Sommige organismen kunnen de energie uit zonlicht opvangen en gebruiken om organische verbindingen te produceren. Dit proces, bekend als fotosynthese, is essentieel voor het leven omdat het voor beide energie levert producenten en consumenten. Fotosynthetische organismen, ook bekend als fotoautotrofen, zijn organismen die in staat zijn tot fotosynthese. Sommige van deze organismen omvatten hogere planten, enkele protisten (algen en euglena) en bacteriën.
In fotosynthesewordt lichtenergie omgezet in chemische energie, die wordt opgeslagen in de vorm van glucose (suiker). Anorganische verbindingen (kooldioxide, water en zonlicht) worden gebruikt om glucose, zuurstof en water te produceren. Fotosynthetische organismen gebruiken koolstof om organische moleculen te genereren (koolhydraten, lipidenen eiwitten) en bouw biologische massa op. De zuurstof geproduceerd als een bijproduct van fotosynthese wordt door veel organismen gebruikt, waaronder Planten en dieren, voor cellulaire ademhaling. De meeste organismen vertrouwen op fotosynthese, hetzij direct of indirect, voor voeding. Heterotrofe (
hetero-, -trofisch) organismen, zoals dieren, de meeste bacteriënen schimmels, zijn niet in staat tot fotosynthese of produceren biologische verbindingen uit anorganische bronnen. Als zodanig moeten ze fotosynthetische organismen en andere autotrofen consumeren (auto-, -trofeeën) om deze stoffen te verkrijgen.Fotosynthese in planten komt voor in gespecialiseerd organellen gebeld chloroplasten. Chloroplasten worden in planten gevonden bladeren en bevatten het pigment chlorofyl. Dit groene pigment absorbeert lichtenergie die nodig is voor fotosynthese. Chloroplasten bevatten een intern membraansysteem dat bestaat uit structuren die thylakoïden worden genoemd en die dienen als plaatsen voor de omzetting van lichtenergie in chemische energie. Koolstofdioxide wordt omgezet in koolhydraten in een proces dat bekend staat als koolstoffixatie of de Calvin-cyclus. De koolhydraten kan worden opgeslagen in de vorm van zetmeel, gebruikt tijdens de ademhaling of gebruikt bij de productie van cellulose. Zuurstof die wordt geproduceerd in het proces wordt vrijgegeven in de atmosfeer via poriën in de plantenbladeren bekend als huidmondjes.
Planten spelen een belangrijke rol in de cyclus van voedingsstoffen, in het bijzonder koolstof en zuurstof. Waterplanten en landplanten (bloeiende planten, mossen en varens) helpen bij het reguleren van atmosferische koolstof door koolstofdioxide uit de lucht te verwijderen. Planten zijn ook belangrijk voor de productie van zuurstof, die als waardevolle in de lucht wordt vrijgegeven bijproduct van fotosynthese.
Algen zijn eukaryotische organismen die beide kenmerken hebben planten en dieren. Net als dieren kunnen algen zich voeden met organisch materiaal in hun omgeving. Sommige algen bevatten ook organellen en structuren die in cellen van dieren voorkomen, zoals flagella en centriolen. Net als planten bevatten algen fotosynthetische organellen die chloroplasten worden genoemd. Chloroplasten bevatten chlorofyl, een groen pigment dat lichtenergie absorbeert voor fotosynthese. Algen bevatten ook andere fotosynthetische pigmenten zoals carotenoïden en fycobilinen.
Algen kunnen eencellig zijn of kunnen bestaan als grote meercellige soorten. Ze leven in verschillende habitats, waaronder zout en zoet water aquatische omgevingen, natte grond of op vochtige rotsen. Fotosynthetische algen die bekend staan als fytoplankton zijn te vinden in zowel zee- als zoetwateromgevingen. De meeste mariene fytoplankton zijn samengesteld uit diatomeeën en dinoflagellaten. De meeste zoetwater fytoplankton zijn samengesteld uit groene algen en cyanobacteriën. Fytoplankton drijft in de buurt van het wateroppervlak voor een betere toegang tot zonlicht dat nodig is voor fotosynthese. Fotosynthetische algen zijn van vitaal belang voor de wereld cyclus van voedingsstoffen zoals koolstof en zuurstof. Ze verwijderen koolstofdioxide uit de atmosfeer en genereren meer dan de helft van de wereldwijde zuurstoftoevoer.
