Lev och låt leva!



Om ljus och fotosyntes

Vatten- och närsalttillförsel, Gasutbytet, Ljusinfångningen, Fotosyntesens ljus- och mörkerreaktioner

Vatten- och närsalttillförsel, Gasutbyte, Ljusinfångning, Fotosyntesen

Människor, landlevande djur och växter behöver syre. Syret används i våra kroppar till att bryta ner organiska ämnen till koldioxid och vatten. Ur processen får vi den energi som krävs för att vi ska kunna underhålla våra celler och utföra det vi gör.

Fotosyntes är så att säga andning fast baklänges. Koldioxid, vatten och solenergi omvandlas till energirika organiska föreningar som växterna, vi och annat liv sedan kan använda oss av. Bortsett från några ekosystem djupt ner i havet är vi alltså alla beroende av de gröna organismerna och deras fotosyntes för att kunna leva.

Det som krävs för att fotosyntesen ska fungera är alltså ljus, vatten, koldioxid och en grön växt. Naturligtvis behöver växten även närsalter som finns i jorden och i naturligt vatten (kväve, kalium, mangan, magnesium, koppar etc). Ljuset kommer från solen och har man tur så innehåller vattnet inte fler gifter än att växten kan ta upp det utan att skadas. Koldioxid är heller inga konstigheter. Det är en lukt- och färglös gas som finns i luften. På den här sidan ska jag "prata" lite mer om dels ljuset, dels om hur de gröna växterna fungerar.

Ljuset


Ljus är knepigt på så vis att det kan beskrivas på olika sätt. Dels kan det beskrivas som vågor där ljus av olika våglängd har olika färg och energiinnehåll. Ju kortare våglängd desto högre energiinnehåll. Vitt ljus är en blandning av alla våglängder. Vi människor kan se våglängder från ca 390 till 760 nm (nanometer) vilket betyder från violetta och ner till och med röda våglängder.Bin kan se även ultraviolett strålning men vi måste nöja oss med att smörja in oss med sololja och undvika att skadas av den höga energin. Röda våglängder som är längre än de vi kan se uppfattar vi som värmestrålning.

Ljuset kan också beskrivas som små "paket" (fotoner) med energi. På samma sätt som olika våglängder har olika energi så har varje paket sitt specifika energiinnehåll. Röda "paket" innehåller inte lika mycket energi som de med t ex grönt eller blått ljus. När det gäller fotosyntesen så är det "paketmodellen" som är den mest gångbara att använda. Måttet för antalet ljuspaket anges ofta i Einstein efter vår store fysiker Albert Einstein men ett mer direkt förklarande mått är enheten mol. Mol är ett antal. På samma sätt som ett dussin anger antalet 12 så är en mol 6,02x1023 st av något. 1 mol fotoner är 1 Einstien. För att beskriva instrålningen kan man t ex ange hur många mol fotoner (Einstein) som träffar en yta per kvadratmeter och sekund.

Gröna växter och fotosyntes

Det gröna bladet

När det gäller olika typer av blad och dess placering kan du läsa mer under länken Om bladformer. I det här avsnittet behandlas det gröna bladet som ett exempel på fotosyntetiserande vävnad. Kom ihåg att det är gröna växtdelar det handlar om. En kaktus har ju inga blad men har ändå en mycket effektiv fotosyntes i den gröna stammen. Även alger och andra organismer med klorofyll kan givetvis också binda energi genom fotosyntes.
För att växtens ämnesomsättning ska fungera måste vatten och närsalter föras ut i bladen där fotosyntesen sker. Likaså måste de energirika produkterna som bildas (syntetiseras) i bladen föras till växtens övriga delar. Allt detta sker genom ledningssystem. Vi ser ledningssystemet som nerver i bladet.

Ledningssystem i björklöv

bladnerverLedningssystem i björklöv

Bladens utseende varierar naturligtvis en del med miljö och örtens levnadssätt men generellt sett ser det ut som på bilden nedan.

