Φωτοσύνθεση ☀️🌿

Η φωτοσύνθεση είναι ίσως η σημαντικότερη βιοχημική διαδικασία στον πλανήτη μας. Χάρη σε αυτήν, η φωτεινή ενέργεια που παγιδεύεται μετατρέπεται σε χημική ενέργεια και αποθηκεύεται σε οργανικά μόρια, στηρίζοντας σχεδόν όλες τις μορφές ζωής. 🌍

Αυτότροφοι και Ετερότροφοι Οργανισμοί 🌿🦌

Με βάση τον τρόπο που εξασφαλίζουν την τροφή τους, οι οργανισμοί χωρίζονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες:

Η Φωτοσύνθεση ως Διαχρονική Πηγή Ενέργειας ⛽

Η φωτεινή ενέργεια που δεσμεύτηκε με τη φωτοσύνθεση τροφοδοτεί με ενέργεια ολόκληρο τον έμβιο κόσμο:

• Άμεσα για τους καταναλωτές πρώτης τάξης (φυτοφάγους) 🐄
• Έμμεσα για τους καταναλωτές δεύτερης ή ανώτερης τάξης (σαρκοφάγους) 🦁
• Οι αποικοδομητές (βακτήρια, μύκητες) διασπούν τους νεκρούς οργανισμούς, επιστρέφοντας $CO_2$ και $H_2O$ στο περιβάλλον ♻️

Ακόμη και τα ορυκτά καύσιμα (γαιάνθρακες, πετρέλαιο, φυσικό αέριο) προέρχονται από οργανική ύλη που σχηματίστηκε με φωτοσύνθεση σε παλαιότερες γεωλογικές εποχές. 🪨

Το Φύλλο ως Όργανο Φωτοσύνθεσης 🍃

Στα ανώτερα φυτά η φωτοσύνθεση γίνεται κυρίως στα πράσινα μέρη, και ιδιαίτερα στα φύλλα. Σε εγκάρσια (κάθετη) τομή ενός φύλλου διακρίνουμε:

• Πάνω και κάτω επιδερμίδα, που καλύπτονται από την εφυμενίδα 🛡️
• Μεσόφυλλο, που διασχίζεται από τα αγγεία (μεταφέρουν νερό και ιόντα)
• Τα κύτταρα του μεσόφυλλου περιέχουν πολλούς χλωροπλάστες

Τα Στόματα και η Διαπνοή 💨

Στην κάτω κυρίως επιδερμίδα υπάρχουν μικρά ανοίγματα, τα στόματα, που περιβάλλονται από ένα ζεύγος καταφρακτικών κυττάρων. Από τα στόματα εισέρχεται με διάχυση το $CO_2$. Το νερό εισέρχεται στο φυτό από τις ρίζες. 💧

Η άντληση του νερού από το έδαφος και η ροή του στα αγγεία διευκολύνεται με την εξάτμιση νερού από τα στόματα, διαδικασία που ονομάζεται διαπνοή.

Η Χλωροφύλλη 🟢

Η κύρια φωτοσυνθετική χρωστική είναι η χλωροφύλλη. Το μόριό της αποτελείται από:

• Μια υδρογονανθρακική «ουρά»
• Έναν δακτύλιο πορφυρίνης με κεντρικό άτομο μαγνησίου ($Mg$) 🔵
• Απλούς και διπλούς δεσμούς που μετατρέπονται μεταξύ τους

Η χλωροφύλλη έχει την ικανότητα να απορροφά φωτεινή ακτινοβολία και να διεγείρεται. Στη συνέχεια ιονίζεται, χάνοντας ηλεκτρόνια που δεσμεύονται από άλλα μόρια. ⚡

Ορατό Φως και Φωτοσυνθετικές Χρωστικές 🌈

Το ορατό φως αποτελεί ένα μικρό μόνο μέρος της ηλιακής ακτινοβολίας και αναλύεται στα χρώματα: ιώδες, μπλε, πράσινο, κίτρινο, πορτοκαλί, κόκκινο.

Επειδή οι χλωροφύλλες ανακλούν το πράσινο φως, τα φυτά μάς φαίνονται πράσινα. 🟩

Η Τύχη της Ηλιακής Ακτινοβολίας 📉

Από την ηλιακή ακτινοβολία που προσπίπτει στο φύλλο:

• ≈ 80% απορροφάται
• ≈ 20% ανακλάται ή το διαπερνά
• Από την ενέργεια που απορροφάται, ένα μέρος μετατρέπεται σε θερμότητα 🌡️
• Μόνο το 0,5 – 3,5% όλης της φωτεινής ενέργειας που φτάνει στο φύλλο χρησιμοποιείται τελικά για τη φωτοσύνθεση

Οι Δύο Φάσεις της Φωτοσύνθεσης 🔄

Φωτεινή Φάση ☀️⚡

Τόπος: τα grana (θυλακοειδή) των χλωροπλαστών.

