Fotosinteză | modul în care plantele și unele microorganisme produc carbohidrați

Fotosinteza nu este un accident. Ea se întâmplă pentru că blocurile sale de construcție se găsesc în mod natural în spațiu și sunt incluse atunci când se formează planetele. Nu avem nicio idee despre cât de comun sau rar este acest proces. Știm că elementele superioare se formează în supernove și că aceasta este originea tuturor elementelor superioare heliului. Elementele superioare găsite în cometa Halley au fost analizate.

Înainte de fotosinteză, atmosfera Pământului nu avea aproape deloc oxigen. Chiar și fără oxigen, unele forme de viață simple ar fi putut exista. Dar evenimentul cheie pentru viața așa cum o cunoaștem a fost Marele Eveniment de Oxigenare.

Modalități de realizare

Fotosinteza poate avea loc în diferite moduri, dar există câteva părți comune.

6 CO_2(g) + 6 H₂ O + fotoni → C₆ H₁₂ O _6(aq) + 6 O_2(g)

dioxid de carbon + apă + energie luminoasă → glucoză + oxigen

Dioxidul de carbon pătrunde în frunză prin stomate, prin difuzie din atmosferă.

Apa este absorbită din sol de către celulele capilare ale rădăcinilor, care au o suprafață mai mare adaptată pentru absorbția apei.

Fotosinteza are loc în cloroplastele din frunze (sau din alte țesuturi verzi). Acestea conțin clorofilă, pigmentul verde care absoarbe energia luminoasă. În frunze, celulele palisadei au cloroplaste pentru a capta lumina.

Oxigenul este produs ca rezultat al fotosintezei și eliberat în atmosferă prin respirație. Tot oxigenul din atmosferă își are originea în plante (inclusiv în acele microorganisme care fac fotosinteză).

Glucoza este utilizată în respirație (pentru a elibera energie în celule). Este depozitată sub formă de amidon (care se transformă din nou în glucoză pentru respirație la întuneric). De asemenea, glucoza poate fi transformată în alți compuși pentru creștere și reproducere, cum ar fi celuloza, nectarul, fructoza, aminoacizii și grăsimile.

Fotosinteza are două seturi principale de reacții (faze). Reacții dependente de lumină, care au nevoie de lumină pentru a acționa; și reacții independente de lumină, care nu au nevoie de lumină pentru a acționa.

Faza dependentă de lumină

Energia luminoasă de la soare este folosită pentru a diviza moleculele de apă (fotoliză). Lumina soarelui atinge cloroplastele din plantă. Aceasta determină o enzimă să scindeze apa. Apa, atunci când este divizată, dă oxigen, hidrogen și electroni.

Hidrogenul, împreună cu electronii energizați de lumină, transformă NADP în NADPH, care este apoi utilizat în reacțiile independente de lumină. Oxigenul gazos difuzează în afara plantei ca produs rezidual al fotosintezei, iar ATP este sintetizat din ADP și fosfat anorganic. Toate acestea se întâmplă în granulele cloroplastelor.

Faza întunecată

În timpul acestei reacții, zaharurile sunt acumulate cu ajutorul dioxidului de carbon și a produselor reacțiilor dependente de lumină (ATP și NADPH) și a diferitelor alte substanțe chimice care se găsesc în plantă în ciclul Calvin. Prin urmare, reacția independentă de lumină nu poate avea loc fără reacția dependentă de lumină. Dioxidul de carbon difuzează în plantă și, împreună cu substanțele chimice din cloroplast, ATP și NADPH, se produce glucoza și, în final, este transportată în jurul plantei prin translocație.

Există trei factori principali care afectează fotosinteza:

• Intensitatea luminii
• Concentrația de dioxid de carbon
• Temperatura

Intensitatea luminii

Dacă o plantă este slab luminată, reacțiile dependente de lumină nu vor funcționa eficient. Acest lucru înseamnă că fotoliza (descompunerea apei de către lumină) nu se va produce rapid și, prin urmare, se va produce puțin NADPH și ATP. Această lipsă de NADPH și ATP va duce la nefuncționarea reacțiilor independente de lumină, deoarece NADPH și ATP sunt necesare pentru ca reacțiile independente de lumină să funcționeze.

Intensitatea luminoasă necesară este ușor de analizat la o plantă acvatică precum iarba de baltă. Bulele de oxigen emise pot fi numărate sau volumul poate fi măsurat. Prin modificarea distanței dintre lumină și plantă, intensitatea luminii poate varia. Modificarea intensității luminoase va afecta modificarea ratei de fotosinteză. Pentru a maximiza rata de fotosinteză, se poate folosi iluminarea artificială în întuneric.

Nivelurile de dioxid de carbon

Dioxidul de carbon este utilizat în reacțiile independente de lumină. Acesta se combină cu NADPH și ATP și cu diverse alte substanțe chimice pentru a forma glucoză. Prin urmare, dacă nu există suficient dioxid de carbon, atunci se va produce o acumulare de NADPH și ATP și nu se va forma suficientă glucoză.

Temperatura

Există multe enzime care lucrează în reacțiile fotosintetice - cum ar fi enzima din fotoliză. Toate enzimele funcționează cel mai bine la temperatura lor optimă. Toate reacțiile dependente și independente de lumină vor avea loc în mod normal la temperaturi medii sau optime. Plantele tropicale au o temperatură optimă mai ridicată decât plantele adaptate la climatele temperate.

Atunci când temperaturile sunt prea scăzute, energia cinetică este redusă, astfel încât rata de reacție scade. Dacă temperaturile sunt prea ridicate, enzimele se denaturează, iar cataliza reacției de fotosinteză se oprește.

Serele trebuie să mențină o temperatură optimă pentru funcționarea normală a plantelor.

Primele organisme fotosintetice au evoluat probabil la începutul istoriei vieții. Este posibil ca acestea să fi folosit agenți reducători, cum ar fi hidrogenul sau hidrogenul sulfurat, ca surse de electroni, mai degrabă decât apa. Cianobacteriile au apărut mai târziu, iar excesul de oxigen produs de acestea a provocat catastrofa oxigenului. După aceasta, evoluția vieții complexe a fost posibilă.

Eficacitate

În prezent, rata medie de captare a energiei prin fotosinteză la nivel mondial este de aproximativ 130 terawați. Acest lucru este de aproximativ șase ori mai mare decât puterea actuală utilizată de civilizația umană. De asemenea, organismele fotosintetice convertesc anual aproximativ 100-115 mii de milioane de tone metrice de carbon în biomasă.

• Ciclul Calvin
• Respirația celulară
• Fiziologia plantelor
• Presiunea rădăcinilor