Informasi

Berapa kali fotosintesis berevolusi?

Berapa kali fotosintesis berevolusi?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Apakah itu 1 dan selesai? Tumbuhan tampaknya telah mengembangkan fotosintesis dengan endosimbiosis cyanobacteria. Apakah yang terakhir ini adalah satu-satunya waktu dalam sejarah Bumi bahwa proses itu terjadi secara independen?

Setiap jawaban akan sangat dihargai


Munculnya fotosintesis telah terjadi agak independen di beberapa organisme. Salah satu cara untuk melihat ini adalah dengan melihat distribusi taksonomi pusat reaksi fotosintesis, yang menunjuk ke 5-10 asal menurut data saat ini (kebanyakan pada bakteri). Angka itu memiliki beberapa batang kesalahan besar seperti yang kita bicarakan tentang cabang pohon kehidupan yang sangat dalam dan tua.

Ada kriteria lain yang bisa kita gunakan- misalnya evolusi fiksasi karbon. Namun, itu juga termasuk kemoautotrofi, dan karenanya sedikit lebih ekspansif.

Perhatikan bahwa menurut beberapa definisi, perolehan cyanobacteria pada tanaman bahkan mungkin tidak mewakili kemunculan fotosintesis secara independen, karena cyanobacteria telah melakukan fotosintesis!

Jika pertanyaan Anda lebih sempit "berapa kali fotosintesis berevolusi pada eukariota" (bukan bakteri atau archaea), maka Anda juga perlu memasukkan hewan yang melakukan fotosintesis dengan cara yang mirip dengan (meskipun saya percaya kurang efisien daripada) tanaman. Mereka tampaknya juga menggunakan endositosis untuk memperoleh mesin fotosintesis dari sel fotosintesis yang mereka makan.

Memperbarui Menanggapi komentar dari @shigeta, saya akan menambahkan bahwa ulasan yang saya tautkan berfokus pada gen pusat reaksi (RC). Mereka mencatat bahwa gen RC mungkin memiliki kemunculan tunggal, tetapi transfer gen horizontal mungkin bertanggung jawab atas distribusi sifat organisme fotosintesis saat ini:

Bukti signifikan menunjukkan bahwa distribusi fotosintesis pada bakteri saat ini adalah hasil dari sejumlah besar transfer gen horizontal, yang telah mengacak informasi genetik yang mengkode berbagai bagian aparatus fotosintesis, sehingga tidak ada satu diagram percabangan sederhana yang dapat secara akurat mewakili evolusi. fotosintesis (Raymond et al., 2002).


Saya akan memperluas komentar saya menjadi jawaban karena diskusinya terlalu menarik.

kesimpulan di bagian bawah tinjauan yang dikutip adalah: "Bukti saat ini menunjukkan bahwa organisme fotosintesis paling awal adalah anoksigenik, bahwa semua RC fotosintesis berasal dari satu sumber, dan bahwa sistem antena dan jalur fiksasi karbon telah ditemukan berkali-kali." Anda dapat melihat di pohon filogenetik mereka bahwa RC1 dan RC2 muncul di semua cabang ini, yang menyiratkan bahwa mereka berasal dari nenek moyang yang sama, hilang dalam waktu.

@maximillianPress menunjukkan dalam komentarnya bahwa transfer gen lateral sangat umum dan ini menciptakan pola yang tepat Banyak fungsi gen dapat muncul lebih dari sekali, tetapi ketika Anda melihat gen, jika protein mencapai suatu fungsi, seperti RC1 dan RC2 mereka bentuk dan urutan detail akan bukan menyerupai satu sama lain.

Contoh klasik adalah evolusi mata. Bintik mata dan sensor foto dengan lensa telah berevolusi berkali-kali dalam evolusi mikroba dan mungkin telah berevolusi secara terpisah dalam moluska vs vertebrata tergantung pada bagaimana Anda mendefinisikannya. Deteksi cahaya adalah inovasi mikroba dan sensor cahaya opsin pada hewan memiliki kemiripan yang kuat dengan yang ada di archaebacteria.

Enzim membentuk contoh yang lebih jelas. Studi dari beberapa enzim metabolisme karbohidrat menunjukkan bahwa beberapa peran spesifik diisi oleh beberapa keluarga protein yang sangat berbeda. Peran protein dapat berubah seiring waktu tetapi sangat tidak biasa untuk cara protein terlipat berubah.

Contoh ketiga adalah kristalin yang fungsinya untuk membentuk lensa mata yang harus tetap stabil seumur hidup. Pada hewan yang berbeda, gen ini sangat berbeda - protein yang sangat berbeda dapat memenuhi peran ini. itu adalah peran gen yang mungkin telah berevolusi dua kali, tetapi perannya cukup luas sehingga diisi oleh protein yang berbeda di berbagai bagian pohon evolusi lebih dari satu kali.

Pikiran saya adalah bahwa transfer lateral gen mikroba dapat membingungkan pohon evolusi tetapi kesulitan menciptakan pusat fotoreaksi jauh lebih tinggi. Hanya ada satu keluarga protein pusat reaksi bakteri, jadi bukti yang dominan adalah bahwa fenomena ini hanya berevolusi sekali dan mungkin telah ditransmisikan melalui transfer gen lateral berkali-kali sejak itu.


Bagaimana Tumbuhan Mengembangkan Fotosintesis?

Ketika misi Apollo terakhir dalam perjalanan ke Bulan empat dekade lalu, salah satu astronot mengambil foto yang merupakan salah satu yang paling terkenal dalam sejarah NASA. Ini dikenal sebagai foto 'marmer biru' karena menunjukkan Bumi, dari jarak sekitar 28.000 mil, sebagai bola yang cerah, berputar-putar, dan sebagian besar berwarna biru. Warna dominannya tidak mengejutkan, melainkan warna lautan, yang menutupi hampir tiga perempat planet ini.

Konten Terkait

Tapi Bumi hampir tidak unik dalam memiliki air. Di mana-mana di alam semesta bahkan tetangga berdebu Mars, sekarang jelas, pernah terendam.

Apa yang membedakan Bumi bukanlah warna biru tetapi hijau, hijau yang paling dihargai bukan dari luar angkasa, tetapi dari dekat—di halaman rumput pinggiran kota yang baru dipotong, di bunga bakung di kolam katak, di pohon cemara di lereng gunung . Ini adalah hijau klorofil, dan fotosintesis.

