Zašto se fotosinteza smatra najvažnijom kemijskom reakcijom na Zemlji? Bez obzira koliko je neki stroj složen ili napredan, primjerice poput posljednjeg modela mobitela, uređaj ne može funkcionirati bez energije. Živa bića, baš poput strojeva, imaju brojne složene komponente; oni također ne mogu ništa učiniti bez energije, zbog čega se ljudi i svi drugi organizmi moraju “hraniti” u jednom obliku ili drugom. To je možda općepoznata stvar, no koliko ljudi shvaća da svaki zalogaj svakoga obroka koji smo pojeli u životu ovisi o procesu fotosinteze?
Sva živa bića na Zemlji sadrže jednu ili više stanica. Svaka stanica troši kemijsku energiju koja se uglavnom nalazi u molekulama ugljikohidrata (tj. u hrani), a većina ovih molekula proizvodi se jednim procesom – fotosintezom. Fotosintezom određeni organizmi pretvaraju solarnu energiju (Sunčevu svjetlost) u kemijsku energiju koja se zatim koristi za izgradnju molekula ugljikohidrata. Energija koja drži ove molekule zajedno oslobađa se kada organizam razgradi hranu. Stanice zatim koriste ovu energiju za obavljanje rada, primjerice za stanično disanje.
Energija dobivena kroz proces fotosinteze neprestano ulazi u ekosustave našeg planeta i prenosi se od jednog organizma do drugog. Stoga, izravno ili neizravno, proces fotosinteze osigurava većinu energije potrebne svim živim bićima na Zemlji.
Fotosinteza također rezultira otpuštanjem kisika u atmosferu. Ukratko, kako bi mogli jesti i disati, ljudi gotovo u potpunosti ovise o organizmima koji provode fotosintezu.
Ovisnost o Suncu i proizvodnja hrane
Neki organizmi mogu provoditi fotosintezu, dok drugi ne mogu. Autotrof je organizam koji može proizvoditi vlastitu hranu. Naziv „autotrof“ dolazi iz grčkog jezika, a znači sebe (auto) hranitelj (troph). Biljke su najpoznatiji autotrofi, no postoje i drugi, poput nekih vrsta bakterija i algi. Oceanske alge doprinose globalnm hranidbenim lancima golemim količinama hrane i kisika. Biljke su ujedno i fotoautotrofi, tip autotrofa koji koristi Sunčevu svjetlost i ugljik iz ugljikovog dioksida za sintetiziranje kemijske energije u obliku ugljikohidrata. Svi organizmi koji provode fotosintezu trebaju Sunčevu svjetlost.
Heterotrofi su organizmi nesposobni za fotosintezu te stoga moraju dobivati energiju i ugljik iz hrane tako da konzumiraju druge organizme. Naziv „heterotrof“ je spoj dviju grčkih riječi, drugi (hetero) i hranitelj (troph), što znači da njihova hrana dolazi od drugih organizama, ne mogu ju proizvesti sami. Čak i ako je izvor hrane druga životinja, ta hrana vuče svoje podrijetlo od autotrofa i procesa fotosinteze.
Ljudi su heterotrofi, kao i sve životinje. Heterotrofi ovise o autotrofima, bilo izravno ili neizravno. I jelen i vuk su heterotrofi jer se hrane drugim organizmima. Jelen dobiva energiju hraneći se biljkama. Vuk koji se hrani jelenom dobiva energiju koja originalno dolazi od biljaka koje je pojeo jelen. Energija u biljkama dolazi iz fotosinteze i stoga je jedini autotrof u ovom primjeru. Sukladno tome, možemo zaključiti da je sva hrana koju jedu ljudi također povezana s autotrofima koji provode fotosintezu.
Fotosinteza u supermarketu
Većina supermarketa ima police organizirane u odjele, kao što su mliječni proizvodi, meso, kruh, žitarice, itd. Svaki prolaz sadrži stotine, ako ne i tisuće, različitih proizvoda koje kupci mogu kupiti i konzumirati.
Iako postoji velika raznolikost, svaki proizvod može se povezati s fotosintezom. Meso i mliječni proizvodi povezani su s fotosintezom jer su životinje hranjene hranom biljnog podrijetla. Kruh, pahuljice i tjestenine uglavnom dolaze od žitarica, koje su sjemenke fotosintetskih biljaka. A što je sa slatkišima i napitcima? Svi ovi proizvodi sadrže šećer – osnovnu molekulu ugljikohidrata koja se proizvodi izravno fotosintezom. Fotosinteza je temelj svakog obroka i svake hrane koju čovjek može konzumirati.
