Fotosynthese | hoe planten en sommige micro-organismen koolhydraten maken

Oorsprong van fotosynthese

Fotosynthese is geen toeval. Het gebeurt omdat de bouwstenen ervan van nature voorkomen in de ruimte, en worden opgenomen bij de vorming van planeten. We hebben geen idee hoe vaak dit proces voorkomt of hoe weinig het voorkomt. We weten wel dat hogere elementen worden gevormd in supernovae, en dat is de oorsprong van alle elementen hoger dan helium. De hogere elementen die zijn gevonden in de komeet van Halley zijn geanalyseerd.

Vóór de fotosynthese bevatte de atmosfeer van de aarde bijna geen zuurstof. Zelfs zonder zuurstof hadden enkele eenvoudige levensvormen kunnen bestaan. Maar de belangrijkste gebeurtenis voor het leven zoals wij dat kennen was de Grote Zuurstof Gebeurtenis.

Manieren waarop het gebeurt

Fotosynthese kan op verschillende manieren gebeuren, maar er zijn enkele gemeenschappelijke onderdelen.

6 CO_2(g) + 6 H₂ O + fotonen → C₆ H₁₂ O _6(aq) + 6 O_2(g)

kooldioxide + water + lichtenergie → glucose + zuurstof

Koolstofdioxide komt het blad binnen via de huidmondjes door diffusie vanuit de atmosfeer.

Water wordt uit de bodem opgenomen door wortelhaarcellen, die een groter oppervlak hebben dat is aangepast aan de opname van water.

Fotosynthese vindt plaats in de chloroplasten in bladeren (of andere groene weefsels). Deze bevatten chlorofyl, het groene pigment dat lichtenergie absorbeert. In bladeren hebben palissadecellen chloroplasten om licht op te vangen.

Zuurstof wordt geproduceerd door fotosynthese en komt in de atmosfeer terecht door ademhaling. Alle zuurstof in de atmosfeer vindt zijn oorsprong in planten (inclusief de micro-organismen die aan fotosynthese doen).

Glucose wordt gebruikt bij de ademhaling (om energie vrij te maken in de cellen). Het wordt opgeslagen in de vorm van zetmeel (dat in het donker weer wordt omgezet in glucose voor de ademhaling). Glucose kan ook worden omgezet in andere verbindingen voor groei en voortplanting, bijv. cellulose, nectar, fructose, aminozuren en vetten.

Het proces

Fotosynthese kent twee soorten reacties (fasen). Lichtafhankelijke reacties die licht nodig hebben om te werken; en lichtonafhankelijke reacties die geen licht nodig hebben om te werken.

Lichtafhankelijke fase

De lichtenergie van de zon wordt gebruikt om watermoleculen te splitsen (fotolyse). Het zonlicht raakt de chloroplasten in de plant. Hierdoor splitst een enzym het water. Als het water gesplitst is, levert het zuurstof, waterstof en elektronen op.

Waterstof, samen met door licht bekrachtigde elektronen, zet NADP om in NADPH, dat vervolgens wordt gebruikt in de lichtonafhankelijke reacties. Zuurstofgas diffundeert uit de plant als afvalproduct van de fotosynthese, en ATP wordt gesynthetiseerd uit ADP en anorganisch fosfaat. Dit gebeurt allemaal in de grana van chloroplasten.

Donkere fase

Tijdens deze reactie worden suikers opgebouwd uit koolstofdioxide en de producten van de lichtafhankelijke reacties (ATP en NADPH) en verschillende andere chemische stoffen die in de plant voorkomen in de Calvin Cyclus. Daarom kan de lichtonafhankelijke reactie niet plaatsvinden zonder de lichtafhankelijke reactie. Koolstofdioxide diffundeert in de plant en samen met chemische stoffen in de chloroplast, ATP en NADPH wordt glucose gemaakt en uiteindelijk door de plant getransporteerd via translocatie.

Factoren die de fotosynthese beïnvloeden

Er zijn drie belangrijke factoren die de fotosynthese beïnvloeden:

• Lichtintensiteit
• Kooldioxideconcentratie
• Temperatuur

Lichtintensiteit

Als er weinig licht op een plant schijnt, zullen de lichtafhankelijke reacties niet efficiënt werken. Dit betekent dat de fotolyse (afbraak van water door licht) niet snel zal plaatsvinden, en er dus weinig NADPH en ATP zal worden aangemaakt. Dit tekort aan NADPH en ATP zal ertoe leiden dat de lichtonafhankelijke reacties niet werken, omdat NADPH en ATP nodig zijn om de lichtonafhankelijke reacties te laten werken.

Bij een waterplant zoals fonteinkruid is de vereiste lichtintensiteit gemakkelijk te onderzoeken. De afgegeven zuurstofbelletjes kunnen worden geteld of het volume kan worden gemeten. Door de afstand tussen licht en plant te veranderen, kan de lichtintensiteit variëren. Verandering in de lichtintensiteit zal de verandering in fotosynthesesnelheid beïnvloeden. In het donker kan kunstlicht worden gebruikt om de fotosynthesesnelheid te maximaliseren.

Kooldioxide niveaus

Kooldioxide wordt gebruikt in de lichtonafhankelijke reacties. Het combineert met NADPH en ATP en verschillende andere chemicaliën om glucose te vormen. Als er dus niet genoeg kooldioxide is, zal er een opeenhoping van NADPH en ATP zijn en zal er niet genoeg glucose worden gevormd.

Temperatuur

Er zijn veel enzymen die werkzaam zijn in fotosynthetische reacties - zoals het enzym in de fotolyse. Alle enzymen werken het best bij hun optimale temperatuur. Alle lichtafhankelijke en lichtonafhankelijke reacties verlopen normaal bij een gemiddelde of optimale temperatuur. Tropische planten hebben een hogere optimale temperatuur dan de planten die zijn aangepast aan een gematigd klimaat.

Bij te lage temperaturen is er weinig kinetische energie, zodat de reactiesnelheid afneemt. Bij te hoge temperaturen worden de enzymen gedenatureerd en stopt de katalyse van de fotosynthesereactie.

Kassen moeten een optimale temperatuur aanhouden voor het normaal functioneren van planten.

Vroege evolutie

De eerste fotosynthetische organismen zijn waarschijnlijk vroeg in de geschiedenis van het leven ontstaan. Mogelijk gebruikten zij reducerende stoffen zoals waterstof of waterstofsulfide als bron van elektronen, in plaats van water. Cyanobacteriën verschenen later, en het teveel aan zuurstof dat zij produceerden veroorzaakte de zuurstofcatastrofe. Hierna was de evolutie van complex leven mogelijk.

Doeltreffendheid

Momenteel wordt wereldwijd gemiddeld ongeveer 130 terawatt aan energie opgevangen door fotosynthese. Dit is ongeveer zes keer zoveel als het huidige energieverbruik van de menselijke beschaving. Fotosynthetische organismen zetten ook ongeveer 100-115 miljoen ton koolstof per jaar om in biomassa.

Gerelateerde pagina's

• Calvijncyclus
• Celademhaling
• Fysiologie van planten
• Worteldruk