Fotosintesis adalah alam mengambil tenaga surya, caranya memanfaatkan semua energi cahaya yang berasal dari Matahari. Sel surya modern melakukan ini dengan semikonduktor, dan panen terdiri dari elektron, yang mengalir setelah mereka tereksitasi oleh foton cahaya. Di alam, elektron tereksitasi dalam pigmen klorofil, tetapi itu hanya langkah pertama. Energi pada akhirnya disimpan dalam ikatan kimia gula yang, bersama dengan oksigen, adalah produk fotosintesis.

Produk-produk itu mengubah Bumi, oksigen mempermanis atmosfer dan gula menyediakan makanan. Bersama-sama, mereka memungkinkan pertumbuhan kehidupan yang lama dan lambat yang akhirnya memasukkan banyak organisme—manusia di antara mereka—yang tidak dapat berfotosintesis.

Tumbuhan telah menggunakan cahaya dengan cara dasar ini untuk sebagian besar keberadaan Bumi. Tapi bagaimana mereka mendapatkan kemampuan untuk berfotosintesis?

Jawaban singkatnya adalah mereka mencurinya, sekitar satu miliar setengah tahun yang lalu, ketika organisme bersel tunggal yang disebut protista menelan bakteri fotosintesis. Seiring waktu, melalui transfer gen yang dibantu oleh parasit, bakteri yang diserap menjadi bagian fungsional dari protista, memungkinkannya mengubah sinar matahari menjadi makanan. “Mereka bertiga mewujudkannya,” kata ahli biologi evolusi Universitas Rutgers Debashish Bhattacharya. “Pohon kehidupan melibatkan banyak penemuan dan pencurian.” Sebuah versi dari mesin kecil yang digerakkan oleh sinar matahari dan mengandung klorofil ini ada hingga hari ini di sel tumbuhan. Itu disebut kloroplas.

Para ilmuwan masih mempelajari proses kompleks, yang disebut endosimbiosis, di mana sel, seperti protista, untuk beberapa alasan menyerap makhluk hidup lain untuk menciptakan sesuatu yang cukup baru dalam biologi.

Analisis genetik ganggang yang dilakukan oleh Bhattacharya menunjukkan bahwa peristiwa endosimbiotik penting yang memberi tanaman mesin fotosintesis terjadi hanya sekali dalam sejarah awal planet kita, pada nenek moyang yang sama, protista mikroskopis tunggal yang menjadikan hijau sebagai warna paling penting di Bumi. .

Temuan terbaru ini memenuhi prinsip dasar sains: Penjelasan paling sederhana biasanya yang terbaik. Gagasan bahwa endosimbiosis akan terjadi sekali—sebelum protista menyimpang dan berevolusi menjadi spesies yang berbeda— jauh lebih masuk akal daripada alternatifnya: bahwa endosimbiosis terjadi kembali dengan setiap spesies baru yang muncul.

Memperoleh mesin fotosintesis memberi organisme awal itu keuntungan evolusioner yang sangat besar, yang siap mereka eksploitasi. Selama jutaan tahun berikutnya, kemampuan untuk memanfaatkan energi Matahari ini membantu memunculkan keragaman besar makhluk hidup di planet ini. Kemudian, seperti sekarang, cahaya menyamai kehidupan.


Fotosintesis pada tumbuhan dan bakteri

Ada dua tipe dasar fotosintesis—oksigenik, di mana oksigen diproduksi, dan anoksigenik, di mana oksigen tidak diproduksi. Oksigenik dilakukan oleh tanaman dan cyanobacteria. Anoksigenik dilakukan oleh berbagai jenis bakteri hijau dan ungu. Oksigenik melibatkan dua fotosistem yang mengubah cahaya menjadi molekul energi, yang kemudian digunakan untuk membuat gula. Fotosistem adalah sekelompok pigmen seperti klorofil yang menyerap cahaya. Anoxygenic hanya melibatkan satu fotosistem yang menyelesaikan hal yang sama. Fotosistem dari dua tipe dasar fotosintesis berbeda dalam struktur dan komposisi tetapi mencapai tujuan yang sama.


Berita Terbaru

Manusia mengisi kantong sampah penuh dengan barang-barang dari Walgreens dan cohost CBS membenarkannya, namun Alkitab mengutuk pencurian bahkan ketika kita memiliki belas kasihan bagi mereka yang membutuhkan.

Keyakinan dasar ahli geologi evolusi telah dirusak secara meyakinkan hari ini dengan publikasi penelitian yang dilakukan oleh ahli geologi Dr. Andrew Snelling.


Memahami evolusi inovasi yang kompleks tetap menjadi salah satu masalah yang paling menantang dalam biologi (Lynch, 2007 Wagner, 2014). Wawasan sering berasal dari studi laboratorium eksperimental yang memanipulasi sistem di bawah 'evolusi terarah' (Weinreich et al., 2006 Blount et al., 2012 Finnigan et al., 2012). Namun, sifat-sifat kompleks yang telah berevolusi berkali-kali dalam garis keturunan independen menghadirkan peluang yang berbeda—namun sama-sama kuat—untuk menyimpulkan lintasan evolusi sifat-sifat baru.

Pada tumbuhan berbunga, C4 fotosintesis adalah adaptasi kompleks yang dipelajari dengan baik yang telah berevolusi secara independen lebih dari 60 kali (Sage et al., 2011). Banyak kunci, tahapan bersama di sepanjang C4 lintasan evolusi telah diidentifikasi dengan mempelajari beberapa C4-kelompok tumbuhan yang berevolusi (misalnya, Kennedy et al., 1980 Ku et al., 1983 Vogan et al., 2007 Williams et al., 2013). Sekarang di eLife, Udo Gowik dan rekan-rekannya di Heinrich-Heine-Universität—termasuk Julia Mallmann dan David Heckmann sebagai penulis pertama bersama—menyajikan hipotesis baru yang menarik tentang bagaimana langkah-langkah evolusioner terakhir direalisasikan (Mallmann et al., 2014).

