Τι είναι η Φωτοσύνθεση;

Η φωτοσύνθεση είναι η διαδικασία που χρησιμοποιείται από τα φυτά για να μετατρέψουν το ηλιακό φως σε χημική ενέργεια που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να τροφοδοτήσει την ανάπτυξη των φυτών. Η διαδικασία τροφοδοτείται από τον ήλιο και τροφοδοτείται από τους χλωροπλάστες στα φύλλα των φυτών. Η διαδικασία ξεκινά με τη φωτεινή ενέργεια του ήλιου που διασπά τα μόρια του νερού σε οξυγόνο και υδρογόνο. Το οξυγόνο απελευθερώνεται στον αέρα και το υδρογόνο χρησιμοποιείται για τη μετατροπή του διοξειδίου του άνθρακα σε γλυκόζη, η οποία είναι η τροφή του φυτού.

Τα φυτά, όπως κάθε άλλος οργανισμός, χρειάζονται ενέργεια για να ζήσουν, να αναπτυχθούν και να επισκευαστούν. Σε αντίθεση με τα ετερότροφα – ζώα που καταναλώνουν τροφή για να συνθέσουν ενέργεια – φυτά ή αυτότροφα είναι αυτοδύναμοι — μπορούν να φτιάξουν μόνοι τους την τροφή τους, άρα και την ενέργεια τους, χρησιμοποιώντας τους διαθέσιμους πόρους στο περιβάλλον τους. Οι πόροι περιλαμβάνουν το ηλιακό φως, το νερό και το διοξείδιο του άνθρακα, και αυτή η απίστευτη διαδικασία ονομάζεται φωτοσύνθεση.

Η διαδικασία είναι γνωστή ως φωτογραφία σύνθεσης γιατί, ενώ το νερό και το διοξείδιο του άνθρακα είναι τα κύρια συστατικά που απαιτούνται για το μαγείρεμα του φαγητού, το φως είναι αυτό που ανάβει τη σόμπα και το φως του ήλιου είναι το πιο άφθονο φως που φωτίζει τον πλανήτη.

Ένας φωτοσυνθετικός οργανισμός που χρησιμοποιεί την ενέργεια των φωτονίων (φωτογραφία-) , φτιάχνει το δικό του φαγητό (-σύνθεση ).

Το Photosystem

Ένα εργοστάσιο είναι ουσιαστικά ένα υψηλής απόδοσης ηλιακό πάνελ. Είναι γεμάτο με μοριακές δομές που έχουν εξελιχθεί για να απορροφούν και να απορροφούν όσο το δυνατόν περισσότερο ηλιακό φως.

Αυτές οι δομές βρίσκονται σε ξεχωριστά διαμερίσματα του κυττάρου που ονομάζονται χλωροπλάστες. Μέσα στους χλωροπλάστες υπάρχουν μικροί πύργοι δίσκων που ονομάζονται grana, κάθε δίσκος ονομάζεται θυλακοειδής. Στη μεμβράνη ή την επένδυση των θυλακοειδών υπάρχει ένα πυκνό πλέγμα από διάφορα μόρια που απορροφούν το φως, το πιο αξιοσημείωτο από αυτά, η χλωροφύλλη. Οι χρωστικές, όπως όλες οι άλλες χρωστικές, απορροφούν φως ορισμένων μηκών κύματος και αντανακλούν το υπόλοιπο.

Έτσι ακτινοβολούνται οι χρωστικές ή τα χρώματα. Η πλειονότητα των φυτών είναι πράσινα επειδή (η αφθονία της χλωροφύλλης) αντανακλούν μήκη κύματος που συνδέουμε με το πράσινο ενώ απορροφούν μήκη κύματος που εμπίπτουν στις κόκκινες και μπλε ζώνες. Υπάρχουν όμως και άλλες χρωστικές που απορροφούν διαφορετικά μήκη κύματος στο ορατό φάσμα. Τα καροτενοειδή είναι χρωστικές ουσίες που απορροφούν σε μπλε έως πράσινο μήκη κύματος, αντανακλώντας τα πορτοκαλί, κίτρινα και κόκκινα μήκη κύματος.

Αυτός είναι ο λόγος που τα φύλλα παίρνουν αποχρώσεις από πορτοκαλί έως κόκκινο το φθινόπωρο, καθώς αρχίζουν να χάνουν τη χλωροφύλλη τους εκείνη την εποχή του χρόνου. Μερικά φύκια βαθέων υδάτων (rhodophyta) έχουν κόκκινο χρώμα λόγω μιας φωτοσυνθετικής χρωστικής που ονομάζεται φυκοερυθρίνη και φυκοκυανίνη, τα οποία απορροφώνται σε μπλε προς πράσινη περιοχή και αντανακλούν τα πίσω κόκκινα μήκη κύματος.

