Įvadas
Fotosintezė yra gyvybiškai svarbus procesas, kurio metu augalai, dumbliai ir kai kurios bakterijos naudoja šviesos energiją, kad paverstų anglies dioksidą ir vandenį į gliukozę (cukrų) ir deguonį. Šis procesas yra pagrindinis energijos šaltinis daugeliui ekosistemų ir yra būtinas gyvybės Žemėje palaikymui. Fotosintezės efektyvumui įtakos turi įvairūs aplinkos veiksniai, iš kurių vienas svarbiausių yra anglies dioksido (CO2) koncentracija. Šiame straipsnyje nagrinėjama fotosintezės reakcijos greičio priklausomybė nuo CO2 koncentracijos, remiantis teorinėmis žiniomis ir atsižvelgiant į praktinių tyrimų duomenis.
Fotosintezės procesas
Fotosintezė vyksta dviejose pagrindinėse stadijose: šviesos reakcijoje ir Kalvino cikle (tamsos reakcijoje).
Šviesos reakcija
Šviesos reakcijos metu šviesos energija yra sugeriama chlorofilo ir kitų pigmentų, esančių chloroplastuose, tilakoidų membranose. Chlorofilas a - melsvai žalias, o chlorofilas b - gelsvai žalias, chlorofilo a yra apie tris kartus daugiau nei chlorofilo b. Ši energija panaudojama vandens molekulių skaidymui (fotolizei), kurio metu išsiskiria deguonis, protonai (H+) ir elektronai. Elektronai pernešami per elektronų transportavimo grandinę, generuodami ATP (adenozintrifosfatą) ir NADPH, kurie yra energijos nešikliai. Intensyviausiai absorbuojami raudonieji spinduliai, bangos ilgis 650 - 680nm.
Kalvino ciklas (tamsos reakcija)
Kalvino ciklas vyksta chloroplastų stromoje ir naudoja ATP ir NADPH, susidariusius šviesos reakcijos metu, kad fiksuotų anglies dioksidą. Anglies dioksidas jungiasi su ribuliozės-1,5-bisfosfatu (RuBP), o susidaręs nestabilus junginys skyla į dvi 3-fosfoglicerato (3-PGA) molekules. Tada 3-PGA molekulės yra redukuojamos į gliceraldehido-3-fosfatą (G3P), kuris yra trijų anglies atomų cukrus. G3P gali būti naudojamas gliukozės ir kitų organinių molekulių sintezei.
CO2 koncentracijos įtaka fotosintezei
Anglies dioksidas yra būtinas Kalvino ciklui, todėl jo koncentracija ore gali riboti fotosintezės greitį. Nustatyta, kad atmosferoje didėjant CO2, fotosintezės greitis didėja. Tai žinoma kaip CO2 tręšimo efektas. Fotosintezė didėja didėjant CO2 koncentracijai, bet tik iki tam tikro taško.
Taip pat skaitykite: Sėjos Laiko Strategijos
CO2 tręšimo efektas
CO2 tręšimo efektas reiškia, kad didesnė CO2 koncentracija gali padidinti augalų produktyvumą. Tai svarbu žemės ūkiui ir miškų ūkiui, nes gali padidinti derlių ir medienos augimą. Tačiau šis efektas nėra neribotas ir priklauso nuo kitų veiksnių, tokių kaip vandens ir maistinių medžiagų prieinamumas.
Ribojantys veiksniai
Fotosintezės greitis gali būti ribojamas ne tik CO2 koncentracijos, bet ir kitų veiksnių, tokių kaip:
- Šviesos intensyvumas: Šviesos intensyvumas tiesiogiai veikia šviesos reakcijos greitį. Didėjant šviesos intensyvumui, chlorofilas sugeria daugiau šviesos energijos, todėl pagreitėja vandens skaidymas, ATP ir NADPH gamyba. Tačiau, pasiekus tam tikrą šviesos intensyvumo lygį, fotosintezės greitis nebedidėja, nes kiti veiksniai, pavyzdžiui, anglies dioksido koncentracija ar fermentų aktyvumas, tampa ribojančiais.
- Temperatūra: Fotosintezės fermentai yra jautrūs temperatūrai, todėl optimali temperatūra yra būtina efektyviam procesui. Per aukšta arba per žema temperatūra gali sumažinti fermentų aktyvumą ir sulėtinti fotosintezę. Daugelio augalų fotosintezė prasideda aukštesnėje negu 0 °C temperatūroje. Tačiau nustatyta, kad eglės, pušys fotosintetina net ir esant -15 °C. Kylant temperatūrai iki 25-30 °C šilumos, fotosintezės greitis didėja. Toliau ją keliant intensyvumas pradeda mažėti. Tik karštų dykumų augalai gali fotosintetinti ir esant aukštesnei nei +30 °C.
