A fotoszintézis az a folyamat, amelynek során a növények és néhány mikroorganizmus olyan anyagokat állít elő, mint a szénhidrátok. Ez egy endoterm (hőt vesz fel) kémiai folyamat, amely a napfényt felhasználva a szén-dioxidot cukorrá alakítja. A cukrokat a sejt energiaként és másfajta molekulák felépítésére használja fel.
A fotoszintézis nagyon fontos a földi élet számára. A zöld növények a fotoszintézis segítségével építik fel magukat. Az algák, az őslények és néhány baktérium is használja. Kivételt képeznek azok az élőlények, amelyek közvetlenül kémiai reakciókból nyerik az energiát; ezeket az élőlényeket kemoautotrófoknak nevezzük.
A fotoszintézis különböző módon történhet, de van néhány közös rész.
6 CO2(g) + 6 H2O + fotonok → C6H12O6(aq) + 6 O2(g) szén-dioxid + víz + fényenergia → glükóz + oxigén A szén-dioxid a sztómákon keresztül a légkörből diffúzióval jut a levélbe. A vizet a talajból a gyökérszőrsejtek szívják fel, amelyek megnövekedett felülettel rendelkeznek a fokozott vízfelvételhez.
A fotoszintézis a levelek (vagy más zöld szövetek) kloroplasztiszaiban történik. Ezek tartalmazzák a klorofillt, a fényenergiát elnyelő zöld pigmentet. A levelekben a paliszádsejtek kloroplasztiszokkal rendelkeznek a fény felvételére.
Az oxigén a fotoszintézis hulladékterméke: a növényből a légzés során távozik. A légkörben lévő összes oxigén a növényekből származik (beleértve azokat a mikroorganizmusokat is, amelyek fotoszintézist végeznek)
A glükózt a légzés során használják fel (a sejtekben lévő energia felszabadítására). Keményítő formájában tárolódik (ami a sötétben visszaalakul glükózzá a légzéshez). A glükóz a növekedés és a szaporodás érdekében más vegyületekké is átalakítható, pl. cellulózzá, nektárrá, fruktózzá, aminosavakká és zsírokká.
A folyamat reakciói
A fotoszintézis két fő reakciócsoportból áll. Fényfüggő reakciók, amelyeknek fényre van szükségük a munkához; és fényfüggetlen reakciók, amelyeknek nincs szükségük fényre a munkához.
Fényfüggő reakciók
A Napból származó fényenergiát vízmolekulák felhasítására használják (fotolízis). A napfény a növény kloroplasztiszait éri. Ennek hatására egy enzim hasítja a vizet. A víz hasadásakor oxigén, hidrogén és elektronok keletkeznek.
A hidrogén a fény által gerjesztett elektronokkal együtt a NADP-t NADPH-vá alakítja, amelyet aztán a fénytől független reakciókban használnak fel. A fotoszintézis hulladéktermékeként oxigéngáz diffundál ki a növényből, az ATP pedig ADP-ből és szervetlen foszfátból szintetizálódik. Mindez a kloroplasztiszok magjában történik.
Sötét reakció
Ez a reakció során a Calvin-ciklusban szén-dioxidból és a fényfüggő reakciók termékeiből (ATP és NADPH), valamint a növényben található különböző más kémiai anyagokból épülnek fel cukrok. Ezért a fényfüggetlen reakció nem mehet végbe a fényfüggő reakció nélkül. A szén-dioxid a növénybe diffundál, és a kloroplasztiszban lévő vegyi anyagokkal, az ATP-vel és a NADPH-val együtt glükóz keletkezik, amely végül transzlokáció útján a növényben szállítja a glükózt.
A fotoszintézist befolyásoló tényezők
élet
Narancssárga címkék: ismert jégkorszakok.
Még lásd: Emberi idővonal és Természet idővonal
A fotoszintézist három fő tényező befolyásolja:
- Fényintenzitás
- Szén-dioxid-koncentráció
- Hőmérséklet
Fényintenzitás
Ha kevés fény süt a növényre, a fényfüggő reakciók nem működnek hatékonyan. Ez azt jelenti, hogy a fotolízis (a víz lebontása a fény hatására) nem fog gyorsan lezajlani, és ezért kevés NADPH és ATP fog keletkezni. A NADPH és az ATP hiánya ahhoz vezet, hogy a fénytől független reakciók nem működnek, mivel a fénytől független reakciók működéséhez NADPH-ra és ATP-re van szükség.
A szükséges fényintenzitás könnyen vizsgálható egy olyan vízi növényen, mint a tavirózsa. A kibocsátott oxigénbuborékokat meg lehet számolni vagy a térfogatot meg lehet mérni. A fény és a növény közötti távolság változtatásával a fényintenzitás változtatható. A fényintenzitás változása befolyásolja a fotoszintézis sebességének változását. A fotoszintézis mértékének maximalizálása érdekében sötétben mesterséges megvilágítást lehet alkalmazni.
Szén-dioxid szint
A szén-dioxidot a fénytől független reakciókban használják fel. NADPH-val és ATP-vel, valamint különböző más vegyi anyagokkal (például ribulóz-biszfoszfáttal) egyesülve glükózzá alakul. Ezért, ha nincs elég szén-dioxid, akkor a NADPH és az ATP felhalmozódik, és nem képződik elég glükóz.
Hőmérséklet
A fotoszintetikus reakciókban számos enzim dolgozik – például a fotolízis enzimje. Minden enzim az optimális hőmérsékleten működik a legjobban. Minden fényfüggő és fényfüggetlen reakció átlagos vagy optimális hőmérsékleten normálisan zajlik. A trópusi növények hőmérsékleti optimuma magasabb, mint a mérsékelt éghajlathoz alkalmazkodott növényeké.
Ha a hőmérséklet túl alacsony, kevés a mozgási energia, így a reakciósebesség csökken. Ha a hőmérséklet túl magas, az enzimek denaturálódnak, és a fotoszintézis reakció katalízise leáll.
A növényházakban optimális hőmérsékletet kell tartani a növények normális működéséhez.
Kora evolúció
Az első fotoszintetizáló szervezetek valószínűleg az élettörténet korai szakaszában alakultak ki. Lehet, hogy víz helyett redukáló anyagokat, például hidrogént vagy hidrogén-szulfidot használtak elektronforrásként. A cianobaktériumok később jelentek meg, és az általuk termelt oxigénfelesleg hozzájárult az oxigénkatasztrófához. Ez tette lehetővé az összetett élet evolúcióját.
Effektivitás
A fotoszintézis által világszerte átlagosan mintegy 130 terawattnyi energiát nyernek el, ami körülbelül hatszor nagyobb, mint az emberi civilizáció által jelenleg felhasznált energia. A fotoszintetizáló szervezetek évente mintegy 100-115 ezer millió tonna szenet is átalakítanak biomasszává.
Kapcsolódó oldalak
- Calvin-ciklus
- Celluláris légzés
- Növényi élettan
Képek gyerekeknek
Képek gyerekeknek
-
A fotoszintézis globális elterjedését bemutató összetett kép, beleértve az óceáni fitoplanktont és a szárazföldi növényzetet is. A sötétvörös és a kékeszöld a magas fotoszintetikus aktivitású régiókat jelzi az óceánban, illetve a szárazföldön.
-
A “Z-séma”
-
Növényi sejtek látható kloroplasztiszokkal (egy moháról, Plagiomnium affine)
-
Jan Baptist van Helmont portréja, készítette Mary Beale, sz.1674
-
Melvin Calvin a fotoszintézis laboratóriumában dolgozik.
-
A levél a növények fotoszintézisének elsődleges helyszíne.