Sisältö
- TL; DR (liian pitkä; ei lukenut)
- Fotosynteesi: välttämätöntä koko elämälle
- Fotosynteesi vie lehdet
- Energia auringosta: Fotosynteesivaiheet
- Klorofylli, valon absorptio ja energian luominen
- Fotosynteesi ja solujen hengitys
- Ilmaston lämpeneminen ja fotosynteesireaktio
Fotosynteesiprosessi, jossa kasvit ja puut muuttuvat auringonvalosta ravitsemusenergiaksi, voi aluksi vaikuttaa magiasta, mutta suoraan ja epäsuorasti tämä prosessi ylläpitää koko maailmaa. Kun vihreät kasvit saavuttavat valon, niiden lehdet vangitsevat aurinkoenergian käyttämällä valoa absorboivia kemikaaleja tai erityisiä pigmenttejä ruoan valmistamiseksi ilmakehästä vedetystä hiilidioksidista ja vedestä. Tämä prosessi vapauttaa hapen sivutuotteena takaisin ilmakehään, komponentti ilmassa, jota tarvitaan kaikille hengityselimille.
TL; DR (liian pitkä; ei lukenut)
Yksinkertainen yhtälö fotosynteesille on hiilidioksidi + vesi + valoenergia = glukoosi + happi. Koska kasvikunnassa olevat kokonaisuudet kuluttavat hiilidioksidia fotosynteesin aikana, ne vapauttavat happea takaisin ilmakehään ihmisten hengittämistä varten; vihreät puut ja kasvit (maalla ja meressä) ovat ensisijaisesti vastuussa ilmakehän hapesta, ja ilman niitä eläimiä ja ihmisiä, samoin kuin muita elämänmuotoja, ei välttämättä ole olemassa kuin nykyään.
Fotosynteesi: välttämätöntä koko elämälle
Vihreät, kasvavat asiat ovat välttämättömiä koko planeetan elämälle, ei pelkästään ruoana kasvissyöjille ja kaikkiruokaisille, vaan happea hengittää. Fotosynteesiprosessi on ensisijainen tapa hapen pääsy ilmakehään. Se on ainoa planeetan biologinen keino, joka vangitsee auringon valon energian muuttamalla siitä sokereita ja hiilihydraatteja, joka tarjoaa ravinteita kasveille vapauttaen happea.
Ajattele sitä: Kasvit ja puut voivat olennaisesti vetää energiaa, joka alkaa avaruuden ulkomaille, auringonvalon muodossa, muuttaa siitä ruokaa ja vapauttaa prosessissa tarvittavan ilman, jonka organismit tarvitsevat menestyäkseen. Voitaisiin sanoa, että kaikilla happea tuottavilla kasveilla ja puilla on symbioottinen suhde kaikkiin happea hengittäviin organismeihin. Ihmiset ja eläimet toimittavat kasveille hiilidioksidia, ja ne toimittavat happea vastineeksi. Biologit kutsuvat tätä keskinäiseksi symbioottiseksi suhteeksi, koska kaikki suhteen osapuolet hyötyvät siitä.
Linnaean-luokittelujärjestelmässä kaikkien elävien olentojen, kasvien, levien ja sinibakteereiksi kutsutun bakteerityypin luokittelu ja luokittelu ovat ainoat elävät olennot, jotka tuottavat ruokaa auringonvalosta. Argumentti metsien vähentämiseksi ja kasvien poistamiseksi kehityksen vuoksi vaikuttaa haitalliselta, jos ihmisiä ei jää elämään näissä kehityksissä, koska happea tuottamaan ei ole jätetty kasveja ja puita.
Fotosynteesi vie lehdet
Kasvit ja puut ovat autotrofeja, eläviä organismeja, jotka tekevät omia ruokia. Koska biotieteilijät tekevät tämän auringon valoenergian avulla, he kutsuvat niitä fotoautotrofeiksi. Suurin osa planeetan kasveista ja puista on fotoautotrofeja.
Auringonvalon muuttuminen ruokaksi tapahtuu solutasolla kasvien lehdissä kasvisoluissa löydetyssä organellissa, nimeltään kloroplasti. Vaikka lehdet koostuvat useista kerroksista, fotosynteesi tapahtuu mesofyllissä, keskikerroksessa. Pienet mikrolähteet aukkojen alapuolella, nimeltään stomata, säätelevät hiilidioksidin ja hapen virtausta kasviin ja sieltä, säätelevät kasvien kaasunvaihtoa ja kasvien vesitasapainoa.
Stomata esiintyy lehtien pohjassa päin aurinkoa kohti veden menetyksen minimoimiseksi. Stomaattia ympäröivät pienet suojasolut hallitsevat näiden suun muotoisten aukkojen avautumista ja sulkeutumista turpoamalla tai kutistuen vasteena ilmakehän vesimäärään. Kun stomata sulkeutuu, fotosynteesiä ei voi tapahtua, koska kasvi ei voi ottaa hiilidioksidia. Tämä aiheuttaa kasvihuonekaasupäästöjen laskun. Kun päivänvaloajat muuttuvat liian kuumiksi ja kuiviksi, strooma sulkeutuu kosteuden säästämiseksi.
