Fotosynteza

Fotosynteza
Fotosynteza jest niesamowitym zjawiskiem występującym na kuli ziemskiej. Jednak czym ona tak na prawdę jest, jakie są jej rodzaje, jak przebiega? Na te, oraz inne nurtujące pytania odpowiedź można znaleźć w poniższym tekście.
Fotosynteza jest to przykład autotrofizmu. Autotrofizm to rodzaj odżywiania się organizmów. Polega on na samodzielnym wytwarzaniu związków organicznych przez jakiś organizm z prostych związków nieorganicznych. Takim głównym związkiem nieorganicznym, który organizmy wykorzystują jest dwutlenek węgla (CO2). Jednak taka przemiana dwutlenku węgla wymaga dostarczenia energii, stąd nazywamy ją przemianą anaboliczną. Energia ta może mieć różne źródła. W przypadku chemosyntezy pochodzi ona z utlenienia prostych związków organicznych lub nieorganicznych, a w przypadku omawianej fotosyntezy pochodzi ona ze światła, które pochłaniają barwniki fotosyntetyczne. Do barwników fotosyntetycznych zaliczamy barwniki główne oraz barwniki pomocnicze. Do barwników głównych należą chlorofile, które mają zieloną barwę. Pochłaniają one światło widzialne o zakresie fal niebieskich oraz czerwonych. Do barwników pomocniczych zalicza się głównie karotenoidy, czyli czerwone i pomarańczowe karoteny, oraz żółte ksantofile. Występują między innymi w kwiatach, owocach oraz korzeniu marchewki. Pochłaniają one światło niebieskozielone.
Wyróżniamy dwa rodzaje fotosyntezy: fotosyntezę oksygeniczną, oraz fotosyntezę anoksygeniczną. Mimo, że obydwa te procesy to fotosynteza, różnią się od siebie. Na czym polegają te różnice?
Fotosynteza oksygeniczna zachodzi u organizmów, które żyją w środowisku tlenowym, czyli takim, w którym występuje tlen. Przykładem takich organizmów są rośliny, protisty roślinopodobne i sinice. Ponadto do redukcji dwutlenku węgla jest potrzebna woda (H2O), a produktem ubocznym jest tlen (O2). Zachodzi pod wpływem energii świetlnej.
Natomiast fotosynteza anoksygeniczna zachodzi u organizmów żyjących w środowisku beztlenowym, czyli takim w którym nie ma dostępu do tlenu. Organizmy przeprowadzające fotosyntezę anoksygeniczną to bakterie zielone i purpurowe. W tym przypadku do redukcji dwutlenku węgla jest wykorzystywany jakiś prosty związek organiczny np. H2S. Podczas tej fotosyntezy nie powstaje tlen.
U organizmów eukariotycznych fotosynteza przebiega w chloroplastach, a u organizmów prokariotycznych w tylakoidach i w cytozolu.
Wyróżniamy dwie fazy fotosyntezy: fazę zależną od światła ( inaczej nazywana jest fazą jasną fotosyntezy) i fazę niezależną od światła ( nazywaną też fazą ciemną fotosyntezy).
Faza zależna od światła polega na przemianie energii świetlnej w energię chemiczną. Energia ta jest magazynowana później w postaci siły asymilacyjnej. Podczas tego procesu zachodzi fosforylacja fotosyntetyczna, która może być cykliczna bądź niecykliczna. Cykliczna zachodzi głównie u bakterii, a niecykliczna u roślin.
Faza zależna od światła z fosforylacją fotosyntetyczną niecykliczną polega na liniowym przepływie elektronów od cząsteczki wody (H2O) przez fotosystemy PS I i PS II i przez przenośnik elektronów NADP+. W wyniku tego procesu powstaje NADPH. Jednocześnie dzięki gradientowi protonowemu, który zlokalizowany jest w poprzek błony tylakoidów powstaje ATP. ATP i NADPH jest to siła asymilacyjna, potrzebna do zajścia fazy niezależnej od światła. Zatrzymajmy się jeszcze przy fotosystemach. W skład takiego fotosystemu wchodzą barwniki antenowe ( głównie chlorofile oraz karotenoidy), centrum reakcji fotochemicznej oraz pierwotny akceptor elektronów.
