Fotosynteesi – miten kasvit muuttavat auringonvalon sokereiksi ja hapeksi
Fotosynteesi selitetty: miten kasvit ja mikrobit muuntavat auringonvalon sokereiksi ja hapeksi. Opit prosessin vaiheet, merkityksen ja vaikutukset ilmastoon.
Kasvit ja jotkin mikro-organismit tuottavat hiilihydraatteja fotosynteesin avulla. Se on endoterminen (lämpöä kuluttava) kemiallinen prosessi, jossa hiilidioksidi muutetaan auringonvalon avulla sokereiksi. Solu käyttää sokereita energiana ja muiden molekyylien rakentamiseen. Periaatteessa fotosynteesissä valoenergia muutetaan kemialliseksi energiaksi.
Miten fotosynteesi etenee
Fotosynteesi koostuu pääosin kahdesta vaiheesta:
- Valovaihe (valoon riippuva): tapahtuu tylakoidikalvoissa, joissa pigmentit kuten klorofylli absorboivat auringonvaloa. Valoenergia muunnetaan kemialliseksi energiaksi muodossa ATP ja NADPH. Samalla vesi hajoaa, jolloin syntyy happea (O₂).
- Calvinin sykli (valosta riippumaton / pimeäreaktio): tapahtuu kloroplastin stroma-osassa. Siinä ATP:n ja NADPH:n energiaa käytetään hiilidioksidin sitomiseen ja sokerien (esim. glukoosin) syntetisoimiseen.
Yksinkertaistettuna yleinen reaktio voidaan esittää:
6 CO₂ + 6 H₂O + valoenergia → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂
Missä fotosynteesi tapahtuu solutasolla
Fotosynteesi tapahtuu kasvisolujen kloroplasteissa, joiden sisällä on tylakoideja ja stroma. Klorofylli ja muut pigmentit sijaitsevat tylakoidikalvoilla ja ne absorboivat erityisesti sinistä ja punaista valoa. Kaikissa yhteyttävissä organismeissa (esim. levät, alkueläimet, ja tietyt bakteerit) mekanismit voivat vaihdella, mutta perusperiaate — valoenergian muuntaminen kemialliseksi energiaksi — on sama.
Miksi fotosynteesi on elintärkeää
- Fotosynteesi tuottaa ilmakehään happea, joka on välttämätöntä hengitykselle. Ilman fotosynteesiä nykymuotoinen hapellinen ilmakehä ei olisi syntynyt.
- Se on elintärkeä osa hiilen kiertokulkua: kasvit sitovat ilmakehän CO₂:ta ja toimittavat hiilihydraatteja ravintoketjun pohjalle.
- Fotosynteesi on perusta maapallon ravintoverkoille ja siten koko ekosysteemin toiminnalle.
Tekijät, jotka vaikuttavat fotosynteesiin
- Valon intensiteetti ja laatu — riittävä valo parantaa yhteyttä, mutta vaikutus voi tasaantua, kun muut tekijät rajoittavat.
- Hiilidioksidin määrä — enemmän CO₂:ta voi lisätä yhteyttämistä, kunnes jokin muu tekijä tulee rajoittavaksi.
- Lämpötila — entsyymit toimivat optimaalisessa lämpötila-alueessa; liian korkea tai matala hidastaa reaktiota.
- Veden saatavuus — vesi on reaktion lähtöaine; kuivuminen sulkee ilmaraot (stomatat) ja rajoittaa CO₂:n saantia.
- Ravinteet — esimerkiksi magnesium on tärkeä klorofyylin rakennusaineena; typen puute voi heikentää lehtien kasvua ja yhteyttä.
Sopeutumat ja erot kasvien välillä
Erilaiset kasvit ovat kehittyneet sopeutumaan eri olosuhteisiin: C3-kasvit käyttävät tavallista Calvinin kiertoa, C4-kasveilla (esim. maissi) on mekanismi CO₂:n tehokkaampaan sitomiseen kuumissa ja kuivissa oloissa, ja CAM-kasvit (esim. osa mehikasveista) avaa ilmaraot öisin veden säästämiseksi.
Sovelluksia ja merkitys ihmiselle
Ymmärrys fotosynteesistä tukee parempaa maataloutta, kasvien jalostusta ja ilmastonmuutoksen tutkimusta. Lisäksi tutkijat kehittävät tekniikoita, jotka yrittävät jäljitellä fotosynteesiä keinotekoisesti uudenlaiseksi puhtaaksi energiantuotannoksi (esim. aurinkoenergian muuntaminen polttoaineiksi).
Yhteenvetona: fotosynteesi on energianmuunnosprosessi, joka muuttaa auringonvalon kemialliseksi energiaksi, tuottaa happea ja hiilihydraatteja, ja pitää yllä elämää maapallolla.
Auringonvalon energia, juurien imemä vesi, ilmakehän hiilidioksidi. Nämä tuottavat glukoosia ja happea fotosynteesin avulla.
