Comprendere l'importanza e il ruolo di cloroplasti, clorofilla, grana, membrane tilacoidi e stroma nella fotosintesi Posizione, importanza e meccanismi della fotosintesi. Studiare i ruoli di cloroplasti, clorofilla, grana, membrane tilacoidi e stroma nella fotosintesi. Enciclopedia Britannica, Inc. Guarda tutti i video per questo articolo
fotosintesi , il processo mediante il quale verde impianti e certi altri organismi trasformano l'energia luminosa in energia chimica. Durante la fotosintesi nelle piante verdi, l'energia luminosa viene catturata e utilizzata per convertire acqua , anidride carbonica e minerali in ossigeno e sostanze organiche ricche di energia composti .
fotosintesi Diagramma della fotosintesi che mostra come l'acqua, la luce e l'anidride carbonica vengono assorbite da una pianta per produrre ossigeno, zuccheri e altra anidride carbonica. Enciclopedia Britannica, Inc.
Domande principaliLa fotosintesi è fondamentale per l'esistenza della stragrande maggioranza della vita sulla Terra. È il modo in cui virtualmente tutta l'energia nella biosfera diventa disponibile per gli esseri viventi. Come produttori primari, gli organismi fotosintetici costituiscono la base delle reti trofiche della Terra e vengono consumati direttamente o indirettamente da tutte le forme di vita superiori. Inoltre, quasi tutto l'ossigeno nell'atmosfera è dovuto al processo di fotosintesi. Se la fotosintesi cessasse, presto ci sarebbe poco cibo o altra materia organica sulla Terra, la maggior parte degli organismi scomparirebbe e l'atmosfera terrestre alla fine diventerebbe quasi priva di ossigeno gassoso.
Il processo di fotosintesi è comunemente scritto come: 6CODue+ 6HDueO → C6H12O6+ 6ODue. Ciò significa che i reagenti, sei molecole di anidride carbonica e sei molecole di acqua, vengono convertiti dall'energia luminosa catturata dalla clorofilla (implicata dalla freccia) in una molecola di zucchero e sei molecole di ossigeno, i prodotti. Lo zucchero viene utilizzato dall'organismo e l'ossigeno viene rilasciato come sottoprodotto.
La capacità di fotosintetizzare si trova in entrambi eucariotico e organismi procarioti. Gli esempi più noti sono le piante, poiché tutte tranne pochissime specie parassite o micoeterotrofi contengono clorofilla e producono il proprio cibo. Alghe sono l'altro gruppo dominante di organismi fotosintetici eucarioti. Tutte le alghe, che includono alghe massicce e diatomee microscopiche, sono importanti produttori primari. Cianobatteri e alcuni batteri dello zolfo sono procarioti fotosintetici, in cui si è evoluta la fotosintesi. Si ritiene che nessun animale sia in grado di effettuare la fotosintesi in modo indipendente, sebbene la lumaca di mare verde smeraldo possa incorporare temporaneamente cloroplasti di alghe nel suo corpo per la produzione di cibo.
Eucariote Scopri di più sugli eucarioti. Procarioti Scopri di più sui procarioti.Sarebbe impossibile sopravvalutare l'importanza della fotosintesi nel mantenimento della vita sulla Terra. Se la fotosintesi cessasse, presto ci sarebbe poco cibo o altra materia organica sulla Terra. La maggior parte degli organismi scomparirebbe e con il tempo l'atmosfera terrestre diventerebbe quasi priva di ossigeno gassoso. Gli unici organismi in grado di esistere in tali condizioni sarebbero i batteri chemiosintetici, che possono utilizzare l'energia chimica di alcuni composti inorganici e quindi non dipendono dalla conversione dell'energia luminosa.
L'energia prodotta dalla fotosintesi svolta dalle piante milioni di anni fa è responsabile dei combustibili fossili (cioè carbone, olio e gas) che alimentano la società industriale. In epoche passate, le piante verdi e i piccoli organismi che si nutrivano di piante aumentavano più velocemente di quanto non si consumassero e i loro resti si depositavano nella crosta terrestre per sedimentazione e altri processi geologici. Lì, protetto da ossidazione , questi resti organici sono stati lentamente convertiti in combustibili fossili. Questi combustibili non solo forniscono gran parte dell'energia utilizzata nelle fabbriche, nelle case e nei trasporti, ma servono anche come materia prima per la plastica e altri sintetico prodotti. Purtroppo la civiltà moderna sta consumando in pochi secoli l'eccesso di produzione fotosintetica accumulata in milioni di anni. Di conseguenza, l'anidride carbonica che è stata rimossa dall'aria per produrre carboidrati nella fotosintesi nel corso di milioni di anni viene restituita a un ritmo incredibilmente rapido. La concentrazione di anidride carbonica nell'atmosfera terrestre sta aumentando il più velocemente che mai nella storia della Terra, e si prevede che questo fenomeno avrà grandi implicazioni sulla Terra clima .
