Спроситеприроду

Фотосинтез преобразует солнечную энергию в химическую энергию

Растения

Энди Карстенс
Изображение: Филипп Деус / Pexels / Бесплатное некоммерческое использование
значок переключения
Функции, выполняемые больше этой живой системой

Катализировать химический распад

Жизнь зависит от создания и разрушения биологических молекул. Катализаторы в форме белков или РНК играют важную роль, резко увеличивая скорость химического превращения, не расходуясь в реакции. Регулирующая роль, которую катализаторы играют в сложных биохимических каскадах, является одной из причин, по которой внутри живых клеток в воде в условиях окружающей среды может происходить так много одновременных химических превращений. Например, рассмотрим 10-ферментный каталитический распад и превращение глюкозы в пируват в метаболическом пути гликолиза.

Химически собрать органические соединения

Одна из причин того, что реакции синтеза (химическая сборка) могут происходить в таких мягких условиях, как температура окружающей среды и давление в воде, заключается в том, что чаще всего они протекают ступенчато, опосредованно ферментами, с выделением или выделением небольшого количества энергии на каждом этапе. . Например, синтез глюкозы из углекислого газа в цикле Кальвина состоит из 15 стадий, каждая из которых регулируется отдельным ферментом.

Преобразование химической энергии

Химия жизни основана на преобразовании энергии, запасенной в химических связях. Например, глюкоза является основной молекулой-аккумулятором энергии в живых системах, потому что окислительное расщепление глюкозы на углекислый газ и воду высвобождает энергию. Животные, грибы и бактерии хранят до 30 000 единиц глюкозы в одной единице гликогена, трехмерной структурированной молекулы с разветвленными цепями молекул глюкозы, исходящими из белкового ядра. Когда энергия необходима для метаболических процессов, молекулы глюкозы отрываются и окисляются.

Преобразование лучистой энергии (света)

Солнце является основным источником энергии для многих живых систем.Солнце излучает лучистую энергию, которая переносится светом и другим электромагнитным излучением в виде потоков фотонов. Когда лучистая энергия достигает живой системы, могут произойти два события. Лучистая энергия может преобразовываться в тепло, или живые системы могут преобразовывать ее в химическую энергию. Последнее преобразование не простое, а многоэтапный процесс, начинающийся, когда живые системы, такие как водоросли, некоторые бактерии и растения, захватывают фотоны. Например, растение картофеля улавливает фотоны, а затем преобразует световую энергию в химическую посредством фотосинтеза, сохраняя химическую энергию под землей в виде углеводов. Углеводы, в свою очередь, питают другие живые системы.

Растения

Phylum Plantae («растения»): покрытосеменные, голосеменные, зеленые водоросли и другие растения. В ходе эволюции растения использовали специальные структуры внутри своих клеток для получения энергии непосредственно от солнечного света. В настоящее время известно более 350 000 видов растений, включая покрытосеменные (цветущие деревья и растения), голосеменные (хвойные, гингко и другие), папоротники, роголистники, печеночники, мхи и зеленые водоросли. В то время как большинство получает энергию в процессе фотосинтеза, некоторые являются частично плотоядными, питаясь телами насекомых, а другие являются растительными паразитами, полностью питающимися другими растениями. Растения размножаются плодами, семенами, спорами и даже бесполым путем. Они появились около 500 миллионов лет назад, и теперь их можно найти на всех континентах мира.

Поглощая синий и красный свет солнца, хлорофилл теряет электроны, которые становятся мобильными формами химической энергии, обеспечивающей рост растений.

Введение

В течение первой половины жизни Земли кислород практически отсутствовал в атмосфере, состоящей в основном из азота, углекислого газа и метана. Эволюция животных и жизни в том виде, в каком мы ее знаем сейчас, всем обязаны фотосинтезу. Около 2,5 миллиардов лет назад цианобактерии — первые организмы, которые использовали солнечный свет и углекислый газ для производства кислорода и сахаров посредством фотосинтеза — изменили нашу атмосферу.Позже с этой способностью развились водоросли, и около 0,5 миллиарда лет назад появились первые наземные растения. Водоросли, планктон и наземные растения теперь работают вместе, чтобы наша атмосфера была наполнена кислородом.

