|
Dagens Science : Fotosyntese |
14:30:01 |
 Fotosyntese, skovens hjælp til klimaet.
Fotosyntese. Planter optager solens lys, plus CO2 fra luften og vand H2O gennem rødderne og udskiller ilt O2 fra bladene.Under processen bindes kulstof, CO2, fra luften af plantens grønkorn, som igen danner de kul-brinter C6H12O6 som plantedelene er opbygget af. 
Bladets anatomi: 1. Kutikula 2. Epidermis 3. Palissadevæv 4. Svampevæv 6. Spalteåbning 7. Læbeceller 8. Vedkar 9. Sikar 10. Karstreng 
Hereford kødkvæg.Når kvæget så spiser og fordøjer plantedelene, udskilles alle de stoffer, der er medgået ved plantens vækst, så igen. Dels som faste klatter (kokasser), væske (ajle) og dels som forskellige gasarter, herunder CO2 og kulbrinter. Bemærk : Alt hvad der udskilles fra en ko, stammer fra de plantedele, som koen har spist. Der forsvinder således ikke- og der tilføjes heller ikke- noget CO2 eller kulbrinter i processen fra fotosyntese til koens metabolisme. Det er cirkulær (bio)økonomi i stor stil 😀 Det kvælstof der udledes fra koens fordøjelsesproces stammer ligeledes fra de planter koen spiser! At lægge afgifter på køernes såkaldte forurening og gasudledning er en fremragende idé der, som hovedformål kan skaffe lidt midler i den slunkne statskasse 😩
Her ses algen Braarudosphaera bigelowii, der er værtscellen for nitroplast organellet. Mitokondrier og kloroplast er også organeller. Nitroplast findes endnu kun i netop denne alge.
De symbiotiske forhold mellem algen Braarudosphaera bigelowii og den kvælstoffikserende bakterie UCYN-A, som udvikler sig til et endosymbiotisk forhold og siden hen til et organel i værtscellen.
Her ses, hvordan proteiner, Glukose, ATP og ammonium bruges i værtscellen (Braarudosphaera bigelowii). Lys, kuldioxid og kvælstof bruges af cellens organeller til at sikre vækst.
Mitokondrier bruger én del glukose og seks dele ilt i processen oxidativ fosforylering til at skabe 30 dele ATP. I mitokondrier finder stofskifte også sted, hvor vand produceres. Et affaldsprodukt fra disse processer er også kuldioxid (CO2), som udskilles af kroppen, hos hvirveldyr via lungerne. Mitokondrier er stort tilstede i muskelceller, hvor respiration er vigtig for musklers aktivitet.
Kloroplast organellet, eller grønkorn, bruger sollys, seks dele kuldioxid og seks dele vand til fotosyntese processen, hvoraf der produceres seks dele ilt og en del glukose.
Kromatofor organellet er forbundet med små muskelfibre, der er med til at udvide og trække organellet sammen. Hvis det er sammentrukket giver det en mørkere farve, mens udvidelsen giver en lysere farve. Dertil er organellet fyldt med pigment, som alt efter, hvordan de står og er stablet reflekterer lys, så det opfattes som bestemte farver.
Diagram over kulstofkredsløbet.De sorte tal fortæller hvor meget kulstof, der er lagret i de forskellige reservoirer, i milliarder af tons ("GtC" står for giga-ton af kulstof). De blå tal fortæller hvor meget kulstof, der bliver udvekslet mellem reservoirerne hvert år. Sedimenterne, som er defineret i dette diagram, inkluderer ikke de ca. 70 millioner giga-ton af kalksten og (kerogen). Kalksten skal varmes meget op for at frigive kulstof (endoterm proces). |
Videnskab om: Planter og Fotosyntese
Indholdsfortegnelse :Fotosyntese = Lys-sammensætningOversigt 1. De fotokemiske processer 2. Calvincyklus Rækkefølge Sukkerformler Naturens balance - Planter versus dyr Symbiosen Kvælstoffiksering Parasitter Ubalancen Landbruget Rensning vha. bakterier Lidt citater fra Albert Einstein: Forskere forbløffede over planters reaktion på berøring Vil opklare mysteriet Nyt fund kan gøre kvælstof overflødigt i landbruget Effektive afgrøder Nitroplast, afgrøders symbiose forhold til bakterier Planter har aldrig selv kunne fiksere kvælstof grundet et særligt problem. Sådan opstår et nyt organel Nitroplast, hvordan cellen bruger proteiner osv. til vækst Mitokondrier - respiration Organellen kloroplast, grønkorn Kromatoforer - camouflage Kommentarer Nitrogenfangst fra luft
Fotosyntese = Lys-sammensætning 🔝Fotosyntese (af Græsk: φῶς phōs ="lys" + σύνθεσις sýnthesis = "sammensætning") er betegnelsen for levende organismers dannelse af organisk stof ved anvendelse af energi fra lys – hovedsageligt lys fra Solen (solenergi). Energien fra lyset optages ved hjælp af visse farvepigmenter og omdannes til kemisk energi. Processen kan også beskrives som levende organismers omdannelse af lysenergi til kemisk energi. Der er to typer fotosyntiske processer, oxygenisk fotosyntese og anoxisk fotosyntese.Fotosyntesen er ikke kun den vigtigste biokemiske proces på kloden, men også én af de ældste. Ved dannelsen af organiske stoffer danner den direkte eller indirekte energigrundlaget for næsten alle økosystemer, nemlig ved at skaffe dem energi og byggeelementer. Der er fundet bakterielignende mikrofossiler efter organismer, der muligvis havde fotosyntese, og som levede for 3,7 milliarder år siden. Fotosyntesen er en sammensat proces, der foregår hos de grønne planter, alger og visse bakterier (cyanobakterierne) samt hos visse protister. Fotosyntese-organismer kaldes også for fotoautotrofe. Fotosyntesens