Fotosynteesin alkuperä
Fotosynteesi ei ole sattumaa. Se tapahtuu, koska sen rakennusaineita esiintyy luonnostaan avaruudessa, ja ne otetaan mukaan planeettojen muodostuessa. Meillä ei ole aavistustakaan siitä, kuinka yleistä tai harvinaista tämä prosessi on. Tiedämme, että korkeammat alkuaineet muodostuvat supernovissa, ja se on kaikkien heliumia korkeampien alkuaineiden alkuperä. Halleyn komeetasta löydetyt korkeammat alkuaineet on analysoitu.
Ennen fotosynteesiä maapallon ilmakehässä ei ollut juuri lainkaan happea. Jopa ilman happea joitakin yksinkertaisia elämänmuotoja olisi voinut olla olemassa. Mutta avaintapahtuma elämälle sellaisena kuin me sen tunnemme, oli Suuri happitapahtuma.
Tapoja, joilla se tehdään
Fotosynteesi voi tapahtua eri tavoin, mutta jotkin osat ovat yhteisiä.
6 CO2(g) + 6 H2 O + fotonit → C6 H12 O 6(aq) + 6 O2(g)
hiilidioksidi + vesi + valoenergia → glukoosi + happi
Hiilidioksidi kulkeutuu lehteen ilmakehästä diffuusiolla silmäkuoppien kautta.
Vesi imeytyy maaperästä juurikarvojen soluihin, joiden pinta-ala on kasvanut veden imeytymistä varten.
Fotosynteesi tapahtuu lehtien (tai muiden vihreiden kudosten) kloroplasteissa. Ne sisältävät klorofylliä, vihreää pigmenttiä, joka absorboi valoenergiaa. Lehdissä kloroplasteja on palisadesoluissa, jotka sieppaavat valoa.
Happea syntyy fotosynteesin tuloksena ja vapautuu ilmakehään hengityksen kautta. Kaikki ilmakehän happi on peräisin kasveista (myös fotosynteesiä tekevistä mikro-organismeista).
Glukoosia käytetään hengitykseen (energian vapauttamiseen soluissa). Se varastoidaan tärkkelyksen muodossa (joka muuttuu pimeässä takaisin glukoosiksi hengitystä varten). Glukoosia voidaan muuntaa myös muiksi kasvussa ja lisääntymisessä tarvittaviksi yhdisteiksi, kuten selluloosaksi, nektariksi, fruktoosiksi, aminohapoiksi ja rasvoiksi.
Prosessi
Fotosynteesissä on kaksi pääreaktiokokonaisuutta (vaihetta). Valosta riippuvaiset reaktiot, jotka tarvitsevat valoa toimiakseen, ja valosta riippumattomat reaktiot, jotka eivät tarvitse valoa toimiakseen.
Valosta riippuvainen vaihe
Auringon valoenergiaa käytetään vesimolekyylien pilkkomiseen (fotolyysi). Auringonvalo osuu kasvin kloroplasteihin. Tämä saa entsyymin jakamaan vettä. Jakautuessaan vesi antaa happea, vetyä ja elektroneja.
Vety ja valon virittämät elektronit muuttavat NADP:n NADPH:ksi, jota sitten käytetään valosta riippumattomissa reaktioissa. Happikaasu diffundoituu ulos kasvista fotosynteesin jätetuotteena, ja ATP syntetisoidaan ADP:stä ja epäorgaanisesta fosfaatista. Tämä kaikki tapahtuu kloroplastien granassa.
Pimeä vaihe
Tässä reaktiossa sokerit muodostuvat hiilidioksidista ja valosta riippuvaisten reaktioiden tuotteista (ATP ja NADPH) sekä erilaisista muista Calvinin syklin kemikaaleista, joita kasvissa esiintyy. Valosta riippumaton reaktio ei siis voi tapahtua ilman valosta riippuvaista reaktiota. Hiilidioksidi diffundoituu kasviin, ja yhdessä kloroplastissa olevien kemikaalien, ATP:n ja NADPH:n kanssa syntyy glukoosia, joka lopulta kuljetetaan ympäri kasvia translokaation avulla.
Kloroplastin kaavio
Fotosynteesiin vaikuttavat tekijät
tarkastella - keskustella - muokata
-4500 -
-
-4250 -
-
-4000 -
-
-3750 -
-
-3500 -
-
-3250 -
-
-3000 -
-
-2750 -
-
-2500 -
-
-2250 -
-
-2000 -
-
-1750 -
-
-1500 -
-
-1250 -
-
-1000 -
-
-750 -
-
-500 -
-
-250 -
-
0 -
Vesi
Fotosynteesi
←
Varhaisin vesi
←
LHB-meteoriitit
Fotosynteesiin vaikuttaa kolme päätekijää:
- Valon voimakkuus
- Hiilidioksidipitoisuus
- Lämpötila
Valon voimakkuus
Jos kasvi saa vain vähän valoa, valosta riippuvaiset reaktiot eivät toimi tehokkaasti. Tämä tarkoittaa, että fotolyysi (veden hajottaminen valon vaikutuksesta) ei tapahdu nopeasti, ja siksi NADPH:ta ja ATP:tä muodostuu vähän. Tämä NADPH:n ja ATP:n vähyys johtaa siihen, että valosta riippumattomat reaktiot eivät toimi, koska valosta riippumattomat reaktiot tarvitsevat NADPH:ta ja ATP:tä toimiakseen.
