Fotosüntees: kuidas taimed muundavad päikesevalguse toiduks ja hapnikuks
Fotosüntees: kuidas taimed muundavad päikesevalguse toiduks ja hapnikuks — lihtne selgitus protsessist, klorofülli rollist, CO2-st, veest, glükoosist ja elu toetamisest.
Fotosüntees on protsess, mille abil taimed ja muud organismid toodavad endale toitu ning samal ajal vabastavad atmosfääri hapnikku. See on endotermiline (võtab soojust) keemiline protsess, mis kasutab päikesevalgust, et muuta süsinikdioksiid suhkruks — peamiselt glükoosiks —, mida rakk saab kasutada energiaks ja kasvuks. Lisaks taimedele kasutavad fotosünteesi toidu saamiseks ka paljud vetikad, algloomad ja bakterid. Fotosüntees on eluks Maal hädavajalik; erandiks on teatud organismid, kes saavad oma energia keemilistest reaktsioonidest (kemoautotroofid kemoautotroofideks nimetatavad).
Fotosüntees võib eri rühmadel mõnevõrra erineda, kuid sellel on mitu ühist põhioset: valguse neeldumine, vee lõhustumine ja süsiniku fikseerimine. Reaktsiooni lihtsustatud üldvalem on:
6 CO2(g) + 6 H2O + footonid → C6H12O6(aq) + 6 O2(g)
süsinikdioksiid + vesi + valgusenergia → glükoos + hapnik
Kuidas komponendid jõuavad lehtedesse
Süsinikdioksiid satub lehtedesse läbi stomata difusiooni teel atmosfäärist. Stomata avamist ja sulgemist kontrollivad kudesid moodustavad kliinilised rakud (guard cells), mis reguleerivad gaasivahetust ning veekadu.
Vesi imendub mullast juurekarvade kaudu; juurekarvad suurendavad juurepinna pindala ja parandavad vee ning lahustunud mineraalide omastamist.
Kloroplastid ja valguse roll
Fotosüntees toimub kloroplastis (peamiselt leherakkudes), mis sisaldab klorofülli, rohelist pigmenti, mis neelab valgusenergiat. Lehtedes, eriti Palisadirakkudes, on kloroplaste palju, et püüda rohkem valgust — nii võib taim toota rohkem toitu ja kasvada kiiremalt. Klorofüll ei ole ainuüksi valguse neelaja: fotosünteesi eesliinil osalevad ka teised pigmentid (karotenoidid jm), mis laiemas spektris valgust kokku korjavad ning kaitsevad rakke liigse valguse eest.
Fotosünteesi faasid lühidalt
- Valgusfaas (valgusest sõltuvad reaktsioonid): toimub kloroplasti tüüklaadsetes membraanides. Valgusenergia neeldumisel tekib elektronide liikumine, mille käigus vesi lõhutakse (fotolüüs) — vabaneb hapnik ja tekib ATP ning NADPH, mis on energia- ja reduktsioonivormid järgmise etapi jaoks.
- Calvin'i tsükkel (valgusest sõltumatu ehk "pimedusfaas"): selles faasis fikseeritakse atmosfääri süsinikdioksiid ja kasutatakse valgusfaasis tekkinud ATP ja NADPH molekule, et sünteesida glükoosi ja teisi orgaanilisi ühendeid.
Hapnik on fotosünteesi jäätmetoiteline produkt: see kas läheb taimede enda hingamiseks või difundeerub läbi stomata õhku tagasi. Samal ajal glükoos kasutatakse rakkudes hingamisel (energia eraldamiseks) või muudetakse säilitamiseks tärklise kujul (mis pimedas jälle glükoosiks muudetakse). Glükoosist valmistatakse ka teisi ühendeid, mis on vajalikud taimede kasvuks ja paljunemiseks — nt tselluloos (koematerjal), nektar ja fruktoos, aminohapped (valkude jaoks) ning rasvad.
Mõjurid, mis piiravad fotosünteesi
Fotosünteesi kiirust mõjutavad mitmed tegurid. Kõige olulisemad on:
- Valguse intensiivsus — kuni teatud tasemeni kiireneb fotosüntees valguse suurenedes; väga kõrge valgus võib aga kahjustada kudesid.
- Süsinikdioksiidi kontsentratsioon — madal CO2 tase piirab süsiniku fikseerimist.
- Temperatuur — ensüümide aktiivsus sõltub temperatuurist; liiga madal või liiga kõrge temperatuur aeglustab protsessi.
- Vee kättesaadavus — vee vähesus sulgeb stomata, vähendades CO2 ligipääsu ja fotosünteesi.
Erinevad fotosünteesi strateegiad
Mõned taimed on arenenud eristrateegiatega, et toime tulla kõrge temperatuuri, kuiva või madala CO2 tingimustega. Näiteks C4-taimed (nt mais) ja CAM-taimed (nt kaktused ja ananassid) fikseerivad ja säilitavad CO2 erineval viisil, et vähendada vee kadu ja suurendada efektiivsust kuumas või kuivas kliimas.
