8. Fotosynteesissä solu sitoo auringon valoenergiaa
Johdanto
Fotosynteesi kehittyi noin 3,5 miljardia vuotta sitten, kun ensimmäiset yhteyttävät eliöt, syanobakteerit, ilmestyivät maapallolle. Siitä eteenpäin pääosa maapallon elämästä on ollut riippuvaista fotosynteesistä. Fotosynteesin seurauksena ilmakehään alkoi vapautua happea, joka oli tuolloin myrkyllistä monille eliöille. Seuraavaksi kehittyi soluhengitys, jossa ilmakehän happea käytetään energiantuotannossa.
8.1 Fotosynteesin merkitys
Fotosynteesiin kykenevät muun muassa kasvit, levät ja monet bakteerit. Tällaisia eliöitä kutsutaan omavaraisiksi eli autotrofisiksi eliöiksi, sillä ne kykenevät tuottamaan oman ravintonsa. Jotkin eliöt tosin pystyvät tuottamaan ravintonsa ilman auringonvaloa hapettamalla ympäristönsä epäorgaanisia ravinteita. Tällaisia eliöitä kutsutaan kemosynteettisiksi. Fotosynteesi on kuitenkin elämän kannalta paljon merkittävämmässä asemassa kuin kemosynteesi. Myös ihminen on riippuvainen fotosynteesistä, sillä kaikki ravinnosta saamamme energia on peräisin kasveista ja siten välillisesti auringosta.
Kuva: Mänty kykenee yhteyttämään jo aikaisin keväällä matalissakin lämpötiloissa.
Galleria 8.1 Fotosynteettisiä eliöitä
8.2 Fotosynteesin merkitys ekosysteemissä
Ekosysteemin ja ravintoketjujen perustana ovat tuottajat, jotka valmistavat itse ravintonsa. Tuottajien auringosta sitomaa energiaa hyödyntävät kuluttajat, jotka ovat toisenvaraisia eli heterotrofisia eliöitä. Kuluttajien syödessä kasveja niihin sitoutunut energia vapautuu kuluttajan käyttöön tai varastoituu sen kudoksiin. Kuluttajilta orgaanisiin yhdisteisiin sitoutunut energia siirtyy korkeamman asteen kuluttajien ja hajottajien käyttöön.
Kasvit käyttävät kuitenkin suuren osan tuottamastaan energiasta omaan käyttöönsä. Jäljelle jäävää, kuluttajien käyttöön siirtyvää energiaa kutsutaan nettotuotannoksi. On arvioitu, että kasvit tuottavat vuosittain 160 miljardia tonnia (160 000 000 000 000 kg) hiilihydraatteja. Tämä määrä vastaa lähes 250 kuutiokilometriä (1km·1km·1km) puuainesta. Kuvittele mielessäsi kilometrin korkuinen ja levyinen puupalkki, joka yltää Helsingistä Jyväskylään – näin valtavan määrän yhteyttämistuotteita kasvit tuottavat vuodessa!
Useimmat ekosysteemin riippuvat suoraan tai välillisesti fotosynteesistä. Joissain valottomissa ympäristöissä, kuten valtamerten pohjissa sekä monissa ääriolosuhteissa ekosysteemin toiminta perustuu kemosynteettisiin eliöihin, kuten bakteereihin ja arkkeihin.
Kuva: Kasvit sitovat ilmakehän hiilidioksidia orgaanisiin yhdisteisiin. Maapallon yleisin orgaaninen yhdiste on selluloosa, jota kasvin käyttävät esimerkiksi soluseinän rakennusaineena.
8.3 Johdatus fotosynteesiin
Valon avulla yhteyttävät eliöt sitovat auringon valoenergiaa orgaanisien yhdisteiden kemialliseksi energiaksi. Sitomansa energian avulla ne muodostavat hiilidioksidista ja vedestä monimutkaisia orgaanisia yhdisteitä, kuten hiilihydraatteja, proteiineja ja lipidejä. Fotosynteesin tuotteena on glukoosi, jota voidaan käyttää muiden orgaanisten yhdisteiden rakentamiseen. Fotosynteesi käyttää lähtöaineinaan hiilidioksidia ja vettä. Lopputuloksena lähtöaineista vapautuu happea. Reaktion suunta on siis päinvastainen kuin soluhengityksessä.