Requisiti di cibo, materiali ed energia in un mondo in cui umano popolazione è in rapida crescita hanno creato la necessità di aumentare sia la quantità di fotosintesi e il efficienza di convertire l'output fotosintetico in prodotti utili alle persone. Una risposta a quei bisogni: la cosiddetta Rivoluzione verde , iniziata a metà del 20 ° secolo, ha ottenuto enormi miglioramenti nella resa agricola attraverso l'uso di fertilizzanti chimici, controllo dei parassiti e delle malattie delle piante, selezione delle piante e lavorazione meccanizzata, raccolta e lavorazione delle colture. Questo sforzo ha limitato gravi carestie ad alcune aree del mondo nonostante la rapida crescita della popolazione, ma non ha eliminato la malnutrizione diffusa. Inoltre, a partire dai primi anni '90, il tasso di aumento dei raccolti delle principali colture ha cominciato a diminuire. Ciò era particolarmente vero per il riso in Asia. Anche l'aumento dei costi associati al mantenimento di alti tassi di produzione agricola, che richiedeva apporti sempre maggiori di fertilizzanti e pesticidi e lo sviluppo costante di nuove varietà vegetali, divenne problematico per gli agricoltori in molti paesi.
Una seconda rivoluzione agricola, basata sulla pianta Ingegneria genetica , si prevedeva che avrebbe comportato un aumento della produttività dell'impianto e quindi parzialmente alleviare malnutrizione. Dagli anni '70, i biologi molecolari possedevano i mezzi per alterare il materiale genetico di una pianta (acido desossiribonucleico o DNA) con l'obiettivo di ottenere miglioramenti nella resistenza alle malattie e alla siccità, resa e qualità del prodotto, resistenza al gelo e altre proprietà desiderabili. Tuttavia, tali tratti sono intrinsecamente complessi e il processo di apportare modifiche alle piante coltivate attraverso l'ingegneria genetica si è rivelato più complicato del previsto. In futuro tale ingegneria genetica potrebbe portare a miglioramenti nel processo di fotosintesi, ma nei primi decenni del 21° secolo non aveva ancora dimostrato di poter aumentare drasticamente i raccolti.
Un'altra area interessante nello studio della fotosintesi è stata la scoperta che alcuni animali sono in grado di convertire l'energia luminosa in energia chimica. La lumaca di mare verde smeraldo ( Elysia clorotica ), ad esempio, acquisisce geni e cloroplasti da Vauchena ghiaioso , un alga consuma, conferendogli una capacità limitata di produrre clorofilla. Quando ci sono abbastanza cloroplasti assimilato , la lumaca può rinunciare all'ingestione di cibo. L'afide del pisello ( Acyrthosiphon pisum ) possono sfruttare la luce per produrre i ricchi di energia composto adenosina trifosfato (ATP); questa capacità è stata collegata alla produzione da parte dell'afide di pigmenti carotenoidi.
Lo studio della fotosintesi iniziò nel 1771 con le osservazioni fatte dal sacerdote e scienziato inglese Joseph Priestley. Priestley aveva bruciato una candela in un contenitore chiuso fino a quando l'aria all'interno del contenitore non riusciva più a reggere combustione . Ha poi messo un rametto di come pianta nel contenitore e scoprì che dopo diversi giorni la menta aveva prodotto una sostanza (poi riconosciuta come ossigeno) che consentiva all'aria confinata di sostenere nuovamente la combustione. Nel 1779 il medico olandese Jan Ingenhousz ampliò il lavoro di Priestley, dimostrando che la pianta doveva essere esposta alla luce se la sostanza combustibile (cioè l'ossigeno) doveva essere ripristinata. Ha anche dimostrato che questo processo richiedeva la presenza dei tessuti verdi della pianta.
Nel 1782 si dimostrò che il gas comburente (l'ossigeno) si formava a spese di un altro gas, o aria fissa, che l'anno prima era stato identificato come anidride carbonica. Esperimenti di scambio di gas nel 1804 mostrarono che l'aumento di peso di una pianta coltivata in un vaso accuratamente pesato derivava dall'assorbimento di carbonio, che proveniva interamente dall'anidride carbonica assorbita, e dall'acqua assorbita dalle radici delle piante; l'equilibrio è l'ossigeno, rilasciato di nuovo nell'atmosfera. Passò quasi mezzo secolo prima che il concetto di energia chimica si fosse sviluppato a sufficienza da permettere la scoperta (nel 1845) che l'energia luminosa del sole è immagazzinata come energia chimica nei prodotti formati durante la fotosintesi.
