Hvordan fungerer fotosyntesen?

Fotosynteseprocessen, hvor planter og træer omdanner lys fra solen til ernæringsenergi, kan i første omgang virke som magi, men direkte og indirekte opretholder denne proces hele verden. Når grønne planter når frem til lyset, fanger deres blade solens energi ved at bruge lysabsorberende kemikalier eller specielle pigmenter til at fremstille mad fra kuldioxid og vand, der trækkes ud fra atmosfæren. Denne proces frigiver ilt som et biprodukt tilbage i atmosfæren, en komponent i luft, der kræves til alle åndedrætsorganismer.

TL; DR (for lang; læste ikke)

En enkel ligning for fotosyntesen er kuldioxid + vand + lysenergi \u003d glukose + ilt. Når enheder inden for planteriget forbruger kuldioxid under fotosyntesen, frigiver de ilt tilbage i atmosfæren for at folk kan trække vejret; grønne træer og planter (på land og i havet) er primært ansvarlige for ilt i atmosfæren, og uden dem findes dyr og mennesker såvel som andre livsformer muligvis ikke, som de gør i dag.
Fotosyntese: Nødvendig til Alt liv

Grønne, voksende ting er nødvendige for alt liv på planeten, ikke kun som mad til planteetere og omnivorer, men for at få ilt til at trække vejret. Fotosynteseprocessen er den primære måde, ilt ind i atmosfæren. Det er det eneste biologiske middel på planeten, der fanger solens lysenergi og ændrer det til sukker og kulhydrater, der leverer næringsstoffer til planter, mens der frigives ilt.

Tænk over det: Planter og træer kan i det væsentlige trække energi, der starter i det ydre rum, i form af sollys, gør det til mad, og i processen frigør du den nødvendige luft, som organismer har brug for for at trives. Man kan sige, at alle iltproducerende planter og træer har et symbiotisk forhold til alle iltindåndende organismer. Mennesker og dyr leverer kuldioxid til planter, og de leverer ilt til gengæld. Biologer kalder dette et gensidigt symbiotisk forhold, fordi alle parter i forholdet drager fordel af.

I det Linnæiske klassificeringssystem er kategorisering og rangordning af alle levende ting, planter, alger og en type bakterier kaldet cyanobakterier den eneste levende enheder, der producerer mad fra sollys. Argumentet for at skære ned skove og fjerne planter med henblik på udvikling synes kontraproduktivt, hvis der ikke er mennesker tilbage til at leve i denne udvikling, fordi der ikke er nogen planter og træer tilbage til at fremstille ilt.
Fotosyntesi finder sted i blade

Planter og træer er autotrofer, levende organismer, der fremstiller deres egen mad. Fordi de gør dette ved hjælp af lysenergien fra solen, kalder biologer dem fotoautotrofer. De fleste planter og træer på planeten er fotoautotrofer.

Konvertering af sollys til mad finder sted på et cellulært niveau inden for bladene af planter i en organel, der findes i planteceller, en struktur kaldet en chloroplast. Mens blade består af flere lag, sker fotosyntese i mesofylen, det midterste lag. Små mikroåbninger på undersiden af blade, kaldet stomata, styrer strømmen af kuldioxid og ilt til og fra anlægget og styrer plantens gasudveksling og plantens vandbalance.

Der findes tomater på bunden af bladene, vendt mod væk fra solen for at minimere vandtab. Små beskyttelsesceller, der omgiver stomaten, styrer åbningen og lukningen af disse mundlignende åbninger ved hævelse eller krympning som svar på mængden af vand i atmosfæren. Når stomien lukker, kan fotosyntese ikke forekomme, da planten ikke kan optage kuldioxid. Dette får kuldioxidniveauerne i planten til at falde. Når dagslysetimerne bliver for varme og tørre, lukkes stromaen for at bevare fugtighed.