Стратегия

Фотосинтез происходит в особых растительных клетках, называемых хлоропластами, которые относятся к типу клеток листьев. Один хлоропласт похож на мешок, наполненный основными ингредиентами, необходимыми для фотосинтеза. В нем есть вода, поглощаемая корнями растения, атмосферный углекислый газ, поглощаемый листьями, и хлорофилл, содержащийся в складчатых лабиринтных органеллах, называемых тилакоидами. Хлорофилл является настоящим катализатором фотосинтеза. Цианобактерии, планктон и наземные растения полагаются на эту светочувствительную молекулу, чтобы запустить процесс. Молекулы хлорофилла настолько плохо поглощают зеленый свет, что отражают его как крошечные зеркала, из-за чего наши глаза видят большинство листьев зелеными. Обычно только осенью, после деградации хлорофилла, мы видим эти бесконечные оттенки желтого и оранжевого, производимые каротиноидными пигментами.

Изображение: Анна Герреро, [электронная почта защищена] / CC BY NC SA — Creative Commons Attribution + Noncommercial + ShareAlike

значок переключения

Процесс фотосинтеза в растениях включает ряд стадий и реакций, в которых используется солнечный свет, вода и углекислый газ для производства сахаров, используемых растением для роста. Кислород выделяется из листьев как побочный продукт.

Стратегия

Но сверхспособность хлорофилла заключается не в способности отражать зеленый свет, а в способности поглощать синий и красный свет, как губка. Синий и красный свет солнца заряжает хлорофилл энергией, заставляя его терять электроны, которые становятся мобильными формами химической энергии, обеспечивающей рост растений. Хлорофилл восполняет свои потерянные электроны не за счет питьевой воды, а за счет ее расщепления и взятия электронов у водорода, оставляя кислород в качестве побочного продукта для «выдыхания». Электроны, освобожденные от хлорофилла, используются по крайней мере двумя способами.Во-первых, они используются для создания высокой концентрации протонов в пространстве внутри тилакоида (называемом люменом), что, в свою очередь, способствует превращению АДФ в АТФ — молекулу-носитель энергии природы. Во-вторых, они восстанавливают НАДФ+ до НАДФН. Эти преобразования происходят в строме, области за пределами складок тилакоидов, но все еще внутри «мешка» хлоропластов. Энергия, приносимая АТФ и НАДФН, подпитывает серию реакций, в которых углекислый газ вынужден отказаться от своего драгоценного груза углерода для создания глюкозы и других ключевых метаболических соединений. Когда происходят эти реакции (известные как цикл Кальвина), молекулы истощаются до АДФ, а НАДФ + возвращаются в складки тилакоидов, чтобы пополнить свои запасы энергии за счет стимулированного солнечным светом хлорофилла. Когда у растений достаточно солнечного света, воды и плодородной почвы, цикл фотосинтеза продолжает производить все больше и больше глюкозы. Глюкоза похожа на пищу, которую растения используют для построения своего тела. Они объединяют тысячи молекул глюкозы, чтобы сделать целлюлозу, основной компонент их клеточных стенок. Чем больше целлюлозы они производят, тем больше они растут.

Потенциал

Природа посредством фотосинтеза позволяет растениям преобразовывать солнечную энергию в форму, которую могут использовать они и другие живые существа. Растения передают эту энергию непосредственно большинству других живых существ в качестве пищи или в качестве пищи для животных, которых едят другие животные. Люди также косвенно извлекают эту энергию из древесины или из растений, которые миллионы лет назад распались на нефть, уголь и природный газ. Сжигание этих материалов для получения электричества и тепла из-за чрезмерной эксплуатации привело к ужасным последствиям, нарушившим баланс жизни на Земле. Что, если бы люди могли использовать эту силу по-другому? Представьте себе зеленую химию, катализируемую солнечным светом, вместо того, чтобы добывать тяжелые металлы, такие как медь, олово или платина. Подумайте о том, что химические процессы, требующие небольшого количества тепла, могут снизить потребление энергии.Лучше поняв фотосинтез, мы сможем преобразовать сельское хозяйство, чтобы потреблять меньше воды и сохранить больше земли для местных растений и лесов. Поскольку мы продолжаем бороться с изменением климата, прислушиваясь к тому, чему нас могут научить растения, мы можем пролить свет на более зеленый путь.