Fotosynteesi on prosessi, jonka avulla kasvit ja jotkin mikro-organismit valmistavat aineita, kuten hiilihydraatteja. Se on endoterminen (lämpöä kuluttava) kemiallinen prosessi, jossa auringonvalon avulla hiilidioksidi muutetaan sokereiksi. Solu käyttää sokereita energiana ja rakentaakseen muunlaisia molekyylejä.
Fotosynteesi on hyvin tärkeää elämälle maapallolla. Vihreät kasvit rakentavat itseään fotosynteesin avulla. Myös levät, alkueläimet ja jotkut bakteerit käyttävät sitä. Poikkeuksena ovat eliöt, jotka saavat energiansa suoraan kemiallisista reaktioista; näitä eliöitä kutsutaan kemoautotrofeiksi.
Fotosynteesi voi tapahtua eri tavoin, mutta jotkut osat ovat yleisiä.
6 CO2(g) + 6 H2O + fotonit → C6H12O6(aq) + 6 O2(g) hiilidioksidi + vesi + valoenergia → glukoosi + happi Hiilidioksidi kulkeutuu lehteen stomata-aukkojen kautta diffuusiolla ilmakehästä. Vesi imeytyy maaperästä juurikarvasoluihin, joiden pinta-ala on suurempi veden lisääntynyttä imeytymistä varten.
Fotosynteesi tapahtuu lehtien (tai muiden vihreiden kudosten) kloroplasteissa. Ne sisältävät klorofylliä, vihreää pigmenttiä, joka absorboi valoenergiaa. Lehdissä kloroplasteja on myös lehtien pälvisoluissa, jotka sieppaavat valoa.
Happi on fotosynteesin jätetuote: se poistuu kasvista hengityksessä. Kaikki ilmakehän happi on peräisin kasveista (myös niistä mikro-organismeista, jotka tekevät fotosynteesiä)
Glukoosia käytetään hengityksessä (energian vapauttamiseen soluissa). Se varastoidaan tärkkelyksen muodossa (joka muuttuu takaisin glukoosiksi hengitystä varten pimeässä). Glukoosia voidaan muuntaa myös muiksi kasvussa ja lisääntymisessä tarvittaviksi yhdisteiksi, esim. selluloosaksi, nektariksi, fruktoosiksi, aminohapoiksi ja rasvoiksi.
Prosessin reaktiot
Fotosynteesissä on kaksi pääreaktiosarjaa. Valosta riippuvaiset reaktiot, jotka tarvitsevat valoa tehdäkseen työtä, ja valosta riippumattomat reaktiot, jotka eivät tarvitse valoa tehdäkseen työtä.
Valosta riippuvaiset reaktiot
Auringon valoenergiaa käytetään vesimolekyylien pilkkomiseen (fotolyysi). Auringonvalo osuu kasvin kloroplasteihin. Tämä saa entsyymin jakamaan vettä. Vesi antaa halkaistessaan happea, vetyä ja elektroneja.
Vety sekä valon energisoimat elektronit muuttavat NADP:n NADPH:ksi, jota käytetään sitten valosta riippumattomissa reaktioissa. Happikaasu diffundoituu kasvista ulos fotosynteesin jätetuotteena, ja ATP syntetisoidaan ADP:stä ja epäorgaanisesta fosfaatista. Tämä kaikki tapahtuu kloroplastien granassa.
Pimeäreaktio
Tässä reaktiossa sokerit rakennetaan hiilidioksidista ja valosta riippuvaisten reaktioiden tuotteista (ATP ja NADPH) sekä erilaisista muista kasveissa esiintyvistä kemikaaleista Calvinin syklissä. 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.
Fotosynteesiin vaikuttavat tekijät
– –
–
– –500 – –500 – —
life
miljoonia vuosia.
Oranssit merkinnät: tunnetut jääkaudet.
Katso myös: Ihmisen aikajana ja Luonnon aikajana
Fotosynteesiin vaikuttaa kolme päätekijää:
- Valon voimakkuus
- Hiilidioksidipitoisuus
- Lämpötila
Valon voimakkuus
Jos kasveihin paistaa vain vähän valoa, valosta riippuvaiset reaktiot eivät toimi tehokkaasti. Tämä tarkoittaa, että fotolyysi (veden hajoaminen valon vaikutuksesta) ei tapahdu nopeasti, ja siksi NADPH:ta ja ATP:tä syntyy vähän. Tämä NADPH:n ja ATP:n vähyys johtaa siihen, että valosta riippumattomat reaktiot eivät toimi, koska NADPH:ta ja ATP:tä tarvitaan, jotta valosta riippumattomat reaktiot toimisivat.
Tarvittavaa valon voimakkuutta on helppo tutkia vesikasvissa, kuten lammikossa. Erottuvat 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 erilaisten muiden kemikaalien (kuten ribuloosabisfosfaatin) kanssa muodostaen glukoosia. Jos hiilidioksidia ei siis ole riittävästi, NADPH:ta ja ATP:tä kertyy eikä glukoosia muodostu riittävästi.
Lämpötila
Fotosynteesireaktioissa työskentelee monia entsyymejä – esimerkiksi fotolyysin entsyymi. Kaikki entsyymit toimivat parhaiten optimilämpötilassaan. Kaikki valosta riippuvaiset ja valosta riippumattomat reaktiot tapahtuvat normaalisti keskimääräisissä tai optimaalisissa lämpötiloissa. Trooppisilla kasveilla on korkeampi lämpötilaoptimi kuin lauhkeaan ilmastoon sopeutuneilla kasveilla.
Kun lämpötilat ovat liian alhaiset, kineettistä energiaa on vähän, joten reaktionopeus laskee. Jos lämpötilat ovat liian korkeita, entsyymit denaturoituvat ja fotosynteesireaktion katalyysi pysähtyy.
Kasvihuoneissa on säilytettävä optimaalinen lämpötila, jotta kasvit voivat toimia normaalisti.
Varhainen evoluutio
Ensimmäiset fotosynteettiset eliöt kehittyivät luultavasti jo varhain elämän historiassa. Ne ovat saattaneet käyttää elektronien lähteenä veden sijasta pelkistäviä aineita, kuten vetyä tai rikkivetyä. Syanobakteerit ilmestyivät myöhemmin, ja niiden tuottama ylimääräinen happi vaikutti osaltaan happikatastrofiin. Tämä mahdollisti monimutkaisen elämän evoluution.
Tehokkuus
Tänään fotosynteesin avulla talteen otetun energian määrä on maailmanlaajuisesti keskimäärin noin 130 terawattia, mikä on noin kuusi kertaa suurempi kuin ihmisen sivilisaation nykyisin käyttämä teho. Fotosynteettiset eliöt muuttavat myös noin 100-115 tuhatta miljoonaa tonnia hiiltä biomassaksi vuodessa.
Seuraavat sivut
- Kalviinikierto
- Soluhengitys
- Kasvien fysiologia
Kuvia lapsille
-
Komposiittikuva, jossa näkyy fotosynteesin globaali jakautuminen, mukaan lukien sekä valtamerten kasviplankton että maanpäällinen kasvillisuus. Tummanpunainen ja sinivihreä osoittavat alueet, joilla fotosynteesin aktiivisuus on suurta meressä ja maalla.
-
”Z-kaavio”
-
Kasvisoluja, joissa on näkyviä kloroplasteja (sammalesta, Plagiomnium affine)
Muotokuva Jan Baptist van Helmontista, Mary Beale, n.1674
Melvin Calvin työskentelee fotosynteesilaboratoriossaan.
Lehti on kasvien ensisijainen fotosynteesin paikka.