Fotosyntese: Sådan omdanner planter lys til sukker, energi og ilt
Fotosyntese forklaret: Hvordan planter omdanner lys til sukker, energi og ilt — livsvigtig proces, der former Jordens økologi og atmosfære.
Fotosyntese er den proces, hvorved planter og nogle mikroorganismer fremstiller kulhydrater ved at omdanne lysenergi til kemisk energi. Det er en endoterm kemisk proces, hvilket betyder, at den kræver energi (sollys) for at foregå. Under fotosyntesen reagerer lys, vand og kuldioxid i cellerne og danner sukkerstoffer, som bruges som energi og byggemateriale i organismen. På den måde omdanner fotosyntese lysenergi til kemisk bundet energi i form af organiske molekyler.
Fotosyntese er afgørende for livet på Jorden. Før fotosyntesen var der praktisk talt ingen fri ilt i atmosfæren — fotosyntetiske organismer står for den store del af den ilt, vi har i dag, og de danner grundlaget for de fleste fødekæder.
Udover grønne planter bruger også Alger, protister og nogle bakterier fotosyntese. Der findes dog organismer, som i stedet får deres energi fra kemiske reaktioner; disse kaldes kemoautotrofe organismer.
Hvor i cellen foregår fotosyntesen?
I planter foregår fotosyntesen i organeller kaldet kloroplaster. Kloroplaster indeholder pigmenter—primært klorofyl—der fanger lys. Inden i kloroplasten ligger thylakoidmembraner, hvor de lysafhængige reaktioner løber, og stroma, hvor den lysuafhængige del (Calvin-cyklussen) foregår.
To hovedtrin: lysreaktioner og Calvin-cyklus
- Lysreaktioner (i thylakoidmembraner): Klorofyl og andre pigmenter absorberer lys. Energien bruges til at splitte vand (H2O), hvilket frigiver ilt (O2), og til at danne energibærerene ATP og NADPH.
- Calvin-cyklus (i stroma): CO2 fastholdes (fixeres) og reduceres ved hjælp af ATP og NADPH til sukkerstoffer (fx glyceraldehyd-3-fosfat), som kan bruges til at bygge glukose og andre organiske molekyler.
Den samlede reaktion (forenklet)
En forenklet, overordnet formel for fotosyntesen er:
6 CO2 + 6 H2O + lysenergi → C6H12O6 + 6 O2
Det viser, at kuldioxid og vand omdannes til glukose og ilt ved hjælp af lysenergi.
Vigtige forhold og tilpasninger
- Lysintensitet: Mere lys giver generelt større fotosyntesehastighed op til et vist punkt.
- Kuldioxid: Tilgængeligheden af CO2 begrænser også hastigheden af fotosyntesen.
- Temperatur: Enzymers aktivitet påvirkes af varme; for lave eller for høje temperaturer mindsker hastigheden.
- Vand: Vandmangel får stomata (spalteåbninger) til at lukkes, hvilket reducerer CO2-optag og dermed fotosyntese.
- Forskellige fotosyntetiske veje: Planter har tilpasninger som C3-, C4- og CAM-fotosyntese for at optimere CO2-optag og minimere vandtab under forskellige klimaforhold.
Økologisk og menneskelig betydning
Fotosyntese er base for næsten alle økosystemer: planter og alger producerer det organiske stof, som dyr og mennesker lever af. Fotosyntesen påvirker også klimaet ved at binde CO2 fra atmosfæren og lagre kulstof i biomassen. For landbrug og fødevareproduktion er optimal fotosyntese essentiel for høj udbytte og vækst.
Historie og forskning
Den biologiske udbredelse af fotosyntese i Jordens tidlige historie førte til den såkaldte oxygenation af atmosfæren (Great Oxygenation Event), som gjorde komplekst liv muligt. I dag forskes der også i kunstig fotosyntese som en måde at producere brændstof og fjerne CO2 fra atmosfæren.
Kort sagt: Fotosyntese gør det muligt for planter og visse mikroorganismer at omdanne sollys til kemisk energi, producere sukkerstoffer og frigive ilt — en proces, som er fundamental for livet på Jorden.
