Sisu
- TL; DR (liiga pikk; ei lugenud)
- Fotosüntees: vajalik kogu eluks
- Fotosüntees toimub lehtedes
- Päikesest saadav energia: fotosünteesi etapid
- Klorofüll, valguse neeldumine ja energia loomine
- Fotosüntees ja rakuhingamine
- Globaalne soojenemine ja fotosünteesi reaktsioon
Fotosünteesi protsess, milles taimed ja puud muudavad päikesevalguse toiteenergiaks, võib alguses tunduda võlujõuna, kuid otseselt ja kaudselt toetab see protsess kogu maailma. Kui rohelised taimed valguse kätte jõuavad, hõivavad nende lehed päikese energiat, kasutades valgust neelavaid kemikaale või spetsiaalseid pigmente, et toitu atmosfääri tõmmatud süsihappegaasist ja veest. See protsess vabastab hapniku kõrvalsaadusena atmosfääri, komponendina õhus, mida on vaja kõigi hingavate organismide jaoks.
TL; DR (liiga pikk; ei lugenud)
Fotosünteesi lihtne võrrand on süsinikdioksiid + vesi + valgusenergia = glükoos + hapnik. Kuna taimeriigis asuvad üksused tarbivad fotosünteesi käigus süsinikdioksiidi, eraldavad nad hapnikku tagasi atmosfääri, et inimesed saaksid seda hingata; rohelised puud ja taimed (maismaal ja meres) vastutavad atmosfääris peamiselt hapniku eest ja ilma nendeta ei pruugi loomad ja inimesed, aga ka muud eluvormid eksisteerida, nagu praegu.
Fotosüntees: vajalik kogu eluks
Rohelised, kasvavad asjad on kogu planeedi eluks vajalikud, mitte ainult taimtoidulistele ja kõigesööjatele, vaid ka hapniku hingamiseks. Fotosünteesi protsess on peamine viis hapniku atmosfääri sisenemiseks. See on ainus bioloogiline vahend planeedil, mis hõivab päikeste valgusenergia, muutes selle suhkruteks ja süsivesikuteks, pakkudes taimedele toitaineid, vabastades samal ajal hapnikku.
Mõelge sellele: taimed ja puud võivad sisuliselt tõmmata energiat, mis algab kosmose välisulatusest, päikesevalguse kujul, muuta see toiduks ja vabastada selle käigus vajalik õhk, mida organismidel on vaja areneda. Võiks öelda, et kõigil hapnikku tootvatel taimedel ja puudel on sümbiootiline seos kõigi hapnikku hingavate organismidega. Inimesed ja loomad varustavad taimi süsinikdioksiidiga ja vastutasuks tarnivad nad hapnikku. Bioloogid nimetavad seda vastastikuseks sümbiootiliseks suhteks, kuna sellest saavad kasu kõik suhte osapooled.
Linnaeani klassifikatsioonisüsteemis on kõigi elusolendite, taimede, vetikate ja tsüanobakteriteks nimetatud bakteritüüpide kategoriseerimine ja järjestamine ainsad elusolendid, kes toodavad toitu päikesevalgusest. Argument metsade raiumise ja taimede arendamise eesmärgil eemaldamise kohta näib olevat kahjulik, kui nendesse arengutesse ei jäeta inimesi, sest hapniku tootmiseks pole jäänud taimi ja puid.
Fotosüntees toimub lehtedes
Taimed ja puud on autotrofid, elusorganismid, kes teevad ise toitu. Kuna nad teevad seda päikese valgusenergia abil, nimetavad bioloogid neid fotoautotroofideks. Enamik planeedi taimi ja puid on fotoautotroofid.
Päikesevalguse muundamine toiduks toimub rakutasandil taimede lehtedes taimerakkudes leiduvas organelleris, mida nimetatakse kloroplastiks. Kui lehed koosnevad mitmest kihist, toimub fotosüntees mesofüllis ehk keskmises kihis. Väikesed mikroavad lehtede alumisel küljel, mida nimetatakse stomataks, kontrollivad süsinikdioksiidi ja hapniku voogu taime sisse ja tagasi, juhtides taimede gaasivahetust ja taimede vee tasakaalu.
Stomata on lehtede põhjas, päikese poole suunatud, et minimeerida veekadu. Stomaati ümbritsevad väikesed kaitserakud kontrollivad nende suu sarnaste avade avanemist ja sulgemist turses või kokkutõmbumisel vastusena atmosfääri veekogusele. Kui stomata sulgub, ei saa fotosünteesi toimuda, kuna taim ei saa süsihappegaasi sisse võtta. See põhjustab taime süsinikdioksiidi taseme langust. Kui päevavalgustund on liiga kuum ja kuiv, sulgeb stroom niiskuse säilitamiseks.