Överst, på bladets ovansida finns ett vaxlager som ska skydda bladet från uttorkning. För att gasutbyte ändå ska kunna ske så finns speciella öppningar, klyvöppningar som hos de flesta arter sitter på bladets undersida. Klyvöppningarna omges av två njurformade celler som kan öppna och stänga klyvöppningen efter behov. Under vaxytan och ytterst på bladets undersidan finns ett lager "hudceller", epidermis. Under de övre epidermiscellerna finns avlånga palissadceller som är rika på kloroplaster. De rundade parenkymcellerna under palissadcellerna har bl a som uppgift att lagra näring. Mellan cellerna finns luftfyllda hålrum där koldioxiden kan leta sig fram till alla celler.

Bladens utseende varierar naturligtvis en del med miljö och örtens levnadssätt men generellt sett ser det ut som på bilden nedan.

Överst, på bladets ovansida finns ett vaxlager (1) som ska skydda bladet från uttorkning. För att gasutbyte ändå ska kunna ske så finns speciella öppningar, klyvöppningar (5) som hos de flesta arter sitter på bladets undersida. Klyvöppningarna omges av två njurformade celler som kan öppna och stänga klyvöppningen efter behov. Under vaxytan och ytterst på bladets undersidan finns ett lager "hudceller", epidermis (2). Under de övre epidermiscellerna finns avlånga palissadceller (3) som är rika på kloroplaster. De rundade parenkymcellerna(4) under palissadcellerna har bl a som uppgift att lagra näring. Mellan cellerna finns luftfyllda hålrum där koldioxiden kan leta sig fram till alla celler.

blad i tvärsnitt

Blad i genomskärning

blad i tvärsnittBlad i genomskärning

De flesta ljuspaketen från solen hamnar inte alls på gröna växtdelar utan på havsytan, på kala marker och hustak eller på ryggen på solbadande semesterfirare. Det gäller alltså för örterna att utnyttja det ljus de får på ett effektivt sätt. Hur mycket energi som träffar bladytan påverkas ju också t ex av bladets vinkel mot det infallande ljuset.Hos många örter med skaftade blad kan skaftet vrida sig och på så vis se till att instrålningen ökar eller minskar allt efter behov.

Växter innehåller olika typer av färgpigment för att ta vara på ljuset. Det gröna heter klorofyll och är det aktiva pigmentet i fotosyntesens reaktionscentra, eller "hjärta". Du kan läsa mer om dem längre fram.

Fotosyntesen sker i kloroplaster. Kloroplaster finns i hela växtriket utom hos färglösa parasitiska arter. De finns alltså inte hos t ex svampar. I ett mikroskop ser kloroplasterna ut som små gröna fettdroppar som flyter runt i cellvätskan. "Fettdropparna" är avgränsade mot omvärlden av ett dubbelt membran ( se bilden nedan, 1) som kan kontrollera trafiken av olika molekyler in i och ut ur kloroplasten.

Kloroplast i genomskärning

Inne i kloroplasten hittar man ett annat membransystem thylakoider. Thylakoiderna är plattade "rör" eller "påsar" avgränsade av membran och det är här vi hittar fotosyntespigmenten. Förutom två typer av klorofyll (klorofyll a och klorofyll b) finns även olika karotenoider (karotener och xanthofyller) som är gula till guloranga pigment. De karotenoider som finns i kloroplasternas inre membransystem är ß-karoten och lutein. Tillsammans med olika proteiner tjänstgör alla de här pigmenten i arbetet att fånga in den ljusenergi som fotosyntesens reaktionscentra behöver. ß-karoten har också som funktion att skydda klorofyllet mot att bli förstört (genom oxidation) vid alltför stark ljusinstrålning.
Kloroplast i genomskärning