råmaterialer er CO2 og vand. Energikilden er lys (dvs. elektromagnetisk stråling). Produktet er energirige kulhydrater såsom sukrose, glukose og stivelse. Som et affaldsprodukt dannes der molekylær ilt. Processen påvirkes af omgivelserne, og fotosynteseraten er afhængig af koncentrationen af CO2 i luften, lysintensiteten og temperaturen. Der er næppe tvivl om, at dette forløb er den vigtigste, biologiske proces, da næsten alt liv på Jorden er afhængig af den – direkte eller indirekte. Om natten går fotosyntesen i stå, men planten fortsætter sin ånding. I løbet af et døgn er produktionen af CO2 fra den samlede ånding dog i reglen mindre end udskillelsen af ilt fra dagtimernes fotosyntese. Det er baggrunden for, at man kan sige, at planten producerer ilt. Det udtrykker blot, at planten gennem sit liv har et nettooverskud af iltafgivelse, hvad der hænger nøje sammen med plantens opbygning af organisk stof, baseret på optagelse af CO2. Oversigt 🔝Fotosyntesen består i en række komplekse, biokemiske processer, som dels er lysafhængige og dels ikke-lysafhængige. Nu til dags foretrækker mange at benævne dem primær- og sekundærprocesser, da de andre betegnelser kan være vildledende.I primærprocessen (tidligere: "lysprocessen") dannes der først noget kemisk energi under udnyttelse af sollyset. Den kemiske energi findes i form af ATP og reduktionsmidlet NADPH. ATP og NADPH bliver brugt i den tilhørende, sekundære proces (tidligere: "mørkeprocessen"), sådan at der dannes organiske stoffer, hovedsageligt glukose. I den forbindelse bliver CO2 omdannet til glukose med ATP som energikilde og NADPH som reduktionsmiddel. NADPH afgiver i dette forløb den transporterede brint og to elektroner og bliver derved selv oxideret til NADP+. NADP+ : Nikotinamid-adenin-dinukleotid-fosfat (NADP+ eller – i en ældre skrivemåde – trifosopyridin nukleotid (TPN)) bruges i flere stofskifteprocesser, som f.eks. i dannelsen af lipid og nukleinsyrer, der forudsætter NADPH som reducerende faktor. NADPH er den reducerede form af NADP+, og NADP+ er omvendt den oxiderede form af NADPH. Hos planterne sker dannelsen af glukose i grønkornene, som ligger i cellerne. De lysafhængige processer sker i thylakoiderne, mens de ikke-lyskrævende processer (Calvincyklus) sker i stroma eller i cellens cytoplasma. Fotosyntesen foregår i to trin: 1. I det første trin opfanger "lyskrævende processer" eller "fotokemiske processer" (også kaldet "lysprocesser") elektromagnetisk stråling i form af sollys. Det sker ved hjælp af forskellige farvestoffer (klorofyl-, fykobilin-, karotinoid- og bakterierhodopsinfarver). Umiddelbart derefter følger en omdannelse af den elektromagnetiske energi til kemisk energi, bundet i energirige molekyler. 1. De fotokemiske processer 🔝I de fotokemiske processer eller "lysprocessen" optager et molekyle af farvestoffet klorofyl en foton og mister en elektron. Denne elektron gives videre til en omdannet form af klorofyl, som hedder feofytin, der sender elektronen videre til et quinonmolekyle. Det indleder en elektronstrøm langs en transportkæde, der i sidste ende medfører en reduktion af stoffet NADP, så der dannes NADPH. Desuden skabes der en strøm af brintioner (protongradient) gennem grønkornets membran. Dette overskud udnyttes af enzymet ATP-syntase til en sideløbende dannelse af stoffet ATP. Klorofylmolekylet genvinder den tabte elektron fra et vandmolekyle i en proces, der kaldes fotolyse, og som slutter med at der afgives et O2molekyle til omgivelserne.De fotokemiske processer kan opsummeres sådan: 12 H2O + lys → 6 O2 + 24 H+ ("kemisk energi"). 2. Calvincyklus 🔝I den sekundære proces eller "mørkeprocessen" opfanger enzymet RuBisCO CO2 fra atmosfæren og behandler det ved hjælp af det nydannede NADPH, så der kan dannes kulhydrater med 3 kulstofatomer i et forløb, som kaldes Calvin-Bensons cyklus eller bare Calvincyklus. Disse kulhydrater bliver senere kombineret, så der dannes sukrose og stivelse.I løbet af det andet trin bruger de sekundære processer (også kaldet Calvincyklus og tidligere kendt som "mørkeprocesserne") de energirige molekyler til at opfange og reducere CO2 (også kaldet kulstofbinding). Derved dannes der nye, organiske forbindelser, forløbere for kulhydrater, der bruges af levende organismer både som grundlag for stofskifte med henblik på vækst og som energikilde. En Calvincyklus kan beskrives sådan: 6 CO2 + 24 H+ ("kemisk energi") → C6H12O6 + 6 H2O Dannelsen af disse stoffer udgår i langt de fleste tilfælde fra den meget energifattige, uorganiske kulstofforbindelse CO2. I ganske få tilfælde kan den bygge på simple, energifattige, organiske kulstofforbindelser. Under alle omstændigheder bliver disse udgangsstoffer som nævnt reduceret. Som reduktionsmidler bruges simple, uorganiske stoffer: vand (H2O), molekylært brint (H2), svovlbrinte eller enkle, organiske stoffer (som syrer og alkoholer, som f.eks. eddikesyre eller etanol). Det afhænger af den pågældende organisme og de enzymer, den har til sin rådighed, hvilke af de reducerende stoffer, der bliver brugt. Lysenergien og CO2 bruges til at danne stoffet triosefosfat (G3P). G3P