Wie funktioniert die Photosynthese?

Inhalt

• TL; DR (zu lang; nicht gelesen)
• Photosynthese: Notwendig für alles Leben
• Photosynthese findet in den Blättern statt
• Energie aus der Sonne: Photosyntheseschritte
• Chlorophyll, Lichtabsorption und Energieerzeugung
• Photosynthese und Zellatmung
• Globale Erwärmung und Photosynthesereaktion

Der Photosynthesevorgang, bei dem Pflanzen und Bäume das Licht der Sonne in Nahrungsenergie umwandeln, mag zunächst magisch erscheinen, doch direkt und indirekt erhält dieser Vorgang die gesamte Welt aufrecht. Während grüne Pflanzen nach dem Licht greifen, fangen ihre Blätter die Sonnenenergie ein, indem sie mit lichtabsorbierenden Chemikalien oder speziellen Pigmenten Lebensmittel aus Kohlendioxid und Wasser herstellen, das aus der Atmosphäre gezogen wird. Dieser Prozess setzt Sauerstoff als Nebenprodukt in die Atmosphäre frei, eine Komponente in der Luft, die für alle atmenden Organismen erforderlich ist.

TL; DR (zu lang; nicht gelesen)

Eine einfache Gleichung für die Photosynthese lautet Kohlendioxid + Wasser + Lichtenergie = Glukose + Sauerstoff. Da Wesen im Pflanzenreich während der Photosynthese Kohlendioxid verbrauchen, geben sie Sauerstoff an die Atmosphäre zurück, damit die Menschen atmen können. Grüne Bäume und Pflanzen (an Land und im Meer) sind in erster Linie für den Sauerstoff in der Atmosphäre verantwortlich, und ohne sie könnten Tiere und Menschen sowie andere Lebensformen nicht so existieren wie heute.

Photosynthese: Notwendig für alles Leben

Grüne, wachsende Dinge sind für alles Leben auf dem Planeten notwendig, nicht nur als Nahrung für Pflanzenfresser und Allesfresser, sondern auch zum Atmen von Sauerstoff. Der Photosyntheseprozess ist der primäre Weg, auf dem Sauerstoff in die Atmosphäre gelangt. Es ist das einzige biologische Mittel auf dem Planeten, das die Lichtenergie der Sonne einfängt und in Zucker und Kohlenhydrate umwandelt, die die Pflanzen mit Nährstoffen versorgen und dabei Sauerstoff abgeben.

Denken Sie darüber nach: Pflanzen und Bäume können im Wesentlichen Energie, die in den Außenbereichen des Weltraums anfängt, in Form von Sonnenlicht abziehen, in Nahrung verwandeln und dabei die benötigte Luft abgeben, die Organismen zum Gedeihen benötigen. Man könnte sagen, dass alle sauerstoffproduzierenden Pflanzen und Bäume eine symbiotische Beziehung zu allen sauerstoffatmenden Organismen haben. Menschen und Tiere versorgen Pflanzen mit Kohlendioxid und liefern im Gegenzug Sauerstoff. Biologen nennen dies eine wechselseitige symbiotische Beziehung, weil alle Parteien in der Beziehung davon profitieren.

Im linnäischen Klassifikationssystem sind die Kategorisierung und Rangfolge aller Lebewesen, Pflanzen, Algen und einer Art von Bakterien, die als Cyanobakterien bezeichnet werden, die einzigen Lebewesen, die aus Sonnenlicht Lebensmittel produzieren. Das Argument, Wälder zu fällen und Pflanzen für die Entwicklung zu entfernen, erscheint kontraproduktiv, wenn in diesen Entwicklungen keine Menschen mehr leben, weil es keine Pflanzen und Bäume mehr gibt, die Sauerstoff produzieren.

Photosynthese findet in den Blättern statt

Pflanzen und Bäume sind Autotrophen, lebende Organismen, die sich selbst ernähren. Weil sie dies mit der Lichtenergie der Sonne tun, nennen sie die Biologen Photoautotrophen. Die meisten Pflanzen und Bäume auf dem Planeten sind Photoautotrophen.

Die Umwandlung von Sonnenlicht in Nahrung findet auf zellulärer Ebene in den Blättern von Pflanzen in einer in Pflanzenzellen vorkommenden Organelle statt, einer als Chloroplasten bezeichneten Struktur. Während Blätter aus mehreren Schichten bestehen, erfolgt die Photosynthese im Mesophyll, der mittleren Schicht. Kleine Mikroöffnungen an der Unterseite der Blätter, sogenannte Stomata, steuern den Kohlendioxid- und Sauerstoffstrom zur und von der Pflanze und steuern den Gasaustausch der Pflanzen und den Wasserhaushalt der Pflanzen.

