Encyclopædia Britannica, Inc. Zobacz wszystkie filmy do tego artykułu
Fotosynteza, proces, w którym rośliny zielone i niektóre inne organizmy przekształcają energię świetlną w energię chemiczną. Podczas fotosyntezy w zielonych roślinach energia światła jest wychwytywana i wykorzystywana do przekształcania wody, dwutlenku węgla i minerałów w tlen i bogate w energię związki organiczne.
Encyclopædia Britannica, Inc.
Dlaczego fotosynteza jest ważna?
Fotosynteza ma kluczowe znaczenie dla istnienia ogromnej większości życia na Ziemi. Jest to sposób, w jaki praktycznie cała energia w biosferze staje się dostępna dla żywych istot. Organizmy fotosyntetyczne, jako pierwotni producenci, stanowią podstawę ziemskich sieci pokarmowych i są bezpośrednio lub pośrednio konsumowane przez wszystkie wyższe formy życia. Dodatkowo prawie cały tlen w atmosferze pochodzi z procesu fotosyntezy. Gdyby fotosynteza ustała, wkrótce na Ziemi byłoby mało pożywienia lub innej materii organicznej, większość organizmów zniknęłaby, a ziemska atmosfera byłaby ostatecznie prawie pozbawiona gazowego tlenu.
Jaki jest podstawowy wzór fotosyntezy?
Proces fotosyntezy jest powszechnie zapisywany jako: 6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2. Oznacza to, że reagenty, sześć cząsteczek dwutlenku węgla i sześć cząsteczek wody, są przekształcane przez energię świetlną wychwyconą przez chlorofil (wskazaną przez strzałkę) w cząsteczkę cukru i sześć cząsteczek tlenu, produkty. Organizm zużywa cukier, a jego produktem ubocznym jest tlen.
Które organizmy mogą fotosyntezować?
Zdolność do fotosyntezy występuje zarówno u organizmów eukariotycznych, jak i prokariotycznych. Najbardziej znanymi przykładami są rośliny, ponieważ wszystkie, z wyjątkiem nielicznych gatunków pasożytniczych lub mykoheterotroficznych, zawierają chlorofil i wytwarzają własne pożywienie. Glony to druga dominująca grupa organizmów eukariotycznych fotosyntetyzujących. Wszystkie glony, do których należą masywne grudki i mikroskopijne okrzemki, są ważnymi pierwotnymi producentami. Sinice i niektóre bakterie siarkowe są fotosyntetycznymi prokariotami, w których ewoluowała fotosynteza. Uważa się, że żadne zwierzę nie jest samodzielnie zdolne do fotosyntezy, chociaż szmaragdowozielony ślimak morski może tymczasowo włączyć chloroplasty glonów do swojego organizmu w celu produkcji żywności.
Nie sposób przecenić znaczenia fotosyntezy dla utrzymania życia na Ziemi. Gdyby fotosynteza ustała, wkrótce na Ziemi byłoby mało pożywienia lub innej materii organicznej. Większość organizmów zniknęłaby, az czasem atmosfera ziemska byłaby prawie pozbawiona gazowego tlenu. Jedynymi organizmami zdolnymi do egzystencji w takich warunkach byłyby bakterie chemosyntetyczne, które potrafią wykorzystywać energię chemiczną niektórych związków nieorganicznych, a tym samym nie są zależne od konwersji energii świetlnej.
