Фотосинтез: енергия от слънчева светлина

Биология: Фотосинтез: Енергия от слънчева светлина

Очарователни изследвания: фотосинтеза и глобални климатични промени

Беше юли 2014 г., когато НАСА изпрати изследователски спътник в космоса за измерване на фотосинтезата на Земята. На борда на Орбиталната обсерватория за въглерод (OCO), както се нарича спътникът, имаше устройства, които картографират не само концентрацията на въглероден диоксид (\ (\ mathrm> \)), но и количеството на зеления растителен пигмент хлорофил, присъстващ на земната повърхност трябва да определи. Но защо трябва да са тези измервания и защо в този момент?

Както вероятно вече знаете, зелените растения използват пигментния хлорофил за фотосинтеза. Силно опростено уравнение обобщава реакцията:

Докато обикаля земята, спътникът непрекъснато измерва количеството хлорофил, мярка за количеството зелена растителност, покриваща земната повърхност, както и количеството \ (\ mathrm> \) в атмосферата. През последните 200 години концентрацията на атмосферния \ (\ mathrm> \) се повишава непрекъснато - от 280 ppm (части на милион) през 1800 г. до 400 ppm през 2016 г. - и тази тенденция най-вероятно ще продължи известно време . Въглеродният диоксид се счита за парников газ, който улавя топлината в атмосферата. Поради това нарастващата концентрация \ (\ mathrm> \) води, според прогнозите, до глобални климатични промени. И така се случва хората, вземащи политически решения, да досаждат на физиолозите на растенията с два въпроса за последиците от повишената \ (\ mathrm> \) концентрация: Ще доведе ли до повишена скорост на фотосинтеза и ако да, ще се увеличи ли растежът на растенията?

За да отговорят на тези въпроси, учените разработиха метод за излагане на растенията на високи концентрации \ (\ mathrm> \) при полеви опити. Процесът, известен като FACE (обогатяване на концентрацията на свободен въздух), използва пръстени от тръби, които заобикалят растенията в полето или в гората и от които тече \ (\ mathrm> \). Скоростта на вятъра и посоката на вятъра се записват и оценяват от компютър, така че освобождаването \ (\ mathrm> \) през маркучите може да бъде постоянно регулирано. Експерименталните открития потвърждават, от една страна, че скоростите на фотосинтеза се увеличават с увеличаване на атмосферната концентрация \ (\ mathrm> \), а от друга страна те подкрепят предположението, че скоростта на фотосинтеза ще се увеличи, когато концентрацията \ (\ mathrm> \) се увеличава в световен мащаб в атмосферата.

Но това увеличаване на скоростта на фотосинтеза води ли и до повишен растеж на растенията? Растенията, както всички организми, използват въглехидрати като източник на енергия и те извършват клетъчно дишане съгласно следното уравнение, което е обратното на уравнението вляво:

Предизвикателството за физиолозите на растенията сега е да научат повече за баланса между фотосинтезата и клетъчното дишане и как този баланс влияе върху растежа на растенията. Както показват експериментите на FACE, добивите се увеличават с по-високо \ (\ mathrm> \) съдържание в атмосферата, което показва, че увеличаването на фотосинтезата ще надвиши увеличаването на клетъчното дишане.

Какви са химичните реакции на фотосинтезата и как те се контролират от CO \ (<> _> \) -Концентрацията влияе?

В „Експеримент: Какви са химичните реакции на фотосинтезата и как те се влияят от концентрацията на CO \ (<> _ \)?“ В раздел 10.1 и в „Изследване на очарованието“ в края на тази глава ще намерите отговори на тях въпрос.

10.1 Фотосинтезата използва светлина за синтезиране на въглехидрати

Катаболизмът - разграждането на сложни органични молекули на по-прости градивни елементи - е противоположността на анаболизма - изграждането на сложни органични молекули от прости предшественици. В гл. 9 сте се сблъсквали с множество освобождаващи енергия катаболни метаболитни пътища. Енергията, съхранявана в химическите връзки на почти всички организми, в крайна сметка идва от слънцето. (Единствените изключения са организмите в хранителните вериги, които се основават на хемосинтеза.) Фотосинтезата (буквално „синтез чрез светлина“) е метаболитен процес, който улавя лъчевата енергия на слънчевата светлина (слънчевата енергия) и превръща въглеродния диоксид (\ (\ mathrm> \ )) и вода (\ (\ mathrmO> \)) в глюкоза и молекулярен кислород (\ (\ mathrm> \)).

