Encyclopædia Britannica, Inc.Katso kaikki tämän artikkelin videot
Fotosynteesi, prosessi, jolla vihreät kasvit ja tietyt muut organismit muuttavat valoenergian kemialliseksi energiaksi. Vihreiden kasvien fotosynteesin aikana valoenergia otetaan talteen ja sitä käytetään veden, hiilidioksidin ja mineraalien muuntamiseen hapeksi ja energiapitoisiksi orgaanisiksi yhdisteiksi.
Encyclopædia Britannica, Inc.
Miksi fotosynteesi on tärkeää?
Fotosynteesi on kriittinen valtaosan elämästä maapallolla. Se on tapa, jolla käytännössä kaikki biosfäärin energia tulee elävien olentojen saataville. Alkutuottajina fotosynteettiset organismit muodostavat maapallon ravintoverkkojen perustan, ja kaikki korkeammat elämänmuodot kuluttavat niitä suoraan tai epäsuorasti. Lisäksi melkein kaikki ilmakehän happi johtuu fotosynteesiprosessista. Jos fotosynteesi loppuisi, maapallolla olisi pian vähän ruokaa tai muuta orgaanista ainetta, suurin osa organismeista katoaisi ja maapallon ilmakehästä lopulta puuttuisi lähes kaasumaista happea.
Mikä on fotosynteesin peruskaava?
Fotosynteesiprosessi kirjoitetaan yleensä seuraavasti: 6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2. Tämä tarkoittaa, että reagoivat aineet, kuusi hiilidioksidimolekyyliä ja kuusi vesimolekyyliä, muutetaan klorofyllin sieppaaman valoenergian avulla (nuolen osoittama) sokerimolekyyliksi ja kuudeksi happimolekyyliksi, tuotteiksi. Organismi käyttää sokeria ja happi vapautuu sivutuotteena.
Mitkä organismit voivat fotosynteesiä?
Kyky fotosynteesiin löytyy sekä eukaryoottisista että prokaryoottisista organismeista. Tunnetuimpia esimerkkejä ovat kasvit, koska kaikki paitsi hyvin harvat loistaudit tai mykoheterotrofiset lajit sisältävät klorofylliä ja tuottavat omaa ruokaa. Levät ovat toinen hallitseva eukaryoottisten fotosynteettisten organismien ryhmä. Kaikki levät, joihin kuuluu massiivinen rakkolevä ja mikroskooppiset piilevät, ovat tärkeitä alkutuottajia. Syanobakteerit ja tietyt rikkibakteerit ovat fotosynteettisiä prokaryooteja, joissa fotosynteesi kehittyi. Yksikään eläin ei ajatelta itsenäisesti kykenevän fotosynteesiin, vaikka smaragdinvihreä meri-etana voi väliaikaisesti sisällyttää levään kloroplasteja kehoonsa elintarviketuotantoon.
On mahdotonta yliarvioida fotosynteesin merkitystä maapallon elämän ylläpitämisessä. Jos fotosynteesi loppuu, maapallolla olisi pian vähän ruokaa tai muuta orgaanista ainetta. Suurin osa organismeista katoaa, ja ajan mittaan maapallon ilmakehässä olisi lähes vailla kaasumaista happea. Ainoat organismit, jotka kykenevät esiintymään tällaisissa olosuhteissa, ovat kemosynteettiset bakteerit, jotka voivat hyödyntää tiettyjen epäorgaanisten yhdisteiden kemiallista energiaa eivätkä siten ole riippuvaisia valoenergian muunnoksesta.