Auf der der Sonne abgewandten Blattunterseite sind Stomata vorhanden, um den Wasserverlust zu minimieren. Kleine Schutzzellen, die die Stomata umgeben, steuern das Öffnen und Schließen dieser mundähnlichen Öffnungen, indem sie als Reaktion auf die Wassermenge in der Atmosphäre anschwellen oder schrumpfen. Wenn sich die Stomata schließen, kann keine Photosynthese stattfinden, da die Pflanze kein Kohlendioxid aufnehmen kann. Dadurch sinkt der Kohlendioxidgehalt in der Anlage. Wenn die Tageslichtstunden zu heiß und trocken werden, schließt sich das Stroma, um Feuchtigkeit zu sparen.

Als Organelle oder Struktur auf zellulärer Ebene in den Pflanzenblättern haben Chloroplasten eine äußere und innere Membran, die sie umgeben. In diesen Membranen befinden sich plattenförmige Strukturen, die als Thylakoide bezeichnet werden. In der Thylakoidmembran speichern Pflanzen und Bäume Chlorophyll, das grüne Pigment, das die Lichtenergie der Sonne absorbiert. Hier finden die ersten lichtabhängigen Reaktionen statt, bei denen zahlreiche Proteine ​​die Transportkette bilden, um die von der Sonne gezogene Energie dorthin zu transportieren, wo sie in der Pflanze benötigt wird.

Energie aus der Sonne: Photosyntheseschritte

Der Photosyntheseprozess ist ein zweistufiger, mehrstufiger Prozess. Die erste Stufe der Photosynthese beginnt mit der Lichtreaktionen, auch bekannt als Lichtabhängiger Prozess und benötigt Lichtenergie von der Sonne. Die zweite Stufe, die Dunkle Reaktion Bühne, auch genannt Calvin-Zyklusist der Prozess, bei dem die Pflanze mit Hilfe von NADPH und ATP Zucker aus der leichten Reaktionsstufe herstellt.

Das Lichtreaktion Die Photosynthesephase umfasst die folgenden Schritte:

All dies geschieht auf zellulärer Ebene in den Thylakoiden der Pflanzen, einzelnen abgeflachten Säcken, die in Grana oder Stapeln innerhalb der Chloroplasten der Pflanzen- oder Baumzellen angeordnet sind.

Das Calvin-Zyklus, benannt nach dem Berkeley-Biochemiker Melvin Calvin (1911-1997), der 1961 den Nobelpreis für Chemie für die Entdeckung der Dunkelreaktionsstufe erhielt, ist der Prozess, mit dem die Pflanze Zucker mit Hilfe von NADPH und ATP aus der Lichtreaktionsstufe herstellt. Während des Calvin-Zyklus finden folgende Schritte statt:

Chlorophyll, Lichtabsorption und Energieerzeugung

In die Thylakoidmembran sind zwei Lichteinfangsysteme eingebettet: Photosystem I und Photosystem II, die aus mehreren antennenähnlichen Proteinen bestehen. Dort wandeln die Blätter der Pflanzen Lichtenergie in chemische Energie um. Das Photosystem I liefert energiearme Elektronenträger, während das andere die angeregten Moleküle dorthin liefert, wo sie benötigt werden.

Chlorophyll ist das lichtabsorbierende Pigment in den Blättern von Pflanzen und Bäumen, das den Photosyntheseprozess startet. Als organisches Pigment im Chloroplasten Thylakoid absorbiert Chlorophyll Energie nur in einem engen Band des von der Sonne erzeugten elektromagnetischen Spektrums im Wellenlängenbereich von 700 Nanometer (nm) bis 400 nm. Das als photosynthetisch aktive Strahlungsband bezeichnete Grün liegt in der Mitte des sichtbaren Lichtspektrums und trennt die niederenergetischen, aber längerwelligen Rottöne, Gelbtöne und Orangen von den energiereichen, kürzeren Wellenlängen, Blautönen, Indigos und Veilchen.

Wie Chlorophylle absorbieren ein einzelnes Photon oder deutlich Paket von Lichtenergie, bewirkt es, dass diese Moleküle erregt werden. Sobald das Pflanzenmolekül angeregt ist, müssen Sie das angeregte Molekül über den Energieträger Nicotinamidadenindinukleotidphosphat oder NADPH in das Energietransportsystem einbringen, um es der zweiten Photosynthesestufe, der Dunkelreaktionsphase, zuzuführen oder der Calvin-Zyklus.

Nach dem Betreten der ElektronentransportketteDer Prozess extrahiert Wasserstoffionen aus dem aufgenommenen Wasser und gibt sie an das Innere des Thylakoid ab, wo sich diese Wasserstoffionen aufbauen. Die Ionen wandern über eine semiporöse Membran von der Stromaseite zum Thylakoidlumen und verlieren dabei einen Teil der Energie, während sie sich durch die Proteine ​​zwischen den beiden Photosystemen bewegen. Die Wasserstoffionen sammeln sich im Thylakoidlumen, wo sie auf die erneute Energieversorgung warten, bevor sie an dem Prozess teilnehmen, der Adenosintriphosphat oder ATP zur Energiewährung der Zelle macht.

