Du känner solen, höger? Det är den gigantiska bollen med brinnande gas som avger så mycket energi att den driver varje organism på jorden, börjar med våra gröna kompisar, plantorna. Solen avger all slags elektromagnetisk strålning, och växter använder energin som dyker upp i form av synligt ljus för att åstadkomma det vilda, magiskt verkande fotosyntesprocess.

Fotosyntesen är inte magisk, dock - det är bara det häftiga kemiska arbetet med dessa små cellstrukturer som kallas kloroplaster, en typ av organell som bara finns i växter och eukaryota alger (eukaryota medel som har en klart definierad kärna) som fångar solljus och omvandlar den energin till mat för växten.

Kloroplaster utvecklades från forntida bakterier

Kloroplaster fungerar mycket som mitokondrier, en annan typ av organell som finns i eukaryota celler som är ansvariga för energiproduktion, vilket inte är förvånande, eftersom båda utvecklades när en för länge sedan bakterie var innesluten-men inte smälts av! - en större bakterie. Det resulterade i ett slags tvångssamarbete mellan två organismer som vi nu förklarar genom lite något som kallas "endosymbiont -hypotesen". Både kloroplaster och mitokondrier reproducerar sig oberoende av resten av cellen och har sitt eget DNA.

Kloroplaster finns i alla gröna delar av växten, och är i grunden en påse i en påse (vilket betyder att det finns dubbla membran), som innehåller många små påsar (strukturer som kallas tylakoider) som innehåller ett ljusabsorberande pigment som kallas klorofyll, suspenderad i viss vätska (kallad stroma).

Nyckeln till en kloroplasts fotosyntetiska magi finns i dess membran. Eftersom en kloroplast började för länge sedan som en oberoende bakterie med ett eget cellmembran, dessa organeller har två cellmembran:Det yttre membranet är kvar från cellen som omslöt bakterien, och det inre membranet är bakteriens ursprungliga membran. Tänk på det yttre membranet som omslagspapper på en present och det inre membranet som lådan som leksaken kom i från början. Det viktigaste utrymmet för fotosyntes är det mellan lådans insida och leksaken - tylakoiderna.

Kloroplaster kör på lutningar, Som batterier

Kloroplastens dubbla membran skapar två avdelare med fyra olika utrymmen - utrymmet utanför cellen; cytoplasman inuti cellen; stroma inuti kloroplasten men utanför thylakoid (aka utrymmet mellan de inre och yttre membranen, omslagspapperet och lådan); och tylakoidutrymmet - i princip inuti den ursprungliga bakterien. Thylakoiderna själva är bara små högar med påsar täckt i membran - definierade av deras membran, faktiskt. Dessa membran är avdelare som inte låter saker och ting bara kryssa mellan utrymmen, villigt, låta kloroplasten lagra elektriskt laddade partiklar i vissa områden och flytta dem från ett utrymme till ett annat genom specifika kanaler.

"Det är så batterier fungerar, säger Brandon Jackson, docent vid Institutionen för biologiska och miljövetenskaper vid Longwood University i Farmville, Virginia. "Det tar energi att sätta många negativa elektroner i ena änden av batteriet, och många positiva laddningar på den andra. Om du ansluter de två ändarna med en kabel, elektronerna vill verkligen flyta ner för att platta den elektrokemiska gradienten mellan dem. De vill flyta så mycket, att om du lägger något längs den tråden som en glödlampa, en motor eller ett datorchip, de kommer att tränga sig igenom och göra sig användbara när de rör sig. Om de inte gör något nyttigt, rörelsen kommer fortfarande att släppa energi, men precis som värme. "

Enligt Jackson, för att göra ett batteri i en växtcell, det måste finnas en energikälla och några avdelare för att skapa och underhålla lutningar. Om lutningen tillåts platta, en del av den energi som användes för att skapa den flyr. Så, när det gäller kloroplastbatteriet, en elektrokemisk gradient skapas när växten tar in energi från solen och membranen som täcker tylakoiderna fungerar som avdelare mellan olika koncentrationer av vätejoner (protoner) som har rivits av några vattenmolekyler.

Följ energin

Det händer mycket kemi i en kloroplast, men resultatet av kemin är omvandlingen av solljus till lagrad energi - i grunden skapandet av ett batteri.