Klooriplasteilla, jotka ovat kasvien lehdissä solutasolla oleva organeli tai rakenne, solukerroilla on ulko- ja sisäkalvo, joka ympäröi niitä. Näiden kalvojen sisällä on lautasmuotoisia rakenteita, joita kutsutaan tylakoideiksi. Tylakoidikalvo on siellä, missä kasvit ja puut varastoivat klorofylliä, vihreää pigmenttiä, joka vastaa auringon valoenergian absorboinnista. Tässä tapahtuvat ensimmäiset valosta riippuvat reaktiot, joissa lukuisat proteiinit muodostavat kuljetusketjun kuljettamaan aurinkoon vedettyä energiaa sinne, missä sen täytyy kulkea kasvin sisällä.
Energia auringosta: Fotosynteesivaiheet
Fotosynteesiprosessi on kaksivaiheinen, monivaiheinen prosessi. Fotosynteesin ensimmäinen vaihe alkaa Kevyet reaktiot, joka tunnetaan myös nimellä Valosta riippuvainen prosessi ja vaatii kevyttä energiaa auringosta. Toinen vaihe, Tumma reaktio vaiheessa, jota kutsutaan myös Calvin Cycle, on prosessi, jolla kasvi tuottaa sokeria NADPH: n ja ATP: n avulla kevyestä reaktiovaiheesta.
Kevyt reaktio fotosynteesivaihe sisältää seuraavat vaiheet:
Kaikki tämä tapahtuu solutasolla kasvien tylakoideissa, yksittäisissä litistetyissä säkeissä, jotka on järjestetty granaaniksi tai pinoihin kasvien tai puusolujen kloroplastien sisällä.
Calvin Cycle, nimeltään Berkeleyn biokemistille Melvin Calvinille (1911-1997), joka sai 1961 Nobelin kemian palkinnon pimeän reaktion vaiheen löytämisestä, on prosessi, jolla kasvi tuottaa sokeria NADPH: n ja ATP: n avulla kevyestä reaktiovaiheesta. Calvin-syklin aikana tapahtuvat seuraavat vaiheet:
Klorofylli, valon absorptio ja energian luominen
Tylakoidikalvoon on upotettu kaksi valoa kaappaavaa järjestelmää: fotosysteemi I ja valosysteemi II, joka koostuu useista antennimaisista proteiineista, jolloin kasvien lehdet muuttavat valon energian kemialliseksi energiaksi. Photosystem I tarjoaa matalan energian elektronikantoaaltojen, kun taas toinen toimittaa energisoidut molekyylit sinne, missä heidän täytyy mennä.
Klorofylli on valoa absorboiva pigmentti kasvien ja puiden lehtien sisällä, joka aloittaa fotosynteesiprosessin. Orgaanisena pigmenttinä kloroplast tylakoidissa, klorofylli absorboi energiaa vain kapeassa auringon tuottaman sähkömagneettisen spektrin kaistalla aallonpituusalueella 700 nanometriä (nm) - 400 nm. Fotosynteettisesti aktiivisena säteilykaistana nimeltään vihreä istuu näkyvän valon spektrin keskellä erottaen alhaisemman energian, mutta pidemmät aallonpituuspunaiset, keltaiset ja appelsiinit korkeasta energiasta, lyhyemmät aallonpituudet, blues, indigot ja violetit.
Kuten klorofyllit absorboivat yksi fotoni tai selvä paketti kevyttä energiaa, se aiheuttaa näiden molekyylien kiihtymisen. Kun kasvin molekyyli herättää, muihin prosessin vaiheisiin sisältyy kyseisen kiihtyneen molekyylin saaminen energian kuljetusjärjestelmään nikotiiniamidi-adeniinidinukleotidifosfaatin tai NADPH-nimisen energiakantajan välityksellä, joka toimitetaan fotosynteesin toiseen vaiheeseen, Dark Reaction -faasiin. tai Calvin-sykli.
Saatuaan elektronin kuljetusketju, prosessi erottaa vetyionit otetusta vedestä ja toimittaa sen tylakoidin sisäpuolelle, missä nämä vetyionit muodostuvat. Ionit kulkevat puolihuokoisen membraanin läpi strooman puolelta tylakoidiseen onteloon, menettäen osan prosessin energiasta, kun ne liikkuvat kahden valojärjestelmän välillä olevien proteiinien läpi. Vetyionit kerääntyvät tylakoidiseen onteloon, missä he odottavat uudelleenenergiaa ennen osallistumistaan prosessiin, joka tekee adenosiinitrifosfaatista tai ATP: stä, solun energiavaluutasta.
Valosysteemin 1 antenniproteiinit absorboivat toisen fotonin, välittäen sen PS1-reaktiokeskukseen nimeltään P700. Hapettunut keskus P700 erottaa korkean energian elektronin nikotiiniamidiadeniinidinukleotidifosfaatiksi tai NADP +: ksi ja pelkistää sen muodostaen NADPH: n ja ATP: n. Tässä kasvisolu muuntaa valon energian kemialliseksi energiaksi.