Meskipun karbon dioksida atmosfer (CO2) tingkat saat ini meningkat, 30 juta tahun terakhir menyaksikan penurunan besar dalam CO2, yang telah membatasi efisiensi fotosintesis. Rubisco, enzim fotosintesis penting yang mengkatalisis fiksasi CO2 menjadi karbohidrat, juga bereaksi dengan oksigen ketika CO2 kadarnya rendah dan suhunya tinggi. Ketika ini terjadi, tanaman mengaktifkan proses yang dikenal sebagai fotorespirasi, serangkaian reaksi yang sangat mahal yang—penting untuk cerita ini—melepaskan satu molekul CO2.

C4 fotosintesis adalah solusi cerdas untuk masalah CO . atmosfer rendah2. Ini adalah mekanisme pemekatan karbon tanaman internal yang sebagian besar menghilangkan fotorespirasi: sistem 'injeksi bahan bakar' untuk mesin fotosintesis. C4 tanaman berbeda dari tanaman dengan 'C . yang lebih khas3' fotosintesis karena mereka membatasi aktivitas Rubisco ke kompartemen dalam, biasanya selubung bundel, dengan CO2 atmosfer2 difiksasi menjadi asam 4-karbon di mesofil luar. Molekul ini kemudian melakukan perjalanan ke selubung bundel, di mana ia dipecah lagi, memandikan Rubisco dalam CO2 dan membatasi proses fotorespirasi yang mahal.

Evolusi C4 jalur membutuhkan banyak perubahan. Ini termasuk perekrutan beberapa enzim ke dalam fungsi biokimia baru, perubahan besar dalam distribusi spasial protein dan organel, dan satu set modifikasi anatomi ukuran dan struktur sel. Ini rumit, dan juga sangat efektif: C4 tanaman termasuk banyak dari tanaman kita yang paling penting dan produktif (jagung, sorgum, tebu, millet) dan bertanggung jawab atas sekitar 25% fotosintesis terestrial global (Still et al., 2003).

Langkah perantara utama dalam evolusi C4 adalah pembentukan mekanisme pemekatan karbon yang belum sempurna. Disebut 'C2 fotosintesis', mekanisme ini membatasi reaksi tertentu dari siklus fotorespirasi ke sel selubung berkas. Produk sampingan dari reaksi ini adalah CO2, menciptakan CO . yang sedikit meningkat2 konsentrasi dan meningkatkan efisiensi Rubisco dalam sel-sel ini. Meskipun jauh lebih jarang daripada C4 tumbuhan, C2 tanaman telah ditemukan dalam berbagai C4garis keturunan yang berevolusi, dan dianggap mewakili langkah perantara yang umum, jika tidak diperlukan, di sepanjang C4 lintasan (Sage et al., 2012).

Salah satu implikasi dari siklus fotorespirasi terbatas adalah pengembangan ketidakseimbangan nitrogen yang parah antara mesofil dan sel-sel selubung bundel. Hal ini terjadi karena setiap molekul CO2 diproduksi dalam selubung bundel disertai dengan molekul amonia. Sementara ketidakseimbangan nitrogen ini sebelumnya telah dikenali (Monson dan Rawsthorne, 2000), hal ini tidak pernah dipelajari secara dekat, dan tentu saja tidak pernah dianggap berpotensi penting untuk perakitan evolusi C4 jalan.

Untuk menyelidiki ini, Mallmann, Heckmann et al. menggabungkan model mekanistik C2 fungsi fisiologis dengan model metabolisme, yang memungkinkan mereka untuk memprediksi penumpukan metabolit tertentu berdasarkan tingkat Rubisco dan aktivitas fotorespirasi. Mereka kemudian memodelkan berbagai jalur biokimia yang berpotensi diinduksi untuk menyeimbangkan fluks metabolisme antara mesofil dan sel selubung bundel. Kombinasi kreatif model ini memungkinkan mereka untuk mengevaluasi berbagai jalur metabolisme untuk menyeimbangkan kembali nitrogen dalam hal jalur mana yang menghasilkan hasil biomassa tertinggi (proksi untuk kebugaran).

Hebatnya, ketika kadar C . rendah4 aktivitas enzim diizinkan dalam model, elemen kunci dari C4 siklus disukai sebagai jalur penyeimbang nitrogen. Terlebih lagi, model ini memprediksi bahwa dengan C4 siklus didirikan, meningkatkan aktivitas hasil enzim dalam peningkatan linear dalam hasil biomassa. Memungkinkan kadar C . yang rendah4 aktivitas enzim secara biologis masuk akal, karena enzim ini secara rutin hadir dalam C3 daun-daun. Mallmann, Heckmann dkk. mendukung prediksi model mereka dengan data ekspresi gen eksperimental dari satu set C3, C2, C4, dan C lainnya3-C4 jenis perantara dalam garis keturunan tanaman Flaveria, yang menunjukkan peningkatan C4 aktivitas siklus bahkan dalam zat antara yang tidak menggunakan enzim untuk menangkap karbon.

Dengan kata lain, sekali C2 siklus ditetapkan, evolusi C . yang terwujud sepenuhnya4 prosesnya cukup sepele. Sekali C4 enzim direkrut untuk mengantar nitrogen kembali ke mesofil, itu semua tak terelakkan. Ini dapat menjelaskan sebagian mengapa C4 telah berevolusi sedemikian banyak kali, dan mengapa banyak dari asal-usul ini sangat berkerumun di seluruh pohon kehidupan. Banyak C4 cluster evolusioner kemungkinan berbagi nenek moyang yang telah memperoleh kemungkinan yang lebih tinggi untuk mengembangkan jalur (Gambar 1).

Sebuah 'Lanskap Evolvabilitas' untuk C4 fotosintesis.