kan derfor betragtes som det umiddelbare slutprodukt af fotosyntesen. Dette stof kan derefter bruges som en energikilde i stofskiftet, eller det kan kombineres og omdannes, så der opstår monosaccharider eller disaccharider. Det er sukkertyper, der kendes som f.eks. henholdsvis glukose eller sukrose. Disse stoffer kan transporteres til andre celler, hvor de kan oplagres som uopløselige polysaccharider som f.eks. stivelse, eller de kan omdannes til afstivende kulhydrater så som cellulose eller glucaner. Rækkefølge 🔝Ovenfor har fotosyntesen været beskrevet i to trin, men disse to kan opdeles i fire faser:I den første foregår energioverførelsen i klorofylet inden for en tidsramme mellem 1 femtosekund til 1 picosekund [1 femtosekund (fa) = 10-15 s og 1 picosekund (ps) = 10-12 s]. I den anden fase foregår overførslen af elektroner i de fotokemiske processer inden for tidsrammen mellem 1 picosekund og 1 nanosekund [1 nanosekund (ns) = 10-9 s]. I den tredje fase, hvor processen drejer sig om elektrontransport og dannelse af ATP, foregår det inden for en tidsrammen mellem 1 mikrosekund [1 microsekund (μs) = 10-6 s] og 1 millisekund [1 millisekund (ms) = 10-3 s). Og i den fjerde fase foregår kulstofbindingen og eksporten af stabile kulhydrater inden for en tidsramme mellem 1 milisekund og 1 sekund. De første tre faser foregår i thylakoidmembranen. Hver eneste af faserne i fotosyntesen finder sted i et særligt organel: grønkornet. Dette organel har meget varierede membranstrukturer, hvor der sidder adskillige typer af proteiner. Blandt dem har de såkaldte "antenner" et stort antal farvestoffer, hvor de mest kendte er klorofylfarverne. Disse antenner øger den effektive del af systemet, der skal indfange lysenergi og tillade at skabe den energistrøm, som fører videre til andre proteiner i membranerne. Her findes centrene for de processer, der omformer lysenergi til kemisk energi. Opsummering Når udgangspunktet er CO2, kan fotosyntesens bruttoformel opstilles generelt og forenklet på følgende måde: 2 H2A + CO2 → < CH2O > + 2 A + H2O H2A står her som alment symbol for det reducerende stof og Fotosyntesen spalter vand for at frigøre H2 og binder CO2 i sukker Med ilt som det reducerende stof kan ovenstående formel alternativt skrives som: 12 H2O + 6 CO2 + fotoner → C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O I kemitekster på begynderniveau vises formlen ofte i en endnu mere forenklet form (bemærk, at 6 enheder vand udelades på begge sider af pilen): 6 H2O + 6 CO2 → C6H12O6 + 6 O2 Det bør bemærkes, at "kemisk energi" i virkeligheden henviser til 12 molekyler NADPH + H+ og ATP. Det er nævnt, at 2. trin bruger kemisk energi, som er dannet under det 1. fotokemiske trin. Det 2. trin er derfor lige så afhængigt af lyset som det 1., bare indirekte. Det er grunden til, at den ofte brugte vending, "mørkeprocessen", er ude af trit med virkeligheden. Sukkerformler 🔝Glukose (druesukker eller dextrose) er et simpelt sukkerstof (et monosakkarid), som har den kemiske formel C6H12O6. Glukose smager ikke helt så sødt som almindeligt Sukrose, C12H22O11, der er det sukker vi kender fra kaffen og ikke mindst kagerne.Den anvendte simple formel: C6H12O6 for sukkerstof dækker over sukkertyperne:
Andre sukkerarter og deres kemiske formler omfatter:
Mange sukkerarter deler den samme kemiske formel, så det er ikke en god måde at skelne mellem dem. Ringstrukturen, placeringen og typen af kemiske bindinger og tredimensionel struktur bruges til at skelne mellem sukkerarter. Sukrose eller sakkarose (også kaldet køkkensukker, raffineret hvidt sukker eller sukker uden fiber; kemisk formel: C12H22O11) er et kulhydrat. Det er et disakkarid sammensat af glukose og fruktose vha. en glykosidbinding og en fruktosidbinding. Sukrose er 50 % glukose. Hvis kroppen ikke indtager tilstrækkelige mængder glucose, stivelse eller andre kulhydrater som ender i form af glukosemolekyler efter at være blevet fordøjet, så producerer kroppen selv den relativt begrænsede mængde som er nødvendig for at hjernen og nervesystemet kan fungere, og der suppleres med ketonstoffer fra nedbrydning af kroppens fedt. De resterende 50 % af sukrosemolekylet er fruktose. Fruktose i større mængder, især i raffineret form som sukrose, er årsag til fedme og insulinresistens. Det sultregulerende hormon leptin registreres ikke af hjernen, da insulin blokerer for signalet. Fruktose er ikke essentielt for nogen kropsfunktion. Naturens balance - Planter versus dyr 🔝Dyr (og mennesker) kan ikke leve uden planter og planter kan ikke leve uden dyr, sådan er det bare. Det kræver en perfekt symbiose som, med visse variationer, har bestået de seneste mange millioner af år.Da mennesket overtog jordkloden for omkring 300.000 år siden var den symbiose nogenlunde i balance. Symbiosen 🔝Symbiose er betegnelsen for samliv mellem forskellige arter (af græsk: sym = "sammen" + bios = "liv"), hvad enten der er tale om samliv mellem planter, dyr eller bakterier, eller mellem disse grupper indbyrdes.Mennesker og dyr skal bruge ilt for at leve, ellers kvæles og dør vi. Planter skal bruge kultveilte for at leve, ellers visner