Fotosinteza - sistem de sprijin al vieţii

Fotosinteza este procesul prin care plantele, algele şi unele bacterii convertesc dioxidul de carbon şi apa în carbohidraţi folosind energia Soarelui. În cele mai multe cazuri, procesul constă în scindarea hidrogenului şi oxigenului din apă.

În cloroplast, reacţiile fotosintetice care depind de lumină sunt separate în mod fizic de cele care nu depind de lumină. Ele sunt numite reacţii “luminoase” şi, respectiv, reacţii “întunecate”.

Toate componentele reacţiilor luminoase sunt aranjate în sau pe proteinele aflate în membrana tilacoidală. Antenele care captează lumina, de exemplu, sunt proteine care conţin pigmenţi clorofilici aranjate astfel încât pot absorbi lumina şi pot transmite energie la centrele de reacţie vecine.

În timp ce anumite tipuri de bacterii conţin numai un singur tip de centru de reacţie fotosintetică, algele şi plantele conţin două tipuri: fotosistemul numărul 1 şi fotosistemul numărul 2. Separarea de sarcină din FS2 preia electronii din centrul de producere al oxigenului şi îi transmite către FS1. FS1 este activat de un foton secundar şi electronii pe care îi produce trec prin membrana tilacoidală şi pătrund în moleculele responsabile pentru reacţiile întunecate.

Reacţiile întunecate au loc în stroma. Aici, enzimele generează o reacţie ciclică care converteşte dioxidul de carbon şi un glucid format din 5 atomi de carbon în molecule de 3-fosfoglicerat, un glucid cu 3 atomi de carbon. O anumită cantitate din aceste glucide este reintrodusă în ciclu. Restul este folosit ca bază de construcţie pentru formarea carbohidraţilor cum ar fi zaharoza, celuloza sau amidonul. Detaliile acestei reacţii, cunoscute sub numele de ciclul Calvin, au fost descoperite în 1950 de Melvin Calvin, James Bassham şi Andrew Benson de la Universitatea California, Berkeley.

Enzima responsabilă pentru fixarea carbonului din dioxidul de carbon este numită rubisco. Este probabil cea mai abundentă proteină de pe planetă. Fiecare atom de carbon din corpul tău a fost capturat din atmosferă de către rubisco dar, în mod remarcabil, ea prezintă o enzimă mai degrabă ineficientă; are o afinitate scăzută pentru dioxidul de carbon şi, de asemenea, reacţionează cu oxigenul într-un proces numit fotorespiraţie, rezultatul fiind că aproximativ o treime din carbonul fixat este eliberat înapoi în atmosferă.

Generate de energia luminoasă, reacţiile chimice fotosintetice din membrana tilacoidală produc ATP, o sursă de energie moleculară, împreună cu un agent reducător numit NADPH. Aceste molecule sunt apoi consumate în reacţiile întunecate. NADPH este produs în timpul ultimei etape a transportului de electroni în timp ce ATP este produs atunci când energia provenind de la fotoni este folosită pentru pomparea protonilor prin membrana tilacoidală. Aceasta produce un gradient electrochimic care eliberează protonii, eliberând energie şi generând ATP.

Sistemul de susţinere al vieţii de pe Pământ

Trebuie să-i mulţumeşti fotosintezei pentru fiecare gură de aer pe care o respiri. În fapt, fotosinteza este probabil cel mai important proces biochimic de pe planetă. În afara pompării oxigenului în atmosferă, fotosinteza reprezintă sursa de energie din spatele întregii cantităţi de hrană şi a aproape întregii cantităţi de căldură şi energie pe care noi le folosim. Fără fotosinteză, evoluţia vieţii de pe Pământ ar fi urmat o cale foarte diferită. Totuşi, descoperirea detaliilor moleculare ale proceselor chimice fotosintetice şi înţelegerea modului în care acest proces modifică mediul nostru de viaţa rămâne un element cheie

Fotosinteza: elementele de bază

Fotosinteza este procesul prin care plantele, algele şi unele bacterii convertesc dioxidul de carbon şi apa în carbohidraţi folosind energia primită de la soare. În cele mai multe cazuri, aceasta reuşeşte această performanţă prin scindarea hidrogenului şi oxigenului din apă (H20), eliberând oxigenul (O2) ca un produs secundar. În multe cazuri, fotosinteza reprezintă procesul invers al respiraţiei: atunci când noi, animalele, respirăm, folosim oxigenul pentru a arde carbohidraţi, eliberând dioxid de carbon şi producând energia de care avem nevoie pentru a trăi.

