Fotosinteză

miniatura|425x425px|Schemă a fotosintezei în plante. Carbohidrații produși sunt stocați sau utilizați de către plantă. miniatura|386x386px|Ecuația pe larg pentru tipul de fotosinteză care are loc în plante miniatura|390x390px|Imagine compozită arătând distribuția globală a fotosintezei, incluzând atât fitoplanctonul oceanic, cât și vegetația terestră. Cu roșu închis și albastru-verde sunt indicate regiunile cu activitate fotosintetizatoare înaltă în ocean și respectiv pe pământ.

Fotosinteza este un proces utilizat de către plante și alte organisme prin care se convertește energia luminoasă în energie chimică ce poate fi eliberată mai târziu pentru a alimenta activitățile organismelor. Această energie chimică este stocată în molecule de carbohidrați, cum ar fi zaharurile, care sunt sintetizate din dioxid de carbon și apă – de aici denumirea de fotosinteză, din grecescul φῶς, phōs, "lumină", și σύνθεσις, synthesis, "a pune împreună"."photosynthesis". Online Etymology Dictionary. Archived from the original on 2013-03-07. Retrieved 2013-05-23.φῶς. Liddell, Henry George; Scott, Robert; A Greek–English Lexicon at the Perseus Projectσύνθεσις. Liddell, Henry George; Scott, Robert; A Greek–English Lexicon at the Perseus Project În majoritatea cazurilor, oxigenul este eliberat sub formă de produs rezidual. Cele mai multe plante, alge, și cianobacterii realizează fotosinteză și se numesc organisme fotoautotrofe. Fotosinteza,este responsabilă în mare măsură pentru producerea și menținerea conținutului de oxigen din atmosfera Pământului, și furnizează toți compușii organici și majoritatea energiei necesare pentru viața de pe Pământ.Bryant DA, Frigaard NU (Nov 2006). "Prokaryotic photosynthesis and phototrophy illuminated". Trends in Microbiology. 14 (11): 488–496. doi:10.1016/j.tim.2006.09.001. PMID 16997562.

Deși fotosinteza se realizează diferit de către diferite specii, procesul începe întotdeauna prin absorbirea energiei din lumină de către niște proteine numite centre de reacție care conțin pigmenți clorofilieni verzi. În plante, aceste proteine sunt ținute în interiorul organitelor numite cloroplaste, ce sunt abundente în celulele frunzelor, în timp ce în bacterii sunt încorporate în membrana plasmatică. În aceste reacții dependente de lumină, o parte din energie este folosită pentru a îndepărta electroni din substanțe corespunzătoare, precum apa, producându-se oxigen sub formă de gaz. Hidrogenul eliberat prin ruperea apei este utilizat în crearea a alți doi compuși ce servesc la stocarea de scurtă durată a energiei, transferul său putând să realizeze alte reacții: acești compuși sunt forma redusă a nicotinamid adenin dinucleotid fosfatului (NADPH) și adenozintrifosfatul (ATP), "moneda energetică" a celulelor.

În plante, alge și cianobacterii, stocarea pe termen lung a energiei sub formă de zaharuri este rezultatul unei serii ulterioare de reacții independente de lumină numită ciclul Calvin; unele bacterii folosesc mecanisme diferite, cum ar fi ciclul Krebs inversat, pentru a atinge același scop. În ciclul Calvin, dioxidul de carbon atmosferic este încorporat în compuși organici cu carbon deja existenți, cum ar fi ribulozo-1,5-difosfatul (RuDP/RuBP).Reece J, Urry L, Cain M, Wasserman S, Minorsky P, Jackson R (2011). Biology (International ed.). Upper Saddle River, NJ: Pearson Education. pp. 235, 244. ISBN 978-0-321-73975-9. This initial incorporation of carbon into organic compounds is known as carbon fixation. Utilizând ATP-ul și NAPDH-ul produse prin reacțiile dependente de lumină, compușii rezultați sunt apoi reduși și îndepărtați pentru a forma alți carbohidrați, precum glucoza.Astfel fotosinteza este un proces anabolic(anabolism).