- Vandens prieinamumas: Vanduo yra būtinas vandens skaidymui šviesos reakcijos metu ir palaikyti augalo turgorą. Vandens trūkumas gali sumažinti fotosintezės greitį.
- Maistinių medžiagų prieinamumas: Maistinės medžiagos, tokios kaip azotas, fosforas ir magnis, yra būtinos chlorofilo ir kitų fotosintezės komponentų sintezei. Maistinių medžiagų trūkumas gali sumažinti fotosintezės efektyvumą.
Augalų prisitaikymas prie skirtingų CO2 koncentracijų
Augalai yra prisitaikę prie skirtingų CO2 koncentracijų aplinkoje. Skiriami C3, C4 ir CAM augalai, kurie naudoja skirtingus mechanizmus CO2 fiksavimui.
C3 augalai
C3 augalai CO2 fiksuoja tiesiogiai, įjungdami jį į tris anglies atomus turinčias medžiagas, o pirmoji po fiksavimo susidaranti molekulė - PGA. Dauguma augalų (pvz., kviečiai, ryžiai, avižos) yra C3 tipo.
C4 augalai
C4 augalai CO2 fiksuoja susidarant keturis anglies atomus turinčiai molekulei dar prieš prasidedant Kalvino ciklui. Jie turi specialią anatominę struktūrą, leidžiančią efektyviau fiksuoti CO2 esant aukštai temperatūrai ir mažai CO2 koncentracijai. C4 augalams priklauso cukranendrės, kukurūzai, soros.
Taip pat skaitykite: Sveikata ir kvėpavimas
CAM augalai
CAM augalai (storalapiniai) sugeba dalį CO2 fiksuoti nakties metu, tam naudodami PEPCazę ir pagamindami malatą - junginį, turintį keturis anglies atomus, kuris saugomas mezofilio ląstelių stambiose vakuolėse iki kitos dienos. Dieną, kai žiotelės uždarytos, malatas skyla ir CO2 patenka į Kalvino ciklą. Šis mechanizmas leidžia CAM augalams efektyviai fotosintetinti sausringomis sąlygomis.
Fotosintezės reikšmė ekosistemoms ir žmogui
Fotosintezė yra pagrindinis energijos šaltinis daugeliui ekosistemų. Augalai, atlikdami fotosintezę, gamina organines medžiagas, kurios yra maistas heterotrofinėms organizmėms, tokioms kaip gyvūnai ir grybai. Be to, fotosintezės metu išsiskiriantis deguonis yra būtinas daugeliui aerobinių organizmų, įskaitant žmones, kvėpavimui.
Anglies dioksido reguliavimas
Fotosintezė taip pat atlieka svarbų vaidmenį reguliuojant anglies dioksido koncentraciją atmosferoje. Augalai sugeria anglies dioksidą iš oro ir naudoja jį organinių medžiagų sintezei, taip sumažindami šiltnamio efektą ir stabdydami klimato kaitą. Medžiai ir miškai ne veltui vadinami žemės plaučiais. Apskaičiuojant greitį, kuriuo medis gali sugerti anglies dioksidą, svarbu atsižvelgti į daugelį veiksnių.
Maisto šaltinis ir kiti produktai
Žmonės tiesiogiai priklauso nuo fotosintezės, nes augalai yra pagrindinis maisto šaltinis. Žemės ūkio kultūros, tokios kaip kviečiai, ryžiai ir kukurūzai, yra pagrindiniai maisto produktai daugeliui žmonių. Be to, augalai naudojami gaminti įvairius produktus, tokius kaip mediena, popierius, vaistai ir biokuras.
Anglies dioksido emisijos ir klimato kaita
CO2 koncentracija ypač padidėjo dėl pramonės revoliucijos ir eksponentinio gamybinės veiklos augimo visame pasaulyje. Remiantis naujausiais duomenimis, penkios šalys, kurios nuo pramonės revoliucijos išmetė daugiausiai CO2, yra JAV, Kinija, Rusija, Vokietija ir Jungtinė Karalystė.
Taip pat skaitykite: Kraujo judėjimo iššūkiai
Didžiausi CO2 išmetėjai
- Kinija: Kinija yra didžiausia anglies dvideginio dujų emisija pasaulyje - 2021 m. išmesta 11 336 mln. metrinių tonų. Pagrindinis CO2 išmetimo šaltinis Kinijoje yra iškastinis kuras, ypač anglis. Maždaug 58 proc. visos 2021 m. Kinijoje pagamintos energijos buvo pagaminta vien iš anglies. Kinija ateityje planuoja sumažinti savo priklausomybę nuo anglies ir bendrą taršą dideliuose miestuose gamindama daugiau elektros energijos iš branduolinių, atsinaujinančių energijos šaltinių ir gamtinių dujų.