Fotosinteza este formată dintr-o serie complexă de reacţii, dar care poate fi împărţită în patru etape cheie: absorbţia luminii, separarea de sarcină, fixarea carbonului şi producerea oxigenului. Pentru început, un foton de lumină este absorbit de pigmenţi clorofilici şi transmis către un “centru de reacţie”, care conţine o pereche special aliniată de molecule clorofilice. Aici are loc separarea de sarcină.

Perechea clorofilică foloseşte energia fotonului pentru a genera un electron. Acesta declanşează ultimele două etape. Electronul eliberat este transmis de-a lungul unui şir de molecule până când este folosit pentru convertirea dioxidului de carbon în carbohidrat, un proces cunoscut sub numele de fixare a carbonului. Între timp, centrul de reacţie este “resetat” cu un nou electron obţinut din apă. Această înlocuire este generată de o parte a complexului centrului de reacţie, numit centrul de producţie al oxigenului, care scindează moleculele de apă în electroni, ioni de hidrogen şi oxigen gazos. Întregul proces poate fi rezumat într-o ecuaţie simplă:

H20 + CO2 + lumină -> C (H2O) + O2

Tot acest proces chimic, de la absorbţia luminii până la sinteza carbohidraţilor, are loc într-o structură numită cloroplast.

Cloroplastele prezintă două membrane. Membrana exterioară netedă are rol în păstrarea laolaltă a întregii structuri. Membrana interioară este împăturită într-o serie de discuri stivuite numite tilacoide care conţin pigmenţii şi complexele proteinice necesare pentru captarea energiei solare şi eliberarea de oxigen. Enzimele şi celelalte componente implicate în convertirea dioxidului de carbon în glucide sunt localizate în stroma, spaţiul umplut cu lichid din interiorul cloroplastului.

Rolul central jucat de cloroplaste a fost evidenţiat cu 75 de ani în urmă, atunci când Robert Hill, biochimist la Universitatea Cambridge, a descoperit că aceste organite pot genera oxigen atunci când primesc lumină în absenţa dioxidului de carbon. Această constatare a reprezentat o descoperire cheie pentru că a oferit una dintre primele indicaţii că sursa ultimă a electronilor este apa şi nu dioxidul de carbon.

Prezentul: 50 de nuanţe de verde

În ciuda a mai mult de 2 miliarde de ani de evoluţie, reacţiile cheie ale fotosintezei au rămas, în mod remarcabil, similare între specii. Totuşi, o varietate de modificări fizice şi biochimice s-au dezvoltat, de asemenea, fiecare dintre ele fiind optimizate pentru condiţiile din nişe ecologice specifice.

Plantele, de exemplu, şi-au dezvoltat forme de fotosinteză un pic diferite. Aproape 85 la sută dintre speciile de plante sunt cunoscute ca plante C3. Ele folosesc enzima rubisco pentru fixarea carbonului din dioxidul de carbon pentru formarea moleculelor de glucide cu 3 atomi de carbon care constituie bază de construcţie pentru zaharoză.

Un alt grup de plante şi-a dezvoltat o modalitate de a ocoli ineficienţa rubisco. Plantele C4, incluzând plantele tropicale cum ar fi trestia de zahăr, îmbunătăţesc procesul de fixare a carbonului prin utilizarea unei enzime adiţionale, PEP carboxilază, pentru fixarea dioxidului de carbon în acid malic, o moleculă cu 4 atomi de carbon. Acidul malic este apoi pompat în celule specializate unde este descompus pentru eliberarea dioxidului de carbon. În interiorul acestor celule, rubisco este expus la concentraţii înalte de dioxid de carbon care o ajută să funcţioneze mult mai eficient. Deşi acest proces necesită energie, el permite fotosintezei din plantele C4 să fie cu 50 la suta mai eficientă decât în cazul plantelor C3, oferindu-le un avantaj competitiv în condiţii de lumină puternică.

