Podstawowe produkty fotosyntezy

Ewolucja procesu

Chociaż życie i jakość dzisiejszej atmosfery zależą od fotosyntezy, prawdopodobnie ewoluowały rośliny zielone długo po pierwszych żywych komórkach. Kiedy Ziemia była młoda, burze elektryczne i promieniowanie słoneczne prawdopodobnie dostarczały energii do syntezy złożonych cząsteczek z obfitych prostszych, takich jak woda, amoniak i metan. Pierwsze żywe komórki prawdopodobnie wyewoluowały z tych kompleksu cząsteczki (patrz życie: produkcja polimerów). Na przykład przypadkowe połączenie (kondensacja) aminokwasu glicyny i octanu kwasu tłuszczowego mogło spowodować powstanie złożonych cząsteczek organicznych znanych jako porfiryny. Te z kolei mogły ewoluować dalej ją na kolorowe cząsteczki zwane pigmentami – np. chlorofile roślin zielonych, bakteriochlorofil bakterii fotosyntetycznych, hemina (czerwony barwnik krwi) i cytochromy, grupa cząsteczek pigmentów niezbędnych zarówno w fotosyntezie, jak i w oddychaniu komórkowym.

Prymitywne kolorowe komórki musiały następnie wyewoluować mechanizmy wykorzystywania energii światła pochłanianej przez ich pigmenty. Początkowo energia mogła zostać wykorzystana natychmiast do zainicjowania reakcji przydatnych dla komórki. Jednak w miarę jak proces wykorzystywania energii świetlnej ewoluował, większa część zaabsorbowanej energii świetlnej była prawdopodobnie przechowywana w postaci energii chemicznej, która miała być wykorzystana do podtrzymania życia. Zielone rośliny, ze swoją zdolnością do wykorzystywania energii świetlnej do przekształcania dwutlenku węgla i wody w węglowodany i tlen, są kulminacją tego procesu ewolucyjnego.

Pierwsze tlenowe (produkujące tlen) komórki były prawdopodobnie niebieskimi zielone algi (cyjanobakterie), które pojawiły się około dwóch do trzech miliardów lat temu. Uważa się, że te mikroskopijne organizmy znacznie zwiększyły zawartość tlenu w atmosferze, umożliwiając rozwój organizmów tlenowych (wykorzystujących tlen). Cyjanofity to komórki prokariotyczne; to znaczy, że nie zawierają odrębnych cząstek subkomórkowych otoczonych błoną (organelli), takich jak jądra i chloroplasty. Z kolei rośliny zielone składają się z komórek eukariotycznych, w których aparat fotosyntetyczny jest zawarty w chloroplastach związanych z błoną. Kompletne sekwencje genomu cyjanobakterii i roślin wyższych dostarczają dowodów na to, że pierwszymi fotosyntetycznymi eukariotami były prawdopodobnie czerwone algi, które rozwinęły się, gdy niefotograficzne komórki eukariotyczne pochłonęły cyjanobakterie. W komórkach gospodarza te cyjanobakterie wyewoluowały w chloroplasty.

Istnieje wiele bakterii fotosyntetycznych, które nie są tlenowe (np. Bakterie siarkowe omówione wcześniej). Ścieżka ewolucyjna, która doprowadziła do powstania tych bakterii, różniła się od tej, która doprowadziła do powstania organizmów tlenowych. Oprócz braku produkcji tlenu, fotosynteza nieoksygeniczna różni się od fotosyntezy tlenowej dwoma innymi względami: światło o dłuższych falach jest absorbowane i wykorzystywane przez pigmenty zwane bakteriochlorofilami, a zredukowane związki inne niż woda (takie jak siarkowodór lub cząsteczki organiczne) zapewniają elektrony potrzebne do redukcji dwutlenku węgla.