Енергія фотосинтезу від сонячного світла - спектр науки

Біологія: Фотосинтез: Енергія сонячного світла

Захоплення дослідженнями: фотосинтез та глобальні зміни клімату

Це було в липні 2014 року, коли НАСА відправило дослідницький супутник у космос для вимірювання фотосинтезу на Землі. На борту Орбітальної обсерваторії вуглецю (OCO), як називають супутник, були пристрої, які відображають не тільки концентрацію вуглекислого газу (\ (\ mathrm> \)), але і кількість зеленого рослинного пігменту хлорофілу, присутнього на земній поверхні слід визначити. Але чому саме ці вимірювання і чому саме в цей момент часу?

Як ви, напевно, вже знаєте, зелені рослини використовують пігмент хлорофіл для фотосинтезу. Значно спрощене рівняння підсумовує реакцію:

Окружуючи землю, супутник безперервно вимірював кількість хлорофілу, міру кількості зеленої рослинності, що покриває земну поверхню, а також кількості \ (\ mathrm> \) в атмосфері. За останні 200 років концентрація атмосферного \ (\ mathrm> \) постійно зростала - з 280 ppm (частин на мільйон) у 1800 р. До 400 ppm у 2016 р. - і ця тенденція, швидше за все, триватиме ще деякий час . Вуглекислий газ вважається парниковим газом, який утримує тепло в атмосфері. Зростаюча концентрація \ (\ mathrm> \), відповідно до прогнозів, призводить до глобальних кліматичних змін. І так трапляється, що особи, що приймають політичні рішення, дошкуляють фізіологам рослин двома запитаннями про наслідки підвищеної концентрації \ (\ mathrm> \): Чи призведе це до збільшення швидкості фотосинтезу, і якщо так, чи збільшиться ріст рослин?

Щоб відповісти на ці питання, вчені розробили метод впливу рослин на високі концентрації в польових випробуваннях. Процес, відомий як FACE (збагачення концентрацією вільного повітря), використовує кільця трубок, які оточують рослини в полі або в лісі і з яких тече \ (\ mathrm> \). Швидкість та напрямок вітру реєструються та обчислюються комп’ютером, щоб випуск \ (\ mathrm> \) через шланги можна було постійно регулювати. Експериментальні висновки підтверджують, з одного боку, що швидкості фотосинтезу зростають із збільшенням атмосферної концентрації \ (\ mathrm> \), а з іншого боку, вони підтримують припущення, що швидкість фотосинтезу зростатиме, коли концентрація \ (\ mathrm> \) глобально зростає в атмосфері.

Але чи призводить це збільшення швидкості фотосинтезу до збільшення росту рослин? Рослини, як і всі організми, використовують вуглеводи як джерело енергії, і вони здійснюють клітинне дихання згідно з наступним рівнянням, яке є зворотом рівняння зліва:

Завдання для фізіологів рослин полягає в тому, щоб дізнатися більше про баланс між фотосинтезом та клітинним диханням та як цей баланс впливає на ріст рослин. Як показують експерименти FACE, урожайність зростає із більшим вмістом \ (\ mathrm> \) атмосфери, що вказує на те, що збільшення фотосинтезу переважить збільшення клітинного дихання.

Які хімічні реакції фотосинтезу і як вони контролюються за допомогою СО \ (<> _> \) -Концентрація впливає?

У "Експерименті: Які хімічні реакції фотосинтезу і як на них впливає концентрація CO \ (<> _ \)?" У розділі 10.1 та в "Дослідженнях фасцинації" в кінці цього розділу ви знайдете відповіді на них питання.

10.1 Фотосинтез використовує світло для синтезу вуглеводів

Катаболізм - розпад складних органічних молекул на простіші будівельні блоки - протилежний анаболізму - побудові складних органічних молекул із простих попередників. У розд. 9 ви стикалися з численними метаболічними шляхами, що вивільняють енергію. Енергія, що зберігається в хімічних зв’язках майже всіх організмів, зрештою походить від сонця. (Виняток становлять лише організми в харчових ланцюгах, які засновані на хемосинтезі.) Фотосинтез (дослівно «синтез за допомогою світла») - це метаболічний процес, який фіксує енергію випромінювання сонячного світла (сонячну енергію) і перетворює вуглекислий газ (\ (\ mathrm> \ )) і води (\ (\ mathrmO> \)) у глюкозі та молекулярному кисні (\ (\ mathrm> \)).

