Πώς λειτουργεί η Φωτοσύνθεση;

Περιεχόμενο

• TL · DR (Πολύ μακρύ;
• Φωτοσύνθεση: Απαραίτητη για όλη τη ζωή
• Η φωτοσύνθεση λαμβάνει χώρα στα φύλλα
• Ενέργεια από τον Ήλιο: Βήματα της Φωτοσύνθεσης
• Χλωροφύλλη, απορρόφηση φωτός και δημιουργία ενέργειας
• Φωτοσύνθεση και κυτταρική αναπνοή
• Παγκόσμια θέρμανση και αντίδραση φωτοσύνθεσης

Η διαδικασία φωτοσύνθεσης, στην οποία τα φυτά και τα δέντρα μετατρέπουν το φως από τον ήλιο σε θρεπτική ενέργεια, μπορεί αρχικά να φαίνεται μαγική, αλλά άμεσα και έμμεσα, αυτή η διαδικασία διατηρεί ολόκληρο τον κόσμο. Καθώς τα πράσινα φυτά φτάνουν στο φως, τα φύλλα τους συλλαμβάνουν την ηλιακή ενέργεια χρησιμοποιώντας χημικές ουσίες που απορροφούν το φως ή ειδικές χρωστικές για να φτιάξουν τρόφιμα από το διοξείδιο του άνθρακα και το νερό που τραβιέται από την ατμόσφαιρα. Αυτή η διαδικασία απελευθερώνει το οξυγόνο ως υποπροϊόν πίσω στην ατμόσφαιρα, ένα συστατικό στον αέρα που απαιτείται για όλους τους αναπνευστικούς οργανισμούς.

TL · DR (Πολύ μακρύ;

Μια απλή εξίσωση για τη φωτοσύνθεση είναι το διοξείδιο του άνθρακα + νερό + ενέργεια φωτός = γλυκόζη + οξυγόνο. Καθώς οι οντότητες στο φυτικό βασίλειο καταναλώνουν διοξείδιο του άνθρακα κατά τη διάρκεια της φωτοσύνθεσης, απελευθερώνουν το οξυγόνο πίσω στην ατμόσφαιρα για να αναπνέουν οι άνθρωποι. τα πράσινα δέντρα και τα φυτά (στην ξηρά και στη θάλασσα) είναι κυρίως υπεύθυνα για το οξυγόνο μέσα στην ατμόσφαιρα και χωρίς αυτά τα ζώα και οι άνθρωποι, καθώς και άλλες μορφές ζωής, ενδέχεται να μην υπάρχουν όπως κάνουν σήμερα.

Φωτοσύνθεση: Απαραίτητη για όλη τη ζωή

Πράσινα, τα αυξανόμενα πράγματα είναι απαραίτητα για όλη τη ζωή του πλανήτη, όχι μόνο ως τροφή για τα φυτοφάγα και τα παμφάγα αλλά για το αναπνοή του οξυγόνου. Η διαδικασία φωτοσύνθεσης είναι ο πρωταρχικός τρόπος εισόδου οξυγόνου στην ατμόσφαιρα. Είναι το μόνο βιολογικό μέσο στον πλανήτη που συλλαμβάνει τον ήλιο της φωτεινής ενέργειας, αλλάζοντάς το σε σάκχαρα και υδατάνθρακες που παρέχει θρεπτικά συστατικά στα φυτά ενώ απελευθερώνει οξυγόνο.

Σκεφτείτε: Τα φυτά και τα δέντρα μπορούν να τραβήξουν ουσιαστικά την ενέργεια που αρχίζει στις εξωτερικές περιοχές του χώρου, με τη μορφή του ηλιακού φωτός, να την μετατρέψει σε τροφή και στη συνέχεια να απελευθερώσει τον απαιτούμενο αέρα που χρειάζονται οι οργανισμοί για να ευδοκιμήσουν. Θα μπορούσατε να πείτε ότι όλα τα φυτά και τα δέντρα που παράγουν οξυγόνο έχουν μια συμβιωτική σχέση με όλους τους οργανισμούς που αναπνέουν οξυγόνο. Οι άνθρωποι και τα ζώα παρέχουν διοξείδιο του άνθρακα στα φυτά και παρέχουν οξυγόνο σε αντάλλαγμα. Οι βιολόγοι το ονομάζουν αμοιβαία συμβιωτική σχέση επειδή όλα τα κόμματα της σχέσης ωφελούνται.