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In termini chimici, la fotosintesi è un'energia luminosa processo di ossidoriduzione . (L'ossidazione si riferisce alla rimozione di elettroni da una molecola; la riduzione si riferisce al guadagno di elettroni da parte di una molecola.) Nella fotosintesi delle piante, l'energia della luce viene utilizzata per guidare l'ossidazione dell'acqua (HDueO), producendo ossigeno gassoso (ODue), ioni idrogeno (H+) ed elettroni . La maggior parte degli elettroni rimossi e degli ioni idrogeno vengono infine trasferiti all'anidride carbonica (CODue), che si riduce ai prodotti biologici. Altri elettroni e ioni idrogeno vengono utilizzati per ridurre nitrati e solfati a gruppi amminici e sulfidrilici negli amminoacidi, che sono i mattoni delle proteine. Nella maggior parte delle cellule verdi, i carboidrati, in particolare l'amido e il zucchero saccarosio: sono i principali prodotti organici diretti della fotosintesi. La reazione complessiva in cui i carboidrati, rappresentati dalla formula generale (CHDueO)-si formano durante la fotosintesi delle piante può essere indicato dalla seguente equazione:
Questa equazione è solo un'affermazione sommaria, poiché il processo di fotosintesi coinvolge in realtà numerose reazioni catalizzate da enzimi (catalizzatori organici). Queste reazioni si verificano in due fasi: la fase luminosa, costituita da reazioni fotochimiche (cioè che catturano la luce); e il palcoscenico oscuro, comprendente reazioni chimiche controllate da enzimi. Durante la prima fase, l'energia della luce viene assorbita e utilizzata per guidare una serie di trasferimenti di elettroni, con conseguente sintesi di ATP e il nicotina adenina dinucleotide fosfato ridotto da donatore di elettroni (NADPH). Durante la fase oscura, l'ATP e il NADPH formati nelle reazioni di cattura della luce vengono utilizzati per ridurre l'anidride carbonica in composti organici del carbonio. Questa assimilazione del carbonio inorganico in composti organici è chiamata fissazione del carbonio.
Nel corso del XX secolo, i confronti tra i processi fotosintetici nelle piante verdi e in alcuni batteri solforosi fotosintetici hanno fornito importanti informazioni sul meccanismo fotosintetico. I batteri dello zolfo usano l'idrogeno solforato (HDueS) come fonte di atomi di idrogeno e producono zolfo invece di ossigeno durante la fotosintesi. La reazione complessiva è
Negli anni '30 il biologo olandese Cornelis van Niel riconobbe che l'utilizzo dell'anidride carbonica per formare composti organici era simile nei due tipi di organismi fotosintetici. Suggerendo che esistevano differenze nella fase dipendente dalla luce e nella natura dei composti usati come fonte di atomi di idrogeno, ha proposto che l'idrogeno fosse trasferito dall'idrogeno solforato (nei batteri) o dall'acqua (nelle piante verdi) a un accettore sconosciuto ( detto A), che è stato ridotto a HDueA. Durante le reazioni al buio, che sono simili sia nei batteri che nelle piante verdi, l'accettore ridotto (HDueA) ha reagito con anidride carbonica (CODue) per formare carboidrati (CHDueO) e ossidare l'accettore sconosciuto ad A. Questo putativo la reazione può essere rappresentata come:
La proposta di Van Niel era importante perché la teoria popolare (ma errata) era che l'ossigeno fosse rimosso dall'anidride carbonica (piuttosto che l'idrogeno dall'acqua, rilasciando ossigeno) e che il carbonio si combinasse quindi con l'acqua per formare carboidrati (piuttosto che l'idrogeno dall'acqua combinando con CODueper formare CHDueO).
Nel 1940 i chimici usavano isotopi pesanti per seguire le reazioni della fotosintesi. Acqua marcata con un isotopo di ossigeno (18O) è stato utilizzato nei primi esperimenti. Piante che fotosintetizzano in presenza di acqua contenente HDue18O gas ossigeno prodotto contenente18O; quelli che fotosintetizzavano in presenza di acqua normale producevano normale gas ossigeno. Questi risultati hanno fornito un supporto definitivo alla teoria di van Niel secondo cui il gas ossigeno prodotto durante la fotosintesi è derivato dall'acqua.
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