og dør de. Mennesker og dyr (alle amimalske væsner) bruger ilt og producerer kultveilte. Planter bruger kultveilte og producerer ilt. Det er jo perfekt - sålænge det er i balance. Amimalske væsner skal bruge næring i form af, sukkerstof (=kulhydrat) og en smule proteiner samt vand for at overleve. Planter skal bruge kvælstof (Nitrogen) og vand, samt sollys for at overleve. Animalske væsner spiser planter der indeholder kulhydrat (C6H12O6) og proteiner (visse bælgfrugt planter). Animalske væsner udskiller kvælstof (og kultveilte) via deres fordøjelse og tarmsystem mv., samt deres åndedræt. Animalske væsner spiser desuden hinanden, de er meget proteinholdige, så (næsten) alt nedbrydes og bliver til plantenæring. De rester der ikke bliver spist af andre animalske væsner eller af insekter og orme, nedbrydes af bakterier. Planter bruger dette kvælstof (gødning) plus CO2 og vand, som findes i store mængder på planeten, til at danne kulhydrat (og ilt, O2). På sigt er der intet, der går til spilde. Det er jo også perfekt - sålænge det er i balance. Nitrogen (kvælstof) findes i alle levende organismer, i proteiner, nukleinsyre og i andre molekyler. Det udgør typisk 4% af den tørre vægt af plantemateriale og omkring 3% af menneskets masse. Nitrogen udgør også en stor andel af animalsk affald (f.eks. guano), oftest i form af urinstof, urinsyre, ammonium-forbindelser eller derivater af disse nitrogen-produkter. Affaldsstofferne er vigtige næringsstoffer for alle planter, der ikke selv er i stand til at fiksere ("omdanne") nitrogen. Det er jo igen perfekt - sålænge det er i balance. Kvælstoffiksering 🔝Kvælstoffiksering er en proces, hvor det forholdsvis inaktive, molekylære kvælstof tages fra luften og omdannes til biologisk nyttige forbindelser som f.eks. ammonium, nitrat og kvælstofilte.I naturen udføres kvælstoffiksering af et antal forskellige mikroorganismer, som f.eks. actinomyceter og cyanobakterier. Planter kan ikke udføre kvælstoffiksering selv, men mange højere planter har skabt symbioser med kvælstoffikserende mikroorganismer. De bedst kendte er bælgplanter såsom kløver (Trifolium), der danner knolde på rødderne, hvor de huser bakterier, der danner brugbare kvælstofforbindelser. På den måde bliver bælgplanterne selvforsynende med kvælstof, men da de taber en hel del via utætheder i rodsystemet, gøder de også deres nærmiljø. En hel del træer har også fundet fidusen, bla. el, pil og poppel. Disse arter er ofte knyttet til fugtig eller våd (oversvømmet) bund og optræder hyppigt som pionerplanter, da de formår at skaffe sig organisk kvælstof gennem rodsymbiose med Frankenia-aktinobakterier. Parasitter 🔝Som det måske kan udledes af ovenstående, så ville planteverdenen kunne overleve, uden dyreliv, i symbiose med udelukkende de kvælstoffikserende mikroorganismer, altså uden de animalske væsner.Kultveilte, CO2, frigives til atmosfæren når planterne dør og enten forrådner eller fortæres af ild. Som det måske også kan udledes vil dyrene ikke kunne overleve uden planteriget og dettes iltproducerende fotosyntese. Dyrelivet kan med andre ord opfattes, som en slags parasitter på planteverdenen. Dyrene er hurtige til at omsætte plantematerialet til CO2 og kvælstof N2 og andre nitrogener, som planterne kan genbruge direkte. Dyrelivet sikrer en lynhurtig omsætning og klargøring af plantestofferne til genbrug i nye planter. Planter er immobile - dyrene er bevægelige og muliggør spredning af planterarter og gødning til nye områder. Og det er jo, som tidligere nævnt perfekt - sålænge det er i balance. Ubalancen 🔝Menneskeheden har i de seneste århundreder været inde i en eksponentiel vækstspiral. Ikke mindst på grund af den moderne teknologi og videnskab.Se blot på den seneste Corona pandemi. Hvis den var forekommet for bare 50 år (måske endnu mindre?) siden, havde vi ikke haft midler eller viden og teknologi til at bekæmpe den. Verdensbefolkningen ville have været halveret, storbyer ville ligge øde, alt ville være kaos, megen viden ville være gået tabt 😩 Det var godt, vi havde den fornødne viden og teknologi ! Men kan symbiosen stadig være i balance? Svaret er kort men frygteligt: NEJ ! Vi (menneskeheden) har længe levet over evne. Vores forbrug kræver mere af planeten, ca. 1½ gang mere, end den kan bære på sigt. Vi rydder regnskovene på grund af gemen profit og vi dyrker foder til vores slagtedyr på de ryddede arealer. Sojamarker udleder langt mindre ilt til atmosfæren end regnskoven gjorde. De stigende befolkningstal og deraf følgende: Flere slagtedyr udleder til gengæld langt mere CO2 og metangas end den svindende vegetation herunder også havets plankton kan optage. Plankton vil på sigt også tage skade af vores stigende udledning af kvælstof til havet, med deraf følgende iltsvind i havvandet som resultat. Planterne og deres fotosyntese kan slet ikke følge med i symbiose-kapløbet. Og oven i det, har vi global opvarmning og tørke, som forårsager at store skovområder nedbrænder, med stort iltforbrug og høj CO2 udledning til følge. Mindre skov afgiver mindre ilt. Stigende CO2 samt iltforbruget, begge fra afbrændingen → Giver større drivhuseffekt !!! Det er jo IKKE særligt perfekt - og overhovedet IKKE i balance. Vi er blevet for kloge for vores eget bedste, men ikke kloge nok til at undgå krige og bomber. Vi har fremavlet husdyr med høj vækst og ydelse (læs profit), men naturens vilde dyr fortrænges og uddør. Vi har fremavlet afgrøder med hurtig vækst og højt udbytte (læs profit), men naturens vegetation må vige til fordel for motorveje og byggeri, altsammen til industri og boligmasse. Menneskeheden har skylden for ulykkerne - og de har ansvaret over for de kommende generationer til, at bevare især planetens planteliv, men også dyrelivet. Vi mennesker og dyr kan IKKE eksistere uden de grønne planter. Alle områder på vores planet skal, om muligt, være beplantede ! Der skal også gøres noget ved overbefolkningen (og den deraf følgende forurening) og det helst i en fart !!! - I går var det allerede for sent ! Landbruget 🔝Landbruget får jo skylden for alle vores problemer. Men er det nu også kun landbruget, der udleder kvælstof til vore vandløb og dermed til havet ?Nej - det er ikke kun landbruget der er synderen. Det behøver vel ikke nævnes, hvor forurenet Seinen lige pludseligt blev, på grund af et uventet regnskyl i Paris under Oplympiaden 2024? Store mængder kloakvand med Koliforme bakterier blev udledt til floden fordi byens regnvandssystemer ikke kunne klare spidsbelastningen og derfor svømmede over og trængte sig videre til kloaksystemerne, som heller ikke kunne klare det og det hele havnede i floden - urenset! Overalt i verden findes der utilstrækkeligt dimensionerede rensningsanlæg, som udleder store mængder urenset, eller dårligt renset kloakvand, der tilsidst havner i havet. Og det er menneskeligt genereret kvælstof og fosfor, ikke landbrugs relateret kvælstof og fosfor. Der er langt flere mennesker på kloden, end der er slagtedyr. Hvordan renser man egentligt kvælstof og fosfor ud af spildevand ??? Man kan jo sprede det ud over et jordareal og lade nogle planter omsætte kvælstof og fosfor (rodzoneanlæg). Man kunne også sende spildevandet til et rensningsanlæg, der bruger iltforbrugende mikroorganismer mv. Se herunder. Rensning vha. bakterier 🔝For at fjerne nitrogen (kvælstof) og fosfor fra spildevand er det især tre typer af mikroorganismer, der er væsentlige:De nitrificerende bakterier omsætter ammoniak-kvælstof til nitrat-kvælstof. Denne proces sker under iltrige (aerobe) forhold. De denitrificerende bakterier omsætter den dannede nitrat til luftformig kvælstof. Bakterierne omsætter organisk stof ved forbrug af den bundne ilt, der indgår i den nitrat, som de nitrificende bakterier har dannet (anoxisk proces). Herved frigøres ren kvælstof, som forsvinder op i atmosfæren, der i forvejen består af ca.78% kvælstof. De fosforakkumulerende bakterier er i stand til at optage ekstra store fosformængder i cellerne. Fosforen anvendes som ernergikilde under opformeringen, som sker under iltfrie (anaerobe) forhold ved omsætning af organisk stof. Fosfor frigives samtidig fra cellerne. Under iltrige forhold optager de fosforakkumulerende bakterier igen større fosformængder i cellerne. Lidt citater fra Albert Einstein: 🔝De problemer, der eksisterer i verden i dag, kan ikke løses med det niveau af tænkning, der skabte dem.A clever person solves a problem. A wise person avoids it. Intellectuals solve problems, geniuses prevent them. E=mc2 Forskere forbløffede over planters reaktion på berøring 🔝De grønne organismer viser sig at være langt mere fintfølende end forskerne hidtil troede.De kommunikerer med hinanden gennem kemiske signaler og kliklyde, genkender slægtninge og går i dvaletilstand, når mørket falder på. Planternes hemmelige liv har de seneste årtier vist sig at være langt mere avanceret, end vi hidtil har forestillet os. Nu har en gruppe forskere fra blandt andet Washington State University opdaget endnu en overraskende evne blandt de jordbundne organismer. I en række forskellige eksperimenter i laboratoriet viste det sig nemlig, at planternes celler både reagerer, når de berøres - og i det øjeblik berøringen stopper igen. Tidligere undersøgelser har allerede vist, at planter registrerer berøring og endda bruger det samme signalstof som pattedyr til at opdage angreb og skader. Men undersøgelsen fra USA afslører nu, at cellerne udsender forskellige signaler, alt efter om berøringen begynder eller slutter. Og det kommer bag på forskerne. "Det er overraskende, at planter kan gøre det her på en meget anderledes måde end dyr - uden nerveceller og på et meget højt niveau," lyder det fra Michael Knoblauch, som er hovedforfatter bag undersøgelsen, der er udgivet i Nature Plants. Han og kollegerne udførte hele 84 eksperimenter på 12 planter, der var fremavlet specielt med såkaldte calcium-sensorer. Stykker af planterne, som enten var tobaksplanter eller urten Almindelig gåsemad, blev placeret under et mikroskop. Herefter påførte de planterne en lille berøring med et tyndt glasrør på størrelse med et menneskehår. Vil opklare mysteriet 🔝En af opdagelserne var, at berøringen satte gang i en kavalkade af komplicerede reaktioner, og at reaktionerne varierede alt efter forskernes