Στο σύστημα ταξινόμησης Linnaean, η κατηγοριοποίηση και η κατάταξη όλων των ζωντανών πτηνών, των φυτών, των φυκών και ενός τύπου βακτηρίων που ονομάζονται κυανοβακτήρια είναι οι μόνες ζωντανές οντότητες που παράγουν τρόφιμα από το ηλιακό φως. Το επιχείρημα για τον περιορισμό των δασών και την απομάκρυνση των φυτών για χάρη της ανάπτυξης φαίνεται αντιπαραγωγικό εάν δεν υπάρχουν άνθρωποι που να μένουν να ζήσουν σε αυτές τις εξελίξεις επειδή δεν υπάρχουν φυτά και δέντρα που να αφήνουν να φτιάξουν οξυγόνο.

Η φωτοσύνθεση λαμβάνει χώρα στα φύλλα

Τα φυτά και τα δέντρα είναι αυτοτροφοί, ζωντανοί οργανισμοί που κάνουν τη δική τους τροφή. Επειδή το κάνουν αυτό χρησιμοποιώντας την ελαφριά ενέργεια από τον ήλιο, οι βιολόγοι τους αποκαλούν photoautotrophs. Τα περισσότερα φυτά και δέντρα στον πλανήτη είναι φωτοαυτοτράτες.

Η μετατροπή του ηλιακού φωτός σε τροφή λαμβάνει χώρα σε κυτταρικό επίπεδο μέσα στα φύλλα των φυτών σε ένα οργανίδιο που βρίσκεται στα φυτικά κύτταρα, μια δομή που ονομάζεται χλωροπλάστη. Ενώ τα φύλλα αποτελούνται από διάφορα στρώματα, η φωτοσύνθεση συμβαίνει στη μεσόφυλα, το μεσαίο στρώμα. Μικρά μικρά ανοίγματα στην κάτω πλευρά των φύλλων που ονομάζονται stomata ελέγχουν τη ροή διοξειδίου του άνθρακα και οξυγόνου προς και από την εγκατάσταση, ελέγχοντας την ανταλλαγή αερίων των φυτών και την ισορροπία των φυτών.

Τα στομάχια υπάρχουν στο κάτω μέρος των φύλλων, στραμμένα μακριά από τον ήλιο, για να ελαχιστοποιήσουν την απώλεια νερού. Τα μικρά κύτταρα φύλαξης που περιβάλλουν τα στομάχια ελέγχουν το άνοιγμα και το κλείσιμο αυτών των ανοιγμάτων που μοιάζουν με στόμιο διόγκωσης ή συρρίκνωσης σε απόκριση της ποσότητας νερού στην ατμόσφαιρα. Όταν τα stomata κλείνουν, η φωτοσύνθεση δεν μπορεί να συμβεί, καθώς το φυτό δεν μπορεί να πάρει διοξείδιο του άνθρακα. Αυτό προκαλεί πτώση των επιπέδων διοξειδίου του άνθρακα στη μονάδα. Όταν το φως της ημέρας γίνει πολύ ζεστό και ξηρό, το στρώμα κλείνει για να διατηρήσει την υγρασία.

Ως οργανίδιο ή δομή σε κυτταρικό επίπεδο στο φυτό αφήνει, χλωροπλάστες έχουν μια εξωτερική και εσωτερική μεμβράνη που τους περιβάλλει. Μέσα σε αυτές τις μεμβράνες υπάρχουν δομές μορφής πλίνθου που ονομάζονται θυλακοειδή. Η θυλακοειδής μεμβράνη είναι όπου το φυτό και τα δέντρα αποθηκεύουν χλωροφύλλη, την πράσινη χρωστική που είναι υπεύθυνη για την απορρόφηση της φωτεινής ενέργειας από τον ήλιο. Εκεί συμβαίνουν οι αρχικές αντιδράσεις που εξαρτώνται από το φως, όπου πολλές πρωτεΐνες συνθέτουν την αλυσίδα μεταφοράς για να μεταφέρουν ενέργεια που τραβιέται από τον ήλιο όπου χρειάζεται για να φτάσει μέσα στο εργοστάσιο.