Primele organisme fotosintetizatoare au evoluat probabil timpuriu în istoria evoluționară a vieții și au folosit cel mai probabil agenți reducători precum hidrogenul sau acidul sulfhidric, în loc de apă, drept sursă de electroni.Olson JM (May 2006). "Photosynthesis in the Archean era". Photosynthesis Research. 88 (2): 109–117. doi:10.1007/s11120-006-9040-5. PMID 16453059. Cianobacteriile au apărut mai târziu; excesul de oxigen pe care l-au produs a contribuit în mod direct la oxigenarea Pământului,Buick R (Aug 2008). "When did oxygenic photosynthesis evolve?". Philosophical Transactions of the Royal Society of London, Series B. 363 (1504): 2731–2743. doi:10.1098/rstb.2008.0041. PMC 2606769. PMID 18468984. ceea ce a făcut evoluția formelor de viață complexe posibilă. Astăzi, energia medie capturată prin fotosinteză global este de aproximativ 130 terawatt,Nealson KH, Conrad PG (Dec 1999). "Life: past, present and future". Philosophical Transactions of the Royal Society of London, Series B. 354 (1392): 1923–1939. doi:10.1098/rstb.1999.0532. PMC 1692713. PMID 10670014.Whitmarsh J, Govindjee (1999). "The photosynthetic process". In Singhal GS, Renger G, Sopory SK, Irrgang KD, Govindjee (eds.). Concepts in photobiology: photosynthesis and photomorphogenesis. Boston: Kluwer Academic Publishers. pp. 11–51. ISBN 978-0-7923-5519-9. 100×1015 grams of carbon/year fixed by photosynthetic organisms, which is equivalent to 4×1018 kJ/yr = 4×1021 J/yr of free energy stored as reduced carbon.Steger U, Achterberg W, Blok K, Bode H, Frenz W, Gather C, Hanekamp G, Imboden D, Jahnke M, Kost M, Kurz R, Nutzinger HG, Ziesemer T (2005). Sustainable development and innovation in the energy sector. Berlin: Springer. p. 32. ISBN 978-3-540-23103-5. Archived from the original on 2016-09-02. Retrieved 2016-02-21. The average global rate of photosynthesis is 130 TW. ce reprezintă în jur de opt ori consumul actual de energie de către civilizația umană."World Consumption of Primary Energy by Energy Type and Selected Country Groups, 1980–2004". Energy Information Administration. July 31, 2006. Archived from the original (XLS) on November 9, 2006. Retrieved 2007-01-20. Organismele fotosintetizatoare convertesc, de asemenea, în jur de 100-115 miliarde de tone (91-104 petagrame) de carbon în biomasă pe an.Field CB, Behrenfeld MJ, Randerson JT, Falkowski P (Jul 1998). "Primary production of the biosphere: integrating terrestrial and oceanic components". Science. 281 (5374): 237–240. Bibcode:1998Sci...281..237F. doi:10.1126/science.281.5374.237. PMID 9657713. Archived from the original on 2018-09-25. Retrieved 2018-04-20."Photosynthesis". McGraw-Hill Encyclopedia of Science & Technology. 13. New York: McGraw-Hill. 2007. ISBN 978-0-07-144143-8.

Apa în fotosinteză Fără apă, viața plantelor, ca de altfel a tuturor viețuitoarelor pe Terra, este imposibilă. După cum se știe, globul pământesc este aprovizionat cu apă în mod inegal. Cele mai puține precipitații, inegal distribuite în cursul anului, cad în deșerturi. Deșerturile se găsesc pe aproape toate continentele, ocupând suprafețe mai mari sau mai mici, populate cu o floră și o faună specifică. Toate procesele metabolice depind de cantitatea de apă din țesuturi. Un deficit de apă în țesuturile asimilatoare influențează direct procesul fotosintezei atât în faza de lumină, cât și în faza de întuneric, provocând inhibarea acestuia. Deoarece principalul rezultat al pierderilor turgescenței îl constituie închiderea stomatelor, schimbul de gaze care are loc în fotosinteză, respirație și fotorespirație, este mult îngreunat. Totuși, și alți factori nonstomatici intervin în reducerea fotosintezei sub influența deficitului și stresului de apă.

