Fotosyntéza - co je to a proč je tak důležitá?

Nejdůležitějších 5 bodů článku

• Co je to fotosyntéza 
• Kde fotosyntéza probíhá 
• Jak probíhá fotosyntéza 
• Které organismy jsou fotosynteticky aktivní
• Proč je fotosyntéza důležitá

 

Většina živých organismů je závislá na fotosyntetických buňkách, které vyrábějí složité organické molekuly využívané jako zdroj energie. Fotosyntetické buňky jsou poměrně rozmanité a patří mezi ně buňky vyskytující se v zelených rostlinách, fytoplanktonu a sinicích. Během procesu fotosyntézy buňky využívají oxid uhličitý a energii ze Slunce za pomocí vody k výrobě molekul cukru a kyslíku. Tyto molekuly cukru jsou základem složitějších molekul, které fotosyntetická buňka vyrábí. 

 

Co je to fotosyntéza? 

Fotosyntéza je proces přeměny slunečního světla, oxidu uhličitého (CO2) a vody na cukry a kyslík. Tento proces se vyskytuje u rostlin, řas a některých mikroorganismů. Slovo fotosyntéza pochází z řeckých slov fótos (světlo) a synthesis (spojit), což znamená spojení pomocí světla. Světlo je nejdůležitějším faktorem v procesu fotosyntézy.

 

Existují dva typy fotosyntézy: oxygenní (odpadní látkou je kyslík) a anoxygenní fotosyntéza, při které kyslík nevzniká. Anoxygenní fotosyntézu využívají primitivní fotosyntetické organismy jako jsou například zelené sirné bakterie. Využívají jako donor místo vody sulfan, železité ionty nebo organické kyseliny. 

 

Rovnice oxygenní fotosyntézy 

Šest molekul oxidu uhličitého (CO2) se spojí s 12 molekulami vody (H2O) za použití světelné energie. Výsledkem je vznik jedné molekuly sacharidu (C6H12O6 neboli glukóza) spolu s šesti molekulami kyslíku a vody.

 

6CO2 + 12H2O + světelná energie → C6H12O6 + 6O2 + 6H2O

 

 

Kde probíhá fotosyntéza? 

Fotosyntéza probíhá v chloroplastech, což je typ plastidu (organely s membránou), který obsahuje chlorofyl a nachází se především v listech rostlin. Chloroplasty jsou podobné mitochondriím, energetickým zdrojům buněk, protože mají vlastní genom neboli soubor genů obsažených v kruhové DNA. Tyto geny kódují proteiny, které jsou pro organelu a fotosyntézu nezbytné.

 

Chloroplasty jsou obklopeny dvojitou membránou a obsahují třetí vnitřní membránu, nazývanou tylakoidní membrána, která tvoří dlouhé záhyby uvnitř organely.

 

Tylakoidy si můžeme představit jako hromádky mincí, ačkoli oddíly, které tvoří, jsou propojeny jako labyrint komor. Zelené barvivo chlorofyl se nachází uvnitř tylakoidní membrány a prostor mezi tylakoidní a chloroplastovou membránou se nazývá stroma.

 

 

Pigmenty 

Fotosyntetické buňky obsahují speciální pigmenty, které absorbují světelnou energii. Slunce vyzařuje obrovské množství elektromagnetického záření (sluneční energie). Lidé mohou vidět pouze část této energie, tato část se proto označuje jako viditelné světlo. Způsob, jakým se sluneční energie šíří, se popisuje jako vlnění. 

 

Existují různé druhy pigmentů a každý z nich se vyvinul tak, aby absorboval pouze určité vlnové délky (barvy) viditelného světla. Pigmenty odrážejí nebo propouštějí vlnové délky, které nemohou absorbovat, a tím se zobrazují v odpovídající barvě.

