A fotoszintézis energiája a napfénytől - a tudomány spektruma

Biológia: Fotoszintézis: A napfény energiája

Lenyűgöző kutatás: fotoszintézis és globális klímaváltozás

2014. július volt, amikor a NASA kutató műholdat küldött az űrbe a Föld fotoszintézisének mérésére. Az Orbiting Carbon Observatory (OCO) fedélzetén, amint a műholdat hívják, voltak olyan eszközök, amelyek nemcsak a szén-dioxid koncentrációját (\ (\ mathrm> \)) térképezik fel, hanem a föld felszínén jelen lévő zöld növényi klorofill pigment mennyiségét is. meg kell határoznia. De miért kell ezeknek a méréseknek lennie, és miért éppen ebben az időpontban?

Mint valószínűleg már tudja, a zöld növények a klorofill pigmentet használják a fotoszintézishez. Egy jelentősen leegyszerűsített egyenlet foglalja össze a reakciót:

Amint körbejárta a földet, a műhold folyamatosan mérte a klorofill mennyiségét, a földfelszínt borító zöld növényzet mennyiségét, valamint a légkörben lévő \ (\ mathrm> \) mennyiségét. Az elmúlt 200 évben a légköri \ (\ mathrm> \) koncentrációja folyamatosan emelkedett - az 1800-as 280 ppm-ről (1 millió rész) az 2016-os 400 ppm-re 2016-ban, és ez a tendencia valószínűleg egy ideig még folytatódik . A szén-dioxidot üvegházhatású gáznak tekintik, amely csapdába ejti a hőt. A növekvő \ (\ mathrm> \) koncentráció tehát az előrejelzések szerint globális klímaváltozáshoz vezet. És így történik, hogy a politikai döntéshozók két kérdéssel sújtják a növényfiziológusokat a megnövekedett \ (\ mathrm> \) koncentráció következményeivel kapcsolatban: Ez a fotoszintézis megnövekedett sebességéhez vezet-e, és ha igen, akkor megnő-e a növények növekedése?

E kérdések megválaszolására a tudósok kifejlesztettek egy módszert a növények magas koncentrációnak való kitettségére terepi vizsgálatok során. A FACE (szabad levegő koncentrációval történő dúsítás) néven ismert eljárás csövek gyűrűit használja, amelyek körülveszik a növényeket a mezőn vagy az erdőben, és amelyekből \ (\ mathrm> \) folyik. A szél sebességét és szélirányát egy számítógép rögzíti és értékeli, hogy a tömlőkön keresztüli \ (\ mathrm> \) kioldás tartósan állítható legyen. A kísérleti eredmények egyrészt megerősítik, hogy a fotoszintézis sebessége a légköri \ (\ mathrm> \) koncentráció növekedésével nő, másrészt támogatják azt a feltételezést, hogy a fotoszintézis sebessége növekedni fog, amikor a (z) \ (\ mathrm> \) koncentráció globálisan növekszik a légkörben.

De vajon a fotoszintézis sebességének ez a növekedése a növények növekedésének növekedését is eredményezi? A növények, mint minden organizmus, szénhidrátokat használnak energiaforrásként, és sejtlégzést végeznek a következő egyenlet szerint, amely a bal oldali egyenlet fordítottja:

A növényfiziológusok számára most az a kihívás, hogy többet megtudjanak a fotoszintézis és a sejtlégzés közötti egyensúlyról, és arról, hogy ez az egyensúly hogyan befolyásolja a növények növekedését. Amint azt a FACE kísérletek mutatják, a hozamok a légkör magasabb \ (\ mathrm> \) tartalmával nőnek, ami azt jelzi, hogy a fotoszintézis növekedése felül fogja mérni a sejtlégzés növekedését.

Milyen kémiai reakciói vannak a fotoszintézisnek, és hogyan szabályozza őket a CO \ (<> _> \) -A koncentráció befolyásolja?

A "Kísérlet: Mik a fotoszintézis kémiai reakciói, és hogyan befolyásolja őket a CO \ (<> _ \) koncentráció?" A 10.1 szakaszban és a fejezet végén található "Fascination Research" részben ezekre talál választ. kérdés.

10.1 A fotoszintézis fényt használ a szénhidrátok szintetizálásához

A katabolizmus - a komplex szerves molekulák egyszerűbb építőelemekre bontása - ellentétes az anabolizmussal - a komplex szerves molekulák egyszerű prekurzorokból történő felépítésével. Fejezetben. 9 számos energiát felszabadító katabolikus anyagcsere útvonalon találkozott. Szinte minden organizmus kémiai kötéseiben tárolt energia végül a napból származik. (Az egyetlen kivétel az élelmiszerláncokban található organizmusok, amelyek kemoszintézisen alapulnak.) A fotoszintézis (szó szerint »a fény révén történő szintézis«) egy metabolikus folyamat, amely megfogja a napfény sugárzási energiáját (napenergia) és átalakítja a szén-dioxidot (\ (\ mathrm> \ )) és a víz (\ (\ mathrmO> \)) glükózban és molekuláris oxigénben (\ (\ mathrm> \)).