Banyak tahap peralihan di sepanjang lintasan evolusi dari C3 ke C4 terkenal (Sage et al., 2012). Ini dapat ditampilkan sebagai bagian dari lanskap kebugaran adaptif, yang menghubungkan sifat biologis (sumbu horizontal) dengan kebugaran yang mereka hasilkan (sumbu vertikal kanan, ketinggian yang lebih besar menunjukkan kebugaran yang lebih besar). Lanskap kebugaran adaptif dari C4 lintasan baru-baru ini dimodelkan sebagai 'Mt. Fuji-like': tanjakan linier yang curam dengan setiap langkah di sepanjang lintasan yang membawa peningkatan kecil dalam kebugaran (Heckmann et al., 2013), yang diwakili di sini oleh garis putus-putus abu-abu. Keuntungan dalam kemungkinan relatif berevolusi C4, atau 'aksesibilitas evolusioner' dari jalur tersebut, mungkin tidak begitu linier (garis hitam sumbu vertikal kiri). Terlepas dari beberapa fleksibilitas terbatas dalam urutan perolehan sifat (Williams et al., 2013), dua tahap perantara relatif tetap pada posisinya di sepanjang lintasan dan juga memberikan peningkatan tajam dalam C.4 kemampuan evolusi. Satu langkah awal, peningkatan rasio selubung bundel: luas penampang mesofil (rasio BS:M) baru-baru ini diidentifikasi sebagai sifat utama yang mendahului beberapa realisasi paralel C4 (Christin et al., 2013). Mallman dkk. mengusulkan interaksi mekanistik antara C2 dan C4 fotosintesis, menunjukkan bahwa evolusi C2 tahap lintasan sangat meningkatkan kemungkinan bahwa C . penuh4 fotosintesis akan segera menyusul.

Ini mungkin juga menjelaskan mengapa C2 spesies sangat langka relatif terhadap C4 spesies—C2 kemungkinan akan menjadi langkah di sepanjang lintasan dengan umur evolusioner yang relatif singkat. Pada saat yang sama, menimbulkan pertanyaan mengapa segelintir C2 spesies persisten — C2 Mollugo verticillata kelompok mungkin sampai 15 juta tahun (Christin et al., 2011). Hipotesis yang dapat diuji adalah bahwa C . ini2 tanaman telah memecahkan masalah nitrogen mereka dengan cara yang berbeda, sehingga membatasi aksesibilitas evolusi mereka sendiri ke C4 fotosintesis. Jika demikian, ini menyoroti peran kunci kontingensi dalam adaptasi, dan kekuatan kita yang berkembang untuk memahami dan memprediksi proses makroevolusi.


Fotosintesis berasal satu miliar tahun lebih awal dari yang kita duga, studi menunjukkan

Mikroba penghasil oksigen paling awal mungkin bukan cyanobacteria.

Mikroba purba mungkin telah memproduksi oksigen melalui fotosintesis satu miliar tahun lebih awal dari yang kita duga, yang berarti oksigen tersedia untuk organisme hidup yang sangat dekat dengan asal usul kehidupan di bumi. Dalam sebuah artikel baru di Heliyon, seorang peneliti dari Imperial College London mempelajari mesin molekuler yang bertanggung jawab untuk fotosintesis dan menemukan prosesnya mungkin telah berevolusi selama 3,6 miliar tahun yang lalu.

Penulis penelitian, Dr. Tanai Cardona, mengatakan penelitian ini dapat membantu memecahkan kontroversi seputar kapan organisme mulai memproduksi oksigen -- sesuatu yang vital bagi evolusi kehidupan di bumi. Ini juga menunjukkan bahwa mikroorganisme yang sebelumnya kita yakini sebagai yang pertama menghasilkan oksigen -- cyanobacteria -- berkembang kemudian, dan bakteri yang lebih sederhana menghasilkan oksigen terlebih dahulu.

"Hasil saya berarti bahwa proses yang menopang hampir semua kehidupan di bumi saat ini mungkin telah berlangsung lebih lama dari yang kita kira," kata Dr. Cardona. "Mungkin ketersediaan awal oksigenlah yang memungkinkan mikroba untuk mendiversifikasi dan mendominasi dunia selama miliaran tahun. Apa yang memungkinkan mikroba lolos dari buaian tempat kehidupan muncul dan menaklukkan setiap sudut dunia ini, lebih dari 3 miliar tahun yang lalu. ."

Fotosintesis adalah proses yang menopang kehidupan kompleks di bumi -- semua oksigen di planet kita berasal dari fotosintesis. Ada dua jenis fotosintesis: oksigenik dan anoksigenik. Fotosintesis oksigenik menggunakan energi cahaya untuk memecah molekul air, melepaskan oksigen, elektron, dan proton. Fotosintesis anoksigenik menggunakan senyawa seperti hidrogen sulfida atau mineral seperti besi atau arsenik sebagai pengganti air, dan tidak menghasilkan oksigen.

Sebelumnya, para ilmuwan percaya bahwa anoxygenic berevolusi jauh sebelum fotosintesis oksigen, dan bahwa atmosfer bumi tidak mengandung oksigen sampai sekitar 2,4 hingga 3 miliar tahun yang lalu. Namun, studi baru menunjukkan bahwa asal usul fotosintesis oksigenik mungkin terjadi satu miliar tahun sebelumnya, yang berarti kehidupan yang kompleks juga dapat berevolusi lebih awal.

Dr. Cardona ingin mengetahui kapan fotosintesis oksigenik berasal. Alih-alih mencoba mendeteksi oksigen di batuan purba, yang telah dilakukan sebelumnya, dia melihat jauh ke dalam mesin molekuler yang melakukan fotosintesis -- ini adalah enzim kompleks yang disebut fotosistem. Fotosintesis oksigenik dan anoksigenik keduanya menggunakan enzim yang disebut Fotosistem I. Inti enzim terlihat berbeda dalam kedua jenis fotosintesis, dan dengan mempelajari berapa lama gen berevolusi menjadi berbeda, Dr. Cardona dapat mengetahui kapan fotosintesis oksidatif pertama kali terjadi .

Dia menemukan bahwa perbedaan gen mungkin telah terjadi lebih dari 3,4 miliar tahun yang lalu -- jauh sebelum oksigen diperkirakan pertama kali diproduksi di bumi. Ini juga jauh sebelum cyanobacteria -- mikroba yang dianggap sebagai organisme pertama yang menghasilkan oksigen -- ada. Ini berarti pasti ada pendahulu, seperti bakteri awal, yang telah berevolusi untuk melakukan fotosintesis anoksigenik sebagai gantinya.