Μόρια χλωροφύλλης ενσωματωμένα στη θυλακοειδή μεμβράνη. (Φωτογραφία:Ollin / Wikimedia Commons)

Αυτές οι χρωστικές είναι μέρος μεγαλύτερων μηχανών πρωτεΐνης που ονομάζονται φωτοσυστήματα. Τα φυτά έχουν δύο φωτοσυστήματα - το φωτοσύστημα I (PSI) και το φωτοσύστημα II (PSII), με το καθένα να έχει μια βασική χλωροφύλλη - ένα μόριο ενσωματωμένη σε αυτό, μαζί με άλλες βοηθητικές χρωστικές. Αυτές οι βοηθητικές χρωστικές συλλέγουν φωτεινή ενέργεια και τη διοχετεύουν στο κύριο μόριο χλωροφύλλης. Τα φωτοσυστήματα είναι οι κύριες μηχανές συλλογής φωτός στους χλωροπλάστες που μετατρέπουν την φωτεινή ενέργεια σε χημική ενέργεια που το κύτταρο μπορεί να χρησιμοποιήσει για να φτιάξει την τροφή του. Ορισμένα φύκια και φωτοσυνθετικά βακτήρια έχουν μόνο μεμονωμένα φωτοσυστήματα.

Η ηλιακή ενέργεια χρησιμοποιείται από τον χλωροπλάτη για να πυροδοτήσει μια χημική αντίδραση μεταξύ των δύο αντιδρώντων - του νερού και του διοξειδίου του άνθρακα.

Η διαδικασία

Ένα φυτό λαμβάνει νερό από τις ρίζες του μέσω της όσμωσης. Από εκεί, το νερό ανεβαίνει μέσα από το στέλεχος και μεταφέρεται σε κάθε μέρος του φυτού που το απαιτεί για μυριάδες διαδικασίες εκτός της φωτοσύνθεσης.

Για να διασφαλιστεί ότι τα φυτά δεν θα στεγνώσουν λόγω της εξάτμισης, εξέλιξαν ειδικούς πόρους, που ονομάζονται στομάτα πριν από περίπου 400 εκατομμύρια χρόνια. Τα στομάχια τους επέτρεψαν να αναπνεύσουν, ανταλλάσσοντας αέρια όπως οξυγόνο και διοξείδιο του άνθρακα. Ωστόσο, η κρίσιμη ανάπτυξη των πόρων έγινε σε βάρος της άσκοπης απώλειας νερού

Τα στομάχια εισπνέουν διοξείδιο του άνθρακα που εκπνέουν τα ζώα, το οποίο αντιδρά με το νερό παρουσία ηλιακού φωτός για να δημιουργήσει ζάχαρη (γλυκόζη), την τροφή τους. Ωστόσο, η αντίδραση εκτυλίσσεται σε δύο μέρη.

Σχηματική φωτοσύνθεση στα φυτά. Οι υδατάνθρακες που παράγονται αποθηκεύονται ή χρησιμοποιούνται από το φυτό (Πιστωτική φωτογραφία :At09kg / Wikimedia Commons)

Το πρώτο μέρος ονομάζεται φωτοεξαρτώμενη ή απλά, ελαφριά αντίδραση, κατά την οποία το φως διασπά το νερό για να παράγει μόρια οξυγόνου. Αυτά τα μόρια είναι τα ίδια μόρια οξυγόνου που αναπνέουμε. Εκπνέονται μέσω των στομάτων και διασκορπίζονται στον αέρα. Η φωτεινή ενέργεια που απορροφάται από μια χρωστική ουσία μπορεί είτε απλά να διαλυθεί ως θερμότητα είτε να μετατραπεί σε άλλη μορφή ενέργειας. Το τελευταίο το βλέπουμε στα φυτά. Η αντίδραση φωτός μετατρέπει την ηλιακή ενέργεια σε χημική ενέργεια. η αντίδραση παράγει επίσης ATP (τρι-φωσφορική αδενοσίνη) και NADP+ (Νικοτιναμίδιο αδενίνη δινουκλεοτίδιο φωσφορικό), οργανικές ενώσεις που γίνονται πηγές ενέργειας για τις επόμενες μεταβολικές διεργασίες.