Fotosynteesin kokonaisreaktio:
6 CO2 + 6 H2O ➞ C6H12O6 + 6 O2 (käyttää auringon valoenergiaa)
Fotosynteesi koostuu valoenergiaa talteen ottavista valoreaktioista sekä hiilen sitomisreaktioista, jossa ilmakehän hiilidioksidia sidotaan orgaanisiin yhdisteisiin.
8.4 Fotosynteesin valoreaktiot
Kasvit tarvitsevat yhteyttämiseen auringon valoenergiaa, hiilidioksidia ja vettä. Hiilidioksidia ne saavat kasvin lehtien alapinnalla sijaitsevien ilmarakojen kautta. Vettä kasvit saavat juurien avulla, josta se nousee lehtiin johtosolukon puuosaa pitkin. Yhteyttämistuotteet, kuten sokerit, kulkeutuvat lehdistä juuriin johtosolukon nilan kautta.
Fotosynteesi tapahtuu kasvissa sijaitsevissa viherhiukkasissa. Viherhiukkanen on kaksoiskalvon ympäröimä soluelin, jonka sisällä on litteiden, pinottujen kiekkojen kaltaisia kalvorakkulapusseja, joita kutsutaan tylakoideiksi eli yhteyttämiskalvostoiksi. Yhteyttäminen tapahtuu näiden kalvostojen pinnalla. (Viherhiukkasista voit lukea lisää luvusta 2.)
Kuva: Yhteyttäminen tapahtuu lehdissä olevissa viherhiukkasissa.
Viherhiukkasten yhteyttämiskalvostojen pinnalla on runsaasti erilaisia pigmenttejä, kuten klorofyllejä, jotka kykenevät absorboimaan auringon valoa. Absorboimisella tarkoitetaan valon osasten eli fotonien sisältämän energian vastaanottamista. Eri pigmentit absorboivat valon eri aallonpituuksia. Pigmentit siirtävät vastaanottamansa energian reaktiokeskuksille.
Säteilyenergian avulla yhteyttämiskalvostolla sijaitseva reaktiokeskus hajottaa veden hapeksi ja vetyioneiksi eli protoneiksi. Samalla syntyy pelkistyneitä elektroninsiirtäjiä. Syntyneet vetyionit ja pelkistyneet elektroninsiirtäjät käytetään hiilen sitomisreaktioissa ja happi vapautuu ilmarakojen kautta kasvista pois.
8.5 Fotosynteesin hiilen sitomisreaktiot
Hiilen sitomisreaktioita kutsutaan usein ”pimeäreaktioiksi”, koska ne eivät suoranaisesti tarvitse valoa kuten valoreaktiot. Hiilen sitomisreaktiot tarvitsevat kuitenkin toimiakseen valoreaktioiden tuotteita, joten nimestään huolimatta ne tapahtuvat valossa kuten valoreaktiotkin. Hiilen sitomisreaktiot eivät kuitenkaan suoraan tarvitse valoa toimiakseen.
Hiilen sitomisreaktiot tapahtuvat viherhiukkasen sisällä, mutta yhteyttämiskalvostojen ulkopuolella. Sitomisreaktioissa ilmakehän hiilidioksidi pelkistetään NADPH:n ja ATP:n avulla glukoosiksi. Yhden glukoosimolekyylin rakentamiseksi kasvi sitoo kuusi hiilidioksidimolekyyliä sekä käyttää 12 molekyyliä NADPH:ta ja 18 ATP-molekyyliä. Sivutuotteena syntyy kuusi vesimolekyyliä. Hiilen sitominen orgaanisiksi yhdisteiksi on siis paljon energiaa kuluttava prosessi.