"Ini adalah pertama kalinya ada orang yang mencoba menghitung waktu evolusi fotosistem," kata Dr. Cardona. "Hasilnya mengisyaratkan kemungkinan bahwa fotosintesis oksigenik, proses yang telah menghasilkan semua oksigen di bumi, sebenarnya dimulai pada tahap yang sangat awal dalam sejarah evolusi kehidupan -- ini membantu memecahkan salah satu kontroversi besar dalam biologi saat ini."

Satu temuan yang mengejutkan adalah bahwa evolusi fotosistem tidak linier. Fotosistem diketahui berkembang sangat lambat -- mereka telah melakukannya sejak cyanobacteria muncul setidaknya 2,4 miliar tahun yang lalu. Tetapi ketika Dr. Cardona menggunakan laju evolusi yang lambat itu untuk menghitung asal usul fotosintesis, dia menemukan tanggal yang lebih tua dari bumi itu sendiri. Ini berarti fotosistem pasti berevolusi lebih cepat pada awalnya -- sesuatu yang menurut penelitian baru-baru ini disebabkan oleh planet yang lebih panas.

"Masih banyak yang belum kita ketahui tentang mengapa kehidupan seperti ini dan bagaimana sebagian besar proses biologis berasal," kata Dr. Cardona. "Kadang-kadang tebakan terbaik kita bahkan tidak mendekati mewakili apa yang sebenarnya terjadi begitu lama."

Dr Cardona berharap temuannya juga dapat membantu para ilmuwan yang mencari kehidupan di planet lain menjawab beberapa pertanyaan terbesar mereka.


Evolusi Tumbuhan

Seperti yang ditunjukkan pada Angka di bawah ini, tumbuhan diperkirakan berevolusi dari protista alga hijau akuatik. Kemudian, mereka mengembangkan adaptasi penting untuk tanah, termasuk jaringan pembuluh darah, biji, dan bunga. Masing-masing adaptasi utama ini membuat tanaman lebih cocok untuk hidup di lahan kering dan jauh lebih berhasil.

Dari nenek moyang alga hijau sederhana yang hidup di air, tanaman akhirnya mengembangkan beberapa adaptasi utama untuk kehidupan di darat.

Tumbuhan Paling Awal

Tanaman paling awal mungkin mirip dengan lumut batu, ganggang air yang digambarkan diAngka di bawah. Tidak seperti kebanyakan tanaman modern, stonewort memiliki batang daripada batang kaku, dan mereka memiliki struktur seperti rambut yang disebut rizoid bukannya akar. Di sisi lain, lumut batu memiliki struktur reproduksi jantan dan betina yang berbeda, yang merupakan karakteristik tanaman. Agar pembuahan terjadi, sperma membutuhkan setidaknya lapisan tipis kelembaban untuk berenang ke telur. Dalam semua cara ini, tanaman pertama mungkin menyerupai lumut batu.

Stonewort modern mungkin mirip dengan tanaman paling awal. Ditampilkan adalah bidang lumut batu modern (kanan), dan contoh dari Charophyta, sebuah divisi ganggang hijau yang mencakup kerabat terdekat dari tanaman paling awal (kiri).

Kehidupan di Darat

Pada saat tumbuhan paling awal berevolusi, hewan sudah menjadi organisme dominan di lautan. Tanaman juga dibatasi ke lapisan atas air yang menerima sinar matahari yang cukup untuk fotosintesis. Oleh karena itu, tumbuhan tidak pernah menjadi organisme laut yang dominan. Tetapi ketika tanaman pindah ke darat, semuanya terbuka lebar. Mengapa tanah itu tidak memiliki kehidupan lain? Tanpa tanaman yang tumbuh di darat, tidak ada yang bisa dimakan organisme lain. Tanah tidak dapat dijajah oleh organisme lain sampai tanaman darat terbentuk.

Tanaman mungkin telah menjajah tanah sedini 700 juta tahun yang lalu. Fosil tertua tumbuhan darat berumur sekitar 470 juta tahun. Tumbuhan darat pertama mungkin menyerupai tumbuhan modern yang disebut lumut hati, seperti yang ditunjukkan di Angka di bawah.

Tanaman darat pertama mungkin mirip dengan lumut hati seperti ini.

Kolonisasi tanah merupakan langkah besar dalam evolusi tanaman. Sampai saat itu, hampir semua kehidupan telah berevolusi di laut. Tanah kering adalah tempat yang sangat berbeda. Masalah terbesar adalah kekeringan. Cukup menyerap air yang cukup untuk tetap hidup adalah tantangan besar. Itu membuat tanaman awal kecil dan rendah ke tanah. Air juga dibutuhkan untuk reproduksi seksual, sehingga sperma bisa berenang ke telur. Selain itu, suhu di darat sangat ekstrim dan selalu berubah-ubah. Sinar matahari juga kuat dan berbahaya. Ini menempatkan organisme darat pada risiko mutasi yang tinggi.

Tumbuhan Vaskular Berkembang

Tumbuhan mengembangkan sejumlah adaptasi yang membantu mereka mengatasi masalah ini di lahan kering. Salah satu yang paling awal dan paling penting adalah evolusi jaringan pembuluh darah. Jaringan pembuluh darah membentuk & rsquos &ldquosistem pipa.&rdquo Mereka membawa air dan mineral dari tanah ke daun untuk fotosintesis. Mereka juga membawa makanan (gula yang dilarutkan dalam air) dari sel fotosintesis ke sel lain di tumbuhan untuk pertumbuhan atau penyimpanan. Evolusi jaringan vaskular merevolusi kerajaan tumbuhan. Jaringan memungkinkan tanaman tumbuh besar dan bertahan dalam periode kekeringan di lingkungan tanah yang keras. Tanaman vaskular awal mungkin menyerupai pakis yang ditunjukkan pada gambar Angka di bawah.

Tanaman vaskular awal mungkin terlihat seperti pakis modern ini.

Selain jaringan vaskular, tumbuhan awal ini mengembangkan adaptasi lain terhadap kehidupan di darat, termasuk lignin, daun, akar, dan perubahan dalam siklus hidupnya.

