Indhold
- TL; DR (for lang; læste ikke)
- Fotosyntese: Nødvendig for hele livet
- Fotosyntese finder sted i blade
- Energi fra solen: Fotosyntesetrin
- Klorofyll, lysabsorption og energidannelse
- Fotosyntese og cellulær respiration
- Global opvarmning og fotosyntesereaktion
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 luften, der kræves til alle åndedrætsorganismer.
TL; DR (for lang; læste ikke)
En simpel ligning til fotosyntesen er kuldioxid + vand + lysenergi = 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 for hele livet
Grønne, voksende ting er nødvendige for alt liv på planeten, ikke kun som mad til planteetere og omnivorer, men for at indånde ilt. 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 sukkerarter og kulhydrater, der giver næringsstoffer til planter, mens de frigiver ilt.
Tænk over det: Planter og træer kan i det væsentlige trække energi, der starter i det ydre rum, i form af sollys, omdanne det til mad og i processen frigive den nødvendige luft, som organismerne kræver 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 gensidig symbiotisk forhold, fordi alle parter i forholdet drager fordel af.
I det Linnæiske klassificeringssystem er kategoriseringen og rangordningen af alle levende ting, planter, alger og en type bakterier kaldet cyanobakterier de 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 planter og træer tilbage til at fremstille ilt.
Fotosyntese 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 kontrollerer planternes gasudveksling og planternes vandbalance.
Der findes tomater på bunden af bladene, vendt 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, lukker stromaen for at bevare fugt.
Som en organel eller struktur på et cellulært niveau i plantebladene har chloroplaster 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 adskillige proteiner udgør transportkæden til at transportere energi trukket fra solen til hvor den har brug for at gå ind i planten.
Energi fra solen: Fotosyntesetrin
Fotosynteseprocessen er en to-trins, flertrinsproces. Den første fase af fotosyntesen begynder med Lysreaktioner, også kendt som Let afhængig proces og kræver lysenergi fra solen. Den anden fase, the Mørk reaktion scene, også kaldet Calvin Cycle, er den proces, hvormed planten fremstiller sukker ved hjælp af NADPH og ATP fra lysreaktionsstadiet.
Det Lysreaktion fase af fotosyntesen involverer følgende trin:
Alt dette foregår på et cellulært niveau inde i planterne thylakoider, individuelle udfladede sække, arrangeret i grana eller stabler inde i kloroplasterne i planten eller træcellerne.
Det Calvin Cycle, opkaldt efter Berkeley-biokemiker Melvin Calvin (1911-1997), modtageren af Nobelprisen i kemi fra 1961 for at have opdaget Dark Reaction-stadiet, er den proces, hvormed planten fremstiller sukker ved hjælp af NADPH og ATP fra lysreaktionsstadiet. I løbet af Calvin Cycle finder de følgende trin sted:
Klorofyll, lysabsorption og energidannelse
Indlejret i thylakoidmembranen er to lysindfangningssystemer: fotosystem I og fotosystem II bestående af flere antennelignende proteiner, og det er her planterne forlader at ændre lysenergi til kemisk energi. Fotosystem I leverer en forsyning med lavenergi-elektronbærere, mens den anden leverer de aktiverede molekyler, hvor de skal hen.
Chlorophyll er det lysabsorberende pigment inde i bladene på planter og træer, der begynder fotosynteseprocessen. 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.
Som 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 Cycle.
Efter indtastning af elektrontransportkædeprocessen ekstraherer hydrogenioner fra det vand, der er taget i, 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, før de deltager i processen, der gør Adenosin-triphosfat eller ATP, cellenes energivaluta.
Antenneproteinerne i fotosystem 1 absorberer en anden foton og videresender den til PS1-reaktionscenter kaldet P700. Et oxideret center, P700, udsender 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 Cycle forekommer i stroma.
Fotosyntese og cellulær respiration
Cellulær respiration, bundet til fotosynteseprocessen, forekommer i plantecellen, når den tager lysenergi, skifter den til kemisk energi og frigiver ilt tilbage i atmosfæren. Respiration forekommer i plantecellen, når sukkerarter produceret under den fotosyntetiske proces kombineres med ilt for at skabe energi til cellen og danne kuldioxid og vand som biprodukter til respiration. En simpel ligning til respiration er modsat den for fotosyntesen: glukose + ilt = energi + kuldioxid + lysenergi.
Cellulær åndedræt forekommer i alle de planter, der lever 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 enten på dagen eller natten. Men overvandet af planter i jord med dårlig dræning forårsager et problem for cellulær respiration, da overvundne planter ikke kan optage nok ilt gennem deres rødder og omdanne glukose til at opretholde cellernes metaboliske processer. Hvis planten modtager for meget vand for længe, kan dens rødder fratages ilt, hvilket i det væsentlige kan stoppe cellens åndedræt 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 "Nature", et internationalt videnskabeligt tidsskrift, at fotosynteseprocessen steg dramatisk i løbet af det 20. århundrede. Forskerteamet opdagede en global optegnelse af den fotosyntetiske proces, der løber rundt om to hundrede år.
Dette førte til, at de konkluderede, at det samlede beløb af al plantsyntesen på planeten voksede med 30 procent i de år, de undersøgte. Mens forskningen ikke specifikt identificerede årsagen til en uptick i fotosynteseprocessen globalt, tyder teamets 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 CO2-emissioner i atmosfæren (primært på grund af menneskelige aktiviteter), længere vækstsæsoner på grund af global opvarmning på grund af disse emissioner og øget kvælstofforurening 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 kuldioxidemissioner stimulerer afgrødeproduktionen, stimulerer det også væksten af uønskede 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 den 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 sne-data indsamlet af National Oceanic and Atmospheric Administration for at udvikle deres fund. Ved at studere gassen, der er lagret i isprøverne, gennemgik forskerne fortidens globale atmosfærer.