Taimelehtede raku tasandil organellidena või struktuuridena on kloroplastidel välimine ja sisemine membraan, mis neid ümbritseb. Nende membraanide sees on vaagenkujulised struktuurid, mida nimetatakse tülakoidideks. Tülakoidne membraan hoiab taimi ja puid klorofülli, rohelist pigmenti, mis vastutab päikese valgusenergia neeldumise eest. See on koht, kus toimuvad esialgsed valgust sõltuvad reaktsioonid, kus arvukad valgud moodustavad transpordiahela, et viia päikeselt tõmmatud energiat sinna, kuhu see taime sees vaja läheb.
Päikesest saadav energia: fotosünteesi etapid
Fotosünteesi protsess on kaheastmeline, mitmeastmeline. Fotosünteesi esimene etapp algab Valgusreaktsioonid, tuntud ka kui Valgusõltuv protsess ja nõuab päikeselt energiat. Teine etapp, Tume reaktsioon lava, mida nimetatakse ka Calvini tsükkel, on protsess, mille käigus taim teeb NADPH ja ATP abil suhkrut kerge reageerimise etapis.
Kerge reaktsioon fotosünteesi faas hõlmab järgmisi etappe:
Kõik see toimub rakutasandil taimede tülakoidide sees, üksikute lapikute kottidena, mis on paigutatud granaatidesse või virnadesse taime- või puurakkude kloroplastides.
Calvini tsükkel, nimetatud Berkeley biokeemiku Melvin Calvini (1911–1997) jaoks, kes sai 1961. aastal Nobeli keemiapreemia pimeda reaktsiooni staadiumi avastamise eest, on protsess, mille käigus taim teeb NADPH ja ATP abil suhkrut kerge reaktsiooni etapis. Calvin-tsükli ajal toimuvad järgmised sammud:
Klorofüll, valguse neeldumine ja energia loomine
Tülakoidaalmembraanis on kaks valgust hõivavat süsteemi: fotosüsteem I ja fotosüsteem II, mis koosneb mitmest antennitaolisest valgust, kus taimede lehed muudavad valguse energia keemiliseks energiaks. I fotosüsteem I varustab madala energiatarbega elektronkandjaid, teine aga energiat vajavaid molekule, kuhu nad vajavad.
Klorofüll on taimede ja puude lehtedes sisalduv valgust neelav pigment, mis alustab fotosünteesi protsessi. Kloroplasti tülakoidi orgaanilise pigmendina neelab klorofüll energiat ainult päikese poolt toodetud elektromagnetilise spektri kitsas ribas lainepikkuse vahemikus 700 nanomeetrit (nm) kuni 400 nm. Fotosünteetiliselt aktiivseks kiirgusribaks nimetatakse rohelist nähtava valguse spektri keskele, eraldades madalamat energiat, kuid pikema lainepikkusega punased, kollased ja oranžid kõrge energiaga, lühema lainepikkusega, bluesid, indigoidid ja violetsed.
Nagu klorofüllid imenduvad üksik footon või eristuv pakendis kerget energiat, põhjustab see nende molekulide erutust. Kui taimemolekul erutub, hõlmavad ülejäänud protsessi etapid selle erutatud molekuli energiakandja kaudu nikotiinamiidadeniini dinukleotiidfosfaadi või NADPH kaudu energiatranspordisüsteemi jõudmist fotosünteesi teise etappi ehk tumeda reaktsiooni faasi. või Calvini tsükkel.
Pärast sisenemist elektronide transpordiahel, protsess eraldab vesinikuioonid sissevõetud veest ja toimetab selle tülakoidi siseossa, kus need vesinikioonid kogunevad. Ioonid läbivad poolpoorset membraani strooma küljest tülakoidi luumenisse, kaotades protsessi käigus osa energiast, liikudes läbi kahe fotosüsteemi vahel paiknevate valkude. Vesinikuioonid kogunevad tülakoidi luumenisse, kus nad ootavad taasenergiat, enne kui osalevad protsessis, mis muudab raku energiavaluutaks adenosiintrifosfaadi või ATP.
Fotosüsteemi 1 antenni valgud neelavad teise footoni, edastades selle PS1 reaktsioonikeskusesse nimega P700. Oksüdeeritud kese eraldab P700 suure energiatarbega elektroni nikotiini amiid-dinukleotiidfosfaadiks ehk NADP + ja redutseerib selle NADPH ja ATP moodustamiseks. See on koht, kus taimerakk muundab valgusenergia keemiliseks energiaks.