Glavne strukture i sažetak fotosinteze
Za fotosintezu su potrebni Sunčeva svjetlost, ugljikov dioksid i voda kao početni reaktanti. Nakon završetka procesa, fotosinteza oslobađa kisik i proizvodi molekule ugljikohidrata, najčešće glukoze. Ove molekule šećera sadrže energiju koja je potrebna živim bićima za preživljavanje.
Složene reakcije fotosinteze mogu se sažeti kemijskom jednadžbom prikazanom na slici.
Iako jednadžba izgleda jednostavno, mnogi koraci koji se odvijaju tijekom fotosinteze zapravo su prilično složeni. Prije nego što krenemo govoriti o detaljima načina na koji fotoautotrofi pretvaraju Sunčevu svjetlost u hranu, važno je upoznati se s fizičkim strukturama unutar kojih se odvijaju ovi procesi.
Kod biljaka se fotosinteza prvenstveno odvija u listovima koji se sastoje od mnogo slojeva stanica i imaju diferenciranu gornju i donju stranu. Proces fotosinteze ne odvija se na površinskim slojevima lista, već u srednjem sloju koji se naziva mezofil. Izmjena plinova ugljikovog dioksida i kisika odvija se kroz male, regulirane otvore koji se nazivaju puči.
Kod svih autotrofnih eukariota fotosinteza se odvija unutar organele koja se naziva kloroplast. U biljkama stanice koje sadrže kloroplast nalaze se u mezofilu. Kloroplasti imaju dvostruku (unutarnju i vanjsku) membranu. Unutar kloroplasta nalazi se treća membrana koja tvori naslagane strukture u obliku diska koke se zovu tilakoidi. U tilakoidnu membranu ugrađene su molekule klorofila – pigmenta (molekula koja apsorbira svjetlost) preko kojeg započinje čitav proces fotosinteze. Klorofil je odgovoran za zelenu boju biljaka. Tilakoidna membrana zatvara unutarnji prostor koji se zove tilakoidni prostor. Druge vrste pigmenata također su uključene u fotosintezu, ali klorofil je daleko najvažniji. Nakupina tilakoida se naziva granum, a prostor koji okružuje granum naziva se stroma (ne smije se brkati s pučima, otvorima na listovima).
Za vrućeg, suhog dana, biljke zatvaraju stomate kako bi sačuvale vodu. Kakav će to utjecaj imati na fotosintezu?
Dva dijela fotosinteze
Fotosinteza se odvija u dvije faze: reakcije ovisne o svjetlu i Calvinov ciklus. U reakcijama ovisnim o svjetlosti, koje se odvijaju na tilakoidnoj membrani, klorofil apsorbira energiju Sunčeve svjetlosti i zatim je pretvara u kemijsku energiju pomoću vode. Reakcije ovisne o svjetlu oslobađaju kisik iz hidrolize kao nusproizvod. U Calvinovom ciklusu, koji se odvija u stromi, kemijska energija proizašla iz reakcija ovisnih o svjetlosti pokreće i hvatanje ugljika u molekulama ugljikovog dioksida i kasnije sklapanje molekula šećera.
Dvije reakcije koriste molekule nositelje za prijenos energije od jedne do druge reakcije. Nosači koji prenose energiju od reakcija ovisnih o svjetlu do reakcija Calvinovog ciklusa mogu se smatrati „punima“ jer donose energiju. Nakon što se energija oslobodi, „prazni“ nosači energije vraćaju se u reakcije ovisne o svjetlu kako bi dobavili još energije.
Sažetak
Proces fotosinteze transformirao je život na Zemlji. Korištenjem energije Sunca, fotosinteza je omogućila živim bićima pristup ogromnim količinama energije. Zbog fotosinteze, živa bića su dobila dovoljno energije, što im je omogućilo da razviju nove strukture i postignu biološku raznolikost kojoj svjedočimo danas.
Samo određeni organizmi, koji se nazivaju autotrofi, mogu obavljati fotosintezu; oni zahtijevaju prisutnost klorofila, specijaliziranog pigmenta koji može apsorbirati svjetlost i pretvoriti svjetlosnu energiju u kemijsku. Fotosinteza koristi ugljikov dioksid i vodu za sastavljanje molekula ugljikohidrata (obično glukoze) i oslobađa kisik u zrak. Eukariotski autotrofi, poput biljaka i algi, imaju organele zvane kloroplasti u kojima se odvija fotosinteza.