Коротко

Молекули води забезпечують протони та електрони, необхідні для відновлення вуглекислого газу та синтезу вуглеводів за допомогою кисневого (киснеутворюючого) фотосинтезу.
Фотосинтез відбувається у два послідовних етапи: світлові реакції та подальші світлозалежні реакції.

Фотосинтез вимагає світло- і газообміну

Наземні рослини, водорості та ціанобактерії живуть в аеробних умовах, і всі вони проводять кисневий фотосинтез: перетворення \ (\ mathrm> \) і води (\ (\ mathrmO> \)) у глюкозу (\ (\ mathrmH_O _> \); це З'єднання \ (\ mathrm> \) - це центральний вуглевод метаболізму) та молекулярний кисень (\ (\ mathrm> \)) (рис. 10.1, не включений до цього зразка):

Деякі форми бактерій живуть в анаеробних умовах і здійснюють тип фотосинтезу, при якому енергія сонячного світла використовується для використання \ (\ mathrm> \) для синтезу більш складних молекул, але без виділення \ (\ mathrm> \). З цим процесом ви познайомитесь більш детально нижче, але наразі ми матимемо справу лише з кисневим фотосинтезом.

Рівняння 10.1 описує ендергонічну реакцію. Експерименти, такі як той, що описаний у вступі до цієї глави («Дослідження захоплення: Фотосинтез та глобальні зміни клімату»), в яких використовувався FACE, дуже добре вивчили роль \ (\ mathrm> \). Навіть якщо рівняння реакції, наведене там для фотосинтезу, є принципово правильним, воно сформульоване занадто загально, щоб деталі процесу фотосинтезу можна було зрозуміти з його допомогою. Виникає ряд питань: Які реакції відбувається на фотосинтез? Яку роль у цих реакціях відіграє світло? Як атоми вуглецю пов’язані з утвореннями вуглеводів? Які вуглеводи утворюються? І чи походить молекулярний кисень з \ (\ mathrm> \) або \ (\ mathrmO> \)?

Експеримент: Які хімічні реакції фотосинтезу і як на них впливає концентрація CO \ (<> _> \)?

Оригінальна література: Рубен С та співавт. (1941) J Am Chem Soc 63 (3): 877-879

Розуміння хімічних реакцій фотосинтезу є ключем до можливості оцінити вплив зростаючої концентрації \ (\ mathrm> \) в атмосфері. Зокрема, походження \ (\ mathrm> \) довгий час залишалося в темряві. Партнери по реакції \ (\ mathrm> \) та \ (\ mathrmO> \) були можливими джерелами для \ (\ mathrm> \). Самуель Рубен та його колеги провели два окремі експерименти. Вони позначали кисень у цих молекулах один за одним ізотопом \ (\ mathrm ^ O> \), а потім перевіряли \ (\ mathrm> \), утворене зеленою рослиною, на наявність ізотопу, щоб з'ясувати, яка молекула постачає кисень, \ (\ mathrm> \) або \ (\ mathrmO> \).

гіпотеза

\ (\ Mathrm> \), що утворюється при фотосинтезі, походить від води, а не від \ (\ mathrm> \).

метод

Експеримент 1: Рослини поливали водою, міченою ізотопом, і піддавали впливу немічених \ (\ mathrm> \) (\ (\ mathrm> ^ O> \), \ (\ mathrm> \)). Результат: Виділений кисень був позначений (\ (\ mathrm ^ O _> \)).

Експеримент 2: Рослини піддавали дії ізотопної мітки \ (\ mathrm> \) і поливали неміченою водою (\ (\ mathrmO> \), \ (\ mathrm ^ O _> \)). Результат: Виділений кисень не позначений (\ (\ mathrm> \)).

висновок

Джерелом двох атомів кисню \ (\ mathrm> \), що утворюється при фотосинтезі, є вода.