Chloroplasten en mitochondriën zijn de delen van plantencellen die hun eigen DNA hebben en hun tijd besteden aan het oogsten van licht om de hele basis voor het leven op aarde te creëren. Witthaya Prasongsin/Getty Images

Waarschijnlijk waardeer je planten niet genoeg. Het is oké - niemand van ons doet dat. Aangezien planten zijn de grote speler in de ingewikkelde soapserie over het leven die ons op deze planeet heeft gebracht, we zouden onze lommerrijke vrienden elke dag moeten bedanken voor ons bestaan.

Eerlijk gezegd, het hele verhaal is zo verward en ingewikkeld, we zullen misschien nooit de waarheid weten over hoe onze groene voorouders iedereen lieten evolueren, maar één aspect van het verhaal heeft zeker te maken met fotosynthese:het vermogen van een plant om zijn eigen voedsel uit zonlicht te maken.

Fotosynthese:de sleutel tot het leven

"Een geweldige manier om fotosynthese te waarderen, is door de atmosfeer van de aarde te vergelijken met die van onze 'zuster'-planeten, " zegt Gregory Schmidt, emeritus hoogleraar bij de afdeling Plantenbiologie van de Universiteit van Georgia. "Alle drie de planeten leken waarschijnlijk op elkaar toen ze zich vormden en afkoelden, maar de atmosferen van zowel Venus als Mars bevatten 95 procent koolstofdioxide (CO2), 2,7 procent stikstof (N2) en 0,13 procent zuurstof (O2). De lucht op aarde is voor 77 procent N2, 21 procent O2 en 0,41 procent CO2 - hoewel dat aantal stijgt. Dat betekent dat er 800 gigaton koolstofdioxide in onze atmosfeer zit, maar er is nog 10 000 gigaton — 10, 000, 000, 000 ton — vermist of begraven in de vorm van fossiele kalksteen, kolen en olie."

Met andere woorden, koolstof is al miljarden jaren uit de atmosfeer en in de aardkorst gesmokkeld, dat is de enige reden waarom deze planeet überhaupt bewoonbaar is door meercellige organismen.

"Dus, hoe gebeurde die dramatische atmosferische verschuiving voor de aarde?", vraagt ​​Schmidt. "Er is maar één antwoord, en het is vrij eenvoudig:fotosynthese, de meest verbazingwekkende factor in de evolutie van de aarde."

Een groene revolutie

FOTOSYNTHESE, vrienden. Ongeveer een miljard jaar nadat de aarde werd gevormd, leven kwam opdagen - waarschijnlijk eerst als enkele anaërobe bacteriën, slurpen de zwavel en waterstof op die uit de hydrothermale openingen kwamen. Nu hebben we giraffen. Maar het waren er 10 000 gigaton stappen op de weg tussen de eerste bacteriën en giraffen:die oude bacteriën moesten een manier vinden om nieuwe hydrothermale bronnen te vinden, wat leidde tot de ontwikkeling van een warmtegevoelig pigment genaamd bacteriochlorofyl, die sommige bacteriën nog steeds gebruiken om het infraroodsignaal te detecteren dat door warmte wordt gegenereerd. Deze bacteriën waren de voorouders van afstammelingen die chlorofyl konden maken, een pigment dat kortere, meer energetische lichtgolflengten van de zon en gebruiken ze als een energiebron.

Dus, in essentie, deze bacteriën creëerden een middel om de energie van zonlicht op te vangen. De volgende evolutionaire sprong vereiste het uitwerken van een middel voor stabiele energieopslag - het creëren van een soort zonlichtbatterij die protonen aanmoedigde om zich op te hopen aan de ene kant van hun interne membranen versus de andere.

