Ymmärrä kloroplastien, klorofyllin, granan, tylakoidikalvojen ja stroman merkitys ja rooli fotosynteesissä. Fotosynteesin sijainti, merkitys ja mekanismit. Tutki kloroplastien, klorofyllin, granan, tylakoidikalvojen ja stroman rooleja fotosynteesissä. Encyclopædia Britannica, Inc. Katso kaikki tämän artikkelin videot
fotosynteesi , prosessi, jolla vihreä kasveja ja tietyt muut organismit muuttavat valoenergian kemialliseksi energiaksi. Vihreiden kasvien fotosynteesin aikana valoenergia siepataan ja käytetään muuntamiseen vettä , hiilidioksidi ja mineraalit hapeksi ja energiapitoiseksi orgaaniseksi yhdisteet .
fotosynteesi Kaavio fotosynteesistä osoittaa, kuinka kasvi, vesi, valo ja hiilidioksidi imevät happea, sokereita ja enemmän hiilidioksidia. Encyclopædia Britannica, Inc.
Fotosynteesi on kriittinen valtaosan elämästä maapallolla. Se on tapa, jolla käytännöllisesti katsoen kaikki biosfäärin energia tulee elävien olentojen saataville. Alkutuottajina fotosynteettiset organismit muodostavat maapallon ravintoverkkojen perustan, ja kaikki korkeammat elämänmuodot kuluttavat niitä suoraan tai epäsuorasti. Lisäksi melkein kaikki ilmakehän happi johtuu fotosynteesiprosessista. Jos fotosynteesi loppuu, maapallolla olisi pian vähän ruokaa tai muuta orgaanista ainetta, suurin osa organismeista katoaisi ja maapallon ilmakehästä lopulta puuttuisi lähes kaasumaista happea.
Fotosynteesin prosessi kirjoitetaan yleisesti seuraavasti: 6COkaksi+ 6HkaksiO → C6H12TAI6+ 6Okaksi. Tämä tarkoittaa, että reagoivat aineet, kuusi hiilidioksidimolekyyliä ja kuusi vesimolekyyliä, muutetaan klorofyllin sieppaaman valoenergian avulla (nuolen osoittama) sokerimolekyyliksi ja kuudeksi happimolekyyliksi, tuotteeksi. Organismi käyttää sokeria ja happi vapautuu sivutuotteena.
Kyky syntetisoida löytyy molemmista eukaryoottinen ja prokaryoottiset organismit. Tunnetuimpia esimerkkejä ovat kasvit, koska kaikki paitsi hyvin harvat lois- tai mykoheterotrofiset lajit sisältävät klorofylliä ja tuottavat omaa ruokaa. Levät ovat toinen hallitseva eukaryoottisten fotosynteettisten organismien ryhmä. Kaikki levät, joihin kuuluu massiivinen rakkolevä ja mikroskooppiset piilevät, ovat tärkeitä alkutuottajia. Syanobakteerit ja tietyt rikkibakteerit ovat fotosynteettisiä prokaryooteja, joissa fotosynteesi kehittyi. Yksikään eläin ei ajatelta itsenäisesti kykenevän fotosynteesiin, vaikka smaragdinvihreä merilintu voi väliaikaisesti sisällyttää levään kloroplasteja kehoonsa elintarviketuotantoon.
Eukaryootti Lisätietoja eukaryooteista. Prokaryootti Lisätietoja prokaryooteista.Olisi mahdotonta yliarvioida fotosynteesin merkitystä maapallon elämän ylläpitämisessä. Jos fotosynteesi loppuu, maapallolla olisi pian vähän ruokaa tai muuta orgaanista ainetta. Suurin osa organismeista katoaa, ja ajan mittaan maapallon ilmakehässä olisi lähes vailla kaasumaista happea. Ainoat organismit, jotka kykenisivät esiintymään tällaisissa olosuhteissa, ovat kemosynteettiset bakteerit, jotka voivat hyödyntää tiettyjen epäorgaanisten yhdisteiden kemiallista energiaa eivätkä siten ole riippuvaisia valoenergian muuntumisesta.