- JAV: JAV yra antras pagal dydį CO2 išmetėja, 2021 m. išmetusi 5 032 mln. metrinių tonų viso anglies dioksido. 2021 m. didžiausi CO2 šaltiniai JAV buvo iš transporto, elektros energijos ir pramonės.
- Indija: Indija yra trečia pagal dydį CO2 išmetanti šalis, turinti 2 674 mln. metrinių tonų bendro anglies dioksido išmetamų teršalų kiekio. Anglis yra pagrindinis Indijos energijos šaltinis, tiekiantis apie 44 proc.
- Rusija: Rusija yra ketvirta pagal dydį CO2 išmetimo šalis pasaulyje, išmeta 1 712 mln. metrinių tonų 2021 m. Rusijoje yra vienas didžiausių gamtinių dujų telkinių pasaulyje, o gamtinės dujos yra pagrindinis energijos ir energijos gamybos šaltinis šalyje. Anglis, kuri plačiai naudojama chemijos ir kitose pagrindinių medžiagų pramonės šakose bei elektros energijos gamybai Rusijoje, taip pat labai prisideda prie Rusijos CO2 emisijų.
- Japonija: Japonija yra penkta pagal dydį išmetamo CO2 išmetimo vieta, 2021 m. išmetusi 1 602 mln. metrinių tonų. Japonijos energijos kuro derinys pasikeitė po 2011 m. branduolinės avarijos Fukušimoje.
Klimato kaitos pasekmės
Didėjanti CO2 koncentracija atmosferoje sukelia klimato kaitą, kuri turi daugybę neigiamų pasekmių, įskaitant:
- Šylančią oro ir vandenynų temperatūrą
- Tirpstančius ledynus ir kylančius vandenyno lygius
- Ekstremalius meteorologinius reiškinius (uraganus, sausras, potvynius)
- Bioįvairovės nykimą
Kaip sumažinti CO2 emisijas?
Norint suvaldyti klimato kaitą, būtina mažinti CO2 emisijas. Tai galima pasiekti įvairiais būdais, įskaitant:
- Pereiti prie atsinaujinančių energijos šaltinių (saulės, vėjo, vandens)
- Didinti energijos vartojimo efektyvumą
- Sumažinti priklausomybę nuo iškastinio kuro
- Sodinti daugiau medžių ir saugoti miškus
- Plėtoti tvarią žemės ūkio praktiką
Žmogaus įtaka anglies dvideginio ciklui
Žmonių veikla daro didelę įtaką anglies dvideginio ciklui. Iškastinio kuro deginimas, miškų kirtimas ir žemės naudojimo pokyčiai didina CO2 koncentraciją atmosferoje, o tai lemia klimato kaitą.
Natūralus ciklas ir žmogaus įtaka
Iškvėpto žmogaus oro sudėtyje yra 78 proc. azoto, 17 proc. deguonies, 4 proc. CO2 ir 1 proc. Vidutinis žmogus per vieną dieną iškvepia apie 500 litrų šiltnamio efektą sukeliančių dujų CO2. CO2, kurį iškvėpiame, yra dalis natūralaus ciklo, kurio metu mūsų kūnai angliavandenius iš CO2 sugeriančių augalų paverčia energija, taip pat vandeniu ir CO2. Todėl mes nepridedame jokio papildomo CO2. Augalai sugeria ir perdirba apie 25 proc.
Asmeninis indėlis
Kiekvienas žmogus gali prisidėti prie CO2 emisijų mažinimo savo kasdieniais veiksmais:
- Naudoti viešąjį transportą, dviratį arba eiti pėsčiomis
- Taupyti energiją namuose ir darbe
- Rūšiuoti atliekas ir kompostuoti
- Vartoti mažiau mėsos ir daugiau augalinio maisto
- Remti įmones, kurios rūpinasi aplinka
Fotosintezės tyrimų perspektyvos
Fotosintezės tyrimai yra svarbūs siekiant padidinti žemės ūkio produktyvumą, sumažinti anglies dioksido koncentraciją atmosferoje ir sukurti tvarias energijos technologijas. Šiuo metu mokslininkai tiria įvairius būdus, kaip padidinti fotosintezės efektyvumą, pavyzdžiui, genetiškai modifikuojant augalus, optimizuojant apšvietimo sąlygas ir naudojant dirbtinę fotosintezę.
Dirbtinė fotosintezė
Dirbtinė fotosintezė - tai technologija, kuri imituoja natūralų fotosintezės procesą, naudojant dirbtines medžiagas ir įrenginius. Tai gali padėti sukurti tvarius energijos šaltinius ir sumažinti CO2 koncentraciją atmosferoje.
tags: #augalo #anglies #dioksido #absorbavimo #priklausomybe