Die Antennenproteine ​​in Photosystem 1 absorbieren ein weiteres Photon und leiten es an das PS1-Reaktionszentrum mit der Bezeichnung P700 weiter. Als oxidiertes Zentrum wandelt P700 ein hochenergetisches Elektron in Nikotinamidadenindinukleotidphosphat oder NADP + um und reduziert es zu NADPH und ATP. Hier wandelt die Pflanzenzelle Lichtenergie in chemische Energie um.

Der Chloroplast koordiniert die beiden Stadien der Photosynthese, um aus Lichtenergie Zucker herzustellen. Die Thylakoide im Chloroplasten stellen die Orte der Lichtreaktionen dar, während der Calvin-Zyklus im Stroma stattfindet.

Photosynthese und Zellatmung

Die mit dem Photosyntheseprozess verbundene Zellatmung findet in der Pflanzenzelle statt, indem sie Lichtenergie aufnimmt, in chemische Energie umwandelt und Sauerstoff zurück in die Atmosphäre abgibt. Die Atmung findet in der Pflanzenzelle statt, wenn sich der während des Photosyntheseprozesses erzeugte Zucker mit Sauerstoff verbindet, um Energie für die Zelle zu erzeugen, wobei Kohlendioxid und Wasser als Nebenprodukte der Atmung gebildet werden. Eine einfache Gleichung für die Atmung ist der Photosynthese entgegengesetzt: Glukose + Sauerstoff = Energie + Kohlendioxid + Lichtenergie.

Die Zellatmung findet in allen lebenden Zellen der Pflanze statt, nicht nur in den Blättern, sondern auch in den Wurzeln der Pflanze oder des Baumes. Da die Zellatmung keine Lichtenergie benötigt, kann sie sowohl bei Tag als auch bei Nacht auftreten. Das Überwässern von Pflanzen in Böden mit schlechter Drainage stellt jedoch ein Problem für die Zellatmung dar, da überflutete Pflanzen nicht genügend Sauerstoff durch ihre Wurzeln aufnehmen und Glukose umwandeln können, um die Stoffwechselprozesse der Zellen aufrechtzuerhalten. Wenn die Pflanze zu lange zu viel Wasser erhält, kann ihren Wurzeln Sauerstoff entzogen werden, wodurch die Zellatmung im Wesentlichen gestoppt und die Pflanze getötet werden kann.

Globale Erwärmung und Photosynthesereaktion

University of California Merced Professor Elliott Campbell und sein Forscherteam stellten in einem Artikel im April 2017 in "Nature", einer internationalen Fachzeitschrift, fest, dass der Photosynthesevorgang im Laufe des 20. Jahrhunderts dramatisch zugenommen hat. Das Forscherteam entdeckte eine weltweite Aufzeichnung des Photosyntheseprozesses über 200 Jahre.

Dies ließ sie zu dem Schluss kommen, dass die gesamte pflanzliche Photosynthese auf dem Planeten in den untersuchten Jahren um 30 Prozent gewachsen ist. Während die Forschung nicht spezifisch die Ursache für einen Anstieg des Photosyntheseprozesses auf globaler Ebene identifizierte, schlagen die Computermodelle des Teams mehrere Prozesse vor, wenn sie kombiniert werden, die zu einem solch starken Anstieg des globalen Pflanzenwachstums führen könnten.

Die Modelle zeigten, dass die Hauptursachen für eine erhöhte Photosynthese erhöhte Kohlendioxidemissionen in der Atmosphäre (hauptsächlich aufgrund menschlicher Aktivitäten), längere Vegetationsperioden aufgrund der globalen Erwärmung aufgrund dieser Emissionen und eine erhöhte Stickstoffverschmutzung durch die Massenlandwirtschaft und die Verbrennung fossiler Brennstoffe sind. Menschliche Aktivitäten, die zu diesen Ergebnissen führten, haben sowohl positive als auch negative Auswirkungen auf den Planeten.

Professor Campbell bemerkte, dass erhöhte Kohlendioxidemissionen zwar die Ernteproduktion stimulieren, aber auch das Wachstum von unerwünschten Unkräutern und invasiven Arten stimulieren. Er wies darauf hin, dass erhöhte Kohlendioxidemissionen direkt zum Klimawandel führen und zu vermehrten Überschwemmungen an den Küsten, extremen Wetterbedingungen und einer zunehmenden Versauerung der Ozeane führen.

Während die Photosynthese im 20. Jahrhundert zunahm, speicherten Pflanzen weltweit mehr Kohlenstoff in Ökosystemen, was dazu führte, dass sie zu Kohlenstoffquellen anstatt zu Kohlenstoffsenken wurden. Selbst mit der Zunahme der Photosynthese kann die Zunahme die Verbrennung fossiler Brennstoffe nicht kompensieren, da mehr Kohlendioxidemissionen aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe dazu neigen, die Fähigkeit der Pflanzen, CO2 aufzunehmen, zu überwältigen.

Die Forscher analysierten die Schneedaten der Antarktis, die von der National Oceanic and Atmospheric Administration gesammelt wurden, um ihre Ergebnisse zu entwickeln. Durch die Untersuchung des in den Eisproben gespeicherten Gases überprüften die Forscher die globale Atmosphäre der Vergangenheit.