Yhteyttäminen

Wikipedia

Yhteyttäminen eli fotosynteesi on biokemiallinen prosessi, jossa kasvisolut tuottavat hiilidioksidista ja vedestä auringon säteilyenergian avulla happea sekä glukoosia, jota kasvi käyttää ravintona.

6H₂O + 6CO₂ + valo → C₆H₁₂O₆ (glukoosi) + 6O₂

Kuusi molekyyliä vettä H₂O ja kuusi hiilidioksidia CO₂ muodostavat glukoosin lisäksi kuusi happimolekyyliä.

Yhteyttämisellä, eli assimilaatiolla tarkoitetaan tapahtumaa, jossa epäorgaanisessa muodossa otetut aineet sidotaan orgaaniiin yhdisteisiin. Puhuttaessa yhteyttämisestä tarkoitetaan yleensä tärkeintä ja mittavinta tapahtumaa, eli hiilidioksidin yhteyttämistä, mutta sana voi tarkoittaa kasvi-fysiologiassa myös hiilen ja typen, toisinaan myös rikin sitoutumista.

[muokkaa] Fotosynteesi ja kemosynteesi

Lehtivihreälliset kasvit käyttävät energian saantiin valoenergiaa, tavallisesti auringon valoa. Valoenergian avulla yhteyttämistä kutsutaan fotosynteettiseksi hiilidioksidin yhteyttämiseksi, eli fotosynteesiksi. Lehtivihreättömät bakteerit pystyvät yhteyttämään hiilidioksidia saamansa kemiallisen energian avulla. Tätä kutsutaan kemosynteesiksi.

Hiilidioksidin yhteyttämisen ja nimenomaan fotosynteesin varassa on kaikkien eliöiden elämä alkeellisimmista bakteereista ihmiseen saakka.

[muokkaa] Valoreaktio ja pimeäreaktio

Fotosynteesi tapahtuu kahdessa jaksossa, joista ensimmäinen on valoreaktio, jossa osa muunnetusta valoenergiasta sitoutuu ATP-molekyyleihin, NAPDH-molekyyleihin ja osa käytetään veden hajottamiseen vedyksi ja hapeksi. Happi poistuu jäteaineena, O₂ - molekyyleinä. Syntyy kemiallista energiaa, joka on sitoutuneena ATP- ja NADPH-molekyyleihin, ja vetyä pelkistykseen, joita kasvi käyttää seuraavassa vaiheessa. Toista jaksoa kutsutaan pimeäreaktioiksi eli Calvinin kierroksi. Siihen ei enää tarvita valoenergiaa, koska tämä on jo valoreaktiossa muunnettu jatkossa käytettävään muotoon, tosin tämäkin vaihe syntyy valoisalla, valoreaktioiden välittömänä jatkona. Pimeäreaktioissa fosforihappoon sitoutuneet sokerityyppiset yhdisteet muuttuvat toisiksi monien entsyymien ansiosta, jolloin lopputuotteena syntyy sokereita ja muita orgaanisia aineita. Tämän syntymiseen kasvi tarvitsee hiilidioksidia, sekä energiaa (ATP ja NADPH) aiemmasta vaiheesta. Calvinin kierrosta palaa valoreaktioihin NADP+- ja ADP-molekyylejä, jotka muutetaan valoreaktioiden seurauksena taas uudelleen ATP- ja NADPH-molekyyleiksi. Valoreaktiot ja pimeäreaktiot siis tarvitsevat toinen toisiaan, eivätkä ne tapahdu toisistaan riippumatta.

[muokkaa] Fotosynteesin edellytykset

[muokkaa] Hiilidioksidi

Yhteyttämisen raaka-aineena toimii hiilidioksidi, jonka kasvit ottavat ilmasta, veden alla olevat kasvit vedestä. Hiilidioksidista kasvit saavat kaiken orgaanisiin aineisiin tarvittavan hiilen, eli suurimman osan kuiva-aineksestaan. Yhteyttämistuotteisiin sitoutunut hiili palautuu hiilidioksidina takaisin ilmakehään kasvien omassa hengityksessä, sekä kasviainesten välittömien ja välillisten kuluttajien ja hajottajien hengityksessä. Jos ilman hiilidioksidipitoisuus on alle 100ppm:n yhteyttäminen ei useimmilla kasveilla tuota enempää, kuin minkä samanaikainen hengitys kuluttaa, vaikka valasitus ja lämpötila olisivatkin suotuisat. Tällöin mm. kasvu pysähtyy. Harvoin ulkoilmassa on niin paljon hiilidioksidia, kuin kasvit pystyisivät hyödyntämään.

[muokkaa] Valo

Valoa on usein liikaa, paljon yli käyttökyvyn, mutta usein myös liian vähän. Valo on fotosynteesin osatekijä, joka useimmiten rajoittaa tuottoa niukkuudellaan. Kompensaatiopiste on tasapaino, jossa kulutus ja tuotto ovat oikeassa suhteessa. Se saavutetaan kasvilajista riippuen 100–1000 luksin valaistusvoimakkuudessa.