Brandend water (Photosystem II)

Het ware wonder van de evolutie van planten en algen is dat, op een gegeven moment, deze oude chlorofyl-producerende bacteriën begonnen zuurstof te genereren. Ten slotte, miljarden jaren geleden, er was eigenlijk heel weinig zuurstof in de atmosfeer, en het was giftig voor veel vroege bacteriën (het is nog steeds giftig voor anaërobe bacteriën die op de zuurstofvrije plaatsen op aarde achterblijven). Echter, het nieuwe proces van het opvangen en opslaan van zonlicht vereiste dat de deelnemende bacteriën water verbranden . Ja, ze verbrandden dat spul dat brandweerlieden gebruiken om branden te blussen.

Het proces van branden is gewoon oxidatie - het afscheuren van elektronen van het ene atoom en de overdracht van die elektronen naar het andere (wat reductie wordt genoemd). Vroege fotosynthetische bacteriën ontwikkelden een manier om fotonen te vangen - in feite deeltjes van licht - en hun energie te gebruiken om water te ontdoen van veel van zijn protonen en elektronen om te gebruiken voor energieproductie.

De doorbraak van doorbraken gebeurde 3 miljard jaar geleden, toen de fotosynthetische machinerie werd geperfectioneerd tot het punt dat chlorofyl twee watermoleculen tegelijkertijd kon splitsen - tegenwoordig noemen we dit een "Photosystem II chlorofyl-eiwitcluster."

Groene batterijen (Photosystem I)

Cyanobacteriën evolueerden toen deze fotosynthetische bacteriën erachter kwamen hoe ze water konden verbranden en de energie van die chemische reactie konden opslaan. Bij fotosynthese, Photosystem II (waterverbranding) kan niet echt worden volgehouden zonder de tweede fase, Fotosysteem I, wat inhoudt dat de elektronen die in de eerste stap van de watermoleculen zijn geveegd, worden verwijderd en gebruikt voordat ze vervallen. Fotosysteem I doet dit door deze elektronen op een chemische assemblagelijn te plakken, zodat het organisme die zuurverdiende energie kan vasthouden, die vervolgens wordt gebruikt om CO2 om te zetten in suiker die de bacteriën als voedsel kunnen gebruiken.

De dageraad van chloroplasten

Toen Photosystems I en II eenmaal waren uitgezocht, cyanobacteriën namen de oceanen over, en omdat zuurstof hun afvalproduct was, het werd overvloedig in de atmosfeer van de aarde. Als resultaat, veel bacteriën werden aëroob - dat wil zeggen, ze hadden zuurstof nodig (of tolereerden ze tenminste) voor hun stofwisselingsprocessen. Ongeveer een miljard jaar later, protozoa evolueerden als anaëroben (een organisme dat geen zuurstof nodig heeft voor groei) die aerobe bacteriële prooien opjagen. Ten minste een keer, de bacterie was niet volledig verteerd, maar bleef in de cel en hielp uiteindelijk het zuurstof-intolerante anaërobe organisme om te gaan met de aerobe omgeving. Deze twee organismen plakten aan elkaar, en uiteindelijk evolueerde het prooiorganisme tot een celorganel dat mitochondriën wordt genoemd.

Een soortgelijk scenario deed zich ongeveer 1 miljard jaar geleden voor met cyanobacteriën. In dit geval, een aerobe protozoa heeft waarschijnlijk een cyanobacterie opgeslokt, die uiteindelijk een winkel opzette in zijn gastheer, resulterend in een kleine membraangebonden organel dat alle planten gemeen hebben:de chloroplasten.

Naarmate algen en meercellige planten evolueerden en profiteerden van overvloedige CO2 en toenemende zuurstof in de atmosfeer van de aarde, chloroplasten werden de plaats waar fotosynthese plaatsvond — Photosystem I, II en zelfs meer gecompliceerde dingen - ging naar beneden in elke cel. Net als mitochondriën, ze hebben hun eigen DNA en besteden hun tijd aan het oogsten van licht voor de plant, het creëren van de hele basis voor het leven op aarde.

Dat is nu interessant

De eerste ijstijd op aarde was waarschijnlijk het gevolg van het feit dat cyanobacteriën zoveel zuurstof produceerden en zoveel koolstof in de atmosfeer opslokten dat de temperatuur kelderde.