Biologia I

Wszystkie żywe organizmy na Ziemi składają się z jednej lub więcej komórek. Każda komórka działa w oparciu o energię chemiczną znajdującą się głównie w cząsteczkach węglowodanów (pożywienie), a większość tych cząsteczek jest produkowana w jednym procesie: fotosyntezie. Poprzez fotosyntezę niektóre organizmy przekształcają energię słoneczną (światło słoneczne) w energię chemiczną, która jest następnie wykorzystywana do budowy cząsteczek węglowodanów. Energia użyta do utrzymania tych cząsteczek razem jest uwalniana, gdy organizm rozkłada pożywienie. Komórki następnie wykorzystują tę energię do wykonywania pracy, takiej jak oddychanie komórkowe.

Energia, która jest wykorzystywana w fotosyntezie, wchodzi do ekosystemów naszej planety w sposób ciągły i jest przekazywana z jednego organizmu do drugiego. Dlatego też, bezpośrednio lub pośrednio, proces fotosyntezy dostarcza większość energii potrzebnej żywym istotom na Ziemi.

Fotosynteza powoduje również uwalnianie tlenu do atmosfery. Krótko mówiąc, aby jeść i oddychać, ludzie zależą prawie całkowicie od organizmów przeprowadzających fotosyntezę.

Zależność słoneczna i produkcja żywności

Niektóre organizmy mogą przeprowadzać fotosyntezę, podczas gdy inne nie. Autotrof jest organizmem, który może produkować własne pożywienie. Greckie korzenie słowa autotrof oznaczają „siebie” (auto) „karmiciel” (troph). Rośliny są najbardziej znanymi autotrofami, ale istnieją również inne, w tym niektóre rodzaje bakterii i glonów (rysunek 1). Algi oceaniczne dostarczają ogromnych ilości pożywienia i tlenu do globalnych łańcuchów pokarmowych. Rośliny są również fotoautotrofami, rodzajem autotrofu, który wykorzystuje światło słoneczne i węgiel z dwutlenku węgla do syntezy energii chemicznej w postaci węglowodanów. Wszystkie organizmy przeprowadzające fotosyntezę wymagają światła słonecznego.

Heterotrofy to organizmy niezdolne do fotosyntezy, które muszą zatem pozyskiwać energię i węgiel z pożywienia poprzez spożywanie innych organizmów. Greckie korzenie słowa heterotrof oznaczają „inny” (hetero) „karmiciel” (troph), co oznacza, że ich pożywienie pochodzi od innych organizmów. Nawet jeśli organizmem żywiącym się jest inne zwierzę, pożywienie to wywodzi się od autotrofów i procesu fotosyntezy. Ludzie, podobnie jak wszystkie zwierzęta, są heterotrofami. Heterotrofy zależą od autotrofów, bezpośrednio lub pośrednio. Jelenie i wilki są heterotrofami. Jeleń pozyskuje energię zjadając rośliny. Wilk zjadający jelenia uzyskuje energię, która pierwotnie pochodziła z roślin zjedzonych przez jelenia. Energia zawarta w roślinie pochodzi z fotosyntezy, a zatem jest ona jedynym autotrofem w tym przykładzie (Rysunek 2). Używając tego rozumowania, wszystkie pokarmy spożywane przez ludzi również są powiązane z autotrofami przeprowadzającymi fotosyntezę.

Główne struktury i podsumowanie fotosyntezy

Fotosynteza wymaga światła słonecznego, dwutlenku węgla i wody jako początkowych reagentów (Rysunek 4). Po zakończeniu procesu fotosyntezy uwalniany jest tlen i powstają cząsteczki węglowodanów, najczęściej glukozy. Te cząsteczki cukru zawierają energię, której żywe organizmy potrzebują do przetrwania.

Złożone reakcje fotosyntezy można podsumować równaniem chemicznym przedstawionym na rysunku 5.

