Fotosintezė - tai procesas, kurio metu augalai ir kiti daiktai gamina maistą. Tai endoterminis (sunaudoja šilumą) cheminis procesas, kurio metu naudojant saulės šviesą anglies dioksidas paverčiamas cukrumi, kurį ląstelė gali naudoti kaip energiją. Jį naudoja ne tik augalai, bet ir daugelio rūšių dumbliai, protistai ir bakterijos, kad gautų maisto. Fotosintezė labai svarbi gyvybei Žemėje. Išimtis yra tam tikri organizmai, kurie energiją tiesiogiai gauna iš cheminių reakcijų; šie organizmai vadinami chemoautotrofais.

Fotosintezė gali vykti įvairiais būdais, tačiau yra keletas bendrų dalių.

6 CO2(g) + 6 H2O + fotonai → C6H12O6(aq) + 6 O2(g)

anglies dioksidas + vanduo + šviesos energija → gliukozė + deguonis

Anglies dioksidas iš atmosferos difuzijos būdu patenka į lapą per skrandukus.

Vandenį iš dirvožemio sugeria šaknų plaukuotosios ląstelės, kurių paviršiaus plotas padidėja, todėl jos geriau pasisavina vandenį.

Fotosintezė vyksta chloroplaste (esančiame lapų ląstelėse), kuriame yra chlorofilo - žalio pigmento, sugeriančio šviesos energiją. Lapų palisados ląstelėse yra daug chloroplastų, kad jie sugautų daugiau šviesos. Taip augalas gali atlikti daugiau fotosintezės.

Deguonis yra atliekų produktas: jis sunaudojamas kvėpavimui arba difunduoja atgal iš lapo per skrandukus.

Gliukozė naudojama kvėpavimui (energijai ląstelėse išskirti). Ji saugoma krakmolo pavidalu (kuris tamsoje vėl virsta gliukoze kvėpavimui). Gliukozė taip pat gali būti paverčiama kitais augimui ir dauginimuisi reikalingais junginiais, pvz., celiulioze, nektaru, fruktoze, aminorūgštimis ir riebalais.

Fotosintezės etapai

  • Šviesai priklausomos reakcijos (thylakoidų membranose): fotonai sugeneruoja energiją, kuri naudojama vandens skaidymui (fotolizė), dėl to išskiriamas deguonis. Susidaro ATP ir redukuotas NADPH, kurie vėliau naudojami anglies fiksacijai.
  • Šviesai nepriklausomos reakcijos (Kalvino ciklas) (chloroplastų stromoje): CO2 fiksuojamas į organines molekules (ribuliozės bifosfatas – RuBP) per fermentą RuBisCO; naudojant ATP ir NADPH susidaro trimeriai angliavandenių (pvz., triosi fosfatai), iš kurių formuojama gliukozė ir kiti cukrūs.

Chloroplastai ir pigmentai

  • Chloroplastas turi dvigubą membraną, viduje yra tilakoidų (forming grana) ir stromos. Tilakoidų membranose vyksta šviesos reakcijos.
  • Chlorofilas a ir b sugeria daugiausia mėlyną ir raudoną šviesą; karotenoidai ir kiti pagalbiniai pigmentai sugeria kitus šviesos spektrus ir apsaugo nuo pernelyg didelės spinduliuotės.
  • Skirtingų organizmų fotosinteziniai pigmentai gali skirtis (pvz., cianobakterijos turi fikoeritriną, fikoobiliną), o kai kurios bakterijos atlieka anoxygeninę fotosintezę, kurioje deguonis nesusidaro.

Dujų ir vandens judėjimas

  • Difuzija leidžia anglies dioksidui patekti į lapą per lapo poras; per jas (ir per lentelius) taip pat iškvepiamas deguonis.
  • Šaknų plaukuotosios ląstelės sugeria vandenį iš dirvožemio; vanduo per ksilemą keliauja iki lapų, kur naudojamas fotosintezėje arba prarandamas per transpiraciją.
  • Saugant vandenį ir reguliuojant dujų mainus, svarbų vaidmenį atlieka skydelinių ląstelių (guard cells) veikla – jos atveria arba uždaro poras.

