Marafetas 

Fotosintezės tyrimo istorija. Trumpai. Kas yra fotosintezė? Fotosintezės taikymai Kas yra fotosintezė

Nechlorofilo fotosintezė

Erdvinė lokalizacija

Augalų fotosintezė vyksta chloroplastuose: izoliuotose dvimembranėse ląstelės organelėse. Chloroplastų galima rasti vaisių ir stiebų ląstelėse, tačiau pagrindinis fotosintezės organas, anatomiškai pritaikytas jo veikimui, yra lapas. Lape palisadinis parenchimos audinys yra turtingiausias chloroplastų. Kai kuriuose sukulentuose su išsigimusiais lapais (pavyzdžiui, kaktusų) pagrindinė fotosintezės veikla yra susijusi su stiebu.

Dėl plokščios lapo formos, kuri užtikrina aukštą paviršiaus ir tūrio santykį, fotosintezei reikalinga šviesa yra labiau užfiksuota. Vanduo tiekiamas iš šaknų per išvystytą kraujagyslių tinklą (lapų gyslas). Anglies dioksidas iš dalies patenka difuzijos būdu per odelę ir epidermį, tačiau didžioji jo dalis pasklinda į lapą per stomatą ir per lapą per tarpląstelinę erdvę. Augalai, vykdantys CAM fotosintezę, sukūrė specialius aktyvaus anglies dioksido asimiliacijos mechanizmus.

Vidinė chloroplasto erdvė užpildyta bespalviu turiniu (stroma) ir prasiskverbia membranomis (lamelėmis), kurios, susijungusios viena su kita, sudaro tilakoidus, kurie savo ruožtu sugrupuojami į krūvas, vadinamas grana. Intratilakoidinė erdvė yra atskirta ir nesusisiekia su likusia stromos dalimi, taip pat daroma prielaida, kad visų tilakoidų vidinė erdvė bendrauja tarpusavyje. Šviesios fotosintezės stadijos apsiriboja membranomis, autotrofiškai fiksuojamas CO 2 stromoje.

Chloroplastai turi savo DNR, RNR, ribosomas (70s tipo), vyksta baltymų sintezė (nors šis procesas valdomas iš branduolio). Jie nesintetinami iš naujo, o susidaro dalijant ankstesnius. Visa tai leido juos laikyti laisvųjų cianobakterijų palikuonimis, kurios simbiogenezės metu tapo eukariotinės ląstelės dalimi.

Fotosistema I

Šviesos surinkimo komplekse I yra apie 200 chlorofilo molekulių.

Pirmosios fotosistemos reakcijos centre yra chlorofilo a dimeras, kurio sugerties maksimumas ties 700 nm (P700). Po sužadinimo šviesos kvantu jis atkuria pirminį akceptorių – chlorofilą a, kuris atkuria antrinį akceptorių (vitaminą K 1 arba filochinoną), po to elektronas perkeliamas į ferredoksiną, kuris redukuoja NADP naudojant fermentą ferredoksino-NADP reduktazę.

Plastocianino baltymas, redukuotas b 6 f komplekse, iš intratilakoidinės erdvės pernešamas į pirmosios fotosistemos reakcijos centrą ir perkelia elektroną į oksiduotą P700.

Ciklinis ir pseudociklinis elektronų pernešimas

Be viso neciklinio elektronų kelio, aprašyto aukščiau, buvo atrastas ciklinis ir pseudociklinis kelias.

Ciklinio kelio esmė yra ta, kad ferredoksinas, o ne NADP, sumažina plastochinoną, kuris perkelia jį atgal į b 6 f kompleksą. Dėl to gaunamas didesnis protonų gradientas ir daugiau ATP, bet nėra NADPH.

Pseudocikliniame kelyje ferredoksinas sumažina deguonies kiekį, kuris toliau virsta vandeniu ir gali būti naudojamas II fotosistemoje. Šiuo atveju NADPH taip pat nesusidaro.

Tamsi stadija

Tamsioje stadijoje, dalyvaujant ATP ir NADPH, CO 2 redukuojamas iki gliukozės (C 6 H 12 O 6). Nors šviesa šiam procesui nereikalinga, ji dalyvauja jo reguliavime.