  • Lignin adalah molekul karbohidrat tangguh yang hidrofobik (&ldquotakut air&rdquo). Ini menambah dukungan untuk jaringan pembuluh darah di batang. Ini juga membuat jaringan kedap air sehingga tidak bocor, yang membuatnya lebih efisien dalam mengangkut cairan. Karena sebagian besar organisme lain tidak dapat memecah lignin, lignin membantu melindungi tanaman dari herbivora dan parasit.
  • Daun kaya akan kloroplas yang berfungsi sebagai kolektor surya dan pabrik makanan. Daun pertama sangat kecil, tetapi daun menjadi lebih besar seiring waktu.
  • Akar merupakan organ vaskuler yang dapat menembus tanah bahkan batuan. Mereka menyerap air dan mineral dari tanah dan membawanya ke daun. Mereka juga menambatkan tanaman di tanah. Akar berevolusi dari rizoid, yang tanaman nonvaskular telah digunakan untuk penyerapan.
  • Tumbuhan darat mengembangkan generasi sporofit diploid yang dominan. Ini adaptif karena individu diploid cenderung tidak menderita efek mutasi yang berbahaya. Mereka memiliki dua salinan dari setiap gen, jadi jika mutasi terjadi pada satu gen, mereka memiliki salinan cadangan. Ini sangat penting di darat, di mana ada banyak radiasi matahari.

Dengan semua keuntungan ini, mudah untuk melihat mengapa tanaman vaskular menyebar dengan cepat dan luas di darat. Banyak tanaman nonvaskular punah karena tanaman vaskular menjadi lebih banyak. Tumbuhan berpembuluh sekarang menjadi tumbuhan darat yang dominan di Bumi.


Angiospermae

Angiospermae, atau tumbuhan berbunga, semuanya adalah anggota filum Anthophyta. Setidaknya ada 250.000 spesies, membuat kelompok ini dengan mudah menjadi yang paling beragam dari semua filum tumbuhan. Mereka berbagi sejumlah fitur yang membedakan mereka dari kelompok tanaman lain. Yang paling jelas adalah kepemilikan bunga, tunas yang sangat dimodifikasi yang membawa struktur reproduksi jantan dan betina. Mereka juga melakukan proses yang disebut pembuahan ganda, di mana dua gamet jantan (inti sperma) dilepaskan dari tabung polen ke dalam bakal biji . Salah satu inti sperma ini menyatu dengan sel telur

Ciri ketiga yang membedakan angiospermae dari gymnospermae adalah bahwa embrio angiosperma dilindungi oleh dinding ovarium, yang berkembang menjadi buah setelah pembuahan terjadi. Sebaliknya, embrio gymnosperma relatif tidak terlindungi pada permukaan sisik yang mengandung bakal biji di sel kerucut betina.


Fotosintesis lebih kuno dari yang diperkirakan, dan sebagian besar makhluk hidup dapat melakukannya

Terinspirasi oleh transportasi air di daun alami (ditampilkan), para peneliti telah menciptakan "daun" sintetis, mikrofabrikasi yang dapat menghasilkan tenaga dari aliran penguapan. Kredit gambar: pdphoto.org

Sebagian besar bakteri modern diturunkan dari nenek moyang yang dapat mengubah energi Matahari menjadi bahan bakar lebih dari 3,5 miliar tahun yang lalu.

Fotosintesis adalah proses dimana tanaman, ganggang dan cyanobacteria menggunakan energi dari Matahari untuk membuat gula dari air dan karbon dioksida, melepaskan oksigen sebagai produk limbah. Tetapi beberapa kelompok bakteri melakukan bentuk fotosintesis yang lebih sederhana yang tidak menghasilkan oksigen, yang berkembang lebih dulu.

Sebuah studi baru oleh seorang peneliti Imperial menunjukkan bahwa bentuk fotosintesis yang lebih primitif ini berevolusi pada bakteri yang jauh lebih kuno daripada yang dibayangkan para ilmuwan, lebih dari 3,5 miliar tahun yang lalu.

Fotosintesis menopang kehidupan di Bumi saat ini dengan melepaskan oksigen ke atmosfer dan menyediakan energi untuk rantai makanan. Munculnya fotosintesis penghasil oksigen memungkinkan evolusi bentuk kehidupan yang kompleks seperti hewan dan tumbuhan darat sekitar 2,4 miliar tahun yang lalu.

Namun, jenis fotosintesis pertama yang berkembang tidak menghasilkan oksigen. Itu diketahui pertama kali berevolusi sekitar 3,5-3,8 miliar tahun yang lalu, tetapi sampai sekarang, para ilmuwan berpikir bahwa salah satu kelompok bakteri yang hidup hari ini yang masih menggunakan fotosintesis yang lebih primata ini adalah yang pertama mengembangkan kemampuannya.

Tetapi penelitian baru mengungkapkan bahwa bakteri yang lebih purba, yang mungkin tidak ada lagi saat ini, sebenarnya adalah yang pertama mengembangkan bentuk fotosintesis yang lebih sederhana, dan bahwa bakteri ini adalah nenek moyang sebagian besar bakteri yang hidup saat ini.

"Gambaran yang mulai muncul adalah bahwa selama paruh pertama sejarah Bumi, sebagian besar bentuk kehidupan mungkin mampu melakukan fotosintesis," kata penulis studi Dr Tanai Cardona, dari Departemen Ilmu Hayati di Imperial College London.

Bentuk fotosintesis yang lebih primitif dikenal sebagai fotosintesis anoksigenik, yang menggunakan molekul seperti hidrogen, hidrogen sulfida, atau besi sebagai bahan bakar - bukan air.

Secara tradisional, para ilmuwan berasumsi bahwa salah satu kelompok bakteri yang masih menggunakan fotosintesis anoksigenik saat ini mengembangkan kemampuan dan kemudian meneruskannya ke bakteri lain menggunakan transfer gen horizontal – proses menyumbangkan seluruh rangkaian gen, dalam hal ini yang diperlukan untuk fotosintesis, untuk organisme yang tidak terkait.

Namun, Dr Cardona menciptakan pohon evolusi untuk bakteri dengan menganalisis sejarah protein penting untuk fotosintesis anoksigenik. Melalui ini, ia mampu mengungkap asal mula fotosintesis yang jauh lebih kuno.

Alih-alih satu kelompok bakteri mengembangkan kemampuan dan mentransfernya ke yang lain, analisis Dr Cardona mengungkapkan bahwa fotosintesis anoksigenik berevolusi sebelum sebagian besar kelompok bakteri yang hidup saat ini bercabang dan terdiversifikasi. Hasilnya dipublikasikan di jurnal PLOS ONE.