Fotosynteesin kannalta valon määrä ei ole oleellisin seikka, vaan valon säteilykoostumus. Vain lehtivihreään imeytyvä säteily on tehokasta. Suunnilleen tämän valon myös ihmissilmä tajuaa valona (400–700 nm). Tehokkaimmin lehtivihreään imeytyy sininen ja helakanpunainen säteily, vihreä ja keltainen huomattavasti heikommin. Fotosynteesin valoreaktioissa toimivat fotosysteemi 1, joka absorpoi parhaiten 680 nanometrin valosäteilyä (red part of the spectrum), ja fotosysteemi 2, joka absorpoi parhaiten 700 nanometrin valosäteilyä (far red part of the spectrum).

Fotosynteesin käyttövoimana oleva valoenergia jää kemiallisena energiana talteen reaktioiden lopputuotteisiin. Kasvin kannalta tärkeimpänä tuloksena on rakennusaineiden tuottamisen ohella se, että valoenergia saadaan sidotuksi pysyvään, varastoitavaan muotoon myöhempää käyttöä varten.

Kasveissa on kahdenlaisia väripigmenttejä, joita kutsutaan värinsä mukaan, joko lehtivihreäksi (klorofylli), tai karotenoidiksi. Ne toimivat valosäteilyn vastaanottajina ja lisäksi karotenoidit hapettumista estävinä suoja-aineina. Väriaineet ovat viherhiukkasissa (kloroplastit) ja ne toimivat yhteyttämisen suorituspaikkoina. Klorofylli on yhteyttämisessä toimiva väripigmentti, muut väriaineet pääasiassa ottavat vastaan sen valoenergian, jota klorofylli ei pysty yhteyttämiseen hyödyntämään.

[muokkaa] Lämpötila

Valoreaktiovaiheessa lämpötila ei paljon vaikuta, mutta jatkovaiheen entsyymireaktiot ovat siitä riippuvia. Useimmiten fotosynteesi alkaa n. 0 Celsiuksessa. joillain kasveilla jopa - 5 asteessa. Lämpötilan kasvu vaikuttaa fotosynteesin tehokkuuteen, mutta samalla myös yhteyttämistuotteiden kulutukseen hengitykseen. Ihannelämpötila on tavanomaisesti alle 20 Celsiusta.

[muokkaa] Vesi

Kasvi käyttää fotosynteesiin alle prosentin koko kasvin vedenkäytöstä, mutta jotta ilmaraot pysyvät avoinna, tarvitsee kasvi riittävästi vettä. Hiilidioksidi pääsee kasviin lähinnä ilmarakojen kautta, koska se ei läpäise tiivistä pintakelmua lähes lainkaan. Jos ilmarakoaukot pienenevät, tai kokonaan sulkeutuvat fotosynteesin tuotto hidastuu ja pysähtyy. Vesi pilkotaan fotosynteesin valoreaktioissa kahdeksi vedyksi ja hapeksi auringon säteilystä saatavan valoenergian avulla.

[muokkaa] Lehtivihreä

Lehtivihreä eli klorofylli toimii valosäteilyn vastaanottajana. Jos lehtivihreää ei muodostu, ei kasvi pysty vastaanottamaan valoa. Klorofylliä on kasvisoluissa hyvin runsaasti viherhiukkasissa eli kloroplasteissa, joita on eniten kasvin vihreissä osissa. Suurin osa lehtivihreästä on nimensä mukaisesti lehdissä, mutta osa kasveista yhteyttää myös varrellaan. Esimerkiksi mustikan varvut yhteyttävät varsillaan ennen lehtien puhkeamista keväällä.

Valo

Valoenergia saadaan auringosta, lampuista ja tulesta esim. kynttilät.

[muokkaa] Yhteyttämistuotteet

Yhteytyksen perustuote on glukoosi eli rypälesokeri (C₆H₁₂O₆). Glukoosi puolestaan on koko kasvien ainestuotannon lähtökohta. Glukoosin ohella syntyy usein myös muitakin sokerilajeja, kuten hedelmäsokeria (fruktoosia) ja ruokosokeria (sakkaroosia). Enimmillä siemenkasveilla osa rypälesokerista muuttuu jo viherhiukkasissa veteen liukenemattomaksi tärkkelykseksi. Koska tärkkelys värjäytyy voimakkaasti jodilla, on jodikokeella helppo todeta, onko lehdissä tapahtunut yhteyttämistä. Yhteyttämiseen kuluva aika on sekunnista kolmeen sekuntiin valon aallonpituuden mukaan.

[muokkaa] Loppuyhteenveto

Syanobakteerit olivat ensimmäisiä yhteyttäviä eliöitä. Kasvien kloroplastit ovat endosymbioositeorian mukaan syntyneet kasvisolujen sisään joutuneista syanobakteereista. Myös levät voivat yhteyttää (esim. sinilevät). Leviä on sekä yksi-, että monisoluisia. Jäkälä puolestaan on sienen ja mahdollisesti useammankin leväosakkaan symbioosi, jossa on ominaisuuksia molemmista.

Yhteyttämisen myötä happi tuli hiilidioksidin sijasta typen rinnalle ilmakehän toiseksi ainesosaksi. Happamuus väheni huomattavasti ilmasta ja vesistä, mikä mahdollisti monipuolisemman biodiversiteetin.