Klooriplasti koordinoi fotosynteesin kaksi vaihetta kevyen energian käyttämiseksi sokerin valmistukseen. Klooroplastin sisällä olevat tylakoidit edustavat valoreaktioiden paikkoja, kun taas Calvin-sykli tapahtuu stromassa.
Fotosynteesi ja solujen hengitys
Fotosynteesiprosessiin sitoutunut soluhengitys tapahtuu kasvisolussa, kun se ottaa kevyttä energiaa, muuttaa sen kemialliseksi energiaksi ja vapauttaa happea takaisin ilmakehään. Hengitys tapahtuu kasvisolussa, kun fotosynteettisen prosessin aikana tuotetut sokerit yhdistyvät hapen kanssa energian tuottamiseksi solulle muodostaen hiilidioksidia ja vettä hengityksen sivutuotteiksi. Yksinkertainen hengitysyhtälö on vastapäätä fotosynteesin vastaavaa: glukoosi + happi = energia + hiilidioksidi + valoenergia.
Soluhengitystä esiintyy kaikissa kasvien elävissä soluissa, ei vain lehtiissä, vaan myös kasvin tai puun juurissa. Koska soluhengitys ei tarvitse valoa energiaa tapahtuakseen, se voi tapahtua joko päivällä tai yöllä. Mutta kasvien liikavettäminen huonoon vedenpoistoon maaperässä aiheuttaa ongelmia solujen hengitykselle, koska upotetut kasvit eivät pysty ottamaan juuressaan tarpeeksi happea sisään ja muuttamaan glukoosia ylläpitämään solujen aineenvaihduntaprosesseja. Jos kasvi saa liian paljon vettä liian kauan, sen juurista voi puuttua happea, mikä voi olennaisesti estää solujen hengityksen ja tappaa kasvin.
Ilmaston lämpeneminen ja fotosynteesireaktio
Kalifornian yliopiston Mercedin professori Elliott Campbell ja hänen tutkijaryhmänsä totesivat huhtikuussa 2017 julkaistussa artikkelissa kansainvälisessä tiedelehdessä "Nature", että fotosynteesiprosessi kasvoi dramaattisesti 1900-luvulla. Tutkimusryhmä löysi maailmanlaajuisen ennätyksen kaksisataa vuotta kestäneestä fotosynteesistä.
Tämä johti heidän johtopäätökseen, että kaiken planeetan kasvien fotosynteesi kasvoi 30 prosenttia tutkittujen vuosien aikana. Vaikka tutkimuksessa ei yksilöity tarkemmin fotosynteesiprosessin nousun syytä globaalisti, ryhmien tietokonemallit ehdottavat useita prosesseja yhdistettynä, jotka voivat johtaa niin suureen kasvuun maailman kasvien kasvussa.
Mallit osoittivat, että lisääntyneen fotosynteesin johtavia syitä ovat lisääntyneet hiilidioksidipäästöt ilmakehässä (lähinnä ihmisen toiminnan takia), pidemmät kasvukaudet näiden päästöjen aiheuttaman ilmaston lämpenemisen takia ja massamaatalouden ja fossiilisten polttoaineiden palamisen aiheuttamat lisääntyneet typpisaasteet. Ihmisen toiminnalla, joka johti näihin tuloksiin, on sekä positiivisia että kielteisiä vaikutuksia planeetalle.
Professori Campbell totesi, että vaikka lisääntyneet hiilidioksidipäästöt stimuloivat sadon tuottoa, se stimuloi myös ei-toivottujen rikkakasvien ja invasiivisten lajien kasvua. Hän totesi, että lisääntyneet hiilidioksidipäästöt aiheuttavat suoraan ilmastomuutosta, joka johtaa lisääntyviin tulviin rannikkoalueilla, äärimmäisiin sääolosuhteisiin ja merien happamoitumisen lisääntymiseen, joilla kaikilla on yhdistäviä vaikutuksia maailmanlaajuisesti.
Vaikka fotosynteesi lisääntyi 20-luvulla, se aiheutti myös kasvien varastoinnin enemmän hiiltä ekosysteemeissä ympäri maailmaa, minkä seurauksena niistä tuli hiilen lähteitä hiilinielujen sijasta. Jopa fotosynteesin lisääntymisen kanssa, lisäys ei voi kompensoida fossiilisten polttoaineiden palamista, koska fossiilisten polttoaineiden polttamisen lisäämät hiilidioksidipäästöt yleensä rasittavat kasvien kykyä ottaa hiilidioksidia.
Tutkijat analysoivat kansallisen merenkulku- ja ilmakehän hallinnon keräämiä Etelämantereen lumitietoja havaintonsa kehittämiseksi. Tutkiessaan jäänäytteisiin varastoitua kaasua tutkijat tarkastelivat menneisyyden globaalia ilmapiiriä.