогодні.

Зелені, зростаючі речі необхідні для всього життя на планеті, не тільки як їжа для травоїдних і всеїдних, але і для того, щоб кисень дихав. Процес фотосинтезу є основним способом потрапляння кисню в атмосферу. Це єдиний біологічний засіб на планеті, який вловлює світлову енергію сонця, перетворюючи її на цукру та вуглеводи, що забезпечує рослинам поживні речовини, виділяючи при цьому кисень.

Подумайте: рослини і дерева можуть по суті витягувати енергію, яка починається у віддаленому просторі космосу, в форму сонячного світла, перетворіть його в їжу і в процесі випустіть необхідне повітря, яке вимагають організми процвітати Можна сказати, що всі рослини та дерева, що виробляють кисень, мають симбіотичні стосунки з усіма кисневими організмами, що дихають. Люди і тварини забезпечують рослинами вуглекислий газ, а вони взамін доставляють кисень. Біологи називають це мутуалістичними симбіотичними стосунками, оскільки всі сторони у відносинах виграють.

У системі класифікації Ліннея класифікація та ранжування всього живого, рослин, водорості та тип бактерій, які називаються ціанобактеріями, є єдиними живими істотами, які виробляють їжу сонячне світло. Аргумент про вирубування лісів та видалення рослин заради розвитку здається непродуктивним, якщо в цих подіях не залишилось людей, які б жили, тому що не залишилось рослин і дерев для виробництва кисню.

Рослини та дерева - це автотрофи, живі організми, які самі виробляють собі їжу. Оскільки вони роблять це, використовуючи світлову енергію сонця, біологи називають їх фотоавтотрофами. Більшість рослин і дерев на планеті є фотоавтотрофами.

Перетворення сонячного світла в їжу відбувається на клітинному рівні в листі рослин в органелі, що знаходиться в рослинних клітинах, структурі, яка називається хлоропластом. Поки листя складаються з декількох шарів, фотосинтез відбувається в мезофілі, середньому шарі. Невеликі мікроотвори на нижній стороні листя, які називаються продишками, контролюють надходження вуглекислого газу та кисню до та з рослини, контролюючи газообмін рослини та водний баланс рослини.

Продихи існують на дні листя, зверненому в сторону від сонця, щоб мінімізувати втрати води. Маленькі охоронні клітини, що оточують продихи, контролюють відкриття та закриття цих ротоподібних отворів шляхом набрякання або зменшення у відповідь на кількість води в атмосфері. Коли продихи закриваються, фотосинтез не може відбутися, оскільки рослина не може приймати вуглекислий газ. Це призводить до зниження рівня вуглекислого газу в рослині. Коли світловий день стає занадто спекотним і сухим, строма закривається для збереження вологи.

Як органела або структура на клітинному рівні в листі рослини, хлоропласти мають зовнішню та внутрішню мембрани, які їх оточують. Усередині цих мембран знаходяться пластинчасті структури, що називаються тилакоїдами. У тилакоїдній мембрані рослини та дерева зберігають хлорофіл - зелений пігмент, відповідальний за поглинання світлової енергії сонця. Тут відбуваються початкові реакції, що залежать від світла, коли численні білки складають транспортний ланцюг, щоб переносити енергію, витягнуту від сонця, туди, куди їй потрібно потрапити в рослину.

Процес фотосинтезу - це двоступеневий багатоетапний процес. Перший етап фотосинтезу починається з Світлові реакції, також відомий як Світлозалежний процес і вимагає світлової енергії від сонця. Другий етап, Темна реакція етап, також званий Цикл Кальвіна, - це процес, за допомогою якого рослина виробляє цукор за допомогою НАДФН та АТФ зі стадії легкої реакції.

Світлова реакція Фаза фотосинтезу включає наступні етапи:

• Збирання вуглекислого газу та води з атмосфери через листя рослини або дерева.
• Поглинаючі світло зелені пігменти в рослинах або деревах перетворюють сонячне світло в накопичену хімічну енергію.
• Активуючись світлом, рослинні ферменти транспортують енергію куди потрібно, перш ніж виділяти її, щоб почати заново.
  

Все це відбувається на клітинному рівні всередині тилакоїдів рослини, окремих сплощених мішків, розміщених у зернах або стосах всередині хлоропластів рослини або клітин дерева.

Цикл Кальвіна, названий біохіміком Берклі Мелвіном Кальвіном (1911-1997), лауреатом Нобелівської премії з хімії 1961 року за відкриття стадія Темної Реакції - це процес, при якому рослина виробляє цукор за допомогою НАДФН та АТФ із світлової реакції етап. Під час циклу Кальвіна виконуються наступні кроки:

• Фіксація вуглецю, при якій рослини підключають вуглець до рослинних хімікатів (RuBP) для фотосинтезу.
• Фаза відновлення, за допомогою якої рослинні та енергетичні хімічні речовини реагують, утворюючи рослинні цукри.
• Утворення вуглеводів як поживної речовини рослини.
• Фаза регенерації, коли цукор та енергія взаємодіють, утворюючи молекулу RuBP, що дозволяє циклу розпочинатися знову.

В тилакоїдну мембрану вбудовані дві системи, що фіксують світло: фотосистема I та фотосистема II складається з безлічі антеноподібних білків, де листя рослини перетворюють світлову енергію на хімічну енергія. Фотосистема I забезпечує запас електронів з низькою енергією, тоді як інша забезпечує енергетичні молекули туди, куди їм потрібно.