C 3 fotosintezė, Kalvino ciklas

Trečiasis etapas apima 5 PHA molekules, kurios, susidarant 4-, 5-, 6- ir 7-anglies junginiams, sujungiamos į 3 5-anglies ribulozės-1,5-bifosfatą, kuriam reikia 3ATP.

Galiausiai, gliukozės sintezei reikia dviejų PHA. Norint suformuoti vieną iš jo molekulių, reikia 6 ciklo apsisukimų, 6 CO 2, 12 NADPH ir 18 ATP.

C 4 fotosintezė

Pagrindiniai straipsniai: Ciklas Hatch-Slack-Karpilov, C4 fotosintezė

Esant mažai stromoje ištirpusio CO 2 koncentracijai, ribulozės bifosfato karboksilazė katalizuoja ribulozės-1,5-bifosfato oksidacijos reakciją ir jo suskaidymą į 3-fosfoglicerino rūgštį ir fosfoglikolio rūgštį, kuri yra priversta naudoti fotokvėpavimo procese. .

Norėdami padidinti CO2 koncentraciją, 4 C tipo augalai pakeitė savo lapų anatomiją. Kalvino ciklas lokalizuojasi kraujagyslinio pluošto apvalkalo ląstelėse, veikiant PEP karboksilazei, fosfoenolpiruvatas karboksilinamas ir susidaro oksaloacto rūgštis, kuri paverčiama malatu arba aspartatu ir pernešama į apvalkalo ląsteles; dekarboksilinamas ir susidaro piruvatas, kuris grąžinamas į mezofilo ląsteles.

Naudojant 4, fotosintezė praktiškai nėra lydima ribulozės-1,5-bifosfato nuostolių iš Kalvino ciklo, todėl ji yra efektyvesnė. Tačiau 1 gliukozės molekulės sintezei reikia ne 18, o 30 ATP. Tai pateisinama tropikuose, kur karštas klimatas reikalauja, kad stomatos būtų uždarytos, o tai neleidžia CO 2 patekti į lapą, taip pat taikant ruderalinio gyvenimo strategiją.

pati fotosintezė

Vėliau buvo nustatyta, kad be deguonies išskyrimo augalai sugeria anglies dioksidą ir, dalyvaujant vandeniui, šviesoje sintetina organines medžiagas. Remdamasis energijos tvermės dėsniu, Robertas Mayeris teigė, kad augalai saulės šviesos energiją paverčia cheminių ryšių energija. W. Pfefferis šį procesą pavadino fotosinteze.

Pirmieji chlorofilus išskyrė P. J. Peltier ir J. Caventou. M. S. Tsvet savo sukurtu chromatografijos metodu sugebėjo atskirti pigmentus ir ištirti juos atskirai. Chlorofilo sugerties spektrus tyrė K. A. Timiriazevas, kuris, plėtodamas Mayerio principus, parodė, kad būtent sugerti spinduliai leidžia padidinti sistemos energiją, sukuriant didelės energijos C-C ryšius, o ne silpnus C-O ir O-H ryšius ( Prieš tai buvo manoma, kad fotosintezėje naudojami geltoni spinduliai, kurių nesugeria lapų pigmentai). Tai buvo padaryta dėl jo sukurto fotosintezės, pagrįstos sugertu CO 2, apskaitos metodo: eksperimentuojant augalą apšviečiant skirtingo bangos ilgio (skirtingų spalvų) šviesa, paaiškėjo, kad fotosintezės intensyvumas sutampa su chlorofilo sugerties spektru. .

Fotosintezės redoksinį pobūdį (tiek deguonies, tiek anoksigeninę) postulavo Cornelis van Niel. Tai reiškė, kad deguonis fotosintezėje susidaro tik iš vandens, ką eksperimentiškai patvirtino A. P. Vinogradovas, atlikdamas eksperimentus su izotopų etikete. Robertas Hillas nustatė, kad vandens oksidacijos (ir deguonies išsiskyrimo) ir CO 2 asimiliacijos procesas gali būti atskirtas. W. D. Arnonas nustatė šviesos fotosintezės stadijų mechanizmą, o CO 2 asimiliacijos proceso esmę Melvinas Calvinas atskleidė 1940-ųjų pabaigoje naudodamas anglies izotopus, už tai jam buvo skirta Nobelio premija.

