Razumevanje pomena in vloge kloroplastov, klorofila, grane, tilakoidnih membran in strome pri fotosintezi Lokacija, pomen in mehanizmi fotosinteze. Preučite vloge kloroplastov, klorofila, grane, tilakoidnih membran in strome pri fotosintezi. Enciklopedija Britannica, Inc. Oglejte si vse videoposnetke za ta članek
fotosinteza , postopek, po katerem zeleno rastlin in nekateri drugi organizmi pretvarjajo svetlobno energijo v kemično energijo. Med fotosintezo v zelenih rastlinah se svetloba zajame in uporabi za pretvorbo vode , ogljikov dioksid in minerale v kisik in energijsko bogato organsko snov spojine .
fotosinteza Diagram fotosinteze prikazuje, kako rastlina absorbira vodo, svetlobo in ogljikov dioksid, da proizvaja kisik, sladkorje in več ogljikovega dioksida. Enciklopedija Britannica, Inc.
Najpomembnejša vprašanjaFotosinteza je ključnega pomena za obstoj velike večine življenja na Zemlji. To je način, na katerega je skoraj vsa energija v biosferi na voljo živim bitjem. Fotosintetski organizmi kot primarni proizvajalci tvorijo osnovo prehranjevalnih mrež na Zemlji in jih neposredno ali posredno porabijo vse višje življenjske oblike. Poleg tega je skoraj ves kisik v ozračju posledica procesa fotosinteze. Če bi fotosinteza prenehala, bi kmalu na Zemlji ostalo malo hrane ali drugih organskih snovi, večina organizmov bi izginila in Zemljina atmosfera bi sčasoma postala skoraj brez plinskega kisika.
Proces fotosinteze je običajno zapisan kot: 6COdva+ 6HdvaO → C6.H12.ALI6.+ 6Odva. To pomeni, da se reaktanti, šest molekul ogljikovega dioksida in šest molekul vode, s svetlobno energijo, ki jo zajame klorofil (označena s puščico), pretvorijo v molekulo sladkorja in šest molekul kisika, produktov. Sladkor uporablja organizem, kisik pa se sprošča kot stranski produkt.
Sposobnost fotosinteze najdemo pri obeh evkariontski in prokariontskih organizmov. Najbolj znani primeri so rastline, saj vse razen zelo redkih parazitskih ali mikoheterotrofnih vrst vsebujejo klorofil in proizvajajo lastno hrano. Alge so druga prevladujoča skupina evkariontskih fotosintetskih organizmov. Vse alge, ki vključujejo masivne kelpe in mikroskopske diatome, so pomembne primarne proizvajalke. Cianobakterije nekatere žveplove bakterije pa so fotosintetični prokarionti, pri katerih se je razvila fotosinteza. Nobena žival naj ne bi bila neodvisno sposobna fotosinteze, čeprav lahko smaragdno zeleni morski polž začasno vključi kloroplaste alg v svoje telo za proizvodnjo hrane.
Eukarioti Več o evkariontih. Prokarioti Več o prokariontih.Nemogoče bi bilo preceniti pomen fotosinteze pri vzdrževanju življenja na Zemlji. Če bi fotosinteza prenehala, bi bilo na Zemlji kmalu malo hrane ali drugih organskih snovi. Večina organizmov bi izginila in sčasoma bi Zemljina atmosfera postala skoraj brez plinastega kisika. Edini organizmi, ki bi lahko obstajali v takšnih pogojih, bi bile kemosintetske bakterije, ki lahko izkoristijo kemično energijo nekaterih anorganskih spojin in zato niso odvisne od pretvorbe svetlobne energije.
Za fosilna goriva je odgovorna energija, ki jo proizvajajo fotosinteza v rastlinah pred milijoni let (tj. Premog, olje in plin), ki poganja industrijsko družbo. V preteklih obdobjih so se zelene rastline in majhni organizmi, ki so se hranili z rastlinami, povečali hitreje, kot so jih zaužili, njihovi ostanki pa so bili usedlani in drugi geološki procesi odloženi v zemeljski skorji. Tam, zaščiten pred oksidacija so bili ti organski ostanki počasi pretvorjeni v fosilna goriva. Ta goriva ne zagotavljajo le veliko energije, ki se uporablja v tovarnah, domovih in transportu, temveč služijo tudi kot surovina za plastiko in druge materiale. sintetični izdelkov. Na žalost sodobna civilizacija v nekaj stoletjih porablja presežek fotosintetske produkcije, nakopičene v milijonih let. Posledično se ogljikov dioksid, ki je bil odstranjen iz zraka za tvorbo ogljikovih hidratov v fotosintezi v milijonih letih, vrača z neverjetno hitrostjo. Koncentracija ogljikovega dioksida v zemeljski atmosferi narašča najhitreje doslej v zgodovini Zemlje in ta pojav naj bi imel velike posledice posledice na Zemlji podnebje .