Adaptări ale organismelor Deși speciile de plante care cresc în ținuturile aride aparțin mai multor familii botanice, ele capătă mai mult sau mai puțin același aspect. Astfel datorită apei insuficiente, o parte din plantele din deșerturi și-au pierdut frunzele, care s-au transformat în spini pentru a împiedica transpirația, asimilația clorofiliană fiind preluată de către tulpinile verzi ce au clorofilă. Tulpinile verzi, asimilatoare, pot fi sferice, lățite ca niște frunze sau cilindrice și ramificate ca niște candelabre. Deși suculente, conținând o mare cantitate de apă acumulată de țesutul acvifer, animalele nu se pot atinge de ele datorită spinilor puternici ce constituie o bună armă de apărare. Și acești spini nu sunt altceva decât frunzele reduse la nervura principală.Aceste forme de adaptare se întilnesc mai ales la plantele de deșert, cele din familia Cactaceae numite simplu – cactuși și care sunt caracteristice (cu unele excepții) deșertului Mexican. Dacă nu chiar toate speciile de plante care trăiesc în locuri secetoase au imitat, mai mult sau mai puțin, forma cactusului, în schimb toate au păstrat caracteristicile de bază: stomatele sunt deschise numai noaptea, cuticula frunzelor este groasă și impermeabilă, plasma celulară se păstrează întotdeauna, indiferent de temperatură, în stare hidratată.

Unele alge produc în anumite condiții hidrogen în loc de oxigen.

Reacții Reacții fotochimice În stadiul dependent de lumină (reacția la lumină), clorofila absoarbe energia luminoasă, care stimulează unii electroni din moleculele de pigment, transferându-i pe straturi cu niveluri mai ridicate de energie. Aceștia părăsesc clorofila și trec printr-o serie de molecule, formând NADPH (o enzimă) și molecule ATP care stochează energia. Oxigenul rezultat în urma reacțiilor chimice este eliberat în atmosferă prin porii frunzelor.

Reacții nefotochimice (de întuneric) Ciclul Calvin (descoperit de Melvin Calvin) reprezintă o serie de reacții biochimice, care au loc în stroma organismelor fotosintetice, în timpul fazei de întuneric. În cadrul acestui proces, energia cinetică a fotonilor este transformată în energie chimică de legătură. NADPH și ATP sunt compușii care conduc la cel de al doilea stadiu al fotosintezei (sau ciclul Calvin). În acest stadiu, glucoza este produsă folosindu-se dioxid de carbon din atmosferă.

Aspectul energetic al fotosintezei Au trebuit să treacă încă 44 ani pentru ca aspectul energetic al fotosintezei să fie cunoscut. Meritul revine medicului și fizicianului german Robert Mayer, care a aplicat legea conservării energiei la viețuitoare. Astfel, în 1845 el a publicat lucrarea "Mișcarea organică în relație cu metabolismul", în care a explicat clar transformarea energiei în procesul fotosintezei. În timpul efectuării fotosintezei, plantele înmagazinează energia luminii solare sub formă de energie chimică. Plantele nu creează energie, ci numai o transformă pe cea primită de la soare. În plus, Mayer afirmă că viața animalelor este dependentă de această proprietate unică a plantelor verzi. Astfel energia consumată de animale în timpul vieții provine din radiațiile solare. Acest fapt stabilește ferm procesul de fotosinteză ca fiind unul dintre fenomenele cele mai importante din lumea viețuitoarelor. Ecuația generală a fotosintezei putea fi scrisă atunci: 6 CO2 + 6 H2O + lumină solară → C6H12O6 + 6 O2

Dioxid de carbon + Apă + Energie luminoasă → Glucoză + Oxigen

sau (apa + săruri minerale) + Co2 lumină/clorofilă --> substanțe organice + O2

Fotosinteza are loc în cloroplaste și în zona citoplasmei care le înconjoară. La nivelul cloroplastelor alături de clorofila a, pigment activ în reacțiile fotochimice, se mai găsesc și alți pigmenți, cu rol de pigmenți accesori: Clorofilă b, clorofilă c Carotenoizi Flavonoide Pigmenți ficobilinici = ficobiliproteine

Mecanismul clorofilei se pare că include 3 procese principale: Fotofosforilarea Fotoliza apei Fixarea și transformarea CO2 în glucide

Fotosinteza din perspectiva termodinamică Prin fotosinteză plantele transformă apa și dioxidul de carbon în molecule mari ca glucoză, celuloză etc. Formarea acestor substanțe este endotermă și însoțită de creșterea ordinii în sistem, datorită trecerii moleculelor simple la molecule complexe. Sunt astfel de reacții probabile din punct ce vedere termodinamic? De exemplu formarea glucozei:

6 CO2 +6 H2O → C6H12O6 +6 O2

sau simplificata cu 6 se obține:

CO2+H2O →CH2O+ O2