Encyclopædia Britannica, Inc.Lásd a cikk összes videóját
A fotoszintézis, az a folyamat, amelynek során a zöld növények és bizonyos más szervezetek átalakítják a fényenergiát kémiai energiává. A zöld növények fotoszintézise során a fényenergiát megfogják és felhasználják a víz, a szén-dioxid és az ásványi anyagok oxigén- és energiadús szerves vegyületekké történő átalakítására.
Encyclopædia Britannica, Inc.
Miért fontos a fotoszintézis?
A fotoszintézis kritikus fontosságú a Föld életének túlnyomó többsége számára. Ez az a mód, ahogy a bioszféra gyakorlatilag minden energiája elérhetővé válik az élőlények számára. Elsődleges termelőként a fotoszintetikus organizmusok képezik a Föld táplálékhálóinak alapját, és közvetlenül vagy közvetve minden magasabb életforma elfogyasztja őket. Ezenkívül a légkörben lévő összes oxigén a fotoszintézis folyamatának köszönhető. Ha megszűnik a fotoszintézis, hamarosan kevés élelmiszer vagy egyéb szerves anyag lesz a Földön, a legtöbb organizmus eltűnik, és a Föld légköre végül szinte hiányzik a gáznemű oxigéntől.
Mi a fotoszintézis alapképlete?
A fotoszintézis folyamatát általában így írják: 6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2. Ez azt jelenti, hogy a reagenseket, hat szén-dioxid-molekulát és hat vízmolekulát a klorofill által megfogott (a nyíllal jelzett) fényenergia átalakítja cukormolekulává és hat oxigénmolekulává, a termékké. A cukrot a szervezet felhasználja, és az oxigén melléktermékként szabadul fel.
Mely organizmusok képesek fotoszintetizálni?
A fotoszintetizálás képessége megtalálható mind az eukarióta, mind a prokarióta organizmusokban. A legismertebb példák a növények, mivel csak néhány parazita vagy mikoheterotróf faj tartalmaz klorofillt, és saját táplálékot állít elő. Az algák az eukarióta fotoszintetikus organizmusok másik domináns csoportja. Az összes alga, amely masszív moszatot és mikroszkopikus diatómát tartalmaz, fontos őstermelő. A cianobaktériumok és bizonyos kénbaktériumok fotoszintetikus prokarióták, amelyekben a fotoszintézis kialakult. Úgy gondolják, hogy egyetlen állat sem képes önállóan fotoszintézisre, bár a smaragdzöld tengeri csiga ideiglenesen be tudja építeni az alga kloroplasztokat a szervezetébe élelmiszer-előállítás céljából.
Lehetetlen lenne túlbecsülni a fotoszintézis fontosságát a Föld életének fenntartásában. Ha megszűnik a fotoszintézis, hamarosan kevés élelmiszer vagy egyéb szerves anyag lesz a Földön. A legtöbb organizmus eltűnik, és idővel a Föld légköre szinte mentes lesz a gáznemű oxigéntől. Az egyetlen organizmus, amely ilyen körülmények között képes létezni, a kemoszintetikus baktériumok lennének, amelyek hasznosíthatják bizonyos szervetlen vegyületek kémiai energiáját, és így nem függenek a fényenergia átalakulásától.
A fotoszintézis által előállított energia Az üzemek milliói évekkel ezelőtt felelősek az ipari társadalmat működtető fosszilis tüzelőanyagokért (azaz szén, olaj és gáz). Az elmúlt korokban a zöld növények és a növényekkel táplálkozó kisméretű organizmusok gyorsabban növekedtek, mint amennyit elfogyasztottak, maradványaik pedig ülepítés és más geológiai folyamatok révén a földkéregben lerakódtak. Ott, az oxidációtól védve, ezeket a szerves maradványokat lassan fosszilis tüzelőanyagokká alakították át. Ezek az üzemanyagok nemcsak a gyárakban, otthonokban és a szállításban felhasznált energia nagy részét biztosítják, hanem a műanyagok és más szintetikus termékek alapanyagaként is szolgálnak. Sajnos a modern civilizáció néhány évszázad alatt felhasználja a fotoszintetikus termelés többletét, amely évmilliók alatt felhalmozódott. Következésképpen az a szén-dioxid, amelyet a fotoszintézis során több millió év alatt a levegőből eltávolítottak a szénhidrátok előállításához, hihetetlenül gyors ütemben tér vissza.A Föld légkörében a szén-dioxid-koncentráció a valaha volt leggyorsabban növekszik a történelem során, és ez a jelenség várhatóan nagy hatással lesz a Föld éghajlatára.
Élelmiszerekre, anyagokra és energiára vonatkozó követelmények egy olyan világban, ahol a gyorsan növekvő emberi populáció szükségessé tette mind a fotoszintézis mennyiségének növelését, mind a fotoszintetikus kimenet emberek számára hasznos termékekké történő átalakításának hatékonyságát. Az egyik válasz ezekre az igényekre – az úgynevezett zöld forradalom, amelyet a 20. század közepén kezdtek el – hatalmas javulást ért el a mezőgazdasági termésmennyiségben a vegyi műtrágyák, a kártevők és növényi betegségek elleni védekezés, a növénynemesítés és a gépesített talajművelés, betakarítás révén. és a növények feldolgozása. Ez az erőfeszítés a népesség gyors növekedése ellenére a világ néhány területére korlátozta a súlyos éhínségeket, de a széles körű alultápláltságot nem szüntette meg. Ráadásul az 1990-es évek elejétől a főbb növények termésmennyiségének növekedési üteme csökkent. Ez különösen igaz az ázsiai rizsre. A magas szintű mezőgazdasági termelés fenntartásával összefüggő növekvő költségek, amelyekhez egyre nagyobb mennyiségű műtrágya és növényvédőszer szükséges, valamint új növényfajták folyamatos fejlesztése szükséges, szintén problémássá vált sok ország mezőgazdasági termelői számára.
Az előrejelzések szerint a növények géntechnológiáján alapuló második mezőgazdasági forradalom a növények termelékenységének növekedését eredményezi, és ezáltal részben enyhíti az alultápláltságot. Az 1970-es évek óta a molekuláris biológusok rendelkeznek a növény genetikai anyagának (dezoxiribonukleinsav vagy DNS) megváltoztatásának eszközeivel a betegségekkel és az aszályokkal szembeni ellenálló képesség, a termékhozam és a minőség, a fagyállóság és egyéb kívánatos tulajdonságok javulásának érdekében. Ezek a tulajdonságok azonban eredendően bonyolultak, és a növényi növények géntechnológiával történő megváltoztatásának folyamata a vártnál bonyolultabbnak bizonyult. A jövőben az ilyen géntechnológia javíthatja a fotoszintézis folyamatát, de a 21. század első évtizedeire még be kellett bizonyítania, hogy drámai módon növelheti a terméshozamot.
Egy másik érdekes terület a a fotoszintézis vizsgálata az volt a felfedezés, hogy bizonyos állatok képesek a fényenergiát kémiai energiává alakítani. A smaragdzöld tengeri csiga (Elysia chlorotica) például géneket és kloroplasztokat szerez a fogyasztott algából, a Vaucheria litorea-ból, korlátozott képességet biztosítva klorofill előállítására. Ha elegendő kloroplaszt asszimilálódik, a meztelen csiga lemondhat az élelmiszer elfogyasztásáról. A borsótetű (Acyrthosiphon pisum) fényt használhat az energiadús adenozin-trifoszfát (ATP) előállításához; ez a képesség a levéltetű karotinoid pigmentek gyártásával függ össze.