Fotosünteesi tähtsus
Fotosüntees on Maa ökosüsteemide alus: see toodab orgaanilist ainet, mis on toiduahelate esimene lüli, ning varustab atmosfääri hapnikuga, mida enamik elusorganisme vajab hingamiseks. Inimeste jaoks on fotosüntees oluline ka põllumajanduse, metsanduse ja globaalsete süsinikuringete seisukohalt.
Üldiselt on fotosüntees keerukas, kuid hästi uuritud protsess — mõistmine sellest aitab meil paremini hallata põllumajandust, kasvatada tõhusamaid põllukultuure, arendada biotehnoloogilisi lahendusi ning hinnata kliimamuutuste mõjusid.
Päikesevalguse energia, juurte poolt imetud vesi ja atmosfäärist saadud süsinikdioksiid toodavad fotosünteesi teel glükoosi ja hapnikku.
Reaktsioonid
Fotosünteesil on kaks peamist reaktsioonikomplekti. Valgustusest sõltuvad reaktsioonid, mis vajavad töö tegemiseks valgust, ja valgusest sõltumatud reaktsioonid, mis ei vaja töö tegemiseks valgust.
Valgusest sõltuv reaktsioon
Päikeselt saadavat valgusenergiat kasutatakse veemolekulide lõhustamiseks (fotolüüs). Päikesevalgus tabab taime kloroplastide kromosooli, mis paneb ensüümi vett lõhkuma. Vee lõhustumisel tekib hapnik, vesinik ja elektronid.
Vesinik koos valguse poolt ergastatud elektronidega muudab NADP NADPH-ks, mida seejärel kasutatakse valgusest sõltumatutes reaktsioonides. Hapnik difundeerub taimest välja fotosünteesi jäätmetena ning ATP sünteesitakse ADP-st ja anorgaanilisest fosfaadist. See kõik toimub kloroplastide granaasides.
Valgusest sõltumatu reaktsioon
Selle reaktsiooni käigus ehitatakse suhkruid üles, kasutades süsinikdioksiidi ja valgusest sõltuvate reaktsioonide (ATP ja NADPH) ning mitmesuguste teiste Calvini tsükli käigus taimes leiduvate kemikaalide saadusi. Seega ei saa valgusest sõltumatu reaktsioon toimuda ilma valgusest sõltuva reaktsioonita. Süsinikdioksiid difundeerub taimesse ja koos kloroplastis olevate kemikaalidega, ATP ja NADPH-ga tekib glükoos, mis lõpuks translokatsiooni teel ümber taime transporditakse.
Kloroplastide skeem
Varajane evolutsioon
Esimesed fotosünteetilised organismid arenesid tõenäoliselt elu ajaloo alguses. Nad võisid vee asemel kasutada elektronide allikana redutseerivaid aineid, nagu vesinik või vesiniksulfiid. Tsüanobakterid ilmusid hiljem ja nende toodetud liigne hapnik aitas kaasa hapnikukatastroofile. See tegi võimalikuks keerulise elu evolutsiooni.
Efektiivsus
Tänapäeval on fotosünteesi abil saadava energia keskmine kogumise määr maailmas ligikaudu 130 teravatti, mis on umbes kuus korda suurem kui inimtsivilisatsiooni poolt praegu kasutatav energia. Fotosünteesivad organismid muudavad aastas umbes 100-115 tuhat miljonit tonni süsinikku biomassiks.
Seotud leheküljed
Küsimused ja vastused
K: Mis on fotosüntees?
V: Fotosüntees on protsess, mida taimed ja mõned mikroorganismid kasutavad süsinikdioksiidi muutmiseks suhkruks päikesevalguse abil. See muudab valgusenergia keemiliseks energiaks.
K: Millised on fotosünteesi saadused?
V: Fotosünteesi saadused on süsivesikud, mida rakud kasutavad energiaks ja teiste molekulide ehitamiseks.
K: Kuidas mõjutab fotosüntees elu Maal?
V: Fotosüntees on elu jaoks Maal elutähtis, sest see oli vastutav vaba hapniku atmosfääri viimise eest. Ilma selleta ei oleks Maal elu.
K: Kes kasutab fotosünteesi?
V: Fotosünteesi kasutavad rohelised taimed, vetikad, algloomad ja mõned bakterid. Mõned organismid, mis saavad oma energia keemilistest reaktsioonidest, nimetatakse kemoautotroofideks ja nad ei kasuta fotosünteesi.
K: Kas fotosüntees on eksotermiline või endotermiline reaktsioon?
V: Fotosüntees on endotermiline reaktsioon, mis tähendab, et selle toimumiseks kulub soojust.
K: Milliseks energiaks muundab fotosüntees valguse?
V: Fotosüntees muudab valguse energia keemiliseks energiaks.
Otsige