Miljoonia vuosia sitten kasvien suorittaman fotosynteesin tuottama energia on vastuussa fossiilisista polttoaineista (ts. öljy ja kaasu), joka valtaa teollista yhteiskuntaa. Aikaisempina aikoina vihreät kasvit ja pienet organismit, jotka ruokkivat kasveja, lisääntyivät nopeammin kuin niitä kulutettiin, ja niiden jäännökset laskeutuivat maan kuoreen sedimentaation ja muiden geologisten prosessien avulla. Siellä suojattuna hapettuminen , nämä orgaaniset jäännökset muutettiin hitaasti fossiilisiksi polttoaineiksi. Nämä polttoaineet tarjoavat paitsi suuren osan tehtaissa, kodeissa ja kuljetuksissa käytetystä energiasta myös toimivat muovien ja muiden materiaalien raaka-aineena synteettinen Tuotteet. Valitettavasti moderni sivilisaatio kuluttaa muutamassa vuosisadassa miljoonien vuosien aikana kertyneen ylimääräisen fotosynteettisen tuotannon. Tästä syystä hiilidioksidi, joka on poistettu ilmasta hiilihydraattien valmistamiseksi fotosynteesissä miljoonien vuosien ajan, palautuu uskomattoman nopeasti. Hiilidioksidipitoisuus maapallon ilmakehässä nousee nopeimmin kuin koskaan aiemmin maapallon historiassa, ja tämän ilmiön odotetaan olevan merkittävä vaikutuksia maan päällä ilmasto .
Elintarvikkeita, materiaaleja ja energiaa koskevat vaatimukset maailmassa, jossa ihmisen väestö kasvaa nopeasti, ovat aiheuttaneet tarpeen lisätä sekä fotosynteesin että tehokkuus muuntaa fotosynteettinen tuotos ihmisille hyödyllisiksi tuotteiksi. Yksi vastaus näihin tarpeisiin - ns Vihreä vallankumous , joka aloitettiin 1900-luvun puolivälissä - saavutti valtavia parannuksia maataloustuotannossa käyttämällä kemiallisia lannoitteita, tuholaisten ja kasvitautien torjuntaa, kasvinjalostusta ja koneellista maanmuokkausta, sadonkorjuuta ja sadonkäsittelyä. Tämä ponnistelu rajoitti vakavat nälänhädät muutamille alueille maailmassa väestön nopeasta kasvusta huolimatta, mutta se ei poistanut yleistä aliravitsemusta. Lisäksi 1990-luvun alusta alkaen tärkeimpien viljelykasvien satojen nousu alkoi laskea. Tämä pätee erityisesti Aasian riisiin. Maataloustuotannon korkean tason ylläpitoon liittyvät nousevat kustannukset, jotka vaativat jatkuvasti kasvavia lannoitteita ja torjunta-aineita sekä uusien kasvilajikkeiden jatkuvaa kehittämistä, ovat myös ongelmallisia viljelijöille monissa maissa.
Toinen maatalouden vallankumous, joka perustuu kasveihin geenitekniikka , ennustettiin lisäävän kasvien tuottavuutta ja siten osittain lievittää aliravitsemus. 1970-luvulta lähtien molekyylibiologeilla on ollut keinot muuttaa kasvin geneettistä materiaalia (deoksiribonukleiinihappo tai DNA) tavoitteenaan parannuksia tautien ja kuivuuden vastustuskyvyssä, tuotteiden saannossa ja laadussa, pakkasenkestävyydessä ja muissa toivottavissa ominaisuuksissa. Tällaiset piirteet ovat kuitenkin luonnostaan monimutkaisia, ja prosessi viljelykasvien muuttamiseksi geenitekniikan avulla on osoittautunut odotettua monimutkaisemmaksi. Tulevaisuudessa tällainen geenitekniikka voi johtaa parannuksiin fotosynteesiprosessissa, mutta 2000-luvun ensimmäisiin vuosikymmeniin mennessä sen ei vielä ollut osoitettava, että se voisi lisätä dramaattisesti sadon satoa.
