Fotosinteza este esențială pentru toate organismele vii de pe Pământ; plantele și animalele depind de acest proces. Ea este singurul proces biologic care captează energia solară și o convertește în compușii chimici (carbohidrați) necesari tuturor organismelor pentru desfășurarea metabolismului. Fotosinteza mai este și o sursă de oxigen, necesar multor organisme vii pentru respirație.
Plantele, algele și cianobacteriile sunt singurele organisme capabile să desfășoare procesul de fotosinteză (Figura 1). Deoarece utilizează lumina pentru a-și produce singure hrana, ele se numesc fotoautotrofe. Celelalte organisme, precum animalele, ciupercile și ale tipuri de bacterii, se numesc heterotrofe, deoarece ele se bazează pe zaharurile produse de organismele fotosintetice. Mai există un grup de bacterii care își sintetizează zaharurile nu prin utilizarea energiei solare, ci prin extragerea acesteia din compuși chimici anorganici. Astfel de organisme se numesc chemoautotrofe.
Figura 1 – Organismele fotoautotrofe includ (a) plantele, (b) algele și (c) cianobacteriile, care își sintetizează compușii organici prin fotosinteză, utilizând lumina solară ca sursă de energie. În (d) izvoarele hidrotermale din adâncurile oceanelor, organismele chemoautotrofe, cum sunt (e) bacteriile termofile, folosesc energia din compușii anorganici pentru a produce compuși organici.
Importanța fotosintezei nu derivă doar din faptul că ea captează energia solară. O șopârlă face același lucru atunci când se încălzește la soare, proces denumit termoreglare comportamentală. Fotosinteza este vitală pentru că a evoluat ca o modalitate de convertire a energiei radiației solare (lumina) în energia legăturilor carbon-carbon din moleculele de carbohidrați (zaharuri). Acești carbohidrați reprezintă sursa de energie pe care heterotrofele o utilizează pentru sinteza ATP-ului prin respirație. Așadar, fotosinteza alimentează 99% din ecosistemele de pe planetă.
Structurile principale și rezumatul fotosintezei
Fotosinteza este un proces desfășurat în mai multe etape, care necesită lungimi de undă specifice ale luminii vizibile, dioxid de carbon (sărac în energie) și apă. După finalizarea procesului, este eliberat oxigenul și este produs gliceraldehid-3-fosfatul (G3P), precum și molecule simple de carbohidrați (bogate în energie), ce pot fi convertite în glucoză, sucroză sau alte molecule de zaharuri. Aceste molecule conțin energia de care toate organismele au nevoie pentru a supraviețui.
Ecuații chimică a fotosintezei este următoarea:
Figura 2 – Ecuația de bază a fotosintezei este simplă. În realitate, acest proces se desfășoară în mai multe etape. Glucoza, principala sursă de energie a celulelor, este sintetizată din două molecule gliceraldehid-3-fosfat (G3P).
Structuri fotosintetice de bază
La plante, fotosinteza are loc preponderent în frunze, care sunt alcătuite din mai multe straturi de celule. Procesul de fotosinteză se desfășoară în stratul mijlociu, denumit mezofil. Schimbul de gaze (dioxid de carbon și oxigen) are loc prin stomate, care are rol și în echilibrul apei. De obicei, stomatele sunt localizate pe partea inferioară a frunzei, ceea ce minimizează pierderile de apă datorate temperaturilor ridicate.
La toate eucariotele autotrofe, fotosinteza se desfășoară în organite denumite cloroplaste. La plante, celulele ce conțin cloroplaste se întâlnesc preponderent în mezofil. Cloroplastele prezintă o membrană dublă (o membrană exterioară și o membrană interioară) și își au originea în cianobacteriile ancestrale libere.
În interiorului cloroplastului există mai multe stive de structuri discoidale denumite tilacoide. În membrana tilacoidelor se află clorofila, un pigment (moleculă ce absoarbe lumina) responsabil de interacțiunea inițială dintre lumină și plantă, precum și numeroase proteine ce alcătuiesc lanțul transportor de electroni. Membrana tilacoidă delimitează un spațiu intern denumit lumen. Stivele de tilacoide poartă denumirea de grana, iar spațiul plin de lichid din jurul acestuia se numește stroma.
Cele două părți ale fotosintezei
Fotosinteza se desfășoară în două părți (etape) succesive: reacțiile dependente de lumină și reacțiile independente de lumină. În reacțiile dependente de lumină, energia solară este absorbită de clorofilă și este convertită în energie chimică. În reacțiile independente de lumină, energia chimică recoltată în timpul reacțiilor dependente de lumină este utilizată pentru asamblarea moleculelor de zahar din dioxid de carbon. Așadar, chiar dacă reacțiile independente de lumină nu utilizează direct lumina, ele necesită produșii reacțiilor dependente de lumină. În plus, câteva enzime ale reacțiilor independente de lumină sunt activate de lumină.
Reacțiile dependente de lumină utilizează anumite molecule pentru stocarea temporară a energiei; aceste molecule se numesc transportori de energie. Transportorii de energie care transferă energia de la reacțiile dependente de lumină la cele independente de lumină pot fi considerați „plini”, deoarece ei sunt bogați în energie. După ce energia este eliberată, transportorii de energie „goliți” se reîntorc la reacțiile dependente de lumină pentru a se reîncărca.
Sursa (text și lustrații): OpenStax
Mary Ann Clark, Matthew Douglas, Jung Choi (2018). Photosynthetis, din Biology for AP® Courses. Houston, Texas, S.U.A.: OpenStax. Preluat de pe https://openstax.org/books/biology-2e/pages/8-1-overview-of-photosynthesis