Faza zależna od światła z fosforylacją fotosyntetyczną cykliczną nie jest tak bardzo złożona i skompilowana. W jej wyniku powstaje wyłącznie ATP, czyli tylko część siły asymilacyjnej. Dotyczy ona też tylko fotosystemu I .Elektrony zostają wybite i transportowane są wzdłuż łańcucha przenośników. Następnie powracają do tego samego fotosystemu zapełniając jego luki elektronowe. Część energii z elektronów zostaje uwolniona i służy do pompowania protonów do wnętrza tylakoidów. Dzięki gradientowi protonowemu, który się wtedy wytwarza, możliwa jest synteza ATP, Podczas fosforylacji fotosyntetycznej cyklicznej nie powstaje NADPH i nie uwalnia się tlen (O2).
Następnie następuje faza niezależna od światła zwana inaczej cyklem Calvina. Podczas tego procesu siła asymilacyjna z fazy fotosyntezy zależnej od światła jest wykorzystywana do związków organicznych z dwutlenku węgla. Cykl Calvina ma trzy etapy: karboksylacja, redukcja i regeneracja. Podczas karboksylacji CO2 zostaje przyłączone do akceptora rybulozo-1,2-bisfosforanu ( RuBP). W tym etapie bierze udział enzym – karboksylaza 1,5-bisfosorybulozy ( rubisco), która jest katalizatorem. Produktem tej reakcji jest nietrwały związek sześciowęglowy, który przez to, że jest nietrwały rozkłada się na dwie cząsteczki kwasu 2-fosfoglicerynowego (PGA). Następnie dochodzi do redukcji kwasu 3-fosdoglicerynowego do aldehydu 3-fosfoglicerynowego (PGAL). Do tego etapu są potrzebne elektrony pochodzące z NADPH i energia z rozkładu cząsteczek ATP. Jedna cząsteczka powstałego aldehydu jest pierwotnym produktem fotosyntezy i jest wykorzystywana do syntezy produktów wtórnych, którymi są związki organiczne potrzebne do życia komórek. Ostatnim etapem jest regeneracja polegająca na odtworzeniu akceptora CO2. Substratem do syntezy rybulozo-1,5-bisfosforany jest pozostałe pięć cząsteczek aldehydu 3-fosfoglicerynowego. Znacznie fotosyntezy w przyrodzie jest ogromne.
Po pierwsze producenci wytwarzają związki organiczne, które stanowią źródło energii i materiałów budulcowych. Korzystają z nich zarówno organizmy przeprowadzające fotosyntezę, jak i organizmy cudzożywne – heterotrofy.
Po drugie – fotosynteza to jedyne naturalne źródło tlenu na Ziemi. Bez niego nie mogły by żyć organizmy oddychające tlenowo.
Rośliny są jednym z rodzajów organizmów przeprowadzających fotosyntezę. Proces ten u roślin jest bardzo ciekawy i rozbudowany. Rośliny bowiem mają wiele przystosowań w budowie do tego, aby efektywnie przeprowadzać fotosyntezę Przystosowania te to między innymi odpowiednia budowa liścia – składa się z on blaszki liściowej, ogonka liściowego i nasady liści. Ogonek liściowy ustawia blaszkę tak, aby jak najwięcej światła do niej dotarło, blaszka liściowa ma dużą powierzchnię oraz posiada epidermę, w której są zlokalizowane aparaty szparkowe umożliwiające wymianę gazową między wnętrzem liścia a atmosferą Kolejnym przystosowaniem są wiązki przewodzące zbudowane z drewna i łyka występujące w blaszce liściowej. Drewno doprowadza z korzeni wodę, a łyko związki odprowadza z liści do innych organów związki organiczne. Liście wypełnione są miękiszem asymilacyjnym, którego komórki zawierają chloroplasty, w których odbywają się różne reakcje chemiczne wchodzące w proces fotosyntezy.
Mamy trzy typy roślin : rośliny typu C3, rośliny typu C4 i rośliny typu CAM. Każdy typ przeprowadza nieco inaczej fotosyntezę.
Rośliny typu C3 to prawie wszystkie gatunki roślin ze strefy klimatycznej umiarkowanej. Ich liście mają miękisz asymilacyjny palisadowy i gąbczasty. Ich aparaty szparkowe są otwarte w dzień, natomiast w nocy są zamknięte. Dzięki temu dwutlenek węgla jest dostarczany z atmosfery w czasie zachodzenia fazy zależnej od światła fotosyntezy. Przebieg fotosyntezy jest taki sam, jaki był opisany powyżej.