• Τα μόρια της χλωροφύλλης δεσμεύουν φωτεινή ενέργεια, διεγείρονται και ιονίζονται
• Πραγματοποιείται η φωτόλυση του νερού: διάσπαση του $H_2O$ σε υδρογόνο και οξυγόνο

Προϊόντα της φωτεινής φάσης:

• ATP, που σχηματίζεται από $ADP$ 🔋
• NADPH, καθώς το υδρογόνο δεσμεύεται από το συνένζυμο $NADP^+$
• $O_2$, που ελευθερώνεται στην ατμόσφαιρα 🌬️

Σκοτεινή Φάση 🌑

Τόπος: το στρώμα των χλωροπλαστών.

• Δέσμευση του $CO_2$ από μια πεντόζη (σάκχαρο με 5 άτομα άνθρακα)
• Σειρά αντιδράσεων με χρήση του ATP και του NADPH της φωτεινής φάσης
• Παραγωγή γλυκόζης $(C_6H_{12}O_6)$ και άλλων οργανικών ουσιών 🍬
• Παραγωγή νερού $(H_2O)$

Η Συνολική Χημική Εξίσωση 🧪

Η συνολική αντίδραση της φωτοσύνθεσης, όπως δίνεται στο βιβλίο, είναι:

Παράγοντες που Επηρεάζουν την Απόδοση 🎛️

Θερμοκρασία 🌡️

• Επηρεάζει τη δράση των ενζύμων· σε υψηλή ένταση φωτός, αύξηση της θερμοκρασίας → αύξηση της απόδοσης
• Άριστη θερμοκρασία για τα περισσότερα φυτά: ≈ 30°C
• Όταν η θερμοκρασία ξεπεράσει τους 30°C, τα ένζυμα καταστρέφονται και η απόδοση μειώνεται
• Φυτά ψυχρών περιοχών φωτοσυνθέτουν σε χαμηλότερες θερμοκρασίες· κυανοφύκη θερμών πηγών φωτοσυνθέτουν και σε θερμοκρασίες > 75°C

Φως 💡

Σε θερμοκρασία 20°C και κανονική συγκέντρωση $CO_2$ (0,03% κ.ο.), η απόδοση αυξάνεται με την ένταση του φωτός μέχρι ένα σημείο κορεσμού, μετά παραμένει σταθερή.

Διοξείδιο του Άνθρακα 💨

Συμμετέχει στις αντιδράσεις της σκοτεινής φάσης. Σε υψηλή ένταση φωτός και σταθερή θερμοκρασία, η απόδοση αυξάνεται με την αύξηση του $CO_2$ μέχρι ένα σημείο κορεσμού.

Νερό 💧

Απαραίτητο για τη φωτόλυση. Σε έλλειψη νερού το φυτό κλείνει τα στόματά του· έτσι όμως κλείνει ταυτόχρονα και την είσοδο του $CO_2$, με αποτέλεσμα τη μείωση της απόδοσης.

Ανόργανα Άλατα 🧂

Το άζωτο ($N$) και το μαγνήσιο ($Mg$) είναι απαραίτητα για τη σύνθεση της χλωροφύλλης. Η έλλειψή τους προκαλεί χλώρωση των φύλλων και χαμηλή ταχύτητα φωτοσύνθεσης.

Φωτοσύνθεση σε Προκαρυωτικούς Οργανισμούς 🦠

Η συνολική αντίδραση φωτοσύνθεσης των φωτοσυνθετικών βακτηρίων, όπως δίνεται στο βιβλίο, είναι:

Μήπως από Κάτι Ανάλογο Χάθηκαν οι Δεινόσαυροι; 🦕

Αν για κάποιο λόγο εμποδιστεί η ηλιακή ακτινοβολία να φτάσει στη Γη — από μια τεράστια ηφαιστειακή έκρηξη, την πρόσκρουση μετεωρίτη ή ένα πυρηνικό ολοκαύτωμα — τότε:

• Αδρανοποιείται η φωτοσύνθεση 🌑
• Διακόπτεται η ροή ενέργειας στις τροφικές αλυσίδες
• Διαταράσσονται οι τροφικές σχέσεις όλων των οργανισμών

Σημασία της Φωτοσύνθεσης 🌎

• 🍞 Τρόφιμα: βασική πηγή ενέργειας για όλους τους οργανισμούς μέσω των τροφικών αλυσίδων
• ⛽ Καύσιμα: ξύλο, γαιάνθρακες, φυσικό αέριο και πετρέλαιο προέρχονται από προϊόντα παλαιότερων φωτοσυνθετικών διαδικασιών
• 🌊 Θαλάσσιο φυτοπλαγκτόν: παράγει το 45–60% της συνολικής οργανικής ύλης του πλανήτη