Chociaż równanie wygląda prosto, wiele etapów zachodzących podczas fotosyntezy jest w rzeczywistości dość złożonych, podobnie jak w przypadku reakcji podsumowującej oddychanie komórkowe, która reprezentuje wiele indywidualnych reakcji. Zanim poznamy szczegóły tego, jak fotoautotrofy zamieniają światło słoneczne w pokarm, ważne jest, aby zapoznać się z fizycznymi strukturami zaangażowanymi w ten proces.

W roślinach fotosynteza zachodzi przede wszystkim w liściach, które składają się z wielu warstw komórek i mają zróżnicowane strony górną i dolną. Proces fotosyntezy zachodzi nie w powierzchniowych warstwach liścia, lecz w warstwie środkowej zwanej mezofilem (rys. 6). Wymiana gazowa dwutlenku węgla i tlenu odbywa się przez małe, regulowane otwory zwane stomata.

We wszystkich autotroficznych eukariotach fotosynteza zachodzi wewnątrz organelli zwanej chloroplastem. U roślin komórki zawierające chloroplasty znajdują się w mezofilu. Chloroplasty mają podwójną błonę (wewnętrzną i zewnętrzną). Wewnątrz chloroplastu znajduje się trzecia błona, która tworzy ułożone w stosy, dyskowate struktury zwane tylakoidami. W błonie tylakoidów osadzone są cząsteczki chlorofilu, pigmentu (cząsteczki pochłaniającej światło), dzięki któremu rozpoczyna się cały proces fotosyntezy. Chlorofil jest odpowiedzialny za zielony kolor roślin. Błona tylakoidalna zamyka wewnętrzną przestrzeń zwaną przestrzenią tylakoidalną. Inne rodzaje pigmentów również biorą udział w fotosyntezie, ale chlorofil jest zdecydowanie najważniejszy. Jak pokazano na Rysunku 6, stos tylakoidów nazywa się granum, a przestrzeń otaczająca granum nazywa się stromą (nie mylić ze stomą, otworami na liściach).

Dwie części fotosyntezy

Fotosynteza odbywa się w dwóch etapach: reakcje zależne od światła i cykl Calvina. W reakcjach zależnych od światła, które zachodzą w błonie tylakoidalnej, chlorofil absorbuje energię ze światła słonecznego, a następnie przekształca ją w energię chemiczną przy użyciu wody. Reakcje zależne od światła uwalniają tlen z hydrolizy wody jako produkt uboczny. W cyklu Calvina, który zachodzi w stromie, energia chemiczna pochodząca z reakcji zależnych od światła napędza zarówno wychwytywanie węgla w cząsteczkach dwutlenku węgla, jak i późniejsze tworzenie cząsteczek cukru. Te dwie reakcje wykorzystują cząsteczki nośnikowe do transportu energii z jednej do drugiej. Nośniki, które przenoszą energię z reakcji zależnych od światła do reakcji cyklu Calvina, mogą być uważane za „pełne”, ponieważ przynoszą energię. Po uwolnieniu energii, „puste” nośniki energii wracają do reakcji zależnych od światła, aby uzyskać więcej energii.

Podsumowanie

Proces fotosyntezy przekształcił życie na Ziemi. Wykorzystując energię słoneczną, fotosynteza umożliwiła istotom żywym dostęp do ogromnych ilości energii. Dzięki fotosyntezie organizmy żywe uzyskały dostęp do wystarczającej ilości energii, co pozwoliło im na ewolucję nowych struktur i osiągnięcie różnorodności biologicznej, która jest widoczna dzisiaj.

Tylko niektóre organizmy, zwane autotrofami, mogą przeprowadzać fotosyntezę; wymagają one obecności chlorofilu, wyspecjalizowanego pigmentu, który może absorbować światło i przekształcać energię świetlną w chemiczną. Fotosynteza wykorzystuje dwutlenek węgla i wodę do składania cząsteczek węglowodanów (zwykle glukozy) i uwalnia tlen do powietrza. Eukariotyczne autotrofy, takie jak rośliny i algi, mają organelle zwane chloroplastami, w których zachodzi fotosynteza.