Η χημική εξίσωση για τη φωτοσύνθεση

Η χημική εξίσωση για τη φωτοσύνθεση περιλαμβάνει την είσοδο (αντιδρώντα) διοξειδίου του άνθρακα, νερού και ηλιακού φωτός για την παραγωγή των εκροών (προϊόντων) γλυκόζης και οξυγόνου. Αυτή η χημική διαδικασία είναι μια θεμελιώδης εξίσωση για την κατανόηση του τρόπου με τον οποίο η φωτοσύνθεση συμπληρώνει την αναπνοή.

Ξέρετε ποιο είναι το πιο κρίσιμο πράγμα για τη ζωή στη γη; Είναι το φως του ήλιου. Το φως του ήλιου είναι υπεύθυνο για την παροχή ζωής στη γη με όλα όσα χρειάζεται:νερό, οξυγόνο και τροφή. Ωστόσο, είναι σαφές ότι δεν μπορούμε να συντηρηθούμε μόνο με το φως του ήλιου, οπότε πώς αυτό το ηλιακό φως μετατρέπεται στα βασικά συστατικά για τη ζωή; Αυτό συμβαίνει μέσω της διαδικασίας της φωτοσύνθεσης.

Η φωτοσύνθεση είναι το πώς τα φυτά είναι σε θέση να μετατρέψουν την ακτινοβολούμενη ενέργεια από το ηλιακό φως σε γλυκόζη, την τροφή που χρειάζονται και τα ζώα. Ως υποπροϊόν αυτής της διαδικασίας τα φυτά δημιουργούν επίσης νερό και οξυγόνο. Οι άνθρωποι και πολλά άλλα ζώα τρέφονται από φυτά και καταπίνουν το νερό και το οξυγόνο που δημιουργεί η φωτοσύνθεση.

Η εξίσωση για τη φωτοσύνθεση

Η φωτοσύνθεση οδηγεί τη ζωή στη γη, αλλά πώς ακριβώς λειτουργεί; Ας ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά στην ισορροπημένη χημική εξίσωση για τη φωτοσύνθεση και ας την διαμορφώσουμε στο πλαίσιο εξετάζοντας πώς αποτελεί μέρος του κύκλου ζωής του φυτού.

Η ισορροπημένη χημική εξίσωση για τη φωτοσύνθεση είναι η εξής:

6 CO2 + 6 H2O → C6H12O6 + 6 O2

Αυτό μεταφράζεται στην παραγωγή γλυκόζης και οξυγόνου από διοξείδιο του άνθρακα και νερό. Το O2 είναι γνωστό ως διοξυγόνο, αλλά συχνά αναφέρεται ως απλώς οξυγόνο. Τα σπονδυλωτά βασίζονται στο οξυγόνο για να μετατρέψουν τη γλυκόζη σε ATP, την ενέργεια που επιτρέπει στα κύτταρα ενός ζώου να εκτελούν τις λειτουργίες τους. Το οξυγόνο εισάγεται στο σώμα από το αναπνευστικό σύστημα και, στη συνέχεια, τα ερυθρά αιμοσφαίρια το μαζεύουν για χρήση.

Το C6H12O6 μπορεί τεχνικά να αναφέρεται σε πολλά διαφορετικά μόρια, καθώς εξαρτάται από το πώς είναι διατεταγμένα τα άτομα μέσα στο μόριο. Τα περισσότερα από τα μόρια στα οποία μπορεί να αναφέρεται ο τύπος είναι σάκχαρα του ενός ή του άλλου είδους και ο πιο ευρέως γνωστός σχηματισμός των μορίων είναι η γλυκόζη. Η γλυκόζη μετατρέπεται σε μια ουσία γνωστή ως πυροσταφυλικό στα κύτταρα των ζώων, η οποία στη συνέχεια χρησιμοποιείται για τη δημιουργία ATP. Η γλυκόζη είναι επίσης γνωστή με μια ποικιλία άλλων ονομασιών, όπως σάκχαρο αίματος και δεξτρόζη.

Τι συμβαίνει λοιπόν όταν τα κύτταρα των ζώων χρησιμοποιούν τη γλυκόζη και το οξυγόνο που παράγονται στα φυτά, μαζί με το νερό, για να ζήσουν και να εκτελέσουν τις λειτουργίες τους; Η διαδικασία της κυτταρικής αναπνοής απελευθερώνει υποπροϊόντα, όπως και η διαδικασία της φωτοσύνθεσης. Αυτά τα υποπροϊόντα είναι 6CO2 + 6H2O. Με άλλα λόγια, η κυτταρική αναπνοή απελευθερώνει νερό και διοξείδιο του άνθρακα.