Όταν το φως διασπά το νερό στο PSII. Αυτό απελευθερώνει δύο πρωτόνια (Η+) και οξυγόνο, και δύο ενεργοποιημένα ηλεκτρόνια τα οποία δέχεται η χλωροφύλλη-α στο PSII. Αυτά τα ηλεκτρόνια περνούν από το PSII σε άλλες μεσαίες πρωτεϊνικές δομές, όπως το κυτόχρωμα bf, στο PSI. Εκεί αυτά τα δύο ηλεκτρόνια ενεργοποιούνται στο PSI λόγω της φωτεινής ενέργειας που συλλαμβάνεται από τη χλωροφύλλη-α του φωτοσυστήματος. Αυτά τα ηλεκτρόνια διοχετεύονται για τη δημιουργία NADPH από το NADP+.

Κατά τη διέλευση αυτών των ενεργοποιημένων ηλεκτρονίων, τα πρωτόνια (H+) μεταφέρθηκαν από το εξωτερικό του θυλακοειδούς στο εσωτερικό του. Αυτό δημιουργεί μια κλίση H+, περισσότερο μέσα παρά έξω. Αυτό το ηλεκτροχημικό Η κλίση τροφοδοτεί την παραγωγή ΑΤΡ. Αυτό συμβαίνει λόγω μιας μηχανής πρωτεΐνης που ονομάζεται συνθάση ATP. Το H+ από το εσωτερικό μπορεί να επιστρέψει προς τα έξω μόνο περνώντας από τη συνθάση ATP. Όταν το H+ διέρχεται μέσω της συνθάσης ATP, μετατρέπει το ADP σε ATP. Έτσι το φως και το νερό δημιουργούν ενέργεια για το κύτταρο.

Μία από αυτές τις διαδικασίες είναι το επόμενο μέρος της ίδιας της αντίδρασης. Οι δύο πηγές ενέργειας τροφοδοτούν την ανεξάρτητη από το φως ή το σκοτάδι αντίδραση. Η ενέργεια διασπά τα μόρια του διοξειδίου του άνθρακα και αναδιοργανώνει τα συστατικά για να σχηματίσει ένα μόριο γλυκόζης. Στη συνέχεια, ο χλωροπλάστης συλλέγει ενέργεια διασπώντας αυτή τη γλυκόζη, ακριβώς πώς τα μιτοχόνδρια στα ζωικά κύτταρα παράγουν ενέργεια διασπώντας τα τρόφιμα που καταναλώνουν. Η φωτοσύνθεση ως συνδυασμός των δύο αντιδράσεων μπορεί να συνοψιστεί με αυτήν την έκφραση:

Αλλά αν τα φυτά μπορούν να παράγουν ATP μέσω της φωτοσύνθεσης, τότε γιατί πρέπει να αναπνέουν; Πρώτον, η φωτοσύνθεση μπορεί να συμβεί μόνο κατά τη διάρκεια της ημέρας, όταν υπάρχει ήλιος γύρω για να παρέχει φως. Τα φυτά εξακολουθούν να χρειάζονται ενέργεια όταν δεν υπάρχει φως. Δεύτερον, η γλυκόζη είναι σημαντικό μόριο για το κύτταρο. Μπορεί να διασπαστεί ή να δημιουργηθεί για να δημιουργήσει πολλά άλλα βιομόρια όπως DNA, RNA, πρωτεΐνες και ακόμη και λίπη.

Με αυτόν τον τρόπο, μοιραζόμαστε μια βαθιά και απαραίτητη συμβιωτική σχέση με τα φυτά. Το υποπροϊόν, ή πιο αγενώς, το απόβλητο προϊόν που εκπνέεται από τα φυτά μας δίνει ζωή, ενώ το διοξείδιο του άνθρακα, το απόβλητο προϊόν που εκπνέουμε, δίνει στα φυτά τη ζωή τους. Ο Αμερικανός βιολόγος και ένας από τους αγαπημένους μου επιστήμονες επικοινωνίας, η Lynn Margulis, ονόμασε αυτήν την αβλαβή πράξη της αναπνοής, πνευματικότητα.

Ωστόσο, πιστεύει ότι «η σύνδεση δεν σταματά στην ανταλλαγή αερίων στην ατμόσφαιρα… Το γεγονός ότι είμαστε συνδεδεμένοι μέσω του χώρου και του χρόνου δείχνει ότι η ζωή είναι ένα ενιαίο φαινόμενο, ανεξάρτητα από το πώς εκφράζουμε το γεγονός». P>