Ενέργεια από τον Ήλιο: Βήματα της Φωτοσύνθεσης

Η διαδικασία φωτοσύνθεσης είναι μια διαδικασία δύο σταδίων, πολλαπλών βημάτων. Το πρώτο στάδιο της φωτοσύνθεσης αρχίζει με το Ελαφρές αντιδράσεις, επίσης γνωστή ως Διαδικασία ελαφρά εξαρτώμενη και απαιτεί ενέργεια φωτός από τον ήλιο. Το δεύτερο στάδιο, το Σκοτεινή αντίδραση στάδιο, που ονομάζεται επίσης Κύκλος Calvin, είναι η διαδικασία με την οποία το φυτό παράγει ζάχαρη με τη βοήθεια NADPH και ATP από το στάδιο της αντίδρασης φωτός.

ο Αντίσταση φωτός φάση της φωτοσύνθεσης περιλαμβάνει τα ακόλουθα βήματα:

Όλα αυτά συμβαίνουν σε κυτταρικό επίπεδο μέσα στα φυτά θυλακοειδούς, μεμονωμένους πεπλατυσμένους σάκους, διατεταγμένους σε κόκκους ή στοίβες μέσα στους χλωροπλάστες του φυτού ή των κυττάρων δέντρων.

ο Κύκλος Calvin, (1911-1997), ο αποδέκτης του Βραβείου Νόμπελ Χημείας του 1961 για την ανακάλυψη του σταδίου Σκοτεινής Αντίδρασης, είναι η διαδικασία με την οποία το φυτό παράγει ζάχαρη με τη βοήθεια του NADPH και του ΑΤΡ από το φως της αντίδρασης. Κατά τη διάρκεια του κύκλου Calvin πραγματοποιούνται τα ακόλουθα βήματα:

Χλωροφύλλη, απορρόφηση φωτός και δημιουργία ενέργειας

Ενσωματωμένα μέσα στην θυλακοειδής μεμβράνη είναι δύο συστήματα συλλήψεως φωτός: το σύστημα φωτοσυστήματος Ι και το φωτοσύστημα II αποτελούνται από πολλαπλές πρωτεΐνες τύπου κεραίας, όπου τα φυτά αφήνουν την αλλαγή της φωτεινής ενέργειας σε χημική ενέργεια. Το σύστημα I του Συστήματος παρέχει μια πηγή ηλεκτροφορητών χαμηλής ενέργειας ενώ το άλλο παρέχει τα ενεργοποιημένα μόρια όπου πρέπει να πάνε.

Η χλωροφύλλη είναι η χρωστική απορρόφησης φωτός, μέσα στα φύλλα των φυτών και των δέντρων, που αρχίζει τη διαδικασία φωτοσύνθεσης. Ως οργανική χρωστική ουσία εντός του χλωροπλάστη θυλακοειδούς, η χλωροφύλλη απορροφά μόνο ενέργεια μέσα σε μια στενή ζώνη του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος που παράγεται από τον ήλιο εντός της περιοχής μήκους κύματος από 700 νανόμετρα (nm) έως 400 nm. Ονομάζεται η φωτοσυνθετικά ενεργή δέσμη ακτινοβολίας και το πράσινο κάθεται στη μέση του φάσματος του ορατού φωτός που χωρίζει τη χαμηλότερη ενέργεια, αλλά μακρύτερα κόκκινα μήκη κύματος, κίτρινα και πορτοκαλιά από την υψηλή ενέργεια, βραχύτερο μήκος κύματος, μπλε, ινδικό και βιολέτες.

Οπως και χλωροφύλλη απορροφήσουν ένα μόνο φωτόνιο ή διακριτή πακέτο φωτεινής ενέργειας, προκαλεί την ενθουσιασμό αυτών των μορίων. Μόλις το μόριο του φυτού γίνει διεγερμένο, τα υπόλοιπα στάδια της διαδικασίας περιλαμβάνουν την απόκτηση αυτού του διεγερμένου μορίου στο σύστημα μεταφοράς ενέργειας μέσω του ενεργειακού φορέα που ονομάζεται δινουκλεοτιδικό φωσφορικό νικοτιναμίδιο αδενίνης ή NADPH, για παράδοση στο δεύτερο στάδιο της φωτοσύνθεσης, τη φάση Dark Reaction ή τον Κύκλο Calvin.

