Fotosinteza energiei din lumina soarelui - spectrul științei

Biologie: Fotosinteza: Energia din lumina soarelui

Cercetarea fascinației: fotosinteza și schimbările climatice globale

Era iulie 2014 când NASA a trimis un satelit de cercetare în spațiu pentru a măsura fotosinteza pe Pământ. La bordul Observatorului carbonului în orbită (OCO), așa cum se numește satelitul, au existat dispozitive care mapează nu numai concentrația de dioxid de carbon (\ (\ mathrm> \)), ci și cantitatea de clorofilă a pigmentului vegetal verde prezent pe suprafața pământului ar trebui să determine. Dar de ce ar trebui să fie aceste măsurători și de ce în acest moment?

După cum probabil știți deja, plantele verzi folosesc pigmentul clorofilă pentru fotosinteză. O ecuație foarte simplificată rezumă reacția:

În timp ce înconjura pământul, satelitul a măsurat continuu cantitatea de clorofilă, o măsură a cantității de vegetație verde care acoperă suprafața pământului, precum și cantitatea de \ (\ mathrm> \) din atmosferă. În ultimii 200 de ani, concentrația atmosferică \ (\ mathrm> \) a crescut continuu - de la 280 ppm (părți pe milion) în 1800 la 400 ppm în 2016 - și această tendință va continua, probabil, pentru o perioadă de timp . Dioxidul de carbon este considerat un gaz cu efect de seră care captează căldura în atmosferă. Prin urmare, creșterea concentrației \ (\ mathrm> \) duce, conform previziunilor, la schimbări climatice globale. Și așa se întâmplă ca factorii de decizie politică să deranjeze fiziologii plantelor cu două întrebări despre consecințele unei concentrații crescute \ (\ mathrm> \): Va duce la o rată crescută de fotosinteză și, dacă da, va crește creșterea plantelor?

Pentru a răspunde la aceste întrebări, oamenii de știință au dezvoltat o metodă de expunere a plantelor la concentrații ridicate \ (\ mathrm> \) în studiile de teren. Procesul cunoscut sub numele de FACE (îmbogățirea concentrației de aer liber) folosește inele de tuburi care înconjoară plantele în câmp sau în pădure și din care curge \ (\ mathrm> \). Viteza vântului și direcția vântului sunt înregistrate și evaluate de un computer, astfel încât eliberarea \ (\ mathrm> \) prin furtunuri să poată fi reglată permanent. Descoperirile experimentale confirmă, pe de o parte, că ratele de fotosinteză cresc odată cu creșterea concentrației atmosferice \ (\ mathrm> \) și, pe de altă parte, susțin ipoteza că rata de fotosinteză va crește atunci când concentrația \ (\ mathrm> \) crește la nivel global în atmosferă.

Dar oare această creștere a ratei fotosintezei duce și la creșterea creșterii plantelor? Plantele, ca toate organismele, folosesc carbohidrații ca sursă de energie și efectuează respirația celulară în conformitate cu următoarea ecuație, care este inversul ecuației din stânga:

Provocarea pentru fiziologii plantelor este acum de a afla mai multe despre echilibrul dintre fotosinteză și respirație celulară și despre modul în care acest echilibru afectează creșterea plantelor. După cum arată experimentele FACE, randamentele cresc cu un conținut mai mare de \ (\ mathrm> \) al atmosferei, ceea ce indică faptul că creșterea fotosintezei va depăși creșterea respirației celulare.

Care sunt reacțiile chimice ale fotosintezei și cum sunt controlate de CO \ (<> _> \) -Concentrația afectează?

În „Experiment: Care sunt reacțiile chimice ale fotosintezei și cum sunt ele influențate de concentrația de CO \ (<> _ \)?” În secțiunea 10.1 și în „Cercetarea fascinației” de la sfârșitul acestui capitol veți găsi răspunsuri la acestea întrebare.

10.1 Fotosinteza folosește lumina pentru a sintetiza carbohidrații

Catabolismul - descompunerea moleculelor organice complexe în blocuri de construcție mai simple - este opusul anabolismului - construcția moleculelor organice complexe de la precursori simpli. În cap. 9 ați întâlnit numeroase căi metabolice catabolice care eliberează energie. Energia stocată în legăturile chimice ale aproape tuturor organismelor provine în cele din urmă de la soare. (Singurele excepții sunt organismele din lanțurile alimentare care se bazează pe chemosinteză.) Fotosinteza (literalmente "sinteza prin lumină") este un proces metabolic care captează energia radiației luminii solare (energia solară) și convertește dioxidul de carbon (\ (\ mathrm> \ ) și apă (\ (\ mathrmO> \)) în glucoză și oxigen molecular (\ (\ mathrm> \)).