Накратко

Водните молекули осигуряват протони и електрони, които са необходими за намаляване на въглеродния диоксид и синтеза на въглехидрати чрез кислородна (образуваща кислород) фотосинтеза.
Фотосинтезата се осъществява в две последователни стъпки: светлинните реакции и последващите независими от светлината реакции.

Фотосинтезата изисква обмен на светлина и газ

Наземните растения, водораслите и цианобактериите живеят при аеробни условия и всички те извършват кислородна фотосинтеза: превръщането на \ (\ mathrm> \) и водата (\ (\ mathrmO> \)) в глюкоза (\ (\ mathrmH_O _> \); това \ (\ mathrm> \) - съединението е централният въглехидрат на метаболизма) и молекулярният кислород (\ (\ mathrm> \)) (фиг. 10.1, невключен в тази проба):

Някои форми на бактерии живеят в анаеробни условия и извършват вид фотосинтеза, при която енергията от слънчевата светлина се използва, за да се използва \ (\ mathrm> \) за синтеза на по-сложни молекули, но без отделянето на \ (\ mathrm> \). С този процес ще се сблъскате по-подробно по-долу, но първоначално ще се занимаваме само с кислородна фотосинтеза.

Уравнение 10.1 описва ендергонична реакция. Експерименти като този, описан във въведението към тази глава („Изследване на очарованието: Фотосинтез и глобални климатични промени“), в който се използва FACE, много добре изследваха ролята на \ (\ mathrm> \). Дори ако реакционното уравнение, дадено там за фотосинтеза, е фундаментално правилно, то е формулирано твърде общо, за да се разберат с негова помощ детайлите на процеса на фотосинтеза. Възникват редица въпроси: Какви са реакциите на фотосинтезата? Каква роля играе светлината в тези реакции? Как въглеродните атоми са свързани с образуването на въглехидрати? Кои въглехидрати се образуват? И дали молекулярният кислород идва от \ (\ mathrm> \) или \ (\ mathrmO> \)?

Експеримент: Какви са химичните реакции на фотосинтезата и как те се влияят от концентрацията на CO \ (<> _> \)?

Оригинална литература: Ruben S et al. (1941) J Am Chem Soc 63 (3): 877-879

Разбирането на химичните реакции на фотосинтезата е ключът към възможността да се оценят ефектите от нарастващите концентрации \ (\ mathrm> \) в атмосферата. По-специално, произходът на \ (\ mathrm> \) остава в тъмното дълго време. Партньорите за реакция \ (\ mathrm> \) и \ (\ mathrmO> \) бяха възможните източници за \ (\ mathrm> \). Самюел Рубен и колегите му проведоха два отделни експеримента. Те маркираха кислорода в тези молекули една след друга с изотопа \ (\ mathrm ^ O> \) и след това провериха \ (\ mathrm> \), образуван от зеленото растение, за наличието на изотопа, за да разберат коя молекула доставя кислорода, \ (\ mathrm> \) или \ (\ mathrmO> \).

хипотеза

\ (\ Mathrm> \), образуван при фотосинтезата, идва от водата, а не от \ (\ mathrm> \).

метод

Експеримент 1: Растенията се напояват с вода, маркирана с изотоп, и се излагат на немаркиран \ (\ mathrm> \) (\ (\ mathrm> ^ O> \), \ (\ mathrm> \)). Резултат: Освободеният кислород беше маркиран (\ (\ mathrm ^ O _> \)).

Експеримент 2: Растенията бяха изложени на изотопно маркиран \ (\ mathrm> \) и напоени с немаркирана вода (\ (\ mathrmO> \), \ (\ mathrm ^ O _> \)). Резултат: Освободеният кислород не е маркиран (\ (\ mathrm> \)).

заключение

Източникът на двата кислородни атома на \ (\ mathrm> \), който се образува при фотосинтезата, е водата.