Kloroplast koordineerib fotosünteesi kahte etappi, kasutades suhkru valmistamiseks valgusenergiat. Kloroplasti sees olevad tülakoidid tähistavad valguse reaktsioonide saite, Calvos-tsükkel aga stroomas.
Fotosüntees ja rakuhingamine
Rakkude hingamine, mis on seotud fotosünteesi protsessiga, toimub taimerakus, kuna see võtab endasse valgusenergia, muudab selle keemiliseks energiaks ja eraldab hapniku tagasi atmosfääri. Hingamine toimub taimerakus, kui fotosünteesi käigus toodetud suhkrud raku energia tootmiseks kombineeruvad hapnikuga, moodustades hingamise kõrvalsaadustena süsinikdioksiidi ja vee. Hingamise lihtne võrrand on fotosünteesi vastand: glükoos + hapnik = energia + süsinikdioksiid + valguse energia.
Rakuline hingamine toimub kõigis taimedes elavates rakkudes, mitte ainult lehtedes, vaid ka taime või puu juurtes. Kuna rakuline hingamine ei vaja kerget energiat, võib see toimuda nii päeval kui öösel. Kuid halva drenaažiga muldade taimede ülevedamine põhjustab probleeme rakkude hingamisel, kuna üleujutatud taimed ei suuda juurte kaudu piisavalt hapnikku sisse võtta ja glükoosi muundada, et säilitada rakkude ainevahetusprotsesse. Kui taim võtab liiga kaua vett liiga palju vett, võivad selle juured hapnikuta jääda, mis võib sisuliselt peatada rakkude hingamise ja taime tappa.
Globaalne soojenemine ja fotosünteesi reaktsioon
California ülikooli Mercedese ülikooli professor Elliott Campbell ja tema teadlaste meeskond märkisid 2017. aasta aprilli artiklis rahvusvahelises teadusajakirjas "Nature", et fotosünteesi protsess suurenes järsult 20. sajandi jooksul. Uurimisrühm avastas kahesaja aasta pikkuse fotosünteesi protsessi ülemaailmse rekordi.
See viis nende järelduseni, et kõigi taimede fotosünteesi kogu planeedil kasvas nende uuritud aastate jooksul 30 protsenti. Kuigi uurimistöös ei tuvastatud konkreetselt fotosünteesi protsendi üleilmset põhjust, soovitavad meeskondade arvutimudelid kombineeritult mitmeid protsesse, mis võivad põhjustada taimede kasvu nii suurt kasvu kogu maailmas.
Mudelid näitasid, et suurenenud fotosünteesi peamisteks põhjusteks on atmosfääri suurenenud süsinikdioksiidi heitkogused (peamiselt inimtegevuse tõttu), pikemate kasvuperioodide tõttu nende heitkoguste tõttu ilmnenud globaalne soojenemine ning massilise põllumajanduse ja fossiilkütuste põletamise põhjustatud suurenenud lämmastikusaaste. Nende tulemusteni viinud inimtegevusel on planeedile nii positiivne kui ka negatiivne mõju.
Professor Campbell märkis, et kuigi suurenenud süsihappegaasi emissioon stimuleerib saagikust, stimuleerib see ka soovimatute umbrohtude ja invasiivsete liikide kasvu. Ta märkis, et suurenenud süsinikdioksiidi heitkogused põhjustavad otseselt kliimamuutusi, põhjustades suuremat üleujutust rannikualadel, äärmuslikke ilmastikuolusid ja ookeanide hapestumise suurenemist, mis kõik mõjutavad kogu maailmas.
Kuigi fotosüntees 20. sajandil suurenes, pani see taimi ka kogu maailmas ökosüsteemides rohkem süsinikku ladustama, mille tagajärjel neist said süsiniku neeldajate asemel süsiniku allikad. Isegi fotosünteesi suurenemisega ei saa kasv kompenseerida fossiilkütuste põlemist, kuna fossiilkütuste põlemisel tekkivad süsinikdioksiidi heitkogused mõjutavad taimede süsinikdioksiidi omastamise võimet.
Teadlased analüüsisid järelduste väljatöötamiseks Antarktika lume andmeid, mille on kogunud Riiklik Ookeani- ja Atmosfäärivalitsus. Uurides jääproovides säilitatavat gaasi, vaatasid teadlased läbi mineviku globaalse atmosfääri.