生物学最重要的方程式:“二氧化碳 +水→葡萄糖 +氧”。

最近,我的同事伊桑·西格尔(Ethan Siegel)博士写了一篇文章,解释了为什么f = ma(即力=质量X加速度)是物理学中最重要的方程式。这个看似谦虚的方程式,已知

最近,我的同事伊桑·西格尔(Ethan Siegel)博士写了一篇文章,解释了为什么f = ma(即力=质量X加速度)是物理学中最重要的方程式。这个看似谦虚的方程式被称为牛顿的第二项运动定律,对各个层面的物理学家都有用,甚至给出了有关特殊相对论的提示。

那让我思考:每个科学领域都有这样的方程式吗?一个方程式如此重要,以至于没有它的话题或字段本身就无法存在吗?我认为这是一名微生物学家,得出的结论是,是的,生物学有一个方程:CO2 + H2O→C6H12O6 + O2。 (这是不平衡的版本。平衡版本为:6CO2 + 6H2O→C6H12O6 + 6O2。)。

简单地:二氧化碳 +水→葡萄糖 +氧气。这是光合作用,没有它,可能不会有动植物。

为什么光合作用统治世界

由于我以后将更详细地描述的原因,每个生物都需要三件事:一种能源,碳的来源和电子来源。植物(以及光合作用的微生物)从阳光,二氧化碳的碳以及H2O的电子中获取能量。然而,像光合作用一样重要,请注意,生命本身并不是必需的。微生物已经找到了一种生存的方法,几乎​​可以生存地球上的任何地方。例如,有些人在深海中生存(没有光),从硫化化学物质中获取能量。光线很不错,但没有生命的必要条件。

尽管光合作用不是特别节能,但它是自给自足的最终形式。第一个复合细胞(称为真核生物),以发展光合作用的能力,使已经具有这种能力的细菌吞噬了细菌,形成了互惠互利的关系 – 较小的光合作用的单元在较大的单元内获得了一个不错的家用,在较大的单元内获得了“租金”,在食物和能量的形式。这种关系非常出色,因为这些祖先的合并最终发展成为我们今天拥有的广泛植物。结果,所有植物光合作用(一些寄生虫除外)。解释“二氧化碳 +水→葡萄糖 +氧”

代表光合作用的方程式很简单:给出植物二氧化碳和水,并产生食物(糖)和氧气。但是,幕后是一系列令人难以置信的复杂的生化反应,甚至可能是一小撮量子力学。

让我们从水开始。水是植物需要开始过程的电子的来源。当光(能源)撞击叶绿素(在称为光系统的复杂结构内部,该叶绿素本身就嵌入了称为类囊体的膜中)时,分子会放弃电子 – 继续完成一些令人惊奇的事情。但是叶绿素希望它的电子回去,因此它将其从水分子中窃取,然后将其分成两个质子(H+)和一个氧原子。这使氧原子孤独和不快乐,因此它与另一个氧原子合作,形成O2,即我们呼吸的氧的分子形式。

图片来源:Rao,A.,Ryan,K.,Tag,A.,Fletcher,S。和Hawkins,A。Dexas A&M University / OpenStax生物学系

现在,回到那些惊人的电子。就像“热马铃薯”的游戏一样,电子也会从蛋白质传递到蛋白质。当它们旅行时,它们会导致质子(H+)泵送到膜的另一侧,从而产生强大的电化学梯度,类似于电池。当该“电池”放电时,它会产生一个称为ATP的能量富集的分子。如果牢房有钱,ATP就是钱。但这并不是那些旅行电子的唯一事情。当他们播放热马铃薯时,他们会跳上一个叫做NADPH的分子,可以将其视为电子班车。本质上,NADPH是一种分子,而不是可以在其他地方携带电子,通常是为了构建某些东西。

让我们停下来总结植物到目前为止所取得的成就:它吸收了光,并利用该能量将电子从水中撕开,产生氧气(O2)作为侧产品。然后,它使用这些电子生成“货币”(ATP),之后电子登上公共汽车(NADPH)。现在,是时候花这笔钱了,并将这些电子在称为Calvin Cycle的过程中再利用一段时间了。

图片来源:学分:Rao,A.,Ryan,K.,Tag,A.,Fletcher,S。和Hawkins,A。A. Dexas A&M University / OpenStax生物学系

加尔文周期是二氧化碳(CO2)进入现场的地步。这是通过将二氧化碳与五碳糖混合以产生六碳糖来将二氧化碳“固定”到固体形式中的过程。 (进行这种反应的酶称为Rubisco,可能是地球上最丰富的蛋白质。)请注意,该细胞必须使用先前生成的ATP和NADPH来保持周期的运行。该循环的最终输出是一个称为G3P的分子,该细胞可以用于各种东西 – 从制作食物(例如糖葡萄糖)到构建结构分子,使植物可以生长。谢谢您,光合作用!

现在已经考虑了光合作用方程的每个部分。植物细胞使用二氧化碳(CO2)和水(H2O)作为输入 – 前者可以将碳转换为固体形式,后者将碳转换为电子的来源 – 并创建葡萄糖(C6H12O6)和氧气(O2)和氧气(O2)(O2)为输出。在此过程中,氧气是一种废物,但实际上并非如此。毕竟,植物需要“吃”它制成的葡萄糖,并且需要氧气才能这样做。

学分:信用:Rao,A.,Ryan,K.,Fletcher,S.,Hawkins,A。和Tag,A。Texas A&M University / OpenStax

即使某些微生物没有光或光合作用,地球上的大部分生命都完全取决于它。光合作用提供了我们需要生存的氧气,以及我们为能量和生长所消耗的固体,含碳的分子而生存的氧气。没有光合作用,我们就不会在这里。作为推论,几乎没有足够的阳光来支持光合作用的行星几乎肯定不会容纳复杂的生命形式。

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