Zahteve po hrani, materialih in energiji v svetu, kjer človek prebivalstvo hitro narašča, so ustvarili potrebo po povečanju količine fotosinteze in učinkovitost pretvorbe fotosintetskih izdelkov v izdelke, ki so koristni ljudem. En odgovor na te potrebe - tako imenovani Zelena revolucija , ki se je začelo sredi 20. stoletja - je z uporabo kemičnih gnojil, zatiranjem škodljivcev in rastlinskih bolezni, vzrejo rastlin in mehanizirano obdelavo, spravilom in predelavo pridelkov doseglo ogromne izboljšave v kmetijskem pridelku. Ta prizadevanja so hudo lakoto kljub hitri rasti prebivalstva omejila na nekaj območij sveta, vendar niso odpravila razširjene podhranjenosti. Poleg tega se je v začetku devetdesetih let prejšnjega stoletja stopnja povečevanja pridelkov glavnih pridelkov začela zmanjševati. To je še posebej veljalo za riž v Aziji. Naraščajoči stroški, povezani z ohranjanjem visokih stopenj kmetijske proizvodnje, ki so zahtevale vedno večje količine gnojil in pesticidov ter nenehen razvoj novih rastlinskih sort, so postali problematični tudi za kmete v mnogih državah.
Druga kmetijska revolucija, ki temelji na rastlinah genski inženiring napovedoval, da bo povzročil povečanje produktivnosti rastlin in s tem delno ublažiti podhranjenost. Od sedemdesetih let imajo molekularni biologi sredstva za spreminjanje genskega materiala rastline (deoksiribonukleinska kislina ali DNA) z namenom doseči izboljšanje odpornosti proti boleznim in suši, donosa in kakovosti izdelkov, odpornosti proti zmrzali in drugih zaželenih lastnosti. Vendar so takšne lastnosti same po sebi zapletene in postopek spreminjanja rastlin s pomočjo genskega inženiringa se je izkazal za bolj zapletenega, kot so predvidevali. V prihodnosti bi takšen genski inženiring lahko izboljšal postopek fotosinteze, vendar v prvih desetletjih 21. stoletja še ni dokazal, da bi lahko dramatično povečal pridelek.
Drugo zanimivo področje pri preučevanju fotosinteze je odkritje, da nekatere živali lahko pretvorijo svetlobno energijo v kemično energijo. Smaragdno zeleni morski polž ( Elysia chlorotica ) na primer pridobi gene in kloroplaste od Vauchena prodnata , an alga porabi, kar mu daje omejeno sposobnost tvorjenja klorofila. Ko je dovolj kloroplastov asimilirano , polž lahko opusti zaužitje hrane. Grahova uš ( Acyrthosiphon pisum ) lahko izkoristi svetlobo za izdelavo energetsko bogatih spojina adenozin trifosfat (ATP); ta sposobnost je bila povezana s proizvodnjo karotenoidnih pigmentov iz uši.
Študij fotosinteze se je začel leta 1771 z opazovanji angleškega duhovnika in znanstvenika Josepha Priestleyja. Priestley je v zaprti posodi zažgal svečo, dokler zrak v posodi ni mogel več podpirati zgorevanje . Nato je dal vejico kot rastlino v posodi in odkril, da je kovnica po nekaj dneh proizvedla nekaj snovi (pozneje prepoznane kot kisik), ki je omogočila, da zaprti zrak spet podpira izgorevanje. Leta 1779 je nizozemski zdravnik Jan Ingenhousz razširil Priestleyjevo delo in pokazal, da je treba rastlino izpostaviti svetlobi, če je treba obnoviti gorljivo snov (tj. Kisik). Pokazal je tudi, da ta postopek zahteva prisotnost zelenih tkiv rastline.
