fotosyntese

Fotosyntese kan oppsummeres med formelen

\(\ce{6CO2 + 12H2O -> C6H12O6 + 6O2 + 6H2O}\)

Denne formelen for fotosyntese er en forenkling. Fotosyntese består av tre viktige prosesser:

1. produksjon av kjemisk energi i form av ATP (adenosintrifosfat).
2. karbonfiksering, der CO₂ fra luft brukes til å bygge store organiske molekyler som for eksempel sukker, C₆H₁₂O₆.
3. spalting av vann, H₂O, som frigir oksygengass, O₂.

Hos karplanter skjer en stor andel av fotosyntesen i bladene, som har fotosyntese som sin primære oppgave. Men fotosyntese kan også skje i andre deler av planten, for eksempel i barken eller i grønne frukter.

Fotosyntese foregår i kloroplaster, en type organeller som kun finnes i planteceller. Kloroplastene finnes hovedsakelig i de grønne plantedelene over jordoverflaten. Plantedeler som vanligvis befinner seg under jorda kan danne kloroplaster hvis de utsettes for lys, et eksempel er potet.

Mens lys er nødvendig for at kloroplastene skal utvikle seg, kan fravær av lys medføre at blad visner og faller av. Dette skjer fordi næringsstoffer og vann hele tiden transporteres vekk fra der fotosyntesen foregår, og sendes til plantedeler som gir avkastning. Plantedelene som ikke får dette vil dø.

Blågrønnbakterier (cyanobakterier) har fotosyntese, men ikke kloroplaster. Her skjer fotosyntesen delvis i cellemembranen og delvis inne i bakterien.

Fotosyntesen bruker rødt og blått lys, men ikke grønt. Plantene ser grønne ut fordi dette lyset reflekteres. Bølgelengdene av lys fra fiolett til blått og fra oransje til rødt fanges opp av ulike fargestoffer, kalt fotosyntesepigmenter.

Flere ulike pigmenter brukes i fotosyntesen. Det viktigste er klorofyll, som det finnes flere typer av, kalt klorofyll a, b, c og d. Klorofyll er helt nødvendig for å fange energien i lyset. I tillegg brukes andre pigmenter, som betakaroten og lutein. Klorofyll er grønt, mens betakaroten og lutein er fra gult til oransje. Pigmentene har ulike oppgaver i fotosyntesen, noen fanger energi fra lys og noen beskytter mot skade.

Fotosyntese er en kjemisk reaksjon. Kloroplastene kan sees på som plantecellenes laboratorium for å fange lysenergi. For å få dette til må plantene flytte elektroner og protoner, og spalte vannmolekyler. Inne i kloroplastene er det komplekse strukturer som sørger for at disse kjemiske reaksjonene skjer i riktig rekkefølge.

Kloroplastene inneholder noen skiver kalt tylakoider. Disse er delvis frittliggende og delvis formet som stabler. Tylakoidene er omgitt av en membran, og i denne membranen foregår viktige steg i fotosyntesen. Kun tylakoidmembranene har grønn farge, resten av kloroplasten er fargeløs og kalles stroma. Det grønne pigmentet klorofyll er plassert i tylakoidmembranen, sammen med andre fotosyntesepigmenter. Det er her energien fra lyset fanges opp.

Fotosyntesepigmenter i tylakoidmembranene er satt sammen med proteiner i antennekomplekser. Det er disse antennekompleksene som fanger solenergi. Antennekompleksene er plassert rundt et reaksjonssenter med hundrevis av molekyler av klorofyll a. Energien fra sollyset som fanges opp av antennekompleksene blir sendt til reaksjonssenteret.

I reaksjonssenteret mottar klorofyll a energien fra sollyset, og et elektron fra magnesiumionet (Mg²⁺) i klorofyll a løsrives og sendes videre via en elektrontransportkjede. Klorofyll a finnes i to ulike varianter, og dette gir opphav til to ulike former for reaksjonssentre med noe ulik funksjon. Dette kalles fotosystem 1 og 2, og gir opphav til to litt forskjellige elektrontransportkjeder.

Planten trenger både fotosystem 1 og 2 for å gjennomføre alle prosessene i fotosyntesen. I elektrontransportkjedene fra fotosystem 1 og 2 dannes både ATP, som lagrer kjemisk energi, og NADPH, som kalles reduksjonskraft, og trengs til produksjonen av karbohydrater. I fotosystem 2 blir vannmolekyler spaltet, slik at oksygengass blir frigitt. Oksygenet som blir frigitt i fotosyntesen kommer fra vann, og ikke fra karbondioksid.

Fotosyntese består av tre viktige prosesser for livet på Jorda:

1. dannelse av de energirike molekylene ATP
2. karbonfiksering der CO₂ brukes til å bygge store organiske molekyler
3. spalting av vann som frigir oksygengass

Alle prosessene skjer i flere trinn. Fotosyntesen er svært komplisert, og en rekke Nobelpriser har blitt tildelt forskning knyttet til de ulike stegene og delprosessene i fotosyntesen.