Μετά την είσοδο στο αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων, η διαδικασία εκχυλίζει τα ιόντα υδρογόνου από το νερό που λαμβάνεται και τα παραδίδει στο εσωτερικό του θυλακοειδούς, όπου αυτά τα ιόντα υδρογόνου συσσωρεύονται. Τα ιόντα διέρχονται από μια ημι-πορώδη μεμβράνη από την στρωματική πλευρά στην κοιλότητα του θυλακοειδούς, χάνουν μέρος της ενέργειας στη διαδικασία, καθώς κινούνται μέσω των πρωτεϊνών που υπάρχουν μεταξύ των δύο φωτοσυστημάτων. Τα ιόντα υδρογόνου συγκεντρώνονται στον θυλακοειδή αυλό, όπου περιμένουν την επανενεργοποίηση προτού συμμετάσχουν στη διαδικασία που κάνει την τριφωσφορική αδενοσίνη ή το ATP, το ενεργειακό νόμισμα του κυττάρου.

Οι πρωτεΐνες κεραίας στο φωτοσύστημα 1 απορροφούν ένα άλλο φωτόνιο, μεταφέροντάς το στο κέντρο αντίδρασης PS1 που ονομάζεται P700. Ένα οξειδωμένο κέντρο, το P700 βγάζει ένα ηλεκτρόνιο υψηλής ενέργειας σε φωσφορικό δινουκλεοτίδιο αδενίνης νικοτίνης-αμιδίου ή NADP + και το μειώνει για να σχηματίσει NADPH και ΑΤΡ. Αυτό είναι όπου το φυτικό κύτταρο μετατρέπει την φωτεινή ενέργεια σε χημική ενέργεια.

Ο χλωροπλάστης συντονίζει τα δύο στάδια της φωτοσύνθεσης για να χρησιμοποιήσει την ενέργεια του φωτός για τη ζάχαρη. Τα θυλακοειδή εντός του χλωροπλάστη αντιπροσωπεύουν τις θέσεις των αντιδράσεων φωτός, ενώ ο Κύκλος Calvin εμφανίζεται στο στρώμα.

Φωτοσύνθεση και κυτταρική αναπνοή

Η κυτταρική αναπνοή, που συνδέεται με τη διαδικασία φωτοσύνθεσης, συμβαίνει μέσα στο φυτικό κύτταρο καθώς παίρνει ενέργεια φωτός, αλλάζει τη χημική ενέργεια και απελευθερώνει οξυγόνο πίσω στην ατμόσφαιρα. Αναπνοή συμβαίνει εντός του φυτικού κυττάρου συμβαίνει όταν τα σάκχαρα που παράγονται κατά τη διάρκεια της φωτοσυνθετικής διαδικασίας συνδυάζονται με το οξυγόνο για να κάνουν ενέργεια για το κύτταρο, σχηματίζοντας διοξείδιο του άνθρακα και νερό ως υποπροϊόντα αναπνοής. Μια απλή εξίσωση για την αναπνοή είναι αντίθετη από εκείνη της φωτοσύνθεσης: γλυκόζη + οξυγόνο = ενέργεια + διοξείδιο του άνθρακα + φωτεινή ενέργεια.

Η κυτταρική αναπνοή συμβαίνει σε όλα τα φυτά που ζουν κύτταρα, όχι μόνο στα φύλλα, αλλά και στις ρίζες του φυτού ή του δέντρου. Δεδομένου ότι η κυτταρική αναπνοή δεν απαιτεί ενέργεια φωτός, μπορεί να συμβεί είτε τη μέρα είτε τη νύχτα. Αλλά η υπερχείλιση φυτών σε εδάφη με κακή αποστράγγιση προκαλεί πρόβλημα στην κυτταρική αναπνοή, καθώς τα κατακλυσμένα φυτά δεν μπορούν να πάρουν αρκετό οξυγόνο μέσω των ριζών τους και να μετατρέψουν τη γλυκόζη για να υποστηρίξουν τις μεταβολικές διεργασίες των κυττάρων. Αν το φυτό λάβει πολύ νερό για πολύ καιρό, οι ρίζες του μπορεί να στερηθούν οξυγόνο, πράγμα που μπορεί ουσιαστικά να σταματήσει την κυτταρική αναπνοή και να σκοτώσει το φυτό.