Som en organel eller struktur på et cellulært niveau i plantebladene, har kloroplaster en ydre og indre membran, der omgiver dem. Inde i disse membraner er plade-formede strukturer kaldet thylakoider. Thylakoidmembranen er, hvor planten og træerne opbevarer klorofyl, det grønne pigment, der er ansvarlig for at absorbere lysenergien fra solen. Det er her de indledende lysafhængige reaktioner finder sted, hvor mange proteiner udgør transportkæden til at transportere energi trukket fra solen til hvor den har brug for at gå inden i planten.
Energi fra solen: Fotosyntesetrin

Fotosynteseprocessen er en totrins, fletrinsproces. Den første fase af fotosyntesen begynder med Lysreaktioner
, også kendt som Lysafhængig proces
og kræver lysenergi fra solen. Den anden fase, mørk reaktion og fase, også kaldet Calvin Cycle
, er den proces, hvormed planten fremstiller sukker ved hjælp af NADPH og ATP fra lysreaktionsstadiet.

Fotosyntesens lysreaktionsfase involverer følgende trin:

Samling af kuldioxid og vand fra atmosfæren gennem plantens eller træets blade.

Lysabsorberende grønt pigmenter i planter eller træer omdanner sollyset til lagret kemisk energi.

Aktiveret af lys transporterer enzymer, hvor det er nødvendigt, inden det frigøres for at begynde på ny.

Alt dette foregår på celleniveau inde i plantens thylakoider, individuelle fladede sække, arrangeret i grana eller stabler inde i kloroplasterne i planten eller træcellerne.

Calvin Cycle, opkaldt efter Berkeley biokemiker Melvin Calvin (1911-1997), modtageren af Nobelprisen i kemi fra 1961 for at opdage den mørke reaktion fase, er den proces, hvor planten fremstiller sukker ved hjælp af NADPH og ATP fra lysreaktionstrin. Under Calvin-cyklussen finder de følgende trin sted:

Carbonfiksering, hvor planter forbinder kulstof med plantekemikalier (RuBP) til fotosyntesen.

Reduktionsfase, hvorved plante- og energikemikalier reagerer for at skabe plantesukker.

Dannelse af kulhydrater som plantenæringsstof.

Regenereringsfase, hvor sukker og energi samarbejder om at danne et RuBP-molekyle, der tillader cyklus at starte igen.

Klorofyll, lysabsorption og energidannelse

Indlejret i thylakoidmembranen er to lysindfangningssystemer: fotosystem I og fotosystem II bestående af flere antennelignende proteiner, og det er her plantens blade ændrer lysenergi til kemisk energi. Fotosystem I leverer en forsyning med elektroniske bærere med lav energi, mens den anden leverer de aktiverede molekyler, hvor de er nødt til at gå.

Chlorofyl er det lysabsorberende pigment inde i bladene af planter og træer, der begynder fotosyntesen behandle. Som et organisk pigment inden i chloroplast-thylakoid absorberer chlorophyll kun energi inden for et smalt bånd af det elektromagnetiske spektrum produceret af solen inden for bølgelængdeområdet 700 nanometer (nm) til 400 nm. Kaldes det fotosyntetisk aktive strålingsbånd og sidder grønt i midten af det synlige lysspektrum, der adskiller den lavere energi, men længere bølgelængde røde, gule og appelsiner fra den høje energi, kortere bølgelængde, blues, indigoer og violer.

Idet klorofyler absorberer en enkelt foton eller distinkt pakke med lysenergi, får det disse molekyler til at blive ophidsede. Når plantemolekylet er ophidset, involverer resten af trinnene i processen at få det ophidsede molekyle ind i energitransportsystemet via energibæreren kaldet nicotinamid adenindinucleotidphosphat eller NADPH til levering til den anden fase af fotosyntesen, den mørke reaktionsfase eller Calvin-cyklus.

Efter indtræden i elektrontransportkæden udtrækker processen brintioner fra vandet, der indtages, og leverer det til indersiden af thylakoidet, hvor disse hydrogenioner opbygges. Iionerne passerer over en halvporøs membran fra stromalsiden til thylakoid-lumen og mister noget af energien i processen, når de bevæger sig gennem de proteiner, der findes mellem de to fotosystemer. Brintionerne samles i thylakoid-lumen, hvor de venter på genoptagelse, inden de deltager i processen, der får Adenosin-triphosfat eller ATP, celleens energivaluta.

