Что природа когда-либо делала для нас? Как деньги действительно растут на деревьях

Тот факт, что мы могли полагаться на так много «солнечного света», хранящегося в нефти и других ископаемых видах топлива, возможно, закрыл нам глаза на эту основную повседневную реальность.

Молекулярный механизм, позволяющий живым организмам получать энергию от Солнца, по-видимому, был впервые «изобретен» на древней Земле цианобактериями. Эти крошечные организмы нашли способ превращать солнечный свет в химическую энергию.

Разработанный ими метод с эволюционными уточнениями был передан сначала простым растениям, а затем сотням тысяч более совершенных видов трав, кустарников, деревьев и других растений, населяющих нашу современную Землю.

Процесс, который впервые появился в то время назад, мы знаем как фотосинтез - термин, буквально означающий «строить с помощью света». Без него могли бы существовать только самые основные формы жизни - например, бактерии, которые получают энергию, необходимую для поддержания своих метаболических процессов, из химических разрядов, обнаруживаемых вокруг вулканических жерл в глубоких океанах.

Он используется множеством форм жизни, размером от одноклеточных водорослей до самых крупных живых существ любого вида - гигантских секвой (секвойи) Калифорнии. Несмотря на разнообразие, все зеленые растения полагаются на чудесный процесс, который позволяет им превращать неорганические молекулы, углекислый газ и воду в органические молекулы - глюкозу, - что, в свою очередь, позволяет производить более сложные соединения с выделением кислорода в качестве побочного продукта.

Превратив солнечный свет в химическую энергию, растения высвобождают ее и снова используют, разрывая связи в глюкозе. Они не все могут хранить глюкозу, поэтому преобразуют излишки в более длинные цепочки вредных сахаров, называемых крахмалом. Этот химический запас энергии позволяет растениям управлять метаболическими процессами, которые обеспечивают жизнь и рост.

Это источник энергии, который позволяет производить многие другие молекулы, такие как жиры, целлюлозу, которая придает структуру растительным тканям, белкам и ДНК, необходимым для воспроизводства. Растения также должны вырабатывать вещество, обеспечивающее фотосинтез, - хлорофилл. Этот замечательный материал позволяет солнечному свету запускать химические реакции, которые приводят к производству глюкозы.

Хлорофилл содержится в основном в листьях растений, в крошечных структурах, называемых хлоропластами. Они размещены внутри жестких целлюлозных стенок растительных клеток, где они толпятся, пытаясь занять место с самым ярким светом, чтобы выполнять свою работу на солнечной энергии. Хлорофилл поглощает красные и синие волны солнечного света, чтобы активировать реакции, которые обеспечивают фотосинтез. Зеленый свет не поглощается, а отражается, поэтому листья выглядят зелеными. Углекислый газ поступает через крошечные отверстия в нижней части листьев (в основном через корни) - и кислород выделяется тем же путем.

Вода поступает через корни из почвы, откуда большинство растений извлекают питательные вещества, включая азот, фосфор и магний, которые необходимы для производства белков и других жизненно важных веществ. Когда наступает засуха, растения должны закрывать поры на листьях, чтобы предотвратить потерю воды; Это означает, что новый углекислый газ не может быть поглощен, фотосинтез должен прекратиться, и тогда листья становятся коричневыми.

Таким образом, большая часть жизни на Земле основана на солнечном свете, углекислом газе, воде, хлорофилле и минеральных веществах.

И не только фотосинтез позволяет растениям расти; это основной источник энергии для всего животного мира, включая нас. Белок в мышцах, которые позволяют мне написать это предложение, и молекулы, которые являются источником энергии для моего мозга, в конечном итоге произошли из органических соединений, производимых растениями. Ископаемое топливо, которое помогало расти, обрабатывать и распространять пищу, которая поддерживает нашу жизнь, также получено из растений, хотя в данном случае из тех, что существовали очень давно.

Вот почему экологи часто называют процесс фотосинтеза «первичной продукцией». Несомненно, это самый важный природный процесс на Земле.

Растения настолько фундаментально важны, что их слишком легко принять как должное. Помимо очевидной функции, которую они выполняют в производстве пищи для животных, они также жизненно важны для поддержания атмосферных условий.

Кислород необходим для живых организмов. Это позволяет им высвобождать химическую энергию, хранящуюся в пище. Мы, люди, дышим воздухом, используем кислород для разрушения энергосодержащих молекул и выделения углекислого газа в качестве побочного продукта.

В далеком прошлом на Земле, задолго до появления высших растений, не говоря уже о животных, атмосфера была богата углекислым газом и метаном - кислород был всего лишь следовым газом. Когда одноклеточные организмы, которые первыми освоили фотосинтез, начали размножаться, они образовали органические молекулы, выделяя кислород в качестве побочного продукта. За сотни миллионов лет они постепенно увеличивали концентрацию этого газа.

Примерно 2,5 миллиарда лет назад в атмосфере было значительное количество кислорода.

Кислород является вторым по распространенности газом в воздухе (после азота), и его уровень сегодня находится в концентрации, позволяющей процветать высокоразвитым животным, и такая ситуация поддерживается растениями. Из-за этого небо стало синим, разнообразие животных увеличилось, поддерживаемое столь же быстрым расширением разнообразия растений.

Газам, выбрасываемым в воздух в любой момент, требуется около восемнадцати месяцев для равномерного распределения в атмосфере. Ветры разносят и перемешивают воздух, так что выдох, который вы только что выдохнули, равномерно распространился по всей Земле в течение полутора лет. Некоторая часть углерода, выделившаяся при вашем первом вдохе в день вашего рождения, теперь заперта в древесине тропического дерева, а часть удерживается в растительных остатках в торфяном болоте.

Другие атомы углерода в этом первом вдохе, в зависимости от того, сколько вам лет, будут входить и выходить из растений и животных несколько раз. Они могли быть в теле мыши после того, как она съела семя. Когда она умерла, они сгнили в почву и снова были выпущены, чтобы быть поглощенными растением и включенным в сахар, который в конечном итоге превратился в яблоко.

Растения и фотосинтез также играют жизненно важную роль в регулировании климата. Растения удаляют углекислый газ из воздуха и строят из него органические молекулы. Затем он включается в листья, стебли и корни, прежде чем в конечном итоге станет органическим веществом почвы, или будет храниться в виде торфа, или даже откладываться в течение очень долгого времени (десятки миллионов лет) в отложениях морского дна, которые в один прекрасный день могут стать нефтью, уголь или природный газ.

Этот аспект фотосинтеза жизненно важен для формирования окончательного воздействия, которое мы оказываем на климат Земли. Но в то время как мир стал озабочен мерами по сокращению выбросов от ископаемого топлива, есть и другие аспекты углеродного цикла, которые также должны быть в центре наших ответных мер.

В одном из исследований австралийской организации CSIRO недавно было показано, почему. Этот орган изучал количество парниковых газов, поглощаемых лесами в процессе фотосинтеза и роста, сочетая данные, касающиеся лесного покрова, с прогнозами изменения климата.