Så, låt oss följa energin:

Solen skiner på ett blad. Att solenergi exciterar elektroner inuti vattenmolekyler i bladet, och eftersom upphetsade elektroner studsar runt mycket, väte- och syreatomerna i vattenmolekylerna bryts isär, lansera dessa upphetsade elektroner i det första stadiet av fotosyntes - en sammanslagning av enzymer, proteiner och pigment som kallas fotosystem II, som bryter ner vatten, producerar vätejoner (protoner som kommer att användas i batteriet och syrgas som flyter ut i luften som växtskräp).

Dessa elektriska elektroner överförs till några andra membranbundna proteiner som använder den energin för att driva jonpumpar som eskorterar vätejoner från utrymmet mellan membranen till thylakoidrummet, det är där alla ljusberoende reaktioner vid fotosyntes sker. Fotosystem och elektronpumpar täcker ytorna på tylakoidmembranen, pumpa vätejonerna från stroma (vätskeutrymmet mellan thylakoid och det inre membranet) i staplarna och staplarna av thylakoidpåsar - och dessa joner verkligen vill komma ur dessa tylakoider, vilket är det som skapar den elektrokemiska gradienten. På så sätt omvandlas ljusenergi - det där som lyser i ansiktet när du går ut - till ett slags batteri, som de som driver dina trådlösa hörlurar.

Vid denna tidpunkt, fotosystem jag tar över, som ordnar för tillfällig lagring av den energi som genereras av batteriet. Nu när elektronen har fått röra sig längs med lutningen, det är mycket mer avslappnat, så det absorberar lite ljus för att återaktivera det, och överför den energin till ett speciellt enzym som använder den, själva elektronen, och en extra proton för att göra NADPH, som är en energibärande molekyl som ger kortsiktig lagring för kemisk energi som senare kommer att användas för att tillverka glukos.

Vid denna tidpunkt, ljusenergin finns nu på två ställen:Den lagras i NADPH och som den elektrokemiska gradienten av skillnaden i vätejonkoncentration inuti thylakoid jämfört med strax utanför den i stroma.

"Men den höga vätejongradienten inuti thylakoiden vill försämra - den behov att bryta ner, "säger Jackson." Gradienter representerar "organisation" - i huvudsak motsatsen till entropi. Och termodynamik berättar att entropi alltid kommer att försöka öka, vilket innebär att en lutning måste gå sönder. Så, vätejonerna inuti varje tylakoid vill verkligen fly för att jämna ut koncentrationerna på vardera sidan av det inre membranet. Men laddade partiklar kan inte passera genom ett fosfolipid tvåskikt precis var som helst - de behöver någon form av kanal för att gå igenom, precis som elektroner behöver en tråd för att ta sig från ena sidan av batteriet till den andra. "

Så, precis som du kan sätta en elmotor på den tråden, och få elektroner att köra bil, kanalen vätejonerna passerar genom är en motor. Dessa protoner flödar genom kanalen som tillhandahålls för dem, som vatten som rinner genom en vattenkraftsdamm nerför en höjdgradient, och den rörelsen ger tillräckligt med energi för att skapa en reaktion som skapar ATP, vilket är en annan kortsiktig lagringsform av energi.

Nu har den ursprungliga ljusenergin omvandlats till kemisk energi för kortsiktig lagring i form av både NADPH och ATP, vilket kommer att vara användbart senare i de mörka reaktionerna (även känd som Calvin-cykeln eller kol-fixeringscykeln) i kloroplasten, som alla går ner i stroma eftersom denna vätska innehåller ett enzym som kan omvandla NADPH, ATP och koldioxid till sockerarter som antingen matar växten, hjälpa till med andningen, eller används för att framställa cellulosa.

"Komplexa organiska molekyler som cellulosa, som är gjord av glukos, ta mycket energi att göra, och att allt kom från solen, "säger Jackson." Efter energin, det börjar som ljusvågsenergi, sedan upphetsad elektronenergi, sedan elektrokemisk gradient energi, sedan kemisk energi i form av NADPH och ATP. Syregasen andas ut, och NADPH och ATP används inte för att göra andra saker i cellen - istället båda överförs till kolfixeringscykeln, där andra enzymer bryter ner dem, extrahera den energin, och använda den för att bygga glukos och andra organiska molekyler. "

Och allt detta, tack vare en liten organell som kallas en kloroplast.

Eftersom klorofyll är bra på att absorbera rött och blått ljus, men absorberar inte grönt ljus, löv verkar gröna för våra ögon eftersom det är ljusets färg som studsar av det.