Antenneproteinerne i fotosystem 1 absorberer en anden foton, videresende det til PS1 reaktionscenter kaldet P700. Et oxideret center, P700 sender et højenergi-elektron til nicotinamid-adenindinucleotidphosphat eller NADP + og reducerer det til dannelse af NADPH og ATP. Det er her plantecellen konverterer lysenergi til kemisk energi.

Chloroplasten koordinerer de to stadier i fotosyntesen til at bruge lysenergi til at fremstille sukker. Thylakoiderne inde i chloroplasten repræsenterer stederne for lysreaktionerne, mens Calvin-cyklussen forekommer i stroma.
Fotosyntese og cellulær respiration -
Cellulær respiration, bundet til fotosynteseprocessen, forekommer i plantecellen som det indtager lysenergi, skifter det til kemisk energi og frigiver ilt tilbage i atmosfæren. Respiration finder sted inden i plantecellen, når sukkerarter produceret under den fotosyntetiske proces kombineres med ilt for at skabe energi til cellen, hvilket danner kuldioxid og vand som biprodukter til respiration. En simpel ligning til respiration er modsat den for fotosyntesen: glukose + ilt \u003d energi + kuldioxid + lysenergi.

Cellulær respiration forekommer i alle plantens levende celler, ikke kun i bladene, men også i rødderne af planten eller træet. Da cellulær åndedræt ikke har brug for lysenergi for at kunne forekomme, kan den forekomme på dagen eller natten. Men overvandsplanter i jord med dårlig dræning medfører et problem for cellulær åndedræt, da overvundne planter ikke kan optage nok ilt gennem deres rødder og omdanne glukose til at opretholde cellens metaboliske processer. Hvis planten modtager for meget vand for længe, kan dens rødder fratages ilt, hvilket i det væsentlige kan stoppe cellulær respiration og dræbe planten.
Global opvarmning og fotosyntesereaktion

University of California Merced Professor Elliott Campbell og hans forskerhold bemærkede i en artikel i april 2017 i "Natur", et internationalt videnskabeligt tidsskrift, at fotosynteseprocessen steg dramatisk i løbet af det 20. århundrede. Forskerteamet opdagede en global oversigt over den fotosyntetiske proces, der strammede sig over to hundrede år.

Dette førte dem til at konkludere, at det samlede antal af alle fotosynteser på planeten voksede med 30 procent i de år, de undersøgte. Mens forskningen ikke specifikt identificerede årsagen til en uptick i fotosynteseprocessen globalt, antyder holdets computermodeller adskillige processer, når de kombineres, som kan resultere i en så stor stigning i den globale plantevækst.

Modellerne viste, at de førende årsager til øget fotosyntese inkluderer øgede kuldioxidemissioner i atmosfæren (primært på grund af menneskelige aktiviteter), længere vækstsæsoner på grund af global opvarmning på grund af disse emissioner og øget nitrogenforurening forårsaget af massebrug og forbrænding af fossilt brændsel. Menneskelige aktiviteter, der førte til disse resultater, har både positive og negative virkninger på planeten.

Professor Campbell bemærkede, at selvom øgede CO2-emissioner stimulerer afgrødeproduktion, stimulerer det også væksten af uønsket ukrudt og invasive arter. Han bemærkede, at øgede CO2-emissioner direkte forårsager klimaændringer, der fører til mere oversvømmelse langs kystområder, ekstreme vejrforhold og en stigning i havforsuring, som alle har sammensatte virkninger globalt.

Mens fotosyntesen steg i løbet af det 20. århundrede, fik det også planter til at opbevare mere kulstof i økosystemer verden over, hvilket resulterede i, at de blev kulstofkilder i stedet for kulstofvaske. Selv med stigningen i fotosyntesen kan stigningen ikke kompensere for forbrænding af fossilt brændsel, da flere kuldioxidemissioner fra forbrænding af fossilt brændstof har en tendens til at overvælde en plantes evne til at optage CO2.

Forskerne analyserede antarktiske sneoplysninger indsamlet af National Oceanic and Atmospheric Administration til at udvikle deres fund. Ved at studere gassen, der er lagret i isprøverne, gennemgik forskerne fortidens globale atmosfærer.

Sidste artikelHvordan laver jeg en model vandfald til børn?

Næste artikel3 lette videnskabshacks til slutningen af sommeren, du skal prøve lige nu