Παρατηρήστε κάτι σχετικά με το πώς αυτά τα υποπροϊόντα σχετίζονται με τη φωτοσύνθεση; Είναι τα ακριβή συστατικά που χρησιμοποιεί η φωτοσύνθεση για να δημιουργήσει γλυκόζη και οξυγόνο. Αυτό σημαίνει ότι οι δύο διαδικασίες είναι αλληλένδετες, βασιζόμενες στα υποπροϊόντα της μίας της άλλης για να λειτουργήσουν. Αυτή η αλληλοεξαρτώμενη σχέση είναι γνωστή ως κύκλος του άνθρακα και είναι αυτό που επιτρέπει την ύπαρξη της τεράστιας ποικιλίας ζωής στη γη.

Ο κύκλος του άνθρακα είναι αυτός που επιτρέπει στα μόρια του άνθρακα να κινούνται σε ολόκληρη τη βιόσφαιρα, να ανακυκλώνονται και να επιτρέπουν τη ζωή τόσο στα φυτά όσο και στα ζώα. Ο άνθρακας που απελευθερώνεται στην ατμόσφαιρα με την κυτταρική αναπνοή και τα ζώα απελευθερώνεται ως διοξείδιο του άνθρακα, ενώ τα φυτά απορροφούν το διοξείδιο του άνθρακα, το βγάζουν από την ατμόσφαιρα και αντ' αυτού απελευθερώνουν οξυγόνο.

Βασικά μέρη ζωικών κυττάρων και φυτικών κυττάρων

Το βασικό μέρος ενός κυττάρου που εμπλέκεται στην κυτταρική αναπνοή είναι τα μιτοχόνδρια. Τα μιτοχόνδρια είναι συχνά γνωστά ως η κινητήρια δύναμη του κυττάρου, καθώς παράγουν την ενέργεια που χρησιμοποιεί το κύτταρο. Η κυτταρική αναπνοή παίρνει ένα μόριο γλυκόζης και το μετασχηματίζει για να δημιουργήσει ATP. Ένα μέρος του ATP παράγεται κατά τη διάρκεια του μετασχηματισμού της γλυκόζης, αλλά περισσότερο ATP παράγεται κατά τη διαδικασία της φωσφορυλίωσης. Η οξειδωτική φωσφορυλίωση συμβαίνει καθώς τα ηλεκτρόνια κινούνται μέσω της «αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων», βαθιά μέσα στη μεμβράνη των μιτοχονδρίων.

Η γλυκόλυση είναι το πρώτο μέρος της διαδικασίας και μετατρέπει τη γλυκόζη σε πυροσταφυλικό. Το πυροσταφυλικό στη συνέχεια οξειδώνεται, για να δημιουργήσει μια ένωση που ονομάζεται ακετυλ CoA. Ως αποτέλεσμα, απελευθερώνεται διοξείδιο του άνθρακα. Περισσότερο διοξείδιο του άνθρακα απελευθερώνεται κατά τη διάρκεια του κύκλου του κιτρικού οξέος, το επόμενο βήμα της κυτταρικής αναπνοής. Το ακετύλιο CoA που δημιουργήθηκε στην τελευταία φάση συνδυάζεται με ένα μόριο τεσσάρων άνθρακα κατά τη διάρκεια αυτής της φάσης. Το τελευταίο μέρος της κυτταρικής αναπνοής είναι η οξειδωτική φωσφορυλίωση και βλέπει τη δημιουργία περισσότερου ATP καθώς τα ηλεκτρόνια κινούνται προς τα κάτω στην αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων. Τα κύτταρα οξυγόνου που χρησιμοποιούνται σε αυτή τη φάση συνδυάζονται με ηλεκτρόνια και πρωτόνια υδρογόνου για να σχηματίσουν νερό.