Euglena zijn eencellige protisten in het geslacht Euglena. Deze organismen werden geclassificeerd in het phylum Euglenophyta met algen vanwege hun fotosynthetische vermogen. Wetenschappers geloven nu dat ze geen algen zijn, maar hun fotosynthetische mogelijkheden hebben verworven door een endosymbiotische relatie met groene algen. Als zodanig, Euglena in het phylum zijn geplaatst Euglenozoa.
Cyanobacteriën zijn zuurstofrijke fotosynthesebacteriën. Ze oogsten de energie van de zon, absorberen koolstofdioxide en stoten zuurstof uit. Net als planten en algen bevatten cyanobacteriën chlorofyl en zet kooldioxide om in suiker door middel van koolstoffixatie. In tegenstelling tot eukaryotische planten en algen zijn cyanobacteriën dat prokaryotische organismen. Ze missen een membraangebonden kern, chloroplasten, en andere organellen gevonden in planten en algen. In plaats daarvan hebben cyanobacteriën een dubbele buitenkant celmembraan en gevouwen binnenste thylakoïde membranen die worden gebruikt in fotosynthese. Cyanobacteriën kunnen ook stikstof fixeren, een proces waarbij stikstof uit de atmosfeer wordt omgezet in ammoniak, nitriet en nitraat. Deze stoffen worden door planten opgenomen om biologische verbindingen te synthetiseren.
Cyanobacteriën zijn te vinden in verschillende landbiomen en aquatische omgevingen. Sommigen worden overwogen extremofielen omdat ze in extreem zware omgevingen leven, zoals warmwaterbronnen en hypersalinebaden. Gloeocapsa cyanobacteriën kan zelfs de barre omstandigheden van de ruimte overleven. Cyanobacteriën bestaan ook als fytoplankton en kan leven in andere organismen zoals schimmels (korstmos), protistenen planten. Cyanobacteriën bevatten de pigmenten fycoerythrin en phycocyanine, die verantwoordelijk zijn voor hun blauwgroene kleur. Vanwege hun uiterlijk worden deze bacteriën soms blauwgroene algen genoemd, hoewel ze helemaal geen algen zijn.
Anoxygeen fotosynthetisch bacteriën zijn fotoautotrofen (synthetiseer voedsel met behulp van zonlicht) die geen zuurstof produceren. In tegenstelling tot cyanobacteriën, planten en algen, gebruiken deze bacteriën geen water als elektrondonor in de elektron transportketen tijdens de productie van ATP. In plaats daarvan gebruiken ze waterstof, waterstofsulfide of zwavel als elektronendonoren. Anoxygene fotosynthetische bacteriën verschillen ook van cyanobaceria doordat ze geen chlorofyl hebben om licht te absorberen. Ze bevatten bacteriochlorofyl, die kortere golflengten van licht kan absorberen dan chlorofyl. Als zodanig worden bacteriën met bacteriochlorofyl vaak aangetroffen in diepe waterzones waar kortere golflengten van licht kunnen doordringen.
Voorbeelden van anoxygene fotosynthetische bacteriën omvatten paarse bacteriën en groene bacteriën. Paarse bacteriecellen komen in een verschillende vormen (bolvormig, staaf, spiraal) en deze cellen kunnen beweeglijk of niet-beweeglijk zijn. Paarse zwavelbacteriën worden vaak aangetroffen in aquatische omgevingen en zwavelbronnen waar waterstofsulfide aanwezig is en zuurstof afwezig is. Paarse niet-zwavelbacteriën gebruiken lagere concentraties sulfide dan paarse zwavelbacteriën en zetten zwavel af buiten hun cellen in plaats van in hun cellen. Groene bacteriecellen zijn typisch bolvormig of staafvormig en de cellen zijn hoofdzakelijk niet-beweeglijk. Groene zwavelbacteriën gebruiken sulfide of zwavel voor fotosynthese en kunnen niet overleven in aanwezigheid van zuurstof. Ze zetten zwavel buiten hun cellen af. Groene bacteriën gedijen in sulfide-rijke waterhabitats en vormen soms groenachtige of bruine bloemen.