Toinen kiehtova alue fotosynteesin tutkimuksessa on ollut havainto, että tietyt eläimet pystyvät muuttamaan valoenergian kemialliseksi energiaksi. Emerald green sea etana ( Elysia chlorotica ) hankkii esimerkiksi geenejä ja kloroplasteja Vauchena sorainen , an levä se kuluttaa, mikä antaa sille rajoitetun kyvyn tuottaa klorofylliä. Kun riittävästi kloroplasteja on rinnastettu , etana voi luopua ruoan nauttimisesta. Herne-kirva ( Acyrthosiphon pisum ) voi hyödyntää valoa energiarikkaan valmistamiseksi yhdiste adenosiinitrifosfaatti (ATP); tämä kyky on yhdistetty kirvojen karotenoidipigmenttien valmistukseen.
Fotosynteesin tutkimus aloitettiin vuonna 1771 englantilaisen papin ja tiedemiehen Joseph Priestleyn tekemillä havainnoilla. Priestley oli polttanut kynttilän suljetussa astiassa, kunnes säiliön sisällä oleva ilma ei enää pystynyt tukemaan palaminen . Sitten hän asetti oksan kuten kasvin säiliöön ja huomasi, että useiden päivien kuluttua rahapaja oli tuottanut ainetta (myöhemmin tunnistettu hapeksi), joka mahdollisti suljetun ilman jälleen tukemaan palamista. Vuonna 1779 hollantilainen lääkäri Jan Ingenhousz laajensi Priestleyn työtä ja osoitti, että kasvi oli altistettava valolle, jos palava aine (eli happi) oli tarkoitus palauttaa. Hän osoitti myös, että tämä prosessi vaati kasvien vihreiden kudosten läsnäoloa.
Vuonna 1782 osoitettiin, että palamista tukeva kaasu (happi) muodostui toisen edellisenä vuonna tunnistetun kaasun eli kiinteän ilman kustannuksella. Kaasunvaihtokokeet vuonna 1804 osoittivat, että huolellisesti punnitussa potissa kasvatetun kasvin painonnousu johtui hiilen imeytymisestä, joka tuli kokonaan absorboituneesta hiilidioksidista, ja kasvin juurien ottamasta vedestä; tasapaino on happea, joka vapautuu takaisin ilmakehään. Lähes puoli vuosisataa on kulunut, ennen kuin kemiallisen energian käsite oli kehittynyt riittävästi, jotta löydettäisiin (vuonna 1845), että auringon valoenergia varastoituu kemiallisena energiana fotosynteesin aikana muodostuneisiin tuotteisiin.