tryk og varigheden af det.Forskerne kunne også se en klar og tydelig forskel på planternes reaktion, fra berøringen begyndte til den stoppede igen. Planter kan se, sove og sludre Undersøgelser har vist, at planter er udrustet med mange af de samme evner som dyr. For eksempel kan de både sanse deres omgivelser ved hjælp af særlige lyssensitive celler i bladene, sove ved at ændre saftspændingen i deres celler og tale med hinanden gennem luftbårne kemiske signaler. I løbet af de første 30 sekunder efter berøring så forskerne, hvordan langsomme bølger af calcium-ioner vandrede fra den berørte plantecelle til de omkringliggende celler i langsomme bølger, der varede omkring tre til fem minutter. Da forskerne fjernede det tynde glasrør igen, udsendte plantecellerne øjeblikkeligt en række hurtigere bølger, der forsvandt igen inden for et minut. "Mennesker og dyr fornemmer berøring gennem sensoriske celler. Mekanismen i planter ser ud til at være gennem stigning eller sænkning af det indre celletryk," lyder det fra Michael Knoblauch. Hvordan planternes gener reagerer på calcium-bølgerne fra de enkelte celler, ved forskerne endnu ikke. Men håbet er, at det snart bliver muligt at opklare mysteriet med de nye teknologier, der også er brugt i denne undersøgelse. Nyt fund kan gøre kvælstof overflødigt i landbruget 🔝Den marine alge ved navn Braarudosphaera bigelowii, er værtscelle for organellet nitroplast. Nitroplast organellet giver algen evnen til at fiksere kvælstof. En coccolit er et skjold som flere marine alger bygger om sig selv. Coccolitter har forskellige former alt efter, hvilken alge, der er tale om.Opdagelsen af en alge, der kan trække kvælstof ud af luften, kan revolutionere landbruget om 10-20 år. I en verden, hvor fødevaresikkerheden er udfordret, og vandmiljøet i stigende grad er forurenet med kvælstof, er verdens øjne rettet mod landbruget. Kvælstof er dog ikke kun en forurenende, men også en vigtig faktor. Planter har brug for kvælstof for at vokse, danne grønkorn og opretholde DNA - de kan dog ikke selv fiksere kvælstofet, og det er derfor, markerne gødes med en masse kvælstof-kunstgødning. Det kan den såkaldte ‘nitroplast' potentielt lave om på. Nitroplast er navnet på et nyligt opdaget kvælstoffikserende organel, som er fundet i en alge. Organeller er en membran-afgrænset struktur, som har en bestemt funktion i cellen. Denne kvælstoffikserende evne i nitroplast-organellet kan potentielt indføres i planteafgrøder og gøre udbyttet større samtidig med, at brugen af kvælstofgødning falder. »At finde et nyt organel er epokegørende, Disse organeller er enormt vigtige grundsten for livet, som vi kender det. De er faktisk skyld i det,« siger professor fra Institut for Molekylærbiologi og Genetik på Aarhus Universitet og fortsætter: »At det er et kvælstoffikserende organel er utroligt. Der har altid været den antagelse, at kvælstoffiksering kun har været en evne hos prokaryote (encellede uden organeller.) organismer som bakterier og arkæer.« I modsætning til de prokaryote organismer findes de eukaryote, som har cellekerne og organeller og derfor er mere komplicerede. Her finder vi bl.a. alger, planter, svampe og dyreceller. Effektive afgrøder 🔝De fleste planter har godt nok fra naturens hånd et symbiotisk forhold til fritlevende kvælstoffikserende bakterier i jorden omkring rødderne, så i princippet kan de selv indhente det kvælstof, de har brug for.Men disse bakterier fikserer fortrinsvis den kvælstof, de selv kan anvende, og så skal kvælstoffet også være tilgængeligt lige rundt om planten i jorden, hvor bakterierne er. Så for at maksimere udbyttet i landbruget, gødes jorden med ekstra kvælstof, så bakterierne har mere at give til afgrøderne. Nitroplast, afgrøders symbiose forhold til bakterier 🔝Her ses forskellige planter med forskellige rodsystemer og forskellige symbiotiske forhold til kvælstoffikserende bakterier. Symbioseforhold mellem plante og kvælstoffikserende bakterier sker særligt mellem bælgplanter og Rhizobium bakterier (til venstre), hvor bakterierne lever i knolde på rødderne, der holder ilt ude. Forholdet mellem plante og bakterier er mest givende ved bælgplanter. Det sker også mellem kornplanter og endofytiske bakterier som Azospirillum lipoferum (i midten), hvor bakterierne er inde i rødderne. Mellem risplanter og de kvælstoffikserende bakterier Azotobacter og Azospirillum (til højre) er bakterierne i jorden omkring rødderne.Det er så her, ‘nitroplast' kan tage over for bakterierne, fordi det tillige gør det muligt for planten at trække kvælstof ud af luften, så tilsætning af ekstra gødning kan blive mindre nødvendigt. Hvis overhovedet. Planter har aldrig selv kunne fiksere kvælstof grundet et særligt problem. 