 

Chlorofyl 

Chlorofyl, základní pigment využívaný při fotosyntéze, odráží zelené světlo a nejsilněji pohlcuje červené a modré světlo. Právě díky toho jsou rostliny zelené. U rostlin probíhá fotosyntéza v chloroplastech, které obsahují chlorofyl.

 

Hlavním pigmentem používaným při fotosyntéze je chlorofyl A, ale existuje několik typů chlorofylu (chlorofyl b, c, d) a řada dalších pigmentů, které reagují na světlo, včetně červených, hnědých a modrých pigmentů (karoteny, xantofyly, fykobiliny). Tyto další pigmenty mohou pomáhat směrovat světelnou energii k chlorofylu A nebo chránit buňku před poškozením způsobeným fototerapií. 

 

Ke konci života listu se chlorofyl rozkládá a většina dusíku z pigmentu (jeden ze stavebních kamenů chlorofylu) je resorbována zpět do rostliny. Když listy na podzim ztratí chlorofyl, začnou se projevovat další listové pigmenty, jako jsou karotenoidy a antokyany.

 

Věděli jste?

Zatímco karotenoidy pohlcují především modré světlo a odrážejí žluté, antokyany pohlcují modrozelené světlo a odrážejí červené. Díky těmto barvivům jsou listy na podzim barevné. 

 

 

Jak probíhá fotosyntéza? 

Fotosyntéza se skládá ze dvou fází. Fáze, která je závislá na světle se nazývá světelná fáze a druhá fáze, která je označována jako temnotní fáze světlo nepotřebuje. 

 

Světelná fáze

U rostlin probíhá světelná fáze v chloroplastech - tylakoidech, kde se nacházejí výše zmíněné chlorofylové pigmenty. Barevné pigmenty ve světelné fází pohlcují světlo a díky němu získávají energii v podobě adenosintrifosfátu (ATP) a nikotinamidadenindinukleotidfosfátu (NADPH).

 

Během této fáze dochází k štěpení molekul vody za vzniku kyslíku. Kyslík je pro rostliny odpadní látka, kterou ale využívá mnoho živočichů k procesu dýchání. 

 

Temnotní fáze 

Při temnotní fázi, jak už napovídá název, není potřeba světla ale využívá se energie ve formě ATP a NADPH, která byla vytvořena ve světelné fázi. Temnotní fáze probíhá ve stromatu chloroplastů. Tato fáze je známá také jako fixace uhlíku, kdy dochází k zabudování oxidu uhličitého do molekul cukrů. Cukry poté slouží jako zásobárna energie nebo jako stavební složky pro tvorbu složitějších molekul (polysacharidy, glykosidy aj.). 

 

Produkty těchto reakcí jsou pak přenášeny do dalších částí buňky, včetně mitochondrií, kde jsou rozkládány na další molekuly přenášející energii, aby uspokojily metabolické potřeby buňky. V rostlinách se některé molekuly cukru ukládají jako sacharóza nebo škrob.

 

Během temnotní fáze jsou známy tři cykly fixace CO2. Calvinův cyklus, který se označuje také jako C3, Hatch-Slackův jinak označován jako C4 cyklus a cyklus CAM.

 

 

Calvin-Bensonův cyklus (C3 cyklus) 

C3 cyklus využívá většina rostlin a řas, které obecně nazýváme jako C3 rostliny, v důsledku, že na sebe navazují 3 atomy uhlíku. C3 cyklus se skládá ze tří fází: karboxylace neboli fixace, redukce a regenerace. Příkladem takových rostlin může být konopí. 

 

Během fixační fáze se převádí molekuly CO2 na 3-fosfoglycerát. Během redukce se 3-fosfoglycerát redukuje na glyceraldehyd-3-fosfát (Gal3P). Tento tříuhlíkatý cukr-fosfát je obvykle buď exportován z chloroplastů, nebo se uvnitř chloroplastu přemění na škrob. 

 

ATP a NADPH vzniklé během světelných reakcí jsou využívány pro klíčové kroky této dráhy a poskytují energii a redukční ekvivalenty (tj. elektrony) pro řízení sekvence v uvedeném směru. 