Παγκόσμια θέρμανση και αντίδραση φωτοσύνθεσης

Το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας Merli καθηγητής Elliott Campbell και η ομάδα ερευνητών του σημείωσε σε ένα άρθρο του Απριλίου 2017 στο "Φύση," ένα διεθνές περιοδικό της επιστήμης, ότι η διαδικασία φωτοσύνθεσης αυξήθηκε δραματικά κατά τη διάρκεια του 20ου αιώνα. Η ερευνητική ομάδα ανακάλυψε ένα παγκόσμιο ρεκόρ της φωτοσυνθετικής διαδικασίας που διασχίζει διακόσια χρόνια.

Αυτό τους οδήγησε στο συμπέρασμα ότι το σύνολο της φυτικής φωτοσύνθεσης στον πλανήτη αυξήθηκε κατά 30% κατά τα έτη που ερεύνησαν. Ενώ η έρευνα δεν αναγνώρισε συγκεκριμένα την αιτία της ανόδου της διαδικασίας φωτοσύνθεσης παγκοσμίως, τα μοντέλα υπολογιστών ομάδων προτείνουν αρκετές διαδικασίες, όταν συνδυάζονται, που θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε τόσο μεγάλη αύξηση της παγκόσμιας ανάπτυξης των φυτών.

Τα μοντέλα έδειξαν ότι οι κύριες αιτίες της αυξημένης φωτοσύνθεσης περιλαμβάνουν αυξημένες εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα (κυρίως λόγω ανθρώπινων δραστηριοτήτων), μεγαλύτερες εποχές καλλιέργειας λόγω της υπερθέρμανσης του πλανήτη λόγω των εκπομπών αυτών και της αυξημένης ρύπανσης από άζωτο λόγω της μαζικής γεωργίας και της καύσης ορυκτών καυσίμων. Οι ανθρώπινες δραστηριότητες που οδήγησαν σε αυτά τα αποτελέσματα έχουν τόσο θετικές όσο και αρνητικές επιπτώσεις στον πλανήτη.

Ο καθηγητής Campbell επεσήμανε ότι ενώ οι αυξημένες εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα τονώνουν την παραγωγή των καλλιεργειών, διεγείρει επίσης την ανάπτυξη ανεπιθύμητων ζιζανίων και χωροκατακτητικών ειδών. Σημείωσε ότι η αύξηση των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα προκαλεί άμεση αλλαγή του κλίματος που οδηγεί σε περισσότερες πλημμύρες κατά μήκος των παράκτιων περιοχών, ακραίες καιρικές συνθήκες και αύξηση της οξίνισης των ωκεανών, οι οποίες έχουν συνολικά επιπτώσεις σε παγκόσμια κλίμακα.

Ενώ η φωτοσύνθεση αυξήθηκε κατά τη διάρκεια του 20ού αιώνα, προκάλεσε επίσης φυτά να αποθηκεύουν περισσότερο άνθρακα σε οικοσυστήματα σε όλο τον κόσμο, με αποτέλεσμα να γίνουν πηγές άνθρακα αντί για νεροχύτες άνθρακα. Ακόμη και με την αύξηση της φωτοσύνθεσης, η αύξηση δεν μπορεί να αντισταθμίσει την καύση ορυκτών καυσίμων, καθώς περισσότερες εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα από την καύση ορυκτών καυσίμων τείνουν να κατακλύσουν την ικανότητα των φυτών να απορροφούν CO2.

Οι ερευνητές ανέλυσαν τα στοιχεία για το χιόνι της Ανταρκτικής που συνέλεξε η Εθνική Ωκεανική και Ατμοσφαιρική Διοίκηση για να αναπτύξουν τα ευρήματά τους. Μελετώντας το αέριο που αποθηκεύτηκε στα δείγματα πάγου, οι ερευνητές εξέτασαν την παγκόσμια ατμόσφαιρα του παρελθόντος.