Energia wytwarzana w wyniku przeprowadzonej fotosyntezy przez rośliny miliony lat temu jest odpowiedzialny za paliwa kopalne (tj. węgiel, ropę i gaz), które zasilają społeczeństwo przemysłowe. W minionych epokach rośliny zielone i małe organizmy żywiące się roślinami rosły szybciej niż były konsumowane, a ich szczątki były osadzane w skorupie ziemskiej w wyniku sedymentacji i innych procesów geologicznych. Tam, chronione przed utlenianiem, te organiczne pozostałości powoli przekształcały się w paliwa kopalne. Paliwa te nie tylko dostarczają znaczną część energii wykorzystywanej w fabrykach, domach i transporcie, ale służą również jako surowiec do produkcji tworzyw sztucznych i innych produktów syntetycznych. Niestety współczesna cywilizacja zużywa w ciągu kilku stuleci nadmiar produkcji fotosyntetycznej nagromadzony przez miliony lat. W konsekwencji dwutlenek węgla, który był usuwany z powietrza w celu wytworzenia węglowodanów w procesie fotosyntezy przez miliony lat, jest zwracany w niewiarygodnie szybkim tempie.Stężenie dwutlenku węgla w atmosferze ziemskiej rośnie najszybciej, jak kiedykolwiek w historii Ziemi i oczekuje się, że zjawisko to będzie miało poważne konsekwencje dla klimatu Ziemi.
Zapotrzebowanie na żywność, materiały i energię w świecie, w którym szybko rosnąca populacja ludzka stworzyła potrzebę zwiększenia zarówno ilości fotosyntezy, jak i wydajności przekształcania produkcji fotosyntezy w produkty przydatne dla ludzi. Jedna odpowiedź na te potrzeby – tak zwana zielona rewolucja, zapoczątkowana w połowie XX wieku – przyniosła ogromną poprawę plonów rolnych dzięki zastosowaniu nawozów chemicznych, zwalczaniu szkodników i chorób roślin, hodowli roślin oraz zmechanizowanej uprawie i zbiorach, i przetwarzanie upraw. Wysiłek ten ograniczył dotkliwy głód do kilku obszarów świata pomimo szybkiego wzrostu populacji, ale nie wyeliminował powszechnego niedożywienia. Ponadto od początku lat 90. tempo wzrostu plonów głównych upraw zaczęło spadać. Dotyczyło to zwłaszcza ryżu w Azji. Rosnące koszty związane z utrzymaniem wysokich wskaźników produkcji rolnej, które wymagały coraz większych nakładów nawozów i pestycydów oraz ciągłego rozwoju nowych odmian roślin, również stały się problemem dla rolników w wielu krajach.
Przewidywano, że druga rewolucja rolnicza oparta na inżynierii genetycznej roślin doprowadzi do zwiększenia produktywności roślin, a tym samym częściowo złagodzi niedożywienie. Od lat siedemdziesiątych XX wieku biolodzy molekularni dysponują środkami umożliwiającymi zmianę materiału genetycznego rośliny (kwas dezoksyrybonukleinowy lub DNA) w celu uzyskania poprawy odporności na choroby i suszę, wydajności i jakości produktu, mrozoodporności i innych pożądanych właściwości. Jednak takie cechy są z natury złożone, a proces wprowadzania zmian w roślinach uprawnych poprzez inżynierię genetyczną okazał się bardziej skomplikowany niż przewidywano. W przyszłości taka inżynieria genetyczna może przynieść poprawę procesu fotosyntezy, ale w pierwszych dekadach XXI wieku nie wykazała jeszcze, że może radykalnie zwiększyć plony.
Kolejny intrygujący obszar w badanie fotosyntezy było odkryciem, że niektóre zwierzęta są w stanie przekształcić energię świetlną w energię chemiczną. Na przykład szmaragdowozielony ślimak morski (Elysia chlorotica) pozyskuje geny i chloroplasty z Vaucheria litorea, zjadanego przez siebie glonu, co daje mu ograniczoną zdolność do produkcji chlorofilu. Kiedy dostateczna ilość chloroplastów zostanie przyswojona, ślimak może zrezygnować z przyjmowania pokarmu. Mszyca grochowa (Acyrthosiphon pisum) może wykorzystać światło do produkcji bogatego w energię związku adenozynotrifosforanu (ATP); ta zdolność została powiązana z produkcją przez mszyce pigmentów karotenoidowych.