Energia fotosyntézy zo slnečného žiarenia - spektrum vedy

Biológia: Fotosyntéza: Energia zo slnečného žiarenia

Výskum fascinácie: fotosyntéza a globálne zmeny podnebia

Bolo to v júli 2014, keď NASA vyslala do vesmíru výskumný satelit na meranie fotosyntézy na Zemi. Na palube Orbiting Carbon Observatory (OCO), ako sa satelit nazýva, boli zariadenia, ktoré mapujú nielen koncentráciu oxidu uhličitého (\ (\ mathrm> \)), ale aj množstvo zeleného rastlinného pigmentu chlorofylu prítomného na zemskom povrchu. by mal určiť. Prečo by to ale mali byť tieto merania a prečo práve v tomto okamihu?

Ako už pravdepodobne viete, zelené rastliny používajú na fotosyntézu pigment chlorofyl. Výrazne zjednodušená rovnica zhŕňa reakciu:

Keď krúžil okolo Zeme, satelit neustále meral množstvo chlorofylu, množstvo zelenej vegetácie pokrývajúcej zemský povrch, ako aj množstvo \ (\ mathrm> \) v atmosfére. Za posledných 200 rokov koncentrácia atmosférického \ (\ mathrm> \) kontinuálne stúpala - z 280 ppm (častí na milión) v roku 1800 na 400 ppm v roku 2016 - a tento trend bude s najväčšou pravdepodobnosťou ešte istý čas pokračovať . Oxid uhličitý sa považuje za skleníkový plyn, ktorý zachytáva teplo v atmosfére. Zvyšujúca sa koncentrácia \ (\ mathrm> \) preto vedie podľa predpovedí ku globálnym zmenám podnebia. A tak sa stáva, že politickí činitelia obťažujú fyziológov rastlín dvoma otázkami o dôsledkoch zvýšenej \ (\ mathrm> \) koncentrácie: povedie to k zvýšenej rýchlosti fotosyntézy a ak áno, zvýši sa rast rastlín?

Na zodpovedanie týchto otázok vyvinuli vedci v poľných pokusoch metódu vystavenia rastlín vysokým koncentráciám. Proces známy ako FACE (obohatenie koncentráciou voľného vzduchu) využíva prstence trubíc, ktoré obklopujú rastliny na poli alebo v lese a z ktorých \ (\ mathrm> \) vytekajú. Rýchlosť a smer vetra sú zaznamenávané a vyhodnocované počítačom, aby bolo možné natrvalo upraviť uvoľňovanie \ (\ mathrm> \) hadicami. Experimentálne zistenia potvrdzujú na jednej strane, že rýchlosti fotosyntézy sa zvyšujú so zvyšovaním atmosférickej \ (\ mathrm> \) koncentrácie, a na druhej strane podporujú predpoklad, že rýchlosť fotosyntézy sa bude zvyšovať, keď bude globálne rastie v atmosfére.

Vedie však toto zvýšenie rýchlosti fotosyntézy aj zvýšenie rastu rastlín? Rastliny, rovnako ako všetky organizmy, používajú ako zdroj energie uhľohydráty a uskutočňujú bunkové dýchanie podľa nasledujúcej rovnice, čo je opačná rovnica ako vľavo:

Výzvou pre fyziológov rastlín je teraz dozvedieť sa viac o rovnováhe medzi fotosyntézou a bunkovým dýchaním a o tom, ako táto rovnováha ovplyvňuje rast rastlín. Ako ukazujú experimenty FACE, výťažky sa zvyšujú s vyšším obsahom \ (\ mathrm> \) v atmosfére, čo naznačuje, že nárast fotosyntézy bude prevažovať nad zvýšením bunkového dýchania.

Aké sú chemické reakcie fotosyntézy a ako ich riadi CO \ (<> _> \) -Koncentrácia ovplyvňuje?

V časti „Experiment: Aké sú chemické reakcie fotosyntézy a ako ich ovplyvňuje koncentrácia CO \ (<> _ \)?“ V oddiele 10.1 a v časti „Fascinačný výskum“ na konci tejto kapitoly nájdete odpovede na tieto otázky. otázka.

10.1 Fotosyntéza využíva svetlo na syntézu uhľohydrátov

Katabolizmus - rozklad zložitých organických molekúl na jednoduchšie stavebné prvky - je opakom anabolizmu - stavby zložitých organických molekúl z jednoduchých prekurzorov. V kap. 9 ste sa stretli s mnohými katabolickými metabolickými cestami uvoľňujúcimi energiu. Energia uložená v chemických väzbách takmer všetkých organizmov nakoniec pochádza zo slnka. (Jedinou výnimkou sú organizmy v potravinových reťazcoch založené na chemosyntéze.) Fotosyntéza (doslova »syntéza pomocou svetla«) je metabolický proces, ktorý zachytáva energiu žiarenia slnečného žiarenia (slnečná energia) a premieňa oxid uhličitý (\ (\ mathrm> \ )) a voda (\ (\ mathrmO> \)) v glukóze a molekulárnom kyslíku (\ (\ mathrm> \)).