Fotosynteesin reaktiot voidaan kuvata siis kemiallisesti yksinkertaistettuna seuraavasti:
Valoreaktiot: 12 H2O ➞ 6 O2 + 24H+ + 24 e- (Elektronit siirtyvät elektroninsiirtäjämolekyylille NADPH:lle. Tarvitsee toimiakseen auringon valoenergiaa.)
Hiilen sitomisreaktiot: 6 CO2 + 24 H+ + 24 e- ➞ C6H12O6 + 6 H2O
Koska lähtöaineissa on 12 vesimolekyyliä ja tuotteissa 6, voidaan kokonaisreaktiota yksinkertaistaa.
Kokonaisreaktio: 6 CO2 + 6 H2O ➞ C6H12O6 + 6 O2
Hiilen sitomisreaktioissa kasvi sitoo ilmakehän hiilidioksidia orgaanisiin yhdisteisiin. Tämän aikaansaamiseksi se käyttää valoreaktioissa tuotettua ATP:tä sekä pelkistyneitä elektroninsiirtäjiä (NADPH).
8.6 Fotosynteesiin vaikuttavat tekijät
Fotosynteesin tehokkuuteen vaikuttavat monet tekijät. Valon määrä vaikuttaa kasvin yhteyttämistehokkuuteen. Voimakkaassa valossa kasvit yhteyttävät tehokkaammin kuin hämärässä. Liian voimakkaassa valossa yhteyttämistehokkuus kuitenkin häiriintyy, koska kasvi joutuu korjaamaan valon tuottamia vaurioita. Varjokasvien fotosynteesi on tehokkaampaa hieman hämärämmässä valossa kuin valokasvien, koska varjokasvi ei kykene käyttämään fotosynteesissä voimakasta valoa.
Myös valon aallonpituus vaikuttaa fotosynteesin tehokkuuteen. Valon absorboimiseen vaikuttavat fotosynteesin pigmentit. Esimerkiksi klorofylli absorboi punaista ja sinistä valoa ja heijastaa vihreän valon pois. Apupigmenttinä toimivat esimerkiksi karotenoidit, jotka absorboivat valon sinisiä aallonpituuksia. Niiden värit tulevat esille syksyllä, kun kasvin lehdissä oleva klorofylli hajotetaan ja ravinteet otetaan talteen. Valon siniset ja punaiset aallonpituudet ovat siis fotosynteesin kannalta tehokkaimpia.
Ilmakehän hiilidioksidin määrä edesauttaa kasvin yhteyttämistä. Korkeassa hiilidioksidipitoisuudessa kasvit yhteyttävät tehokkaammin kuin pienessä. Myös veden määrä vaikuttaa yhteyttämiseen. Jos vettä ei ole saatavilla, fotosynteesi ei toimi tehokkaasti, sillä vesi on fotosynteesin tärkeimpiä lähtöaineita.
Korkeampi lämpötila edesauttaa useimpien kasvien yhteyttämistä. Toisaalta kun lämpötila nousee liian korkeaksi, yhteyttämisteho heikkenee. Kasvi joutuu käyttämään enemmän energiaa vesitasapainon säätelyyn ja soluhengitykseen. Korkeassa lämpötilassa monet entsyymit voivat myös toimia huonommin. Eri kasvilajeilla lämpötilan vaikutus yhteyttämiseen on erilainen. Esimerkiksi jäkälät voivat yhteyttää muutamassa pakkasasteessa, kun taas Suomen oloihin sopeutuneiden kasvien yhteyttämisteho on paras noin. 20-25 asteen lämpötiloissa.
Kuva: Lehtivihreän tärkeimmät pigmentit ovat klorofylli a, klorofylli b ja karotenoidit. Klorofyllit absorboivat punaista ja sinistä valoa ja heijastavat vihreän valon pois. Karotenoidit absorboivat sinistä valoa.