Energi fra sollys, vand absorberet af rødderne, kuldioxid fra atmosfæren. Disse danner glukose og ilt ved fotosyntese
Oprindelse af fotosyntesen
Fotosyntese er ikke en tilfældighed. Den sker, fordi dens byggesten forekommer naturligt i rummet og bliver inkluderet, når planeter dannes. Vi har ingen idé om, hvor almindelig eller sjælden denne proces er. Vi ved, at højere grundstoffer dannes i supernovaer, og det er oprindelsen til alle grundstoffer højere end helium. De højere grundstoffer, der blev fundet i Halleys komet, er blevet analyseret.
Før fotosyntesen var der næsten ingen ilt i Jordens atmosfære. Selv uden ilt kunne der have eksisteret nogle simple livsformer. Men den afgørende begivenhed for liv, som vi kender det, var den store iltningsevent.
Måder, hvorpå det gøres
Fotosyntesen kan foregå på forskellige måder, men der er nogle dele, der er fælles.
6 CO2(g) + 6 H2 O + fotoner → C H O6126(aq) + 6 O2(g)
kuldioxid + vand + lysenergi → glukose + ilt
Kuldioxid trænger ind i bladet gennem spalteåbningerne ved diffusion fra atmosfæren.
Vand optages fra jorden af rodcellerne, som har et øget overfladeareal, der er tilpasset deres vandoptagelse.
Fotosyntesen foregår i kloroplasterne i bladene (eller andre grønne væv). De indeholder klorofyl, det grønne pigment, som absorberer lysenergi. I bladene har palisadecellerne kloroplaster til at opfange lyset.
Ilt produceres som følge af fotosyntese og frigives til atmosfæren gennem respiration. Al ilt i atmosfæren stammer fra planter (herunder de mikroorganismer, der laver fotosyntese).
Glukose bruges i respirationen (til at frigøre energi i cellerne). Det lagres i form af stivelse (som omdannes tilbage til glukose til respiration i mørke). Glukose kan også omdannes til andre forbindelser til vækst og forplantning, f.eks. cellulose, nektar, fruktose, aminosyrer og fedtstoffer.
Processen
Fotosyntesen består af to hovedgrupper af reaktioner (faser). Lysafhængige reaktioner, som har brug for lys for at udføre arbejde, og lysuafhængige reaktioner, som ikke har brug for lys for at udføre arbejde.
Lysafhængig fase
Lysenergi fra solen bruges til at dele vandmolekyler (fotolyse). Sollyset rammer kloroplaster i planten. Det får et enzym til at splitte vandet. Når vandet spaltes, giver det ilt, brint og elektroner.
Hydrogen sammen med elektroner, der får energi fra lys, omdanner NADP til NADPH, som derefter bruges i de lysuafhængige reaktioner. Iltgas diffunderer ud af planten som et affaldsprodukt fra fotosyntesen, og ATP syntetiseres af ADP og uorganisk fosfat. Alt dette sker i kloroplasternes grana.
Mørk fase
Under denne reaktion opbygges sukkerstoffer ved hjælp af kuldioxid og produkterne fra de lysafhængige reaktioner (ATP og NADPH) og forskellige andre kemikalier, der findes i planten i Calvin-cyklusen. Den lysuafhængige reaktion kan derfor ikke finde sted uden den lysafhængige reaktion. Kuldioxid diffunderer ind i planten, og sammen med kemikalier i kloroplasten, ATP og NADPH dannes glukose, som til sidst transporteres rundt i planten ved translokation.
Diagram af en kloroplast
Faktorer, der påvirker fotosyntesen
se - diskutere - redigere
-4500 -
-
-4250 -
-
-4000 -
-
-3750 -
-
-3500 -
-
-3250 -
-
-3000 -
-
-2750 -
-
-2500 -
-
-2250 -
-
-2000 -
-
-1750 -
-
-1500 -
-
-1250 -
-
-1000 -
-
-750 -
-
-500 -
-
-250 -
-
0 -
Vand
Fotosyntese
←
Tidligste vand
←
LHB-meteoritter
←
Seksuel reproduktion
(millioner år siden)
Der er tre hovedfaktorer, der påvirker fotosyntesen:
- Lysintensitet
- Kuldioxidkoncentration
- Temperatur
Lysintensitet
Hvis der kun er lidt lys på en plante, vil de lysafhængige reaktioner ikke fungere effektivt. Det betyder, at fotolysen (nedbrydning af vand ved hjælp af lys) ikke vil ske hurtigt, og derfor vil der blive dannet lidt NADPH og ATP. Denne mangel på NADPH og ATP vil føre til, at de lysuafhængige reaktioner ikke fungerer, da NADPH og ATP er nødvendige for, at de lysuafhængige reaktioner kan fungere.
