Fotosinteza

Fotosinteza globală — Credit: modificarea lucrării Proiectului SeaWiFS, Centrul de Zbor Spațial NASA/Goddard și ORBIMAGE

Figura 8.1 Această hartă a lumii arată distribuția pe Pământ a activității fotosintetice determinată de concentrațiile de clorofilă a. Pe uscat, clorofila este evidentă din plantele terestre, iar în zonele oceanice, din clorofila din fitoplancton. (Credit: modificarea lucrării Proiectului SeaWiFS, Centrul de Zbor Spațial NASA/Goddard și ORBIMAGE)

Procesele metabolice din toate organismele – de la bacterii la oameni – necesită energie. Pentru a obține această energie, multe organisme accesează energia stocată prin mâncare, adică prin ingerarea altor organisme. Dar de unde provine energia stocată în alimente? Toată această energie poate fi urmărită până la fotosinteză.

Fotosinteza este esențială pentru toată viața de pe pământ; atât plantele cât și animalele depind de ea. Este singurul proces biologic care poate capta energia care provine din lumina soarelui și o transformă în compuși chimici (carbohidrați) pe care fiecare organism îi folosește pentru a-și alimenta metabolismul. Este, de asemenea, o sursă de oxigen necesară multor organisme vii. Pe scurt, energia luminii solare este „captată” pentru a energiza electronii, a căror energie este apoi stocată în legăturile covalente ale moleculelor de zahăr. Cât de durabile și stabile sunt acele legături covalente? Energia extrasă astăzi prin arderea cărbunelui și a produselor petroliere reprezintă energia luminii solare captată și stocată prin fotosinteză acum 350 până la 200 de milioane de ani în perioada carboniferului.

Plantele, algele și un grup de bacterii numite cianobacterii sunt singurele organisme capabile să efectueze fotosinteza (Figura 8.2). Deoarece folosesc lumina pentru a-și fabrica propria hrană, ei sunt numiți fotoautotrofe (literalmente, „auto-hrănitoare care folosesc lumină”). Alte organisme, cum ar fi animalele, ciupercile și majoritatea altor bacterii, sunt numite heterotrofe („altfel de hrănitoare”), deoarece trebuie să se bazeze pe zaharurile produse de organismele fotosintetice pentru nevoile lor energetice. Un al treilea grup foarte interesant de bacterii sintetizează zaharuri, nu prin utilizarea energiei luminii solare, ci prin extragerea energiei din compușii chimici anorganici. Din acest motiv, ei sunt denumiți chimioautotrofe.

Figura 8.2 Fotoautotrofele, inclusiv (a) plante, (b) alge și (c) cianobacteriile își sintetizează compușii organici prin fotosinteză folosind lumina soarelui ca sursă de energie. Cianobacteriile și algele planctonice pot crește pe zone enorme în apă, uneori acoperind complet suprafața. Într-o (d) aerisire de adâncime, chimioautotrofele, cum ar fi aceste (e) bacterii termofile, captează energia din compușii anorganici pentru a produce compuși organici. Ecosistemul din jurul aerisirilor include o gamă diversă de animale, cum ar fi viermi tubulari, crustacee și caracatițe care obțin energie din bacterii. (Credit a: modificarea lucrării lui Steve Hillebrand, U.S. Fish and Wildlife Service; credit b: modificarea lucrării lui „ClaireSMA”/Pixabay; credit c: modificarea lucrării luiNASA; credit d: Universitatea din Washington, NOAA; credit e : modificarea lucrării lui Mark Amend, Centrul de Cercetare Submarin pentru Coasta de Vest și Regiunile Polare, UAF, NOAA)

Importanța fotosintezei nu este doar că poate capta energia luminii solare. La urma urmei, o șopârlă care stă la soare într-o zi rece poate folosi energia soarelui pentru a se încălzi într-un proces numit termoreglare comportamentală. În schimb, fotosinteza este vitală, deoarece a evoluat ca o modalitate de a stoca energia din radiația solară (partea „foto-”) în energie în legăturile carbon-carbon ale moleculelor de carbohidrați (partea „-sinteză”). Acei carbohidrați sunt sursa de energie pe care heterotrofii o folosesc pentru a alimenta sinteza ATP prin respirație. Prin urmare, fotosinteza alimentează 99% din ecosistemele Pământului. Când un prădător de vârf, cum ar fi un lup, pradă o căprioară (Figura 8.3), lupul se află la capătul unei căi energetice care a trecut de la reacțiile nucleare de la suprafața soarelui, la lumina vizibilă, la fotosinteză, la vegetație. , la căprioare și, în sfârșit, la lup.

Figura 8.3 Energia stocată în moleculele de carbohidrați din fotosinteză trece prin lanțul trofic. Prădătorul care mănâncă aceste căprioare primește o parte din energia care a provenit din vegetația fotosintetică pe care a consumat-o căprioarele. (Credit: modificarea lucrării lui yamabon/Pixabay)

Structuri principale

Fotosinteza este un proces în mai multe etape care necesită lungimi de undă specifice ale luminii solare vizibile, dioxid de carbon (care are un conținut scăzut de energie) și apă ca substrat (Figura 8.4). După ce procesul este complet, eliberează oxigen și produce gliceraldehidă-3-fosfat (G3P), precum și molecule simple de carbohidrați (cu conținut ridicat de energie) care pot fi apoi transformate în glucoză, zaharoză sau oricare dintre zeci de alte molecule de zahăr. Aceste molecule de zahăr conțin energie și carbonul energizat de care toate ființele vii au nevoie pentru a supraviețui.

Figura 8.4 Fotosinteza folosește energia solară, dioxidul de carbon și apă pentru a produce carbohidrați care stochează energie. Oxigenul este generat ca produs rezidual al fotosintezei.

Următoarea este ecuația chimică pentru fotosinteză (Figura 8.5):

Figura 8.5 Ecuația de bază pentru fotosinteză este înșelător de simplă. În realitate, procesul are loc în mai multe etape care implică reactanți și produși intermediari. Glucoza, sursa primară de energie în celule, este făcută din două G3P cu trei atomi de carbon.

Deși ecuația pare simplă, mulți pași care au loc în timpul fotosintezei sunt de fapt destul de complecși. Înainte de a afla detalii despre modul în care fotoautotrofii transformă lumina soarelui în hrană, este important să vă familiarizați cu structurile implicate.