Suoritetun fotosynteesin tuottama energia miljoonia vuosia sitten kasvien tuottama laitos on vastuussa fossiilisista polttoaineista (ts. hiili, öljy ja kaasu), jotka voimistavat teollista yhteiskuntaa. Aikaisempina aikoina vihreät kasvit ja pienet organismit, jotka ruokkivat kasveja, lisääntyivät nopeammin kuin niitä kulutettiin, ja niiden jäännökset laskeutuivat maan kuoreen sedimentaation ja muiden geologisten prosessien avulla. Siellä nämä hapettumiselta suojautuneet orgaaniset jäännökset muutettiin hitaasti fossiilisiksi polttoaineiksi. Nämä polttoaineet tarjoavat paitsi suuren osan tehtaissa, kodeissa ja kuljetuksissa käytetystä energiasta myös toimivat muovien ja muiden synteettisten tuotteiden raaka-aineena. Valitettavasti nykyaikainen sivilisaatio kuluttaa muutamassa vuosisadassa miljoonien vuosien aikana kertyneen ylimääräisen fotosynteettisen tuotannon. Tästä syystä hiilidioksidi, joka on poistettu ilmasta hiilihydraattien valmistamiseksi fotosynteesissä miljoonien vuosien ajan, palautuu uskomattoman nopeasti.Hiilidioksidipitoisuus maapallon ilmakehässä nousee nopeimmin kuin koskaan koskaan maapallon historiassa, ja tämän ilmiön odotetaan vaikuttavan merkittävästi maapallon ilmastoon.
Elintarvikkeita, materiaaleja ja energiaa koskevat vaatimukset maailmassa, jossa Ihmisväestö kasvaa nopeasti ja ovat aiheuttaneet tarpeen lisätä sekä fotosynteesin määrää että tehokkuutta muuntaa fotosynteettinen tuotos ihmisille hyödyllisiksi tuotteiksi. Yksi vastaus näihin tarpeisiin – niin sanottu vihreä vallankumous, joka aloitettiin 1900-luvun puolivälissä – saavutti valtavia parannuksia maatalouden tuotannossa käyttämällä kemiallisia lannoitteita, tuholaisten ja kasvitautien torjuntaa, kasvinjalostusta ja koneistettua maanmuokkausta, korjuua ja sadonkäsittely. Tämä ponnistelu rajoitti vakavat nälänhädät muutamille alueille maailmassa väestön nopeasta kasvusta huolimatta, mutta se ei poistanut yleistä aliravitsemusta. Lisäksi 1990-luvun alusta alkaen tärkeimpien viljelykasvien satojen nousu alkoi laskea. Tämä pätee erityisesti Aasian riisiin. Maataloustuotannon korkean tason ylläpitoon liittyvät nousevat kustannukset, jotka vaativat jatkuvasti kasvavia lannoitteita ja torjunta-aineita sekä uusien kasvilajikkeiden jatkuvaa kehittämistä, ovat myös ongelmallisia viljelijöille monissa maissa.
Toisen maatalouden vallankumouksen, joka perustuu kasvien geenitekniikkaan, ennustettiin johtavan kasvien tuottavuuden kasvuun ja lieventävän siten osittain aliravitsemusta. 1970-luvulta lähtien molekyylibiologeilla on ollut keinoja muuttaa kasvin geneettistä materiaalia (deoksiribonukleiinihappo tai DNA) tavoitteenaan parannuksia tautien ja kuivuuden vastustuskyvyssä, tuotteiden saannossa ja laadussa, pakkasenkestävyydessä ja muissa toivottavissa ominaisuuksissa. Tällaiset piirteet ovat kuitenkin luonnostaan monimutkaisia, ja prosessi viljelykasvien muuttamiseksi geenitekniikan avulla on osoittautunut monimutkaisemmaksi kuin odotettiin. Tulevaisuudessa tällainen geenitekniikka voi johtaa parannuksiin fotosynteesiprosessissa, mutta 2000-luvun ensimmäisiin vuosikymmeniin mennessä sen ei vielä ollut osoitettava, että se voisi lisätä dramaattisesti sadon satoa.
Toinen kiehtova alue fotosynteesin tutkimus on ollut havainto, että tietyt eläimet pystyvät muuntamaan valoenergian kemialliseksi energiaksi. Esimerkiksi smaragdinvihreä merilintu (Elysia chlorotica) hankkii geenit ja kloroplastit kuluttamastaan levästä Vaucheria litorea, mikä antaa sille rajoitetun kyvyn tuottaa klorofylliä. Kun riittävästi kloroplasteja omaksutaan, etana voi luopua ruoan nauttimisesta. Herne-kirva (Acyrthosiphon pisum) voi hyödyntää valoa energiapitoisen yhdisteen adenosiinitrifosfaatin (ATP) valmistamiseksi; tämä kyky on yhdistetty kirvojen karotenoidipigmenttien valmistukseen.