Leta 1782 je bilo dokazano, da plin, ki podpira izgorevanje (kisik), nastaja na račun drugega plina ali fiksnega zraka, ki je bilo leto prej opredeljeno kot ogljikov dioksid. Poskusi izmenjave plinov leta 1804 so pokazali, da je povečanje teže rastline, vzgojene v skrbno stehtanem loncu, posledica absorpcije ogljika, ki je v celoti prišel iz absorbiranega ogljikovega dioksida, in vode, ki jo zavzamejo rastlinske korenine; ravnotežje je kisik, ki se sprosti nazaj v ozračje. Minilo je skoraj pol stoletja, preden se je koncept kemične energije razvil dovolj, da je omogočil odkritje (leta 1845), da se svetlobna energija iz sonca shranjuje kot kemična energija v izdelkih, ki nastanejo med fotosintezo.
kolikšna je največja hitrost človeka
V kemičnem smislu je fotosinteza svetlobna oksidacijsko-redukcijski postopek . (Oksidacija se nanaša na odstranjevanje elektronov iz molekule; redukcija se nanaša na pridobivanje elektronov z molekulo.) Pri fotosintezi rastlin se energija svetlobe uporablja za spodbujanje oksidacije vode (HdvaO), ki proizvaja kisikov plin (Odva), vodikovi ioni (H+) in elektroni. Večina odstranjenih elektronov in vodikovih ionov se na koncu prenese v ogljikov dioksid (COdva), ki se zmanjša na ekološke izdelke. Drugi elektroni in vodikovi ioni se uporabljajo za redukcijo nitratov in sulfatov v amino in sulfhidrilne skupine v aminokislinah, ki so gradniki beljakovin. V večini zelenih celic ogljikovi hidrati - zlasti škrob in sladkor saharoza - so glavni neposredni organski produkti fotosinteze. Celotna reakcija, v kateri ogljikovi hidrati - predstavljeni s splošno formulo (CHdvaO) - nastanejo med fotosintezo rastlin, ki jih lahko označimo z naslednjo enačbo:
Ta enačba je zgolj povzetek, kajti postopek fotosinteze dejansko vključuje številne reakcije, ki jih katalizirajo encimi (organski katalizatorji). Te reakcije potekajo v dveh fazah: svetlobna stopnja, sestavljena iz fotokemičnih (tj. Reakcij, ki zajemajo svetlobo); in temna stopnja, ki obsega kemijske reakcije, ki jih nadzirajo encimi. V prvi fazi se svetlobna energija absorbira in uporablja za pogon niza prenosov elektronov, kar ima za posledico sintezo ATP in nikotinom adenin dinukleotid fosfat (NADPH) z zmanjšanim donorjem elektronov. V temni fazi se ATP in NADPH, ki nastaneta v reakcijah zajemanja svetlobe, uporabljata za zmanjšanje ogljikovega dioksida v organske ogljikove spojine. Ta asimilacija anorganskega ogljika v organske spojine se imenuje fiksacija ogljika.
V 20. stoletju so primerjave med fotosintetskimi procesi v zelenih rastlinah in nekaterimi fotosintetskimi žveplenimi bakterijami dale pomembne informacije o fotosintetskem mehanizmu. Žveplove bakterije uporabljajo vodikov sulfid (HdvaS) kot vir atomov vodika in med fotosintezo namesto kisika proizvaja žveplo. Splošna reakcija je
V tridesetih letih je nizozemski biolog Cornelis van Niel spoznal, da je bila uporaba ogljikovega dioksida za tvorbo organskih spojin podobna pri dveh vrstah fotosintetskih organizmov. Predlagal je, da obstajajo razlike v svetlobno odvisni fazi in v naravi spojin, ki se uporabljajo kot vir atomov vodika, in predlagal, da se vodik iz vodikovega sulfida (v bakterijah) ali vode (v zelenih rastlinah) prenese na neznanega akceptorja ( imenovan A), ki se je znižal na HdvaA. Med temnimi reakcijami, ki so podobne tako pri bakterijah kot pri zelenih rastlinah, se zmanjšani akceptor (HdvaA) reagira z ogljikovim dioksidom (COdva), da tvori ogljikove hidrate (CHdvaO) in oksidira neznanega akceptorja v A. To domnevni reakcijo lahko predstavimo kot:
Van Niel-ov predlog je bil pomemben, ker je bila priljubljena (vendar napačna) teorija, da se iz ogljikovega dioksida odstranjuje kisik (namesto vodika iz vode, ki sprošča kisik) in da se ogljik nato kombinira z vodo in tvori ogljikove hidrate (namesto vodika iz vode, ki se s COdvada nastane CHdvaALI).
Do leta 1940 so kemiki uporabljali težke izotope za spremljanje reakcij fotosinteze. Voda, označena z izotopom kisika (18.O) je bil uporabljen v zgodnjih poskusih. Rastline, ki so fotosintezirale v prisotnosti vode, ki vsebuje Hdva18.O proizvaja kisik, ki vsebuje plin18.O; tisti, ki so fotosintetizirali v prisotnosti običajne vode, so proizvedli običajen plin v kisiku. Ti rezultati so dokončno podprli van Nielovo teorijo, da plin, ki nastaja med fotosintezo, izvira iz vode.