Stručne

Molekuly vody poskytujú protóny a elektróny, ktoré sú potrebné na zníženie oxidu uhličitého a syntézu uhľohydrátov pomocou kyslíkovej (kyslíkotvornej) fotosyntézy.
Fotosyntéza prebieha v dvoch po sebe nasledujúcich krokoch: svetelné reakcie a následné na svetle nezávislé reakcie.

Fotosyntéza vyžaduje výmenu svetla a plynov

Pozemné rastliny, riasy a sinice žijú v aeróbnych podmienkach a všetky vykonávajú kyslíkovú fotosyntézu: premenu \ (\ mathrm> \) a vody (\ (\ mathrmO> \)) na glukózu (\ (\ mathrmH_O _> \); toto \ (\ mathrm> \) - zlúčenina je centrálnym uhľohydrátom metabolizmu) a molekulárny kyslík (\ (\ mathrm> \)) (obr. 10.1, ktoré nie sú zahrnuté v tejto vzorke):

Niektoré formy baktérií žijú v anaeróbnych podmienkach a vykonávajú typ fotosyntézy, pri ktorej sa energia zo slnečného žiarenia používa na použitie \ (\ mathrm> \) na syntézu zložitejších molekúl, ale bez uvoľňovania \ (\ mathrm> \). S týmto procesom sa stretnete podrobnejšie nižšie, ale zatiaľ sa budeme zaoberať iba kyslíkovou fotosyntézou.

Rov. 10.1 popisuje endergonickú reakciu. Experimenty opísané v úvode tejto kapitoly (»Fascination Research: Photosynthesis and Global Climate Change«), pri ktorých sa použil program FACE, veľmi dobre preskúmali úlohu \ (\ mathrm> \). Aj keď je tu uvedená reakčná rovnica pre fotosyntézu v zásade správna, je formulovaná príliš všeobecne na to, aby bolo možné s jej pomocou pochopiť podrobnosti procesu fotosyntézy. Vyvstáva niekoľko otázok: Aké sú reakcie fotosyntézy? Akú úlohu pri týchto reakciách zohráva svetlo? Ako sú uhlíkové atómy spojené s tvorbou uhľohydrátov? Ktoré sacharidy sa tvoria? A či molekulárny kyslík pochádza z \ (\ mathrm> \) alebo \ (\ mathrmO> \)?

Pokus: Aké sú chemické reakcie fotosyntézy a ako ich ovplyvňuje koncentrácia CO \ (<> _> \)?

Pôvodná literatúra: Ruben S a kol. (1941) J Am Chem Soc 63 (3): 877-879

Pochopenie chemických reakcií fotosyntézy je kľúčom k schopnosti odhadnúť účinky rastúcej \ (\ mathrm> \) koncentrácie v atmosfére. Najmä pôvod \ (\ mathrm> \) zostal dlho v tme. Možnými zdrojmi pre \ (\ mathrm> \) boli reakční partneri \ (\ mathrm> \) a \ (\ mathrmO> \). Samuel Ruben a jeho kolegovia uskutočnili dva samostatné experimenty. Označili kyslík v týchto molekulách jeden po druhom izotopom \ (\ mathrm ^ O> \) a potom skontrolovali \ (\ mathrm> \) tvorenú zelenou rastlinou na prítomnosť izotopu, aby zistili, ktorá molekula dodáva kyslík, \ (\ mathrm> \) alebo \ (\ mathrmO> \).

hypotéza

\ (\ Mathrm> \) vytvorený pri fotosyntéze pochádza z vody a nie z \ (\ mathrm> \).

metóda

Experiment 1: Rastliny boli napojené vodou označenou izotopmi a vystavené neoznačenému \ (\ mathrm> \) (\ (\ mathrm> ^ O> \), \ (\ mathrm> \)). Výsledok: Uvoľnený kyslík bol označený (\ (\ mathrm ^ O _> \)).

Experiment 2: Rastliny boli vystavené izotopom označenému \ (\ mathrm> \) a napojené neznačenou vodou (\ (\ mathrmO> \), \ (\ mathrm ^ O _> \)). Výsledok: Uvoľnený kyslík nebol označený (\ (\ mathrm> \)).

záver

Zdrojom dvoch atómov kyslíka \ (\ mathrm> \), ktorý sa tvorí pri fotosyntéze, je voda.