Vaadittava valon voimakkuus on helppo tutkia vesikasvien, kuten lammikoiden, kohdalla. Vapautuvat happikuplat voidaan laskea tai niiden tilavuus mitata. Muuttamalla valon ja kasvin välistä etäisyyttä saadaan valon voimakkuus vaihtelemaan. Valon voimakkuuden muutos vaikuttaa fotosynteesin nopeuden muutokseen. Pimeässä voidaan käyttää keinovalaistusta fotosynteesinopeuden maksimoimiseksi.
Hiilidioksidipitoisuus
Hiilidioksidia käytetään valosta riippumattomissa reaktioissa. Se yhdistyy NADPH:n ja ATP:n sekä useiden muiden kemikaalien kanssa glukoosiksi. Jos hiilidioksidia ei siis ole riittävästi, NADPH:ta ja ATP:tä kertyy liian vähän eikä glukoosia muodostu riittävästi.
Lämpötila
Fotosynteesireaktioissa toimii monia entsyymejä, kuten fotolyysin entsyymi. Kaikki entsyymit toimivat parhaiten optimilämpötilassaan. Kaikki valosta riippuvaiset ja valosta riippumattomat reaktiot tapahtuvat normaalisti keskimääräisessä tai optimaalisessa lämpötilassa. Trooppisilla kasveilla on korkeampi lämpötilaoptimi kuin lauhkeaan ilmastoon sopeutuneilla kasveilla.
Kun lämpötilat ovat liian alhaiset, liike-energiaa on vähän, joten reaktionopeus laskee. Jos lämpötila on liian korkea, entsyymit denaturoituvat ja fotosynteesireaktion katalyysi pysähtyy.
Kasvihuoneissa on säilytettävä optimaalinen lämpötila, jotta kasvit voivat toimia normaalisti.
Varhainen evoluutio
Ensimmäiset fotosynteettiset organismit kehittyivät todennäköisesti elämän historian alkuvaiheessa. Ne ovat saattaneet käyttää elektronien lähteenä veden sijasta pelkistäviä aineita, kuten vetyä tai rikkivetyä. Syanobakteerit ilmestyivät myöhemmin, ja niiden tuottama ylimääräinen happi aiheutti happikatastrofin. Tämän jälkeen monimutkaisen elämän kehittyminen oli mahdollista.
Tehokkuus
Nykyään fotosynteesin avulla saadaan maailmanlaajuisesti keskimäärin noin 130 terawattia energiaa. Tämä on noin kuusi kertaa suurempi kuin ihmisen sivilisaation nykyisin käyttämä teho. Fotosynteettiset organismit muuttavat myös noin 100-115 miljardia miljoonaa tonnia hiiltä biomassaksi vuodessa.
Aiheeseen liittyvät sivut
- Calvinin sykli
- Soluhengitys
- Kasvien fysiologia
- Juuripaine
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mitä on fotosynteesi?
V: Fotosynteesi on prosessi, jonka avulla kasvit ja jotkin mikro-organismit muuttavat hiilidioksidia sokereiksi auringonvalon avulla. Siinä valoenergia muutetaan kemialliseksi energiaksi.
K: Mitkä ovat fotosynteesin tuotteet?
V: Fotosynteesin tuotteet ovat hiilihydraatteja, joita solut käyttävät energiana ja muiden molekyylien rakentamiseen.
K: Miten fotosynteesi vaikuttaa elämään maapallolla?
V: Fotosynteesi on elintärkeä maapallon elämälle, koska sen ansiosta ilmakehään tuli vapaata happea. Ilman sitä maapallolla ei olisi elämää.
K: Kuka käyttää fotosynteesiä?
V: Vihreät kasvit, levät, alkueliöt ja jotkut bakteerit käyttävät fotosynteesiä. Joitakin organismeja, jotka saavat energiansa kemiallisista reaktioista, kutsutaan kemoautotrofeiksi, eivätkä ne käytä fotosynteesiä.
K: Onko fotosynteesi eksoterminen vai endoterminen reaktio?
V: Fotosynteesi on endoterminen reaktio, eli se vaatii lämpöä tapahtuakseen.
K: Millaiseksi energiaksi fotosyteesi muuttaa valon?
V: Fotosyteesi muuttaa valoenergian kemialliseksi energiaksi.
Etsiä