Den nødvendige lysintensitet kan let undersøges i en vandplante som f.eks. vandpest. De iltbobler, der afgives, kan tælles eller mængden måles. Ved at ændre afstanden mellem lys og plante varierer lysintensiteten. Ændringer i lysintensiteten vil påvirke ændringen i fotosyntesens hastighed. Der kan anvendes kunstig belysning i mørke for at maksimere fotosyntesen.
Kuldioxidniveauer
Kuldioxid anvendes i de lysuafhængige reaktioner. Det kombineres med NADPH og ATP og forskellige andre kemikalier for at danne glukose. Hvis der ikke er nok kuldioxid, vil der derfor være en ophobning af NADPH og ATP, og der vil ikke blive dannet nok glukose.
Temperatur
Der er mange enzymer, der arbejder i fotosyntetiske reaktioner - f.eks. enzymet i fotolyse. Alle enzymer fungerer bedst ved deres optimale temperatur. Alle lysafhængige og lysuafhængige reaktioner vil normalt finde sted ved gennemsnitlige eller optimale temperaturer. Tropiske planter har et højere temperaturoptimum end planter, der er tilpasset et tempereret klima.
Når temperaturen er for lav, er der kun lidt kinetisk energi, og reaktionshastigheden falder derfor. Hvis temperaturen er for høj, bliver enzymerne denatureret, og katalysen af fotosyntesereaktionen ophører.
Væksthuse skal have en optimal temperatur for at sikre, at planterne fungerer normalt.
Tidlig udvikling
De første fotosyntetiske organismer udviklede sig sandsynligvis tidligt i livets historie. De kan have brugt reducerende stoffer som f.eks. hydrogen eller hydrogensulfid som kilder til elektroner i stedet for vand. Cyanobakterier opstod senere, og det iltoverskud, de producerede, forårsagede iltkatastrofen. Herefter var udviklingen af komplekst liv mulig.
Effektivitet
I dag er den gennemsnitlige energiindsamling gennem fotosyntese på verdensplan ca. 130 terawatts. Det er ca. seks gange større end den strøm, som den menneskelige civilisation i øjeblikket bruger. Fotosyntetiske organismer omdanner også omkring 100-115 milliarder millioner tons kulstof til biomasse om året.
Relaterede sider
Spørgsmål og svar
Spørgsmål: Hvad er fotosyntese?
A: Fotosyntese er en proces, som planter og nogle mikroorganismer anvender til at omdanne kuldioxid til sukkerstoffer ved hjælp af sollys. Den omdanner lysenergi til kemisk energi.
Spørgsmål: Hvad er produkterne fra fotosyntesen?
A: Produkterne fra fotosyntesen er kulhydrater, som bruges af cellerne som energi og til at opbygge andre molekyler.
Spørgsmål: Hvordan påvirker fotosyntesen livet på Jorden?
Svar: Fotosyntesen er afgørende for livet på Jorden, fordi den var ansvarlig for at indføre gratis ilt i atmosfæren. Uden den ville der ikke være noget liv på Jorden.
Spørgsmål: Hvem bruger fotosyntese?
Svar: Grønne planter, alger, protister og nogle bakterier bruger fotosyntese. Nogle organismer, der får deres energi fra kemiske reaktioner, kaldes kemoautotrofe organismer og bruger ikke fotosyntese.
Spørgsmål: Er fotosyntese en exotermisk eller endotermisk reaktion?
Svar: Fotosyntese er en endoterm reaktion, hvilket betyder, at der skal varme til for at den kan finde sted.
Sp: Hvilken slags energi omdanner fotosyntesen lys til?
Svar: Fotosyntese omdanner lysenergi til kemisk energi.
Søge