O adaptare diferită poate fi regăsită în cazul dinoflagelatelor cum ar fi Amphidinium carterae. Acestea trăiesc în mare la o adâncime la care singura lumină prezentă se află în partea albastru-verde al spectrului vizibil. Ele au dezvoltat un complex unic de captare a luminii care foloseşte pigmenţi numiţi carotenoizi, care absorb lumina albastru-verde. Pigmenţii clorofilici din plante au o capacitate redusă de absorbţie la aceste lungimi de undă.

Un număr de creaturi, printre care meduzele, viermii plaţi, moluştele şi salamandrele, se foloseşte, de asemenea, de fotosinteză, mulţumită unei relaţii simbiotice cu algele fotosintetice. Melcul de mare Elysia, de exemplu, ingeră alge verzi şi le păstrează cloroplastele vii în corpul său, complimentându-şi dieta folosind carbohidraţii produşi de aceste cloroplaste.

Viitorul: plantele într-o lume în schimbare

Având în vedere că fotosinteza producătoare de oxigen a apărut cu aproximativ 2,8 miliarde de ani în urmă, proporţia din atmosferă care este formată din dioxid de carbon a scăzut de la 20 la sută la doar 0,04 la sută. Aceste nivele au început din nou să crească la începutul revoluţiei industriale iar capacitatea fotosintezei de a prelua cantităţile uriaşe de gaze pe care noi le eliberăm prin arderea combustibililor fosili a fost depăşită. Ce va însemna această schimbare pentru plantele şi alte forme de viaţă asemenea nouă care, în definitive, depind de fotosinteză?

Studiile arată că unii copaci deja cresc mai mari şi mai repede, dar poate că singura certitudine este că efectele asupra compoziţiei populaţiei de plante vor fi extrem de impredictibile. Pentru a afla cât de mult vor influenţa concentraţiile crescute de dioxid de carbon creşterea culturilor, cercetătorii au simulat condiţiile atmosferice din viitor în experimente de teren care expun plantele la diferite compoziţii ale aerului.

Aceste experimente arată că plantele C4 şi C3 răspund în mod diferit. Plantele C4, cum ar fi porumbul, prezintă o rată crescută a fotosintezei, dar există un efect scăzut asupra creşterii, chiar şi atunci când nivelurile de dioxid de carbon ajung la 0,06 la sută. Totuşi, la acest nivel al dioxidului de carbon, rata fotosintezei în cazul plantelor C3 creşte cu aproximativ 40 la sută. Aceasta este reflectată în culturi, grâul, orezul şi soia prezentând creşteri ale producţiei de până la 14 la sută.

Ar putea exista un impact şi asupra procesului de folosire al apei. Plantele îşi reglează absorbţia de dioxid de carbon folosind mici pori prezenţi pe frunzele lor numiţi stomate. Atunci când nivelurile de dioxid de carbon cresc, stomatele vor sta închise pentru mai mult timp. Aceşti pori, de asemenea, permit eliberarea vaporilor de apă, astfel încât nivelurile de dioxid de carbon mai înalte ar putea reduce pierderile de apă ale plantelor, fermierii nemaiavând nevoie să-şi ude la fel de des culturile.

Aceste beneficii ar putea veni cu un preţ. Ratele în creştere ale fotosintezei înseamnă că creşterea plantelor ar putea fi astfel limitată de prezenţa unor nutrienţi cheie, cum ar fi fosforul şi azotul. Acest proces ar putea fi cel mai important în cazul unor culturi, cum ar fi leguminoasele, care prezintă seminţe cu un înalt conţinut proteinic şi care ar putea avea nevoie de o cantitate suplimentară de fertilizatori.

Fermierii pot, probabil, să se adapteze schimbărilor graduale din atmosfera prin modificarea practicilor agricole – aplicarea unei cantităţi suplimentare de fertilizatori, să spunem, sau prin schimbarea varietăţilor de cultură. Schimbările bruşte ale vremii vor fi mult mai greu de manageriat. Seceta extinsă din Statele Unite şi precipitaţiile abundente din unele părţi ale Europei au redus în mod drastic producţia de grâne în 2012, iar încălzirea globală este aşteptată să producă fluctuaţii şi mai sălbatice în modelele de vreme.

Fotosinteza - modelarea planetei