Хлорофіл - це світлопоглинаючий пігмент, що знаходиться всередині листя рослин і дерев, що починає процес фотосинтезу. Як органічний пігмент у хлоропластовому тилакоїді, хлорофіл поглинає енергію лише у вузькій смузі електромагнітного спектра, виробленого Сонцем, в діапазоні довжин хвиль від 700 нанометрів (нм) до 400 нм. Називається фотосинтетично активною смугою випромінювання, зелений сидить посередині спектра видимого світла, що розділяє нижча енергія, але більша довжина хвилі червоних, жовтих та апельсинових від високої енергії, коротша довжина хвилі, блюз, індиго та фіалки.

Як хлорофіли поглинають один фотон або виразний пакет світлової енергії, це змушує ці молекули збуджуватися. Як тільки молекула рослини збуджується, решта етапів процесу включає потрапляння цієї збудженої молекули в систему транспортування енергії за допомогою енергії носій, званий нікотинамід адениндинуклеотид фосфатом або НАДФН, для доставки на другу стадію фотосинтезу, фазу Темної Реакції або кальвіна Цикл.

Після входу в електронно-транспортний ланцюг, процес витягує іони водню з узятої води і доставляє їх всередину тилакоїду, де ці іони водню накопичуються. Іони проходять через напівпористу мембрану від стромальної сторони до просвіту тилакоїдів, втрачаючи частину енергії в процесі, коли вони рухаються через білки, що існують між двома фотосистемами. Іони водню збираються в просвіті тилакоїдів, де вони чекають відновлення енергії, перш ніж брати участь у процесі, що робить аденозинтрифосфат або АТФ, енергетичною валютою клітини.

Білки антени в фотосистемі 1 поглинають інший фотон, передаючи його в реакційний центр PS1 під назвою P700. Окислений центр, P700 направляє електрон з високою енергією в нікотин-амід-аденин-динуклеотид-фосфат або НАДФ + і відновлює його з утворенням НАДФН і АТФ. Тут рослинна клітина перетворює світлову енергію в хімічну.

Хлоропласт координує дві стадії фотосинтезу для використання світлової енергії для отримання цукру. Тилакоїди всередині хлоропласту представляють місця світлових реакцій, тоді як Цикл Кальвіна відбувається в стромі.

Клітинне дихання, пов’язане з процесом фотосинтезу, відбувається в рослинній клітині, оскільки воно приймає світлову енергію, змінює її на хімічну енергію і виділяє кисень назад в атмосферу. Дихання відбувається в клітині рослини, коли цукри виробляються в процесі фотосинтезу поєднується з киснем, виробляючи енергію для клітини, утворюючи вуглекислий газ та воду як побічні продукти дихання. Просте рівняння для дихання протилежне рівню фотосинтезу: глюкоза + кисень = енергія + вуглекислий газ + енергія світла.

Клітинне дихання відбувається у всіх живих клітинах рослини, не тільки в листі, але і в коренях рослини або дерева. Оскільки клітинному диханню не потрібна світлова енергія, воно може відбуватися як вдень, так і вночі. Але перезволоження рослин у ґрунтах з поганим дренажем створює проблеми для клітинного дихання, оскільки воно завалене рослини не можуть приймати достатньо кисню через своє коріння і перетворювати глюкозу, щоб підтримувати метаболізм клітини процесів. Якщо рослина надто довго отримує занадто багато води, її коріння можуть бути позбавлені кисню, що по суті може зупинити клітинне дихання і вбити рослину.

Професор Каліфорнійського університету Мерсед Елліотт Кемпбелл та його група дослідників зазначили у статті у квітні 2017 року "Природа", міжнародний науковий журнал, що процес фотосинтезу різко зріс протягом 20-го століття. Дослідницька група виявила глобальний запис про процес фотосинтезу, що проходить через двісті років.

Це привело їх до висновку, що загальний обсяг фотосинтезу рослин на планеті зріс на 30 відсотків за роки, які вони досліджували. Хоча дослідження не визначило конкретно причину підйому в процесі фотосинтезу у всьому світі, це зробила команда комп’ютерні моделі пропонують кілька процесів, об’єднаних між собою, які можуть призвести до такого значного збільшення світового заводу зростання.

Моделі показали, що серед основних причин посилення фотосинтезу є збільшення викидів вуглекислого газу в атмосферу (в першу чергу через людські наслідки) діяльність), довші сезони зростання через глобальне потепління через ці викиди та збільшення забруднення азотом, спричинене масовим сільським господарством та викопним паливом горіння. Діяльність людини, яка призвела до цих результатів, має як позитивний, так і негативний вплив на планету.

Професор Кемпбелл зазначив, що, хоча збільшені викиди вуглекислого газу стимулюють виробництво врожаю, вони також стимулюють ріст небажаних бур'янів та інвазійних видів. Він зазначив, що збільшені викиди вуглекислого газу безпосередньо спричиняють кліматичні зміни, що призводить до збільшення повені вздовж узбережжя райони, екстремальні погодні умови та збільшення закислення океану, що все має складний ефект глобально.

Хоча фотосинтез і збільшився протягом 20 століття, він також змусив рослини зберігати більше вуглецю в екосистемах у всьому світі, в результаті чого вони ставали джерелами вуглецю замість поглиначів вуглецю. Навіть при збільшенні фотосинтезу це збільшення не може компенсувати спалювання викопного палива, оскільки більша кількість викидів вуглекислого газу при спалюванні викопного палива, як правило, переборює здатність рослини до поглинання CO2.

Дослідники проаналізували дані про сніг в Антарктиці, зібрані Національним управлінням океанів і атмосфери, щоб розробити свої висновки. Вивчаючи газ, що зберігається у зразках льоду, дослідники розглянули глобальну атмосферу минулого.