En annen essensiell prosess for livet på Jorda er celleånding, der kjemisk energi frigis til bruk i cellene. I celleåndingen blir karbohydrater, fett og molekyler brutt ned for å få tak i den kjemiske energien. I fotosyntesen utnyttes energi fra lys til å lage kjemisk energi, og til dannelse av organiske molekyler.

Ofte kalles celleånding og fotosyntese for motsvarende prosesser, fordi sluttproduktene i celleåndingen tilsvarer startproduktene i fotosyntesen, og omvendt. Energirike molekyler og oksygen blir til vann, karbondioksid og energi i celleåndingen, og det motsatte skjer i fotosyntesen. Men celleånding er ikke det motsatte av fotosyntese, begge prosessene er svært komplekse og skjer i mange steg. Noen av de samme enzymene er i bruk i begge prosesser.

Organismer som får sin energi fra sollys eller andre ikke-organiske stoffer kalles primærprodusenter. Ikke alle primærprodusenter bruker fotosyntese, det finnes andre måter å få tak i energi fra omgivelsene på. Dette kalles kjemosyntese, og er langt mindre utbredt enn fotosyntese. Kjemosyntese finnes hos et utvalg arker og bakterier (prokaryote organismer), som lever i ekstreme miljøer. Slike arker og bakterier kan for eksempel bruke hydrogengass, hydrogensulfid eller jernforbindelser for å skaffe seg energi.

• Les mer om autotrofe organismer, hydroterme undervannskilder og ekstremofile bakterier

Fotosyntesen er den viktigste kjemiske reaksjonen på Jorda, og beregnet til å produsere over 100 milliarder tonn tørr biomasse hvert år. Produktene fra fotosyntesen og CO₂ inngår i en global karbonsyklus.

Planter kan fiksere karbon, det vil si å bruke CO₂ til å bygge opp komplekse organiske molekyler. Dette er naturlig karbonfangst, og å ta vare på levende natur er et klimatiltak. Fotosyntesen gir sesongvariasjoner i konsentrasjonen av CO_2; den er lavere om sommeren enn om vinteren.

Fossilt drivstoff er rester av planter som levde for mange millioner år siden. Kull og olje er resultatet av at plantedeler har blitt presset sammen over svært lang tid, og energien kommer opprinnelig fra fotosyntese.

Det foregår forskning på fotosyntese som har til hensikt å gjøre prosessen mer effektiv eller utnytte den på nye måter. Dette kalles kunstig fotosyntese. Én mulighet er å bruke kunstig fotosyntese til å lagre CO₂.

Organismer som kan skaffe energi fra sollys ved fotosyntese kalles fototrofe organismer. Siden planter ikke trenger å spise eller bryte ned andre levende organismer for å leve, kaller vi dem også primærprodusenter eller autotrofe organismer. Dyr og andre organismer som er avhengig av å spise eller leve av andre kalles sekundærprodusenter eller heterotrofe organismer.

Fotosyntese finnes også hos enkelte bakterier (blågrønnbakterier), alger og planteplankton. Evolusjonen av fotosyntese startet hos bakterier tidlig i Jordas historie.

Hos noen organismer kan andre fargestoffer være sterkere og dekke over grønnfargen fra klorofyll. Noen eksempler er blodhassel og rødalger. Algekomponenten i lav har fotosyntese, men den grønne fargen synes som regel ikke.

Noen planter har evolvert bort fotosyntesen og skaffer seg næring på andre måter. Slike planter mangler det grønne fargestoffet klorofyll, og ser gjerne blekgule, blekrosa eller lys brune ut. Noen eksempler er fuglereir, vaniljerot og skjellrot som alle snylter på andre organismer.

Det finnes ulike varianter av fotosyntese som er tilpasset ulike miljøfaktorer. Dette deles inn i C3-planter, C4-planter og CAM-planter. C3-planter er mest utbredt, og den varianten som oppstod først. Hvis fotosyntesen omtales uten at C4 eller CAM er nevnt, er det C3-varianten som omtales.

C4-planter har en variant av fotosyntese som har oppstått flere ganger, første gang for over 30 millioner år siden. Over halvparten av C4-plantene er gress, men det finnes både enfrøbladete og tofrøbladete C4-planter. C4-planter utnytter CO₂ bedre, og er mer tilpasset tørke.

CAM-planter er som regel sukkulenter, og godt tilpasset tørre områder. Denne varianten av fotosyntese har i likhet med C4 evolvert flere ganger. Hos CAM-planter er spalteåpningene lukket om dagen for å redusere fordampning, og CO₂ må tas opp om natta. Plantene lagrer CO₂ som eplesyre i vakuoler inne i cellene, som frigis til fotosyntese i løpet av dagen.

Fotosyntesen blir påvirket av og endrer seg med miljøforholdene.

• planter
• respirasjon
• klimaendringer
• fotosyntetiske bakterier