 

Regenerační fáze zahrnuje Gal3P, který regeneruje na ribulosu-1,5-bifosfát. Rubisco je enzym, který katalyzuje tuto karboxylační reakci v rostlinách. Stejně tak Calvinův cyklus probíhá cyklicky při produkci sacharidů.

 

 

Hatch-Slackův cyklus (C4 cyklus) 

Cyklus C4 využívají rostliny, které se nacházejí ve vyprahlých nebo polosuchých oblastech. Tyto rostliny se vyvinuly, aby se snížila ztráta CO2 během fotosyntézy. Příklad C4 rostlin jsou například kukuřice nebo cukrová třtina. 

 

Při tomto procesu se využívá čtyřuhlíkatý chemický meziprodukt zvaný oxaloacetát, který se přeměňuje na malát. Malát se následně dostává do svazkového pláště, kde se rozpadá a uvolňuje CO2, který je následně fixován enzymem Rubisco a přeměněn na cukry v Calvinově cyklu (stejně jako při fotosyntéze C3).

 

Jsou také lépe přizpůsobeny horkému a suchému prostředí. Při zvýšené teplotě se více uplatňuje fotorespirace a proto C4 rostliny koncentrují více CO2 před tím, než vejdou do Calvinova cyklu. 

 

CAM cyklus 

CAM cyklus je obměnou C4 cyklu. Oxid uhličitý je během noci ukládán jako zásoba do vakuol a během dne je zpracován Calvin-Bensonovým cyklem. CAM cyklus využívají především pouštní rostliny, jako jsou kaktusy a sukulenty, které musí šetřit vodou. Kvůli toho mohou otevírat průduchy pouze v noci, kdy vážou CO2 do malátu. 

 

Aby mohlo dojít k uložení zásob CO2 potřebují tyto rostliny velké množství fosfoenolpyruvátu, který si získávají štěpením škrobu pomocí glykolýzy. Malát se štěpí na CO2 během dne, kdy vstupuje do Calvinov-Bensonova cyklu a na pyruvát, ze kterého se opět syntetizuje škrob.

 

Věděli jste?

Díky tomuto mohou provádět CAM rostliny fotosyntézu s minimálními ztrátami vody. 

 

Faktory ovlivňující fotosyntézu 

Na rychlost fotosyntézy má vliv hned několik faktorů: 

 

• Teplota: Optimální teplota pro nejúčinnější fotosyntézu je 25 °C až 35 °C. Při nízkých teplotách probíhá fotosyntéza u rostlin pomalu. Díky evoluci došlo k různým adaptacím na teplotní podmínky. 
  
  
• Světlo: Intenzita světla a světelné spektrum také ovlivňují fotosyntézu. S přibývající intenzitou světla se zvyšuje rychlost fotosyntézy. 
  
  Každá rostlina je ale přizpůsobena jinému světlu. Obecně se rozdělují na stínomilné (sciofytní) a světlomilné (heliofytní) rostliny. Stínomilné rostliny vyžadují nižší intenzitu světla a intenzivněji využívají modrofialové světlo. Světlomilné rostliny naopak vyžadují vyšší intenzitu světla a využívají více červené světlo. 
  
  
• Oxid uhličitý: CO2 přímo ovlivňuje rychlost fotosyntézy. Pokud je koncentrace CO2 nízká, snižuje se rychlost fotosyntézy. Velkým množstvím CO2  ve vzduchu (přes 2-5 %) fotosyntéza ustane. 
   
• Znečištění: Znečišťující látky se usazují na horním povrchu listu a v důsledku toho nedochází k řádné výměně plynů.
  
  
• Voda: Voda je důležitým faktorem, a pokud je její hladina nižší než optimální, snižuje rychlost fotosyntézy. Při nedostatku vody dochází k uzavření průduchů a fotosyntéza se zastavuje.

