Vad är fotosyntes? Så omvandlas ljus till socker, energi och syre

Fotosyntesen är ingen tillfällighet. Den sker eftersom dess byggstenar finns naturligt i rymden och inkluderas när planeter bildas. Vi har ingen aning om hur vanlig eller sällsynt denna process är. Vi vet att högre grundämnen bildas i supernovor, och det är ursprunget till alla grundämnen högre än helium. De högre grundämnen som hittades i Halleys komet har analyserats.

Innan fotosyntesen fanns det nästan inget syre i jordens atmosfär. Även utan syre kunde vissa enkla livsformer ha existerat. Men den avgörande händelsen för livet som vi känner det var den stora syretillförseln.

Sätt att göra det på

Fotosyntesen kan ske på olika sätt, men vissa delar är gemensamma.

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

koldioxid + vatten + ljusenergi → glukos + syre

Koldioxid kommer in i bladet genom klyvöppningarna genom diffusion från atmosfären.

Vatten tas upp från jorden av rotcellerna, som har en ökad yta som är anpassad för att ta upp vatten.

Fotosyntesen sker i kloroplasterna i bladen (eller andra gröna vävnader). De innehåller klorofyll, det gröna pigmentet som absorberar ljusenergi. I bladen har palisadcellerna kloroplaster som fångar upp ljuset.

Syre produceras genom fotosyntesen och släpps ut i atmosfären genom andning. Allt syre i atmosfären har sitt ursprung i växter (inklusive de mikroorganismer som utför fotosyntes).

Glukos används i andningen (för att frigöra energi i cellerna). Det lagras i form av stärkelse (som omvandlas tillbaka till glukos för andning i mörkret). Glukos kan också omvandlas till andra föreningar för tillväxt och reproduktion, t.ex. cellulosa, nektar, fruktos, aminosyror och fetter.

Fotosyntesen består av två huvudsakliga reaktioner (faser). Ljusberoende reaktioner som behöver ljus för att fungera, och ljusoberoende reaktioner som inte behöver ljus för att fungera.

Ljusberoende fas

Ljusenergi från solen används för att dela upp vattenmolekyler (fotolys). Solljuset träffar kloroplasterna i växten. Detta får ett enzym att dela upp vattnet. När vattnet delas ger det syre, väte och elektroner.

Väte, tillsammans med elektroner som får energi från ljuset, omvandlar NADP till NADPH som sedan används i de ljusoberoende reaktionerna. Syregas diffunderar ut ur växten som en avfallsprodukt från fotosyntesen, och ATP syntetiseras från ADP och oorganisk fosfat. Allt detta sker i kloroplasternas grana.

Mörk fas

Under denna reaktion byggs socker upp med hjälp av koldioxid och produkter från ljusberoende reaktioner (ATP och NADPH) och olika andra kemikalier som finns i växten i Calvincykeln. Den ljusoberoende reaktionen kan därför inte ske utan den ljusberoende reaktionen. Koldioxid diffunderar in i växten och tillsammans med kemikalier i kloroplasten, ATP och NADPH tillverkas glukos som slutligen transporteras runt i växten genom translokation.

Det finns tre huvudfaktorer som påverkar fotosyntesen:

• Ljusintensitet
• Koldioxidkoncentration
• Temperatur

Ljusintensitet

Om det är lite ljus som lyser på en växt kommer de ljusberoende reaktionerna inte att fungera effektivt. Detta innebär att fotolysen (nedbrytning av vatten med hjälp av ljus) inte kommer att ske snabbt, och därför kommer det att bildas lite NADPH och ATP. Denna brist på NADPH och ATP kommer att leda till att de ljusoberoende reaktionerna inte fungerar eftersom NADPH och ATP behövs för att de ljusoberoende reaktionerna ska fungera.

Det är lätt att undersöka vilken ljusintensitet som krävs för en vattenväxt som t.ex. dammalger. De syrebubblor som avges kan räknas eller volymen mätas. Genom att ändra avståndet mellan ljuset och växten kan ljusintensiteten varieras. En förändring av ljusintensiteten kommer att påverka förändringen av fotosynteshastigheten. Konstgjord belysning kan användas i mörker för att maximera fotosyntesen.

Koldioxidnivåer

Koldioxid används i de ljusoberoende reaktionerna. Den kombineras med NADPH och ATP och olika andra kemikalier för att bilda glukos. Om det inte finns tillräckligt med koldioxid kommer därför NADPH och ATP att byggas upp och det kommer inte att bildas tillräckligt med glukos.

Temperatur

Det finns många enzymer som arbetar i fotosyntetiska reaktioner - till exempel enzymet i fotolysen. Alla enzymer fungerar bäst vid sin optimala temperatur. Alla ljusberoende och ljusoberoende reaktioner sker normalt vid genomsnittlig eller optimal temperatur. Tropiska växter har en högre optimal temperatur än växter som är anpassade till tempererade klimat.

När temperaturen är för låg finns det lite kinetisk energi, vilket gör att reaktionshastigheten minskar. Om temperaturen är för hög blir enzymerna denaturerade och katalysen av fotosyntesreaktionen upphör.

Växthus måste hålla en optimal temperatur för att växterna ska fungera normalt.

De första fotosyntetiska organismerna utvecklades förmodligen tidigt i livets historia. De kan ha använt reducerande ämnen som väte eller vätesulfid som elektronkälla i stället för vatten. Cyanobakterier dök upp senare, och det överskott av syre som de producerade orsakade syrekatastrofen. Efter detta var utvecklingen av komplext liv möjlig.

Effektivitet

I dag är den genomsnittliga energifångsten genom fotosyntes globalt sett cirka 130 terawatts. Detta är ungefär sex gånger större än den energi som den mänskliga civilisationen för närvarande använder. Fotosyntetiska organismer omvandlar också omkring 100-115 miljarder miljoner ton kol till biomassa per år.

• Calvincykeln
• Cellulär andning
• Växtfysiologi
• Tryck på rötterna