mikä on ihmisen huippunopeus
Kemiallisesti fotosynteesi on valovoimaista hapetus-pelkistysprosessi . (Hapetus viittaa elektronien poistumiseen molekyylistä; pelkistys viittaa elektronien vahvistumiseen molekyylillä.) Kasvien fotosynteesissä valon energiaa käytetään veden hapettumisen (HkaksiO), tuottaa happikaasua (Okaksi), vetyionit (H+) ja elektronit. Suurin osa poistetuista elektroneista ja vetyioneista siirtyy lopulta hiilidioksidiin (COkaksi), joka supistetaan luonnonmukaisiksi tuotteiksi. Muita elektroneja ja vetyioneja käytetään pelkistämään nitraatti ja sulfaatti amino- ja sulfhydryyliryhmiksi aminohapoissa, jotka ovat proteiinien rakennuspalikoita. Useimmissa vihreissä soluissa hiilihydraatit - erityisesti tärkkelys ja sokeria sakkaroosi - ovat tärkeimmät suorat orgaaniset tuotteet fotosynteesissä. Kokonaisreaktio, jossa hiilihydraatit - yleisen kaavan (CHkaksiO) - muodostuvat kasvien fotosynteesin aikana, voidaan osoittaa seuraavalla yhtälöllä:
Tämä yhtälö on vain yhteenveto, sillä fotosynteesiprosessi sisältää itse asiassa lukuisia entsyymien (orgaanisten katalyyttien) katalysoimia reaktioita. Nämä reaktiot tapahtuvat kahdessa vaiheessa: valovaihe, joka koostuu fotokemiallisista (ts. Valoa vangitsevista) reaktioista; ja pimeä vaihe, joka käsittää entsyymien hallitsemat kemialliset reaktiot. Ensimmäisen vaiheen aikana valoenergia absorboituu ja sitä käytetään elektronien siirron sarjan ohjaamiseen, mikä johtaa ATP ja elektronidonorilla pelkistetyn nikotiiniadeniinidinukleotidifosfaatin (NADPH). Pimeässä vaiheessa valoa sieppaavissa reaktioissa muodostuneita ATP: tä ja NADPH: ta käytetään hiilidioksidin pelkistämiseen orgaanisiksi hiiliyhdisteiksi. Tätä epäorgaanisen hiilen assimilaatiota orgaanisiksi yhdisteiksi kutsutaan hiilen kiinnitykseksi.
1900-luvulla vihreiden kasvien fotosynteettisten prosessien ja tiettyjen fotosynteettisten rikkibakteerien vertailut tuottivat tärkeitä tietoja fotosynteesimekanismista. Rikkibakteerit käyttävät rikkivetyä (HkaksiS) vetyatomien lähteenä ja tuottaa rikkiä hapen sijasta fotosynteesin aikana. Kokonaisreaktio on
1930-luvulla hollantilainen biologi Cornelis van Niel tunnusti, että hiilidioksidin käyttö orgaanisten yhdisteiden muodostamiseksi oli samanlainen molemmissa fotosynteettisissä organismeissa. Ehdotti, että valosta riippuvassa vaiheessa ja vetyatomien lähteenä käytettyjen yhdisteiden luonteessa oli eroja, hän ehdotti, että vety siirtyisi rikkivedystä (bakteereissa) tai vedestä (vihreissä kasveissa) tuntemattomaan akseptoriin ( nimeltään A), joka pelkistettiin H: ksikaksiA. Pimeiden reaktioiden aikana, jotka ovat samanlaisia sekä bakteereissa että vihreissä kasveissa, pelkistynyt akseptori (HkaksiA) reagoinut hiilidioksidin (COkaksi) hiilihydraatin (CHkaksiO) ja hapettamaan tuntematon akseptori A: ksi oletettu reaktio voidaan esittää seuraavasti:
Van Nielin ehdotus oli tärkeä, koska suosittu (mutta väärä) teoria oli ollut, että happi poistettiin hiilidioksidista (eikä vedestä vedestä, vapauttaen happea) ja että hiili yhdistettiin sitten veteen hiilihydraatin muodostamiseksi (eikä vedestä peräisin olevan vedyn yhdistämisessä). CO: n kanssakaksimuodostamaan CHkaksiTAI).
Vuoteen 1940 mennessä kemistit käyttivät raskaita isotooppeja seuraamaan fotosynteesin reaktioita. Hapen isotoopilla merkitty vesi (18O) käytettiin varhaisissa kokeissa. Kasvit, jotka fotosynteesivät H: tä sisältävän veden läsnä ollessakaksi18O tuotti happekaasua, joka sisältää18O; ne, jotka fotosynteesivät normaalin veden läsnä ollessa, tuottivat normaalia happikaasua. Nämä tulokset tukivat lopullisesti van Nielin teoriaa, jonka mukaan fotosynteesin aikana tuotettu happikaasu on peräisin vedestä.
