Co to jest fotostynteza?

Fotosynteza to podstawowy dla życia, przeprowadzany przez rośliny proces, którego produktem jest tlen. Polega ona na syntezie związków organicznych z udziałem dwutlenku węgla pobieranego z powietrza, wody z solami mineralnymi uzyskiwanej z gleby oraz energii słonecznej.

W tym procesie energia świetlna jest zamieniana na energię chemiczną. W ten sposób odżywiają się zielone rośliny oraz niektóre bakterie posiadające odpowiednie barwniki asymilacyjne. Powstający podczas fotosyntezy tlen jest niezbędny do życia zarówno dla człowieka jak i wielu innych organizmów żywych, dlatego dbanie o zieleń jest tak ważne. Jeśli zginęłyby rośliny, to na Ziemi zabrakłoby tlenu, co oczywiście spowodowałoby śmierć wszystkich innych organizmów.

Od czego zależy intensywność fotosyntezy?

Fotosynteza może zachodzić szybciej lub wolniej, w zależności od kilku istotnych czynników. Najistotniejszym czynnikiem jest oczywiście ilość światła jaka dociera do rośliny. Im większe natężenie promieni świetlnych padających na liście i łodygę, tym szybciej będzie zachodzić fotosynteza. Każda roślina ma swoje ulubione kolory światła. Niektóre z nich najchętniej pochłaniają światło niebieskie, inne preferują światło żółte i zielone.

Wszystko zależy od gatunku i chemicznej budowy barwnika asymilacyjnego wewnątrz rośliny. W korzystnych warunkach rośliny (głównie ich liście) potrafią zużyć ok 5% energii świetlnej w celu transformacji jej na energię chemiczną.

Ponieważ dwutlenek węgla CO2 stanowi pożywienie dla roślin, to również ilość tego gazu w powietrzu ma duże znaczenie podczas procesu fotosyntezy. Im większe stężenie dwutlenku węgla, tym szybciej zachodzi przemiana energii. To stwierdzenie nie dotyczy jednak wysokich stężeń gazu, ponieważ stężenie CO2 powyżej 1% powoduje zahamowanie procesu fotosyntezy, co więcej, wysokie stężenia dwutlenku węgla mogą być dla roślin toksyczne.

Proces przemiany energii przez rośliny może być ograniczany przez temperaturę. Jak łatwo się domyślić, rośliny przeprowadzają fotosyntezę tylko w określonym przedziale temperaturowym. Rośliny górskie, które są bardziej wytrzymałe niż rosnące niżej kwiaty potrafią przetrwać mrozy, ale osiągające niewiele poniżej zera.

Jest to dolna granica, która nie pozwala przeprowadzać fotosyntezy. Tolerancja wysokich temperatur jest znacznie wyższa, bo górna granica wynosi aż 55 stopni Celsjusza. Ilość wody, do której ma dostęp roślina nie ma wprawdzie bezpośredniego udziału w przebiegu fotosyntezy, ale pośrednio brak wody może znacznie zahamować cały proces.

Odwodniona roślina przymyka lub całkowicie zamyka aparaty szparkowe, co w dużym stopniu uniemożliwia jej pobieranie dwutlenku węgla, a co za tym idzie zachodzi znaczne obniżenie wydajności fotosyntezy.

Znaczenie fotosyntezy dla środowiska

Fotosynteza to naturalny proces, który ma olbrzymie znaczenie dla wszystkich organizmów żyjących na Ziemi. Bez istnienia fotosyntezy życie na Ziemi byłoby praktycznie niemożliwe. Bez tlenu i innych produktów fotosyntezy nie moglibyśmy odżywiać się, przetwarzać energii, a przede wszystkim oddychać.

Kluczowe znaczenie ma oczywiście tlen, który jest absolutnie niezbędny organizmom tlenowym w procesie fosforylacji oddechowej będącej najważniejszym etapem oddychania. Nie jest to jednak jedyna funkcja tego gazu. Tlen atmosferyczny obecny w stratosferze przyczynia się także do powstawania ozonu, czyli tlenu o trójatomowych cząsteczek.

Wiązki promieniowania ultrafioletowego pochodzącego ze słońca oddziałują z cząsteczkami tlenu atmosferycznego w wyniku czego powstają dwie pojedyncze cząsteczki tlenu. Wówczas jedna z nich reaguje z podwójną cząstką tlenu, w wyniku czego powstaje ozon.

Z alotropowej odmiany tlenu tworzy się tzw. warstwa ozonowa, która chroni naszą planetę przed szkodliwym działaniem niebezpiecznych promieni słonecznych oraz pomaga zachować na Ziemi odpowiednią temperaturę.

Co ciekawe, również same rośliny potrzebują tlenu, by oddychać, zwłaszcza w tak zwanej fazie ciemnej fotosyntezy. Procent pobieranego tlenu w stosunku do produkowanego jest jednak znikomy. Rośliny to niewyczerpalne źródło tlenu i energii. Dlatego też tak ważna jest dbałość i ochrona roślinności.

Sztuczna fotosynteza

W okolicach lat 70 XX wieku powstała koncepcja odtworzenia naturalnej fotosyntezy w sztucznych warunkach laboratoryjnych. Pomysł ten wciąż jest w fazie badań i jak na razie nie udało się skopiować najpożyteczniejszego i najbardziej potrzebnego na świecie procesu, ale naukowcy się nie poddają.

Pomysłów było wiele, ale odpowiednie rozwiązanie problemu wciąż pozostaje zagadką. Uczeni wiążą nadzieje z układem do sztucznej fotosyntezy zbudowanym z rutenu i żelaza, które będą absorbować światło, oraz manganu, na którym będzie się opierało centrum reakcji.

Sztuczne otrzymywanie wysokoenergetycznych związków chemicznych z wykorzystaniem energii słonecznej, dwutlenku węgla i wody przyniosłoby niesamowicie duże korzyści dla naszej planety. Prawdopodobnie takie odkrycie pomogłoby zaspokoić zapotrzebowanie na energię, co rozwiązałoby problem kryzysu energetycznego, który trwa już kilkadziesiąt lat.

Co więcej, sztuczna fotosynteza pomogłaby w utylizacji nadmiaru szkodliwego dwutlenku węgla z atmosfery, co być może zatrzymałoby też niebezpieczne powiększanie się dziury ozonowej. Naukowcy liczą również na to, że laboratoryjny proces mógłby stanowić także bardziej ekonomiczną alternatywę otrzymywania wodoru.