Pe scurt

Moleculele de apă asigură protoni și electroni, care sunt necesari pentru reducerea dioxidului de carbon și sinteza carbohidraților prin fotosinteza oxigenică (care formează oxigen).
Fotosinteza are loc în două etape succesive: reacțiile la lumină și reacțiile ulterioare independente de lumină.

Fotosinteza necesită schimb de lumină și gaze

Plantele terestre, algele și cianobacteriile trăiesc în condiții aerobe și toate efectuează fotosinteza oxigenică: conversia \ (\ mathrm> \) și a apei (\ (\ mathrmO> \)) în glucoză (\ (\ mathrmH_O _> \); aceasta \ (\ mathrm> \) - compusul este carbohidratul central al metabolismului) și oxigenul molecular (\ (\ mathrm> \)) (Fig. 10.1, neinclus în acest eșantion):

Unele forme de bacterii trăiesc în condiții anaerobe și realizează un tip de fotosinteză în care energia din lumina soarelui este utilizată pentru a utiliza \ (\ mathrm> \) pentru sinteza unor molecule mai complexe, dar fără eliberarea de \ (\ mathrm> \). Veți întâlni acest proces mai detaliat mai jos, dar inițial ne vom ocupa doar de fotosinteza oxigenică.

Eq. 10.1 descrie o reacție endergonică. Experimente precum cel descris în introducerea acestui capitol (»Cercetarea fascinației: fotosinteza și schimbările climatice globale«), în care a fost utilizat FACE, au examinat foarte bine rolul lui \ (\ mathrm> \). Chiar dacă ecuația de reacție dată acolo pentru fotosinteză este fundamental corectă, este formulată prea general pentru ca detaliile procesului de fotosinteză să fie înțelese cu ajutorul său. Apar o serie de întrebări: Care sunt reacțiile fotosintezei? Ce rol joacă lumina în aceste reacții? Cum sunt legați atomii de carbon pentru a forma carbohidrați? Ce glucide sunt formate? Și oxigenul molecular provine de la \ (\ mathrm> \) sau \ (\ mathrmO> \)?

Experiment: Care sunt reacțiile chimice ale fotosintezei și cum sunt ele influențate de concentrația de CO \ (<> _> \)?

Literatura originală: Ruben S și colab. (1941) J Am Chem Soc 63 (3): 877-879

Înțelegerea reacțiilor chimice ale fotosintezei este cheia pentru a putea estima efectele creșterii concentrațiilor \ (\ mathrm> \) în atmosferă. În special, originea \ (\ mathrm> \) a rămas mult timp în întuneric. Partenerii de reacție \ (\ mathrm> \) și \ (\ mathrmO> \) au fost ambele surse posibile pentru \ (\ mathrm> \). Samuel Ruben și colegii săi au efectuat două experimente separate. Au marcat oxigenul din aceste molecule unul după altul cu izotopul \ (\ mathrm ^ O> \) și apoi au verificat \ (\ mathrm> \) format de planta verde pentru prezența izotopului pentru a afla ce moleculă furnizează oxigenul, \ (\ mathrm> \) sau \ (\ mathrmO> \).

ipoteză

\ (\ Mathrm> \) format în fotosinteză provine din apă și nu din \ (\ mathrm> \).

metodă

Experimentul 1: Plantele au fost udate cu apă marcată cu izotopi și expuse la \ (\ mathrm> \) neetichetat (\ (\ mathrm> ^ O> \), \ (\ mathrm> \)). Rezultat: Oxigenul eliberat a fost marcat (\ (\ mathrm ^ O _> \)).

Experimentul 2: Plantele au fost expuse la izotop etichetat \ (\ mathrm> \) și udate cu apă nemarcată (\ (\ mathrmO> \), \ (\ mathrm ^ O _> \)). Rezultat: Oxigenul eliberat nu a fost marcat (\ (\ mathrm> \)).

concluzie

Sursa celor doi atomi de oxigen a \ (\ mathrm> \) care se formează în fotosinteză este apa.