Kiti faktai

Taip pat žr

Literatūra

  • D salė, Rao K. Fotosintezė: vert. iš anglų kalbos - M.: Mir, 1983 m.
  • Augalų fiziologija / red. prof. Ermakova I. P. - M.: Akademija, 2007 m
  • Ląstelių molekulinė biologija / Albertis B., Bray D. ir kt., 3 t. - M.: Mir, 1994 m
  • Rubinas A. B. Biofizika. 2 t. - M.: Leidykla. Maskvos universitetas ir mokslas, 2004 m.
  • Černavskaja N. M.,

APIBRĖŽIMAS: Fotosintezė yra organinių medžiagų susidarymo procesas iš anglies dioksido ir vandens, esant šviesai, išskiriant deguonį.

Trumpas fotosintezės paaiškinimas

Fotosintezės procesas apima:

1) chloroplastai,

3) anglies dioksidas,

5) temperatūra.

Aukštesniuose augaluose fotosintezė vyksta chloroplastuose – ovalo formos plastidėse (pusiau autonominėse organelėse), turinčiose pigmento chlorofilą, kurio žalios spalvos dėka augalo dalys taip pat turi žalią spalvą.

Dumbliuose chlorofilas yra chromatoforuose (pigmento turinčiose ir šviesą atspindinčiose ląstelėse). Rudieji ir raudonieji dumbliai, gyvenantys dideliame gylyje, kur saulės spinduliai prastai pasiekia, turi kitų pigmentų.

Jei pažvelgsime į visų gyvų būtybių maisto piramidę, fotosintetiniai organizmai yra pačiame apačioje, tarp autotrofų (organinių medžiagų sintetinančių iš neorganinių). Todėl jie yra maisto šaltinis visai planetos gyvybei.

Fotosintezės metu į atmosferą išsiskiria deguonis. Viršutiniuose atmosferos sluoksniuose iš jo susidaro ozonas. Ozono skydas apsaugo Žemės paviršių nuo atšiaurios ultravioletinės spinduliuotės, kurios dėka gyvybė galėjo išplaukti iš jūros į sausumą.

Deguonis būtinas augalų ir gyvūnų kvėpavimui. Kai gliukozė oksiduojama dalyvaujant deguoniui, mitochondrijos sukaupia beveik 20 kartų daugiau energijos nei be jos. Dėl to maisto panaudojimas tampa daug efektyvesnis, todėl paukščių ir žinduolių medžiagų apykaita sulėtėja.

Išsamesnis augalų fotosintezės proceso aprašymas

Fotosintezės eiga:

Fotosintezės procesas prasideda nuo šviesos patekimo į chloroplastus – tarpląstelinius pusiau autonominius organelius, kuriuose yra žalio pigmento. Veikiami šviesos chloroplastai pradeda vartoti vandenį iš dirvožemio, skaidydami jį į vandenilį ir deguonį.

Dalis deguonies patenka į atmosferą, kita dalis patenka į oksidacinius procesus augale.

Cukrus jungiasi su iš dirvos gaunamu azotu, siera ir fosforu, tokiu būdu žalieji augalai gamina krakmolą, riebalus, baltymus, vitaminus ir kitus jų gyvenimui reikalingus kompleksinius junginius.

Fotosintezė geriausiai vyksta veikiant saulės šviesai, tačiau kai kurie augalai gali pasitenkinti dirbtiniu apšvietimu.

Sudėtingas fotosintezės mechanizmų aprašymas pažengusiems skaitytojams

Iki XX amžiaus 60-ųjų mokslininkai žinojo tik vieną anglies dioksido fiksavimo mechanizmą - per C3-pentozės fosfato kelią. Tačiau neseniai Australijos mokslininkų grupei pavyko įrodyti, kad kai kuriuose augaluose anglies dioksido kiekis sumažėja per C4-dikarboksirūgšties ciklą.

Augaluose su C3 reakcija fotosintezė aktyviausiai vyksta vidutinės temperatūros ir šviesos sąlygomis, daugiausia miškuose ir tamsiose vietose. Tokiems augalams priskiriami beveik visi kultūriniai augalai ir dauguma daržovių. Jie sudaro žmogaus mitybos pagrindą.

Augaluose, kuriuose vyksta C4 reakcija, fotosintezė aktyviausiai vyksta aukštos temperatūros ir šviesos sąlygomis. Tokie augalai yra, pavyzdžiui, kukurūzai, sorgai ir cukranendrės, kurie auga šiltame ir atogrąžų klimate.