Do roślin typu C4 należą gatunki ze strefy zwrotnikowej i okołozwrotnikowej, np. kukurydza. Rośliny te żyją w dość wysokich temperaturach. W ciągu dnia ograniczają transpirację poprzez przymykanie aparatów szparkowych. Dzięki temu prowadzą oszczędniejszą gospodarkę wodną. W konsekwencji oszczędnej gospodarki wodnej jest słaby dopływ CO2 do wnętrza liścia. Rośliny przystosowały się do tego zjawiska. Przystosowaniem tym jest dwuetapowy mechanizm wiązania dwutlenku węgla, który przebiega w dwóch różnych typach komórek – w komórkach miękiszu asymilacyjnego i w komórkach pochwy okołowiązkowej. W komórkach miękiszu asymilacyjnego fosfoenolopirogronian z udziałem karboksylazy fosfoenolopirogronianowej ulega karboksylacji i powstaje czterowęglowy szczawiooctan. Następnie szczawiooctan ulega redukcji do jabłczanu. Jabłczan wnika do komórek pochwy okołowiązkowej przy pomocy plasmodesm. W komórkach pochwy okołowiązkowej następuje dekarboksylacja jabłczanu. Odłączony dwutlenek węgla wchodzi w cykl Calvina. Cykl Calvina przebiega w ten sposób, jaki był opisany wyżej.
Rośliny typu CAM to rośliny rosnące na obszarach półpustynnych i pustynnych. Są zwane również roślinami kwasowymi. Na obszarach, w których rosną jest bardzo gorąco dlatego w ciągu dnia zamykają aparaty szparkowe, a w nocy je otwierają. Nocą jest asymilowany dwutlenek węgla. Zostaje on przyłączony w komórkach miękiszu asymilacyjnego do fosfoenolopirogroniany. Powstaje szczawiooctan, a następnie jabłczan, który jest magazynowany w wakuolach. w dzień następuje proces dekarboksylacji jabłczanu, a odłączony CO2 również podlega przemianom w cyklu Calvina, tak jak w pozostałych typach roślin. Wszystkie przemiany podczas fotosyntezy u roślin typu CAM zachodzą w tej samej komórce, ale w innym czasie.
Ciekawe jest to, że pozyskiwaniu pokarmu przez rośliny biorą udział różne bakterie np. bakterie glebowe lub bakterie symbiotyczne oraz grzyby. Te bakterie lub grzyby udostępniają roślinom pierwiastki chemiczne niezbędne do ich prawidłowego funkcjonowania. Takim podstawowym pierwiastkiem jest azot, który rośliny wbudowują między innymi w chlorofil. białka czy też kwasy nukleinowe.
Na intensywność fotosyntezy mają wpływ różne czynniki zewnętrzne, np. światło, dwutlenek węgla, temperatura, obecność wody i soli mineralnych. Światło warunkuje przebieg fazy jasnej fotosyntezy. Przy słabym oświetleniu intensywność fotosyntezy jest mała i rośnie wraz ze wzrostem natężenia światła. Gdy intensywność fotosyntezy ma wartość maksymalną, występuje świetlny punkt wysycenia. Gdy wtedy jeszcze dojdzie do zwiększenia natężenia światła, nastąpi spadek intensywności fotosyntezy. Dwutlenek węgla również wpływa na intensywność fotosyntezy. Zwiększenie jego stężenia, zwiększa intensywność fotosyntezy. Temperatura wpływa na aktywność enzymów, które biorą udział w fotosyntezie. Optymalne temperatury dla roślin są rożne – zależności od strefy klimatycznej. Woda stanowi jeden z substratów fotosyntezy, zapewnia żywotność organów roślinnych i utrzymanie odpowiedniego turgoru komórek roślinnych. Sole mineralne są również potrzebne do prawidłowego przebiegu fotosyntezy. Magnez jest potrzebny do syntezy chlorofilu, jony potasu i cynku aktywują enzymy, mangan uczestniczy w fotolizie wody w fazie jasnej fotosyntezy. Czynniki wewnętrzne również wpływają na intensywność fotosyntezy. Są to np. wielkość blaszki liściowej, obecność aparatów szparkowych i ich liczba i rozmieszczenie, grubość kutykuli na powierzchni liścia, rozmieszczenie chloroplastów i obecność w nich chlorofilu oraz stosunek liścia do jego objętości.
Fotosynteza to niesamowite zjawisko. Mam nadzieję, że dzięki temu tekstowi łatwiej jest ją zrozumieć. Bo przecież bez fotosyntezy nie było by nas – ludzi.