"Hampir setiap kelompok bakteri fotosintetik yang kita ketahui telah disarankan, di beberapa titik atau lainnya, untuk menjadi inovator pertama fotosintesis," kata Dr Cardona. “Tetapi ini berarti bahwa semua kelompok bakteri ini harus bercabang satu sama lain sebelum fotosintesis anoksigenik berkembang, sekitar 3,5 miliar tahun yang lalu.

“Analisis saya malah menunjukkan bahwa fotosintesis anoksigenik mendahului diversifikasi bakteri ke dalam kelompok modern, sehingga mereka semua seharusnya bisa melakukannya. Faktanya, evolusi fotosintesis oksigenik mungkin menyebabkan kepunahan banyak kelompok bakteri yang mampu fotosintesis anoksigenik, memicu diversifikasi kelompok modern."

To find the origin of anoxygenic photosynthesis, Dr Cardona traced the evolution of BchF, a protein that is key in the biosynthesis of bacteriochlorophyll a, the main pigment employed in anoxygenic photosynthesis. The special characteristic of this protein is that it is exclusively found in anoxygenic photosynthetic bacteria and without it bacteriochlorophyll a cannot be made.

By comparing sequences of proteins and reconstructing an evolutionary tree for BchF, he discovered that it originated before most described groups of bacteria alive today.


Fotosintesis

Plants, algae and cyanobacteria use a chemical reaction known as photosynthesis to create the materials they need from what’s around them. Plucking carbon dioxide from the air, water from the ground and light from the sun, land plants make sugar and kick out oxygen as a waste product. Which is lucky for us. Without this oxygen supply to counterbalance the carbon dioxide we breathe out, most life on this planet, including us, would suffocate.

In plants, photosynthesis takes place in structures within their cells called chloroplasts. Chloroplasts, like the mitochondria in our own cells that drive our metabolism, are thought to have originated from bacterial cells that came to live in symbiosis inside their host.

Plants can harvest light because their chloroplasts are stuffed full of a pigment called chlorophyll, which absorbs red and blue light. When the sun’s rays hit plants, they absorb these colours but not green, which gets reflected, giving most plants their distinctive hue.

Plants use the sugars they make to fuel their growth and combine them into more complex molecules like cellulose to make material. This process of taking carbon from the air and using it to make large polymers makes plants an extremely useful ally in combating climate change, which is predominantly caused by carbon dioxide emissions. Ironically, photosynthesis is also behind many of the world’s fossil fuels, which formed from decayed prehistoric plants and animals.

Iklan

Some organisms depend on pigments other than chlorophyll to photosynthesise, such as carotenoids, which are red, orange or yellow and absorb blue-green light.

While plants, algae and cyanobacteria all use oxygen-based photosynthesis, there is also a version of the reaction called anoxygenic photosynthesis. This typically occurs in bacteria, such as purple bacteria and green sulphur bacteria, in aquatic habitats. These organisms photosynthesise use chemicals like hydrogen sulphide instead of water and produce sulphur as a by-product rather than oxygen.

Some animals also seem to be able to photosynthesise. The emerald green sea slug, for example, consumes algae and uses its chloroplasts. And it is thought that some green aphids can also harness light using their pigments. Chris Simms


Light-Independent Reactions

After the energy from the sun is converted into chemical energy and temporarily stored in ATP and NADPH molecules, the cell has the fuel needed to build carbohydrate molecules for long-term energy storage. The products of the light-dependent reactions, ATP and NADPH, have lifespans in the range of millionths of seconds, whereas the products of the light-independent reactions (carbohydrates and other forms of reduced carbon) can survive for hundreds of millions of years. Molekul karbohidrat yang dibuat akan memiliki tulang punggung atom karbon. Dari mana asal karbon? It comes from carbon dioxide, the gas that is a waste product of respiration in microbes, fungi, plants, and animals.

Pada tumbuhan, karbon dioksida (CO2) memasuki daun melalui stomata, di mana ia berdifusi dalam jarak pendek melalui ruang antar sel sampai mencapai sel mesofil. Setelah berada di sel mesofil, CO2 diffuses into the stroma of the chloroplast—the site of light-independent reactions of photosynthesis. Reaksi-reaksi ini sebenarnya memiliki beberapa nama yang terkait dengannya. Another term, the siklus Calvin, is named for the man who discovered it, and because these reactions function as a cycle. Others call it the Calvin-Benson cycle to include the name of another scientist involved in its discovery. The most outdated name is dark reactions, because light is not directly required (Figure 15). However, the term dark reaction can be misleading because it implies incorrectly that the reaction only occurs at night or is independent of light, which is why most scientists and instructors no longer use it.

Figure 15. Light reactions harness energy from the sun to produce chemical bonds, ATP, and NADPH. These energy-carrying molecules are made in the stroma where carbon fixation takes place.

Reaksi bebas cahaya dari siklus Calvin dapat diatur ke dalam tiga tahap dasar: fiksasi, reduksi, dan regenerasi.

Tahap 1: Fiksasi

Di stroma, selain CO2, two other components are present to initiate the light-independent reactions: an enzyme called ribulose bisphosphate carboxylase (RuBisCO), and three molecules of ribulose bisphosphate (RuBP), as shown in Figure 16. RuBP has five atoms of carbon, flanked by two phosphates.

Soal Latihan

Figure 16. The Calvin cycle has three stages.

In stage 1, the enzyme RuBisCO incorporates carbon dioxide into an organic molecule, 3-PGA. In stage 2, the organic molecule is reduced using electrons supplied by NADPH. In stage 3, RuBP, the molecule that starts the cycle, is regenerated so that the cycle can continue. Only one carbon dioxide molecule is incorporated at a time, so the cycle must be completed three times to produce a single three-carbon GA3P molecule, and six times to produce a six-carbon glucose molecule.

Manakah dari pernyataan berikut yang benar?

  1. In photosynthesis, oxygen, carbon dioxide, ATP, and NADPH are reactants. GA3P and water are products.
  2. In photosynthesis, chlorophyll, water, and carbon dioxide are reactants. GA3P and oxygen are products.
  3. In photosynthesis, water, carbon dioxide, ATP, and NADPH are reactants. RuBP and oxygen are products.
  4. In photosynthesis, water and carbon dioxide are reactants. GA3P and oxygen are products.