8.7 Orgaanisten yhdisteiden valmistaminen
Useimmat kasvit eivät varastoi glukoosia sellaisenaan, vaan kuluttavat sen energianlähteenä soluhengityksessä, muuttavat sen toiseen muotoon tai käyttävät sen omaan kasvuun ja lisääntymiseen. Arviolta puolet tuotetusta glukoosista kuluu kasvin omassa soluhengityksessä eli kasvi käyttää sitomansa energian itse. Osan glukoosista kasvi käyttää valmistamalla selluloosaa, joka on soluseinän tärkein rakennusaine. Kasvi voi tuottaa glukoosista myös muita sokereja, kuten fruktoosia (hedelmäsokeri) tai sakkaroosia (ruokosokeri), jotka se voi siirtää esimerkiksi hedelmään. Glukoosista voidaan tuottaa myös tärkkelystä, jonka kasvi varastoi esimerkiksi juuriin. Tärkkelys on myös ihmisille tärkeä ravintoaine, jota löytyy runsaasti muun muassa viljasta ja juureksista.
Lisäksi kasvi tarvitsee omaan toimintaansa proteiineja ja lipidejä. Myös niiden lähtöaineena toimii glukoosi. Kasvisolu rakentaa glukoosista ja typestä aminohappoja, jotka toimivat proteiinien rakennusosasina. Tuotettuja lipidejä kasvi tarvitsee kalvorakenteisiinsa. Joitain lipidejä, kuten öljyjä, kasvi voi varastoida myös siemeniin. Siemenissä on usein myös runsaasti hiilihydraatteja, jotka toimivat uuden kasvin ravintona sen itäessä.
Kuva: Osan hiilihydraateista kasvi sitoo varastopolysakkarideihin, kuten tärkkelykseen.
Testaa itsesi!
Luvun 8 tiivistelmä
Fotosynteesissä valon avulla yhteyttävät eliöt sitovat auringon valoenergiaa orgaanisten yhdisteiden kemialliseksi energiaksi.- Fotosynteesin kokonaisreaktio: 6 CO2 + 6 H2O ➞ C6H12O6 + 6 O2
- Fotosynteettiset eliöt ovat tuottajia. Tuottajien sitomaa energiaa hyödyntävät kuluttajat ja hajottajat.
- Fotosynteesi tapahtuu viherhiukkasten yhteyttämiskalvostolla. Siellä sijaitsee pigmenttejä, jotka kykenevät absorboimaan valon eri aallonpituuksia.
- Valoreaktioissa vesi hajoaa hapeksi ja protoneiksi. Syntyy pelkistyneitä elektroninsiirtäjiä.
- Hiilen sitomisreaktioissa ilman hiilidioksidi pelkistetään elektroninsiirtäjien ja ATP:n avulla orgaanisiksi yhdisteiksi.
- Fotosynteesin lopputuote on glukoosi, mutta kasvit valmistavat lukuisia muita orgaanisia yhdisteitä.
- Fotosynteesin tehokkuuteen vaikuttavat esimerkiksi valon määrä ja aallonpituus, hiilidioksidin pitoisuus, saatavilla oleva veden määrä ja lämpötila.
Diat lukuun 8
Navigointi
2. Solu on toimiva kokonaisuus
3. Solut muodostavat solukkoja ja kudoksia
4. Solut rakentuvat molekyyleistä
5. Solukalvo erottaa solun ympäristöstä
6. Solun toiminta on aineenvaihduntaa
7. Solu tarvitsee toimintoihinsa energiaa
8. Fotosynteesissä solu sitoo auringon valoenergiaa
9. Dna:n rakenne ja geenit
10. Dna ohjaa proteiinien valmistamista
11. Solun kasvu ja jakautuminen
12. Sukusolut ja sukupuoli
13. Ominaisuuksien periytyminen
14. Useamman ominaisuuden periytyminen
15. Muuntelu ja mutaatiot
16. Perinnöllisyys ja evoluutio