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光合作用如何捕获光并为地球上的生命提供能量

叶绿体和线粒体是植物细胞有自己的DNA,并花时间忙着收割光创造地球上的生命的整个基础部分。 Witthaya Prasongsin /盖蒂图片社

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你可能对植物不够欣赏。没关系,我们都不知道。鉴于植物已经我们生活在这个星球上的复杂的肥皂剧的主要参与者,我们应该每天感谢我们的叶友们的存在。

老实说,整个故事是如此的纠结和复杂,我们可能永远不知道我们的绿色祖先是如何让其他人进化的真相,但故事的一个方面当然涉及光合作用——一种植物做出自己的食物在阳光下。

光合作用:生命的钥匙

“欣赏光合作用的一个很好的方法是把地球的大气和我们的‘姊妹’行星的大气进行比较,”地球科学院的名誉教授格雷戈里·施密特说植物生物学系在乔治亚大学。“这三颗行星在形成和冷却时很可能是相似的,但是金星和火星有95%的二氧化碳(CO2),2.7%的氮气(N2)和0.13%的氧气(O2)。地球上的空气是77%的氮气,21%的氧气和0.41%的二氧化碳——尽管这个数字还在上升。这意味着我们的大气中有800亿吨二氧化碳,但还有10000千兆吨- 10000000000吨-失踪或埋在化石石灰石,煤和石油的形式。

换句话说,数十亿年来,碳一直从大气中走私到地壳中,这是这个星球完全可以被多细胞生物居住的唯一原因。

“那么,地球是如何发生这种戏剧性的大气变化的呢?”施密特问道。“答案只有一个,而且很简单:光合作用,地球进化中最神奇的因素。”

绿色革命

光合作用,朋友们。地球形成大约10亿年后,生命出现了——可能首先是一些厌氧菌,从热液喷口喷出的硫和氢被吞噬。现在我们有长颈鹿了。但是,在第一批细菌和长颈鹿之间的道路上有10000亿吨的台阶:那些古老的细菌必须找到一种方法来寻找新的热液喷口,这导致了一种叫做细菌叶绿素一些细菌仍然用它来检测热产生的红外信号。这些细菌是后代的祖先叶绿素一种色素,能够从太阳捕获更短、更高能的光波长,并将其用作能量来源。

因此,本质上,这些细菌创造了一种捕捉阳光能量的方法。下一次进化的飞跃需要找到一种稳定的能量储存方法——制造一种阳光电池,鼓励质子在其内部膜的一侧而不是另一侧积聚。

烧水(光系统II)

植物和藻类进化的真正奇迹在于,在某个时刻,这些古老的产生叶绿素的细菌开始产生氧气。毕竟,几十亿年前,大气中的氧气很少,而且它对许多早期细菌是有毒的(它仍然对地球上的无氧环境中的厌氧细菌有毒)。然而,捕捉和储存阳光的新过程要求参与其中的细菌烧伤水.是的,他们烧了消防员用来灭火的东西。

燃烧过程仅仅是氧化——电子从一个原子上撕下来,并把这些电子转移到另一个原子(称为还原)。早期的光合细菌发展了一种捕获光子的方法,基本上是光的粒子,并利用它们的能量来剥离水中的许多质子和电子,以用于能源生产。

突破性的突破发生在30亿年前,当时光合机制已经完善到叶绿素可以同时分裂两个水分子的程度——现在我们称之为光系统II叶绿素蛋白质簇。”

绿色电池(光系统I)

蓝藻进化一旦这些光合细菌想出如何烧的水和能量从化学反应存储。在光合作用,光系统II(水烧)真的不能没有第二阶段的持续,光系统I,其涉及以电子在第一步骤刷卡关水分子和利用它们它们衰变之前。光系统I通过使机体能够保持这种来之不易的能量,然后将其用于转换CO2转化为糖的细菌作为食物使用的化学装配线坚持这些电子做到这一点。

叶绿体的黎明

一旦光系统I和II整理出来,蓝藻接手海洋,因为氧气是他们的废品,它成为了地球的大气层丰富。其结果是,许多细菌成为好氧 - 也就是说,他们需要的(或至少是容忍),氧为他们的代谢过程。大约十亿年后,原生动物进化如厌氧菌烧剥向上需氧细菌猎物(即不需要生长氧的生物体)。至少有一次,细菌没有被完全消化,但仍维持在细胞内,并最终帮助氧气不耐受的厌氧生物处理与好氧环境。这两种生物粘在一起,并最终演变成一个细胞猎物生物体细胞器称为线粒体.

类似的情况有蓝藻发生约1十亿年前。在这种情况下,有氧原生动物可能狼吞虎咽地吃了蓝藻,它结束了抢摊其主机内部,导致小,膜结合细胞器通用于所有分厂:叶绿体.

由于藻类和多细胞植物进化和地球大气中的二氧化碳丰富和增加氧气受益,叶绿体成为其中光合作用的地方 - 光系统I,II和更复杂的东西 - 在每个单元中去了。就像线粒体,他们有自己的DNA,并花时间忙着收割光的植物,创造了地球上的生命的全部基础。

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