Енергија на фотосинтезата од сончева светлина - спектар на наука

Биологија: Фотосинтеза: Енергија од сончева светлина

Истражување на фасцинација: фотосинтеза и глобални климатски промени

Беше јули 2014 година кога НАСА испрати истражувачки сателит во вселената за мерење на фотосинтезата на Земјата. На одборот на опсерваторијата за јаглерод во орбитирање (ОЦО), како што се нарекува сателитот, имаше уреди кои ја мапираат не само концентрацијата на јаглерод диоксид (\ (\ матрм> \)), туку и количината на зелениот растителен пигмент хлорофил присутна на површината на земјата треба да утврди. Но, зошто треба да бидат овие мерења и зошто во овој момент во времето?

Како што веројатно веќе знаете, зелените растенија го користат пигментот хлорофил за фотосинтеза. Во голема мера поедноставена равенка ја сумира реакцијата:

Додека ја обиколуваше Земјата, сателитот континуирано ја мереше количината на хлорофил, мерка за количината на зелена вегетација што ја покрива површината на земјата, како и количината на \ (\ матрм>) во атмосферата. Во текот на изминатите 200 години, концентрацијата на атмосферата постојано се зголемуваше - од 280 ppm (делови на милиони) во 1800 на 400 ppm во 2016 година - и овој тренд најверојатно ќе продолжи за некое време . Јаглерод диоксидот се смета за стаклена градина што ја заробува топлината во атмосферата. Зголемувањето на концентрацијата, според предвидувањата, води кон глобални климатски промени. И, така се случува, носителите на политички одлуки да мачат физиолози на растенијата со две прашања во врска со последиците од зголемената концентрација: Дали тоа ќе доведе до зголемена стапка на фотосинтеза, и ако е така, дали ќе се зголеми растот на растенијата?

За да одговорат на овие прашања, научниците развиле метод за изложување на растенијата на високи концентрации во теренските испитувања. Процесот познат како FACE (збогатување на концентрацијата на слободен воздух) користи прстени од цевки кои ги опкружуваат растенијата во полето или во шумата и од кои тече \ (\ матрм>). Брзината на ветерот и насоката на ветерот се снимаат и проценуваат од страна на компјутер, така што ослободувањето на \ (\ mathrm> \) преку цревата може трајно да се прилагоди. Експерименталните наоди потврдуваат, од една страна, дека стапките на фотосинтеза се зголемуваат со зголемување на атмосферската концентрација (и математика>), а од друга страна ја поддржуваат претпоставката дека стапката на фотосинтеза ќе се зголеми кога концентрацијата на \ (\ матрм>) се зголемува на глобално ниво во атмосферата.

Но, дали ова зголемување на стапката на фотосинтеза доведува и до зголемен раст на растението? Растенијата, како и сите организми, користат јаглехидрати како извор на енергија и тие спроведуваат клеточно дишење според следната равенка, што е обратна линија на равенката лево:

Предизвик за физиолозите на растенијата сега е да дознаат повеќе за рамнотежата помеѓу фотосинтезата и клеточното дишење и како оваа рамнотежа влијае на растот на растението. Како што покажуваат експериментите на FACE, приносите се зголемуваат со поголема содржина на атмосферата, што укажува дека зголемувањето на фотосинтезата ќе го надмине зголемувањето на клеточното дишење.

Кои се хемиските реакции на фотосинтезата и како се контролираат од СО \ (<> _> \) -Концентрацијата влијае?

Во „Експеримент: Кои се хемиските реакции на фотосинтезата и како тие влијаат врз концентрацијата на CO \ (<> _ \)?“ Во Сек. 10.1 и „Истражување на фасцинацијата“ на крајот од ова поглавје ќе најдете одговори на овие прашање.

10.1 Фотосинтезата користи светлина за синтетизирање на јаглехидрати

Катаболизмот - распаѓање на комплексни органски молекули во поедноставни градежни блокови - е спротивно на анаболизмот - конструкција на комплексни органски молекули од едноставни претходници. Во погл. 9 сте наишле на бројни катаболни метаболички патишта кои ослободуваат енергија. Енергијата складирана во хемиските врски на скоро сите организми на крајот доаѓа од сонцето. (Единствен исклучок се организмите во синџирите на исхрана кои се базираат на хемосинтеза.) Фотосинтезата (буквално »синтеза преку светло«) е метаболички процес кој ја собира зрачењето на сончевата светлина (сончева енергија) и го претвора јаглерод диоксидот (\ (\ матр> \ )) и вода (\ (\ mathrmO> \)) во гликоза и молекуларен кислород (\ (\ mathrm> \)).