RuBisCO mengkatalisis reaksi antara CO2 dan RuBP. Untuk setiap CO2 molecule that reacts with one RuBP, two molecules of another compound (3-PGA) form. PGA has three carbons and one phosphate. Setiap putaran siklus hanya melibatkan satu RuBP dan satu karbon dioksida dan membentuk dua molekul 3-PGA. Jumlah atom karbon tetap sama, karena atom bergerak untuk membentuk ikatan baru selama reaksi (3 atom dari 3CO2 + 15 atom dari 3RuBP = 18 atom dalam 3 atom 3-PGA). Proses ini disebut fiksasi karbon, because CO2 is “fixed” from an inorganic form into organic molecules.

Tahap 2: Pengurangan

ATP dan NADPH digunakan untuk mengubah enam molekul 3-PGA menjadi enam molekul bahan kimia yang disebut gliseraldehida 3-fosfat (G3P). That is a reduction reaction because it involves the gain of electrons by 3-PGA. Recall that a pengurangan is the gain of an electron by an atom or molecule. Enam molekul ATP dan NADPH digunakan. For ATP, energy is released with the loss of the terminal phosphate atom, converting it into ADP for NADPH, both energy and a hydrogen atom are lost, converting it into NADP + . Kedua molekul ini kembali ke reaksi bergantung cahaya di dekatnya untuk digunakan kembali dan diberi energi kembali.

Tahap 3: Regenerasi

Interestingly, at this point, only one of the G3P molecules leaves the Calvin cycle and is sent to the cytoplasm to contribute to the formation of other compounds needed by the plant. Because the G3P exported from the chloroplast has three carbon atoms, it takes three “turns” of the Calvin cycle to fix enough net carbon to export one G3P. Tetapi setiap putaran menghasilkan dua G3P, jadi tiga putaran menghasilkan enam G3P. Satu diekspor sementara lima molekul G3P yang tersisa tetap berada dalam siklus dan digunakan untuk meregenerasi RuBP, yang memungkinkan sistem mempersiapkan lebih banyak CO2 untuk diperbaiki. Tiga molekul ATP lagi digunakan dalam reaksi regenerasi ini.

Evolution of Photosynthesis

Figure 17. The harsh conditions of the desert have led plants like these cacti to evolve variations of the light-independent reactions of photosynthesis. These variations increase the efficiency of water usage, helping to conserve water and energy. (kredit: Piotr Wojtkowski)

During the evolution of photosynthesis, a major shift occurred from the bacterial type of photosynthesis that involves only one photosystem and is typically anoxygenic (does not generate oxygen) into modern oxygenic (does generate oxygen) photosynthesis, employing two photosystems. This modern oxygenic photosynthesis is used by many organisms—from giant tropical leaves in the rainforest to tiny cyanobacterial cells—and the process and components of this photosynthesis remain largely the same. Photosystems absorb light and use electron transport chains to convert energy into the chemical energy of ATP and NADH. The subsequent light-independent reactions then assemble carbohydrate molecules with this energy.

Photosynthesis in desert plants has evolved adaptations that conserve water. In the harsh dry heat, every drop of water must be used to survive. Because stomata must open to allow for the uptake of CO2, water escapes from the leaf during active photosynthesis. Desert plants have evolved processes to conserve water and deal with harsh conditions. A more efficient use of CO2 allows plants to adapt to living with less water. Some plants such as cacti (Figure 17) can prepare materials for photosynthesis during the night by a temporary carbon fixation/storage process, because opening the stomata at this time conserves water due to cooler temperatures. In addition, cacti have evolved the ability to carry out low levels of photosynthesis without opening stomata at all, a mechanism to face extremely dry periods.

Now that we’ve learned about the different pieces of photosynthesis, let’s put it all together. This video walks you through the process of photosynthesis as a whole:

Ringkasan: Gambaran Umum Fotosintesis

Proses fotosintesis mengubah kehidupan di Bumi. Dengan memanfaatkan energi dari matahari, fotosintesis berevolusi untuk memungkinkan makhluk hidup mengakses energi dalam jumlah besar. Karena fotosintesis, makhluk hidup memperoleh akses ke energi yang cukup yang memungkinkan mereka membangun struktur baru dan mencapai keanekaragaman hayati yang terbukti saat ini.

Hanya organisme tertentu, yang disebut fotoautotrof, yang dapat melakukan fotosintesis. Mereka membutuhkan kehadiran klorofil, pigmen khusus yang menyerap bagian tertentu dari spektrum yang terlihat dan dapat menangkap energi dari sinar matahari. Fotosintesis menggunakan karbon dioksida dan air untuk merakit molekul karbohidrat dan melepaskan oksigen sebagai produk limbah ke atmosfer. Autotrof eukariotik, seperti tumbuhan dan ganggang, memiliki organel yang disebut kloroplas tempat fotosintesis berlangsung, dan pati terakumulasi. Pada prokariota, seperti cyanobacteria, prosesnya kurang terlokalisasi dan terjadi di dalam membran terlipat, perpanjangan membran plasma, dan di sitoplasma.

The pigments of the first part of photosynthesis, the light-dependent reactions, absorb energy from sunlight. A photon strikes the antenna pigments of photosystem II to initiate photosynthesis. The energy travels to the reaction center that contains chlorophyll A to the electron transport chain, which pumps hydrogen ions into the thylakoid interior. This action builds up a high concentration of ions. The ions flow through ATP synthase via chemiosmosis to form molecules of ATP, which are used for the formation of sugar molecules in the second stage of photosynthesis. Photosystem I absorbs a second photon, which results in the formation of an NADPH molecule, another energy and reducing power carrier for the light-independent reactions.



Komentar:

  1. Macgowan

    Please do not put THIS on display

  2. Japheth

    Apa yang terjadi?

  3. Shaktigor

    Di dalamnya ada sesuatu. Jelas, terima kasih atas penjelasannya.

  4. Attkins

    Mencoba bukanlah siksaan.

  5. Ahmed

    Pilihan untuk Anda Sulit



Menulis pesan