Τα φυτικά κύτταρα έχουν μια δομή που ονομάζεται χλωροπλάστης μέσα τους, η οποία παράγει ενέργεια, όντας ανάλογη με τα μιτοχόνδρια στα ζωικά κύτταρα. Οι χλωροπλάστες είναι παραδείγματα οργανιδίων που ονομάζονται πλαστίδια, που βρίσκονται μέσα στα κύτταρα των φυτών. Οι χλωροπλάστες μετατρέπουν την ηλιακή ενέργεια σε υδατάνθρακες, παγιδεύοντας μήκη κύματος φωτός. Όταν η φωτεινή ενέργεια απορροφάται, ξεκινά η διαδικασία της φωτοσύνθεσης, εφόσον το φυτό έχει αρκετό νερό και διοξείδιο του άνθρακα. Διαφορετικά φυτά μπορούν να απορροφήσουν διαφορετικά μήκη κύματος φώτων χρησιμοποιώντας διαφορετικές χρωστικές ουσίες. Τα περισσότερα φυτά είναι πράσινα, το χρώμα τους προέρχεται από τις χλωροφύλλες στα κύτταρα του φυτού. Ωστόσο, υπάρχουν και άλλες χρωστικές ουσίες όπως τα καροτενοειδή και οι φυκοβιλίνες που απορροφούν διαφορετικά μήκη κύματος φωτός και δίνουν στα φυτά διαφορετικά χρώματα.

Μέσω των διεργασιών που πραγματοποιούνται τόσο στα μιτοχόνδρια όσο και στους χλωροπλάστες, ο άνθρακας μπορεί να κυκλοφορήσει σε ένα περιβάλλον σχετικά γρήγορα. Υπολογίζεται ότι μεταξύ 1.000 και 100.000 εκατομμυρίων μετρικών τόνων άνθρακα περνούν από τον κύκλο του άνθρακα ετησίως.

Ο Γεωλογικός Κύκλος του Άνθρακα

Ο βιολογικός κύκλος του άνθρακα είναι υπεύθυνος για το τι συμβαίνει σε μεγάλο μέρος του άνθρακα στη Γη. Ωστόσο, υπάρχει ένας άλλος τύπος κύκλου άνθρακα. Είναι ο γεωλογικός κύκλος του άνθρακα και αναφέρεται στον τρόπο με τον οποίο ο άνθρακας αποθηκεύεται και απελευθερώνεται από μέρη της ίδιας της Γης.

Η ποσότητα άνθρακα στην ατμόσφαιρα εξαρτάται από το πόση ποσότητα άνθρακα αποθηκεύεται στον ωκεανό και στο έδαφος. Τα υπολείμματα της ζωής των ωκεανών με βάση τον άνθρακα γίνονται ίζημα, το οποίο γίνεται μέρος του θαλάσσιου πυθμένα. Οι γεωλογικές διεργασίες μετατρέπουν τα ιζήματα σε ασβεστόλιθο και ο ασβεστόλιθος θεωρείται ότι είναι η μεγαλύτερη δεξαμενή άνθρακα στον πλανήτη. Ο άνθρακας μπορεί να υπάρχει και ως ανόργανος και ως οργανικός άνθρακας στην ξηρά. Ο οργανικός άνθρακας αναφέρεται στην αποσύνθεση νεκρών ζώων ενώ ο ανόργανος άνθρακας αποθηκεύεται σε μια ποικιλία πετρωμάτων και ορυκτών. Η διαδικασία της διάβρωσης απελευθερώνει αυτόν τον άνθρακα στην ατμόσφαιρα. Ο άνθρακας μπορεί επίσης να απελευθερωθεί στην ατμόσφαιρα μέσω της έκρηξης ηφαιστείων ή μέσω της καύσης ορυκτών καυσίμων που εξορύσσονται από το έδαφος.

Ο βιολογικός κύκλος του άνθρακα και ο γεωλογικός κύκλος του άνθρακα εξαρτώνται ο ένας από τον άλλο. Ο περισσότερος άνθρακας βρίσκεται στον αέρα του περιβάλλοντος ως διοξείδιο του άνθρακα. Το διοξείδιο του άνθρακα διαλύεται στο νερό, όπου παράγει ένα μόριο που ονομάζεται διττανθρακικό. Το δικοβαρονικό και το διοξείδιο του άνθρακα μετατρέπονται σε οργανικά μόρια από βακτήρια και φυτά μέσω της φωτοσύνθεσης, η οποία κινείται προς τα πάνω στην τροφική αλυσίδα ενώ η κυτταρική αναπνοή μετατρέπει αυτόν τον οργανικό άνθρακα ξανά σε C02.

Καθώς ο άνθρακας διέρχεται από τους βιολογικούς και γεωλογικούς κύκλους του άνθρακα, παίζει αναπόσπαστο ρόλο στη φωτοσύνθεση. Η φωτοσύνθεση οδηγεί τη ζωή στη Γη επιτρέποντας στην ενέργεια από τον ήλιο να διατηρήσει τις μορφές ζωής σε όλα τα επίπεδα της τροφικής αλυσίδας.