🔝»Der har altid været en modsætning mellem iltoptag og kvælstoffiksering, fordi nitroganaserne (proteinerne, som bakterierne bruger til at omdanne kvælstof-gassen til ammonium med.) bliver ødelagt af ilt.Planteceller skal bruge ammonium til at vokse og danne grønkorn, men når fikseringen skal foregå i iltfri omgivelser - og selve fotosyntesen også producerer ilt - så kan de to funktioner ikke foregå i samme celle. Det har forskningsverdenen forsøgt at lave om på i flere år. Nitroplast kan imidlertid være det sidste skub for at komme i mål. For med det organel kan cellen både arbejde med ilt og kvælstof, og har derfor ikke brug for hjælp udefra. »Der er flere igangværende projekter, hvor det forsøges at sætte kvælstoffiksering ind i mitokondrier, og de ville kunne lære en masse af de processer, der muliggør nitroplast«. »På nuværende tidspunkt har vi et godt indblik i biokemi og genetikken omkring kvælstoffiksering, men vi mangler stadig nogle komponenter som skal til før end det lykkes. Så vi ser på 10-20 år før de mere ambitiøse projekter med overførsel af gener og nitroplast kommer ud i virkeligheden,« fortælles det og, at vi trods alt har mindre teknologiske virkemidler, som kan tages i brug nu og her. »Vi kan udnytte bælgplanter bedre. De er bedre til at fiksere kvælstof end andre planter, på grund af deres symbiotiske forhold med bakterier i rodknolde.« Relativt simple tiltag som at øge arealet af bælgplanter og plante dem sammen med andre afgrøder vil gøre en stor forskel. Det kan eksempelvis være hestebønner plantet sammen med hvede, som sammen vil kræve langt mindre kvælstofgødning. Sådan opstår et nyt organel 🔝Det var forskere fra Californien Universitet i Santa Cruz, UCSC, der fandt den kvælstoffikserende organel i en alge. Men opdagelsen kom ikke ud af det blå. Den har faktisk været mere end 25 år undervejs.I 1998 fandt en forsker fra UCSC DNA fra en ukendt kvælstoffikserende bakterie i Stillehavet. Opdagelsen blev fulgt af årtiers forskning af organismen, som siden hen fik navnet UCYN-A. Samtidig arbejdede forskere fra Kochi Universitet i Japan på at undersøge marine alger, og i de undersøgelser fandt de en alge ved navn Braarudosphaera bigelowii. Det viste sig at være værtsorganisme til UCYN-A. I mange år troede forskerne, at de havde fundet et endosymbiotisk forhold mellem en alge og en kvælstoffikserende alge. Altså et forhold, hvor bakterien er optaget af værtscellen, men stadig er sin egen celle. Forskerne fra UCSC havde dog en hypotese om et nyt organel, og derfor har de gennem de seneste år forsøgt at påvise den hypotese. Det lykkedes så i april måned 2024. Forskningen viser, at forholdet mellem algen og bakterien gennem årene gik det fra at være symbiotisk til, at bakterien blev en del af algen. Den blev til et organel og mistede størstedelen af sit eget DNA til værtscellen. Der bruges særligt to kriterier til at bestemme, om en bakteriecelle er blevet et organel i en eukaryot værtscelle. For det første skal cellestrukturen føres videre til efterkommerne, når værtscellen deler sig. Og her fandt forskerne, at nitroplast-organellen deler sig i to, lige inden algen gør det. For det andet skal organellet være afhængig af protein fra værtscellen. Forskerne fandt, at organellet ikke selv har alle de nødvendige proteiner til at opretholde dets biokemiske processer, men i stedet fik tilført essentielle proteiner fra algen. Nitroplast, hvordan cellen bruger proteiner osv. til vækst 🔝Denne proces, hvor et organel opstår i en eukaryot celle, er kun sket fire gange de seneste 1,5 milliarder år.Her kan du få en kort gennemgang af de andre tre. Se også de 3 skitser til venstre med Mitokondrie, Kloroplast (grønkorn) og Kromatofor organellerne. Mitokondrier - respiration 🔝Den første gang, processen fandt sted, menes at have været for omkring 1,5 mia. år siden, da mitokondriet opstod i eukaryote celler. Mitokondrier er cellestrukturer, som medvirker til energistofskiftet. De kaldes cellens kraftværker, fordi det primært er i mitokondrierne, cellens energimolekyle ATP dannes.Mitokondrier bruger én del glukose og seks dele ilt i processen oxidativ fosforylering til at skabe 30 dele ATP. I mitokondrier finder stofskifte også sted, hvor vand produceres. Et affaldsprodukt fra disse processer er også kuldioxid (CO2), som udskilles af kroppen, hos hvirveldyr via lungerne. Mitokondrier er stort tilstede i muskelceller, hvor respiration er vigtig for musklers aktivitet. Det menes, at mitokondrierne opstod, da en ukendt værtscelle optog en bakterie ved navn alphaproteobacteria. I dette symbiotiske forhold kunne bakterien bruge ilt til at danne ATP, og på den måde er respiration knyttet til mitokondrierne. Respiration muliggjorde alt liv, som er mere kompliceret end bakterier. Og den er i dag del af langt de fleste eukaryote celler. Organellen kloroplast, grønkorn 🔝Anden gang, et organel opstod, var for omkring en mia. år siden, og dengang startede det en evolution for planter. Organellen kloroplast, som også kaldes grønkorn, er grundlæggende for planters evne til at lave fotosyntese.Disse grønkorn i plantecellerne indeholder et pigment ved navn klorofyl, som er med til at indfange solens stråle energi og lave det om til kemisk energi, som kan bruges af organismen. Det er også grønkorn, der giver bladets grønne farve. Kloroplast organellet, eller grønkorn, bruger sollys, seks dele kuldioxid og seks dele vand til fotosyntese processen, hvoraf der produceres seks dele ilt og en del glukose. Dette banebrydende organel har sin