 

Organismy fotosynteticky aktivní

Zelené rostliny, některé druhy bakterií včetně sinic, ruduchy, obrněnky, skrytěnky, krásnoočka, hnědé a zelené řasy jsou organismy schopné fotosyntézy. Protože k výrobě vlastní energie využívají světlo, nazývají se jako fotoautotrofní organismy. 

 

Ostatní organismy, jako jsou živočichové, houby a většina ostatních bakterií, se označují jako heterotrofové, protože se musí spoléhat na cukry produkované fotosyntetizujícími (autotrofními) organismy, aby uspokojili své energetické potřeby.

 

Třetí velmi zajímavá skupina bakterií syntetizuje cukry nikoliv pomocí energie slunečního světla, ale získáváním energie z anorganických chemických sloučenin a proto se označují jako chemoautotrofové.

 

 

Proč je fotosyntéza důležitá? 

Význam fotosyntézy nespočívá jen v tom, že dokáže zachytit energii slunečního světla. Fotosyntéza je důležitá, protože se vyvinula jako způsob, jak ukládat energii slunečního záření jako vysokoenergetické elektrony ve vazbách uhlíku a uhlíku v molekulách sacharidů. Tyto sacharidy jsou zdrojem energie, kterou heterotrofové využívají k dýchání. 

 

Fotosyntéza je obecně pokládána jako jeden z nejdůležitějších biochemických procesů, protože bez ní by nebyly organické látky nebo jen ve velmi omezené míře v biosféře (živý obal Země).

 

Díky tomu fotosyntéza pohání 99 % zemských ekosystémů. Příkladem provázanosti může být vrcholový predátor jako třeba vlk, který uloví jelena. Vlk je na konci energetické cesty, která vedla od jaderných reakcí na povrchu Slunce, přes světlo, fotosyntézu, vegetaci a nakonec přes jelena. 

 

Fotosyntetické organismy jsou pro nás přínosné, protože také v sobě obsahují minerály, vitamíny a bílkoviny důležité pro fungování našeho těla. Krásným příkladem je chlorella, která má největší obsah chlorofylu a vysoký obsah bílkovin.

 

Je také bohatým zdrojem vitamínů, aminokyselin, cukrů a nukleových kyselin. Více o této řase najdete v článku Chlorella - co to je? Vlastnosti a přínosy této zázračné řasy. 

 

Závěr

Fotosyntézu mohou provádět pouze fotoautotrofní organismy, které vyžadují přítomnost chlorofylu. Fotosyntéza využívá oxid uhličitý a vodu ke složení molekul sacharidů a uvolňuje kyslík jako odpadní produkt do atmosféry.

 

Proces fotosyntézy změnil život na Zemi. Využitím energie ze Slunce se fotosyntéza vyvinula tak, aby umožnila živým organismům přístup k obrovskému množství energie. Díky fotosyntéze získaly živé organismy přístup k dostatečnému množství energie, které jim umožnilo budovat nové struktury a dosáhnout biologické rozmanitosti, kterou známe dnes. 

 

 

Autor: Tereza Hoffmannová

 

Na kvalitě a správnosti informací, které s vámi sdílíme v našich článcích, nám záleží stejně jako na našich produktech samotných. Pokud jste našli v našem článku nějakou chybu, překlep či nesrovnalost, dejte nám vědět na info@herbalus.cz nebo nám zavolejte na číslo +420 735 158 122.

 

Zdroje:

https://education.nationalgeographic.org/resource/photosynthesis/

https://www.nature.com/scitable/topicpage/photosynthetic-cells-14025371/

https://www.geeksforgeeks.org/photosynthesis/

https://www.biologyonline.com/dictionary/c4-plant

https://www.livescience.com/51720-photosynthesis.html

https://courses.lumenlearning.com/suny-wmopen-biology1/chapter/photosynthesis/

https://science.howstuffworks.com/environmental/green-tech/energy-production/artificial-photosynthesis.htm