Накратко

Молекулите на вода обезбедуваат протони и електрони, неопходни за намалување на јаглерод диоксид и синтеза на јаглени хидрати преку кислородна (кислородно-формирачка) фотосинтеза.
Фотосинтезата се одвива во два последователни чекори: светлосни реакции и последователни реакции независни од светлина.

Фотосинтезата бара размена на светлина и гасови

Земјишните растенија, алгите и цијанобактериите живеат под аеробни услови и сите тие вршат кислородна фотосинтеза: претворање на \ (\ mathrm> \) и вода (\ (\ mathrmO> \)) во гликоза (\ (\ mathrmH_O _> \); ова \ (\ матрм> \) - соединението е централен јаглени хидрати на метаболизмот) и молекуларен кислород (\ (\ матрм> \)) (Слика 10.1, не е вклучен во овој примерок):

Некои форми на бактерии живеат во анаеробни услови и вршат вид на фотосинтеза во која енергијата од сончевата светлина се користи за да се користи \ (\ mathrm> \) за синтеза на посложени молекули, но без ослободување на \ (\) математика> \). Подолу, ќе се сретнете со овој процес подетално, но засега ќе се занимаваме само со кислородна фотосинтеза.

Eq. 10.1 опишува ендергонска реакција. Експериментите како што е опишано во воведот на ова поглавје (»Истражување на фасцинацијата: Фотосинтеза и глобални климатски промени«), во кое се користеше FACE, многу добро ја испитаа улогата на \ (\ матрм>). Дури и ако равенката на реакција дадена таму за фотосинтеза е фундаментално точна, таа е формулирана премногу општо за деталите од процесот на фотосинтеза да бидат разбрани со негова помош. Се поставуваат голем број прашања: Кои се реакциите на фотосинтезата? Каква улога игра светлината во овие реакции? Како атомите на јаглерод се поврзани со формирање јаглехидрати? Кои јаглехидрати се формираат? И дали молекуларниот кислород доаѓа од \ (\ mathrm> \) или \ (\ mathrmO> \)?

Експеримент: Кои се хемиските реакции на фотосинтезата и како тие се под влијание на концентрацијата на CO \ (<> _> \)?

Оригинална литература: Рубен С и сор. (1941) J Am Chem Soc 63 (3): 877-879

Разбирањето на хемиските реакции на фотосинтезата е клучот за да може да се проценат ефектите на зголемената \ (\ математика>) концентрација во атмосферата. Особено, потеклото на \ (\ матрм> \) остана долго во темница. Партнерите за реакција \ (\ mathrm> \) и \ (\ mathrmO> \) и двајцата беа можни извори на \ (\ mathrm> \). Самуел Рубен и неговите колеги спроведоа два одделни експерименти. Тие го означија кислородот во овие молекули една по друга со изотопот \ (\ mathrm ^ O> \) и потоа го проверија \ (\ mathrm> \) формиран од зеленото растение за присуство на изотопот за да откријат која молекула го снабдува кислородот, \ (\ mathrm> \) или \ (\ mathrmO> \).

хипотеза

\ (\ Mathrm> \) формиран во фотосинтезата доаѓа од водата, а не од \ (\ mathrm> \).

метод

Експеримент 1: Растенијата се напоија со вода означена како изотоп и беа изложени на не етикетирани \ (\ mathrm> \) (\ (\ mathrm> ^ O> \), \ (\ mathrm> \)). Резултат: Ослободениот кислород беше обележан (\ (\ матрм ^ О _> \)).

Експеримент 2: Растенијата беа изложени на изотоп означени со \ (\ mathrm> \) и напои со неозначена вода (\ (\ mathrmO> \), \ (\ mathrm ^ O _> \)). Резултат: Ослободениот кислород не беше обележан (\ (\ матрм> \)).

заклучок

Изворот на двата атоми на кислород на \ (\ матрм>) што се формира во фотосинтезата е вода.