Fotosintezės tipai

  • C3 fotosintezė – dažniausias tipas daugumai augalų; CO2 fiksuojamas tiesiogiai į trimerą, bet esant karštam ir sausam klimatui didėja fotorespiracija.
  • C4 fotosintezė – kai kuriuose augaluose (pvz., kukurūzai, cukranendrės) CO2 pirmiausia fiksuojamas į keturių anglies junginį specialiose ląstelėse; tai sumažina fotorespiraciją ir efektyviau veikia esant aukštai temperatūrai ir intensyviai šviesai.
  • CAM fotosintezė – daugelis sukulentų ir dykumų augalų naktį atveria poras CO2 įsisavinimui, o dieną vykdo Kalvino ciklą; tai taupo vandenį.
  • Anoxygeninė fotosintezė – kai kurios bakterijos naudojasi kitais elektronų donorais (pvz., H2S) ir nedidina atmosferinio deguonies produkcijos.

Veiksniai, lemiantys fotosintezės intensyvumą

  • Šviesos intensyvumas ir kokybė – daugiau fotonų iki tam tikros ribos didina fotosintezę; skirtingos bangos ilgio efektyvumas skiriasi.
  • CO2 koncentracija – didesnis CO2 kiekis dažnai skatina fotosintezę, ypač C3 augalams.
  • Temperatūra – įtakoja fermentų aktyvumą (per aukšta arba per žema temperatūra slopina reakcijas).
  • Vandens prieinamumas ir maistinės medžiagos – dehidratacija uždaro poras ir riboja CO2 patekimą; trūkstant azoto ar magnio, mažėja chlorofilo sintezė.
  • Lapo struktūra ir amžius – jaunų lapų chloroplastų skaičius ir efektyvumas gali skirtis nuo suaugusių.

Fotosintezės reikšmė

  • Fotosintezė yra pagrindinis biologinės produkcijos šaltinis: ji paverčia saulės energiją į organinę medžiagą, sudarančią maisto bazę ekosistemoms.
  • Atskiria deguonį į atmosferą, todėl palaiko aerobinius organizmus ir atmosferos pusiausvyrą.
  • Inicijuoja anglies ciklą – augalai ir dumbliai fiksuoja CO2, taip sumažindami atmosferinį anglies dioksidą ir dalyvaujantys anglies saugyklose (biomasei, dirvožemio organinėse medžiagose).
  • Žemės ūkis, miškų pramonė ir daugelis žmogaus veiklos sričių tiesiogiai remiasi fotosinteze kaip maisto, medienos, pluoštų ir kuro šaltiniu.

Praktiniai ir mokslo aspektai

  • Žemės ūkyje supratimas, kaip veiksniai veikia fotosintezę, leidžia optimizuoti pasėlius (pvz., CO2 praturtinimas šiltnamiuose, laistymo valdymas).
  • Moksliniai tyrimai siekia pagerinti fotosintezinį efektyvumą (genetiniai patobulinimai, C3–C4 savybių derinimas) siekiant didesnės derlingumo ir atsparumo klimato kaitai.
  • „Dirbtinė fotosintezė“ ir fotokatalizės tyrimai bando imituoti gamtos procesus, kad būtų gaminama švari energija ir mažinamas CO2 kiekis.

Apibendrinant: fotosintezė yra gyvybiškai svarbus procesas, per kurį šviesa paverčiama chemine energija, sukuriant organines medžiagas ir išskiriant deguonį. Įvairūs augalai ir mikroorganizmai prisitaikė prie skirtingų sąlygų, vystydami kitas fotosintezės strategijas (C3, C4, CAM), o žmogaus visuomenė remiasi šiuo procesu tiek tiesiogiai, tiek netiesiogiai.