Dióhéjban

A vízmolekulák protonokat és elektronokat biztosítanak, amelyek szükségesek a szén-dioxid redukciójához és a szénhidrátok oxigén (oxigént képző) fotoszintézis útján történő szintéziséhez.
A fotoszintézis két egymást követő lépésben zajlik: a fényreakciókban és az azt követő fényfüggetlen reakciókban.

A fotoszintézis fény- és gázcserét igényel

A szárazföldi növények, az algák és a cianobaktériumok aerob körülmények között élnek, és mindegyik oxigén fotoszintézist hajt végre: a (z) \ (\ mathrm> \) és a víz (\ (\ mathrmO> \)) glükózzá (\ (\ mathrmH_O _> \) való átalakítását; \ (\ mathrm> \) - a vegyület az anyagcsere központi szénhidrátja) és a molekuláris oxigén (\ (\ mathrm> \)) (10.1. ábra, nem szerepel ebben a mintában):

A baktériumok egyes formái anaerob körülmények között élnek, és olyan típusú fotoszintézist hajtanak végre, amelyben a napfényből származó energiát felhasználják a \ (\ mathrm> \) összetettebb molekulák szintéziséhez, de a \ (\ mathrm> \). Az alábbiakban részletesebben találkozni fog ezzel a folyamattal, de egyelőre csak az oxigénes fotoszintézissel fogunk foglalkozni.

Egyenlő A 10.1 endergonikus reakciót ír le. Az olyan kísérletek, mint amelyek a fejezet bevezetőjében szerepelnek (»Fascination Research: Photosynthesis and Global Climate Change«), amelyekben a FACE-t használták, nagyon jól megvizsgálták a \ (\ mathrm> \) szerepét. Még akkor is, ha a fotoszintézishez adott reakcióegyenlet alapvetően helytálló, túl általánosan van megfogalmazva ahhoz, hogy a fotoszintézis folyamatának részleteit megértsék annak segítségével. Számos kérdés merül fel: Milyen reakciókat okoz a fotoszintézis? Milyen szerepet játszik a fény ezekben a reakciókban? Hogyan kapcsolódnak a szénatomok szénhidrátokhoz? Melyik szénhidrát képződik? És a molekuláris oxigén származik-e a \ (\ mathrm> \) vagy a \ (\ mathrmO> \)?

Kísérlet: Mik a fotoszintézis kémiai reakciói és hogyan befolyásolja őket a CO \ (<> _> \) koncentráció?

Eredeti irodalom: Ruben S et al. Am. Soc. 63 (3), 877-879 (1941)

A fotoszintézis kémiai reakcióinak megértése kulcsfontosságú ahhoz, hogy megbecsülhessük a növekvő \ (\ mathrm> \) koncentráció hatásait a légkörben. Különösen a \ (\ mathrm> \) eredete sokáig sötétben maradt. A \ (\ mathrm> \) és a (\ mathrmO> \) reakciópartnerek mind a \ (\ mathrm> \) lehetséges forrásai voltak. Samuel Ruben és munkatársai két külön kísérletet hajtottak végre. Sorra jelölték a molekulák oxigénjét a \ (\ mathrm ^ O> \) izotóppal, majd ellenőrizték a zöld növény által létrehozott \ (\ mathrm> \) izotóp jelenlétét, hogy kiderítsék melyik molekula szolgáltatja az oxigént, \ (\ mathrm> \) vagy \ (\ mathrmO> \).

hipotézis

A fotoszintézis során képződött \ (\ mathrm> \) a vízből származik, nem pedig a \ (\ mathrm> \).

módszer

1. kísérlet: A növényeket izotóppal jelölt vízzel öntöztük, és címkézetlen \ (\ mathrm> \) (\ (\ mathrm> ^ O> \), \ (\ mathrm> \) címkéknek tettük ki. Eredmény: A felszabadult oxigént megjelöltük (\ (\ mathrm ^ O _> \).

2. kísérlet: A növényeket izotóppal jelölt \ (\ mathrm> \) hatásoknak tették ki és öntözték címkézetlen vízzel (\ (\ mathrmO> \), \ (\ mathrm ^ O _> \)). Eredmény: A felszabadult oxigént nem jelölték meg (\ (\ mathrm> \).

következtetés

A fotoszintézis során képződő \ (\ mathrm> \) két oxigénatomjának forrása a víz.