Hvordan fotosyntese fanger lys og styrker livet på jorden

Du værdsætter sandsynligvis ikke planter nok. Det er OK - ingen af ​​os gør. I betragtning af at planter har været det stor spiller i livets indviklede sæbeopera, der landede os på denne planet, vi bør takke vores grønne venner hver dag for vores eksistens.

Ærligt talt, hele historien er så sammenfiltret og kompliceret, vi kender måske aldrig sandheden om, hvordan vores grønne forfædre tillod alle andre at udvikle sig, men et aspekt af historien involverer bestemt fotosyntese - en plantes evne til at lave sin egen mad ud af sollys.

Fotosyntese:Nøglen til livet

"En god måde at værdsætte fotosyntese på er at sammenligne Jordens atmosfære med vores 'søsters' planeters, "siger Gregory Schmidt, professor emeritus i Institut for Plantebiologi ved University of Georgia. "Alle tre planeter var sandsynligvis ens, da de dannedes og afkøledes, men atmosfæren på både Venus og Mars har 95 procent kuldioxid (CO2), 2,7 procent nitrogen (N2) og 0,13 procent ilt (O2). Jordens luft er 77 procent N2, 21 procent O2 og 0,41 procent CO2 - selvom det tal stiger. Det betyder, at der er 800 gigaton kuldioxid i vores atmosfære, men der er yderligere 10, 000 gigaton - 10, 000, 000, 000 tons - mangler eller begraves i form af fossil kalksten, kul og olie. "

Med andre ord, kulstof er blevet smuglet ud af atmosfæren og ind i jordskorpen i milliarder af år, hvilket er den eneste grund til at denne planet overhovedet er beboelig af multicellede organismer.

"Så, hvordan skete det dramatiske atmosfæriske skift for Jorden? "spørger Schmidt." Der er kun et svar, og det er ret simpelt:fotosyntese, den mest fantastiske faktor i Jordens udvikling. "

En grøn revolution

FOTOSYNTESE, venner. Omkring en milliard år efter, at Jorden blev dannet, livet dukkede op - sandsynligvis først som nogle anaerobe bakterier, slurve svovl og brint op, der kom ud af hydrotermiske ventilationsåbninger. Nu har vi fået giraffer. Men der var 10, 000 gigaton trin på vejen mellem de første bakterier og giraffer:De gamle bakterier måtte finde ud af et middel til at finde nye hydrotermiske ventilationsåbninger, hvilket førte til udviklingen af ​​et termisk sansende pigment kaldet bakteriochlorofyl, som nogle bakterier stadig bruger til at detektere det infrarøde signal, der genereres af varme. Disse bakterier var efterkommere til efterkommere, der kunne lave klorofyl, et pigment, der var i stand til at fange kortere, mere energiske lysbølgelængder fra solen og bruge dem som en energikilde.

Så, i det væsentlige, disse bakterier skabte et middel til at fange solens energi. Det næste evolutionære spring nødvendiggjorde at udarbejde et middel til stabil energilagring - skabe et slags sollysbatteri, der tilskyndede protoner til at ophobe sig på den ene side af deres indre membraner versus den anden.

Brændende vand (fotosystem II)

Det sande vidunder ved plante- og algeudvikling er, at, på et tidspunkt, disse gamle klorofylproducerende bakterier begyndte at generere ilt. Trods alt, milliarder af år siden, der var faktisk meget lidt ilt i atmosfæren, og det var giftigt for mange tidlige bakterier (det er stadig giftigt for anaerobe bakterier, der forbliver i de iltfrie steder på Jorden). Imidlertid, den nye proces med at fange og opbevare sollys krævede de deltagende bakterier brænde vand . Ja, de brændte det, som brandmænd bruger til at slukke brande.

Forbrændingsprocessen er bare oxidation - afrivning af elektroner fra et atom og overførsel af disse elektroner til et andet (som kaldes reduktion). Tidlige fotosyntetiske bakterier udviklede en måde at fange fotoner - dybest set lyspartikler - og bruge deres energi til at fjerne vand fra mange af dets protoner og elektroner til at bruge til energiproduktion.

Gennembruddet for gennembrud skete for 3 milliarder år siden, da fotosyntetiske maskiner blev perfektioneret til det punkt, at klorofyl kunne splitte to vandmolekyler på samme tid-i disse dage kalder vi dette en "Fotosystem II klorofyl-proteinklynge."

Grønne batterier (fotosystem I)

Cyanobakterier udviklede sig, når disse fotosyntetiske bakterier fandt ud af, hvordan man brænder vand og gemmer energien fra den kemiske reaktion. Ved fotosyntese, Fotosystem II (vandforbrænding) kan ikke rigtig opretholdes uden anden etape, Fotosystem I, hvilket indebærer at tage elektronerne slettet af vandmolekylerne i det første trin og gøre brug af dem, før de henfalder. Fotosystem I gør dette ved at stikke disse elektroner på en kemisk samlebånd, så organismen er i stand til at beholde den hårdt tjente energi, som derefter bruges til at omdanne CO2 til sukker, så bakterierne kan bruges som mad.

Kloroplasternes daggry

Når fotosystemer I og II blev sorteret, cyanobakterier overtog havene, og fordi ilt var deres affaldsprodukt, det blev rigeligt i Jordens atmosfære. Som resultat, mange bakterier blev aerobe - det vil sige de krævede (eller i det mindste tolereres) ilt til deres metaboliske processer. Cirka en milliard år senere, protozoer udviklede sig som anaerober (en organisme, der ikke har brug for ilt til vækst) og tørrer op i aerobt bakterielt bytte. Mindst en gang, bakterierne blev ikke fordøjet fuldstændigt, men blev inden for cellen og endte med at hjælpe den iltintolerante anaerobe organisme med at klare det aerobe miljø. Disse to organismer holdt sammen, og til sidst udviklede byttedyrsorganismen sig til en celleorganelle kaldet mitokondrier.

Et lignende scenario opstod med cyanobakterier for omkring 1 milliard år siden. I dette tilfælde, et aerobt protozo sandsynligvis gobbled op en cyanobakterie, som endte med at oprette butik inde i sin vært, resulterer i en lille, membranbundet organel fælles for alle planter:chloroplasterne.

Efterhånden som alger og flercellede planter udviklede sig og havde fordel af rigeligt CO2 og stigende ilt i Jordens atmosfære, kloroplaster blev det sted, hvor fotosyntese - Fotosystem I, II og endnu mere komplicerede ting - gik ned i hver celle. Ligesom mitokondrier, de har deres eget DNA og bruger deres tid på at høste lys til planten, skaber hele fundamentet for livet på Jorden.

Jordens første istid var sandsynligvis et resultat af, at cyanobakterier lavede så meget ilt og spildte så meget kulstof i atmosfæren, at temperaturen faldt.