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.