Kloroplastens inre är vätskefylld, stroma (2). Inne kloroplasten finns också ett annat membransystem thylakoider (3 och 4). Thylakoiderna är plattade "rör" eller "påsar" avgränsade av membran och det är här vi hittar fotosyntespigmenten. Förutom två typer av klorofyll (klorofyll a och klorofyll b) finns även olika karotenoider (karotener och xanthofyller) som är gula till guloranga pigment. De karotenoider som finns i kloroplasternas inre membransystem är ß-karoten och lutein. Tillsammans med olika proteiner tjänstgör alla de här pigmenten i arbetet att fånga in den ljusenergi som fotosyntesens reaktionscentra behöver. ß-karoten har också som funktion att skydda klorofyllet mot att bli förstört (genom oxidation) vid alltför stark ljusinstrålning.

Bladen innehåller även gula pigment som under sommaren är dolt av det gröna klorofyllet

Bladen innehåller även gula pigment som under sommaren är dolt av det gröna klorofyllet

På några ställen i kloroplasten kan man se att thylakoiderna ligger staplade på varandra som mynten i en myntrulle (se 3 i bild på kloroplast ovan). "Myntrullarna" kallas för grana. Långa rörformade thylakoider, s k stromathylakoider (4) binder samman "myntrullarna" med varandra. Det är i grana som man hittar fotosyntesens två "hjärtan",PI och PII (Photosystem I och Photosystem II).

Här ovan har vi talat om ljuspaket, fotoner. Varje pigmentmolekyl kan ta emot en foton i taget och en av dess elektroner kan då få ett högre energiinnehåll (exciteras). Det är den energin som utnyttjas i fotosyntesen. Pigmentmolekylen kan bara behålla den extra energin under en mycket kort period, det rör sig om miljarddelar av en sekund eller kortare. Därefter kan all extra energi avges som värmeenergi och då händer inte något annat än att molekylen återgår till sitt ursprungliga energiläge. Lite mer spännande blir det om en del av energin omvandlas till ljusenergi (fluorescens). En klorofyllösning avger ett rött sken om man belyser den med blått eller ultraviolett ljus. Lösningen tar upp ljuset, elektroner exciteras (får högre energiläge) en kort period och faller sedan tillbaka till sitt ursprungliga läge medan de avger energi av röd våglängd. I ett blad används den tillförda energin istället till fotosyntes genom att den överförs till och tas omhand av de båda fotosystemen PSI och PII. PSI och PSII använder sig av de röda våglängderna 700 resp 680 nm och den del som tar emot ljuset från de ljusinsamlande pigment-proteinkomplexen brukar benämnas P700 resp P680.

Fotosyntesen leder fram till bildandet av energirika kolföreningar, socker och stärkelse. Processen delas in i två olika reaktioner som man kallar ljusreaktionen och mörkerreaktionen därför att den ena kräver ljus medan den andra inte gör det.

Det som händer i ljusreaktionen är att vatten (H2O) spjälkas upp med hjälp av solenergi. I den processen bildas syre och vätejoner. Det ljusinfångande komplex av pigment och proteiner som hör till PSII tar upp solenergi vilket startar en kedjereaktion. Reaktionen kan liknas vid gamla tiders brandförsvar där hinkar med vatten skickades från en man till en annan i en lång langningskedja. I ljusreaktionen är det elektroner som "langas" mellan olika molekyler från vatten till en förening som förkortas NADP+. NADP+ reduceras till NADPH. För att det ska fungera måste det ske elektrontransport från både PSI och PSII. Energin i NADPH används sedan i mörkerreaktionen där kolatomer binds och socker produceras. Ett annat resultat av ljusinfångningen och de två fotosystemens reaktioner är att ATP bildas. ATP är en energirik förening som kommer till användning i en lång rad reaktioner där det behövs energitillskott.

Vill du veta mer om vad som händer i fotosyntesen så kan du klicka på länken mer information om fotosyntesen.