evolutionære begyndelse i primitive former for cyanobakterier, som blev opslugt af en eukaryot celle uden evnen til fotosyntese. Cyanobakterier kaldes også for blågrønalger, selvom de ikke er beslægtet med alger, og det er en gruppe kerneløse organismer, som laver fotosyntese for at overleve. I løbet af millioner af år i et symbiotisk forhold mistede bakterierne deres DNA og endte dermed ud som en del af den eukaryote plantecelle. Kromatoforer - camouflage 🔝Det tredje tilfælde var også med til at skabe en banebrydende evne, men den er ikke nær så kendt eller nær så undersøgt som de andre, fordi den ikke har været en lige så stor grundsten for livet på jorden.Det var nemlig skabelsen af organellet ved navn kromatofor, som er en pigmentfyldt cellestruktur, der gør det muligt for en organisme at skifte farve. Kromatofor-organellet menes at kun være omkring 100 mio. år gammel, og menes at være opstået på samme måde som de andre organeller. Kromatofor organellet er forbundet med små muskelfibre, der er med til at udvide og trække organellet sammen. Hvis det er sammentrukket giver det en mørkere farve, mens udvidelsen giver en lysere farve. Dertil er organellet fyldt med pigment, som alt efter, hvordan de står og er stablet reflekterer lys, så det opfattes som bestemte farver. Organellet kan findes i hudceller hos bestemte arter af både fisk, insekter, krybdyr og bløddyr. Men den mest effektive udgave af kromatoforer findes i blæksprutter, hvor flere lag af celler gør det muligt for dyret at skifte til en bred vifte af farver. Samtidig kan nogle blæksprutter skifte farve på under en tiendedel af et sekund. Hastigheden hænger dog ikke sammen med cellen som sådan, men menes at være forbundet med, hvordan blæksprutters hjernesignaler fungerer. Kommentarer 🔝Som nævnt i artiklen kan bønner, ærter mv. kun hente luftens kvælstof ved brug af symbiose med bakterier. Det nye er at nitroplast åbner for, at planterne selv kan gøre det uden det symbiotiske forhold.Nitrogenfangst fra luft 🔝Som landmand, eller som parcelhusejer, har man altid benyttet mig af, at nogle planter, f.eks. kløver og bønner og ærter m.v. er gode til at fange nitrogen fra luften. Ved brug af sædskifte tilførte vi således nitrogen til næste års planter.Så, hvad er det lige, der er nyopfundet? Det er utroligt interessant, men er jo ikke tilgængelig teknologi. Det er bælgplanterne, men det er faktisk ikke bælgplanterne, som er bedst til at fiksere kvælstof. Det er derimod flydebregnen azolla. Bælgplanternes store fordel er, at de er kendt landbrugsteknologi, selvom landbruget aldrig har arbejdet på systematisk at optimere brugen af dem. Men lad os se lidt på mulighederne med azolla. Hollandske forskere er gået foran med undersøgelserne. Lidt "data" fra undersøgelsen om dyrkning med forhøjet CO2 koncentration (800 ppm): TS (TS = Tørstof) udbytte på 48,3 tons/ha, proteinudbytte på 11,8 tons/ha og kvælstoffiksering på 4,1% af TS udbyttet (2 tons/ha). Det er 4-5 gange mere end det man kan opnå med de bedste bælgplanter. Skulle landbruget udnytte mulighederne i azolla, kan man udnytte at planten er lav og vokser godt i lavt vand (eksempelvis 2,5 cm vand), så man med led belysning formentlig kan dyrke en 20-30 lag ovenpå hinanden. Det forhøjede CO2-niveau kunne så stamme fra stalde med dyr. Den ide overvejede man allerede for en del år siden i "Pig City" konceptet, til at bruge slagtesvins respiration til at øge udbyttet i tomatplanter (som også responderer rigtig godt på forhøjede CO2-niveauer). Samlet kunne man forestille sig en integreret storproduktion af svin, kaniner, slagterier, græsprotein, tomater, biochar og biogas, hvor kløvergræs og azolla supplerer hinanden til proteinproduktion, idet deres aminosyreprofiler passer godt sammen (cysteinindholdet i azolla er eksempelvis bedre end i kløvergræs). Samtidig kan luften fra svine- og kaninstalde "ilte" azollavandet, som til gengæld kan fjerne ammoniak og metan fra luften. Herfra kan luften så føres til tomatplanterne. Samspillet vil kunne spare en masse transportudgifter, gøre det realistisk at udnytte svinegylle til biogas og i øvrigt give markante løft i dyrevelfærden, dels via bedre luftrensning i staldene, bedre plads og at man slipper for dyretransporter ved slagtning (bilisterne vil næppe savne de transporter). Ulempen er, at man skal op i virkelig storskala for at realisere de potentielle gevinster. Til gengæld bruger man i princippet kendte teknologier til produktionen, i stedet for at vente på, at forskerne måske får skabt kvælstoffikserende landbrugsplanter via genmanipulation... Der nævnes: "Planter har brug for kvælstof for at vokse, danne grønkorn og opretholde DNA - de kan dog ikke selv fiksere det" Det er ikke helt korrekt, visse planter kan fiksere kvælstof fra luften, særligt bælgplanter som ærter, lucerne osv. Det er en af grundene til, at vekseldrift er en god ide. Hvis identifkationen af det "organ" i plantecellen, der står for fikseringen af kvælstof fra luften, fører til, at denne egenskab kan introduceres i andre almindeligt dyrkede plantearter, har opdagelsen selvfølgelig et stort potentiale. |
|