Pati augalų medžiagų apykaita buvo atrasta visai neseniai, kai buvo išsiaiškinta, kad kai kuriuose augaluose, kurie turi specialius audinius vandeniui kaupti, anglies dioksidas kaupiasi organinių rūgščių pavidalu ir angliavandeniuose užsifiksuoja tik po paros. Šis mechanizmas padeda augalams taupyti vandenį.

Kaip vyksta fotosintezės procesas?

Augalas sugeria šviesą naudodamas žalią medžiagą, vadinamą chlorofilu. Chlorofilas randamas chloroplastuose, kurių yra stiebuose arba vaisiuose. Ypač daug jų yra lapuose, nes dėl labai plokščios struktūros lapas gali pritraukti daug šviesos, todėl fotosintezės procesui gauti daug daugiau energijos.

Po absorbcijos chlorofilas yra sužadintos būsenos ir perduoda energiją kitoms augalo kūno molekulėms, ypač toms, kurios tiesiogiai dalyvauja fotosintezėje. Antrasis fotosintezės proceso etapas vyksta be privalomo šviesos dalyvavimo ir susideda iš cheminės jungties gavimo dalyvaujant anglies dioksidui, gautam iš oro ir vandens. Šiame etape sintetinamos įvairios gyvybei labai naudingos medžiagos, tokios kaip krakmolas ir gliukozė.

Šias organines medžiagas patys augalai naudoja įvairioms jo dalims maitinti, taip pat normalioms gyvenimo funkcijoms palaikyti. Be to, šių medžiagų gyvūnai gauna ir valgydami augalus. Šių medžiagų žmonės gauna ir valgydami gyvūninės bei augalinės kilmės maistą.

Fotosintezės sąlygos

Fotosintezė gali vykti tiek veikiant dirbtinei šviesai, tiek saulės šviesai. Paprastai gamtoje augalai intensyviai „dirba“ pavasarį ir vasarą, kai yra daug būtinos saulės šviesos. Rudenį mažiau šviesos, trumpėja dienos, lapai iš pradžių pagelsta, o paskui nukrinta. Tačiau kai tik pasirodys šilta pavasario saulė, vėl pasirodo žalia lapija ir žalios „gamyklos“ vėl pradės savo darbą, aprūpindamos gyvybei būtinu deguonimi ir daugybe kitų maistinių medžiagų.

Alternatyvus fotosintezės apibrėžimas

Fotosintezė (iš senovės graikų foto-šviesa ir sintezė - sujungimas, lankstymas, surišimas, sintezė) yra fotoautotrofų šviesos energijos pavertimo organinių medžiagų cheminių ryšių energija šviesoje, dalyvaujant fotosintetiniams pigmentams (chlorofilui augaluose). , bakteriochlorofilas ir bakteriorodopsinas bakterijose). Šiuolaikinėje augalų fiziologijoje fotosintezė dažniau suprantama kaip fotoautotrofinė funkcija – šviesos kvantų absorbcijos, transformacijos ir energijos panaudojimo procesų visuma įvairiose endergoninėse reakcijose, įskaitant anglies dioksido pavertimą organinėmis medžiagomis.

Fotosintezės fazės

Fotosintezė yra gana sudėtingas procesas ir apima dvi fazes: šviesą, kuri visada vyksta tik šviesoje, ir tamsos. Visi procesai vyksta chloroplastų viduje ant specialių mažų organų – tilakodijų. Šviesos fazės metu chlorofilas sugeria šviesos kvantą, todėl susidaro ATP ir NADPH molekulės. Tada vanduo skyla, sudarydamas vandenilio jonus ir išskirdamas deguonies molekulę. Kyla klausimas, kas yra šios nesuvokiamos paslaptingos medžiagos: ATP ir NADH?

ATP yra ypatinga organinė molekulė, randama visuose gyvuose organizmuose ir dažnai vadinama „energijos“ valiuta. Būtent šiose molekulėse yra didelės energijos jungčių ir jos yra energijos šaltinis bet kokioje organinėje sintezėje ir cheminiuose organizmo procesuose. Na, o NADPH iš tikrųjų yra vandenilio šaltinis, jis tiesiogiai naudojamas didelės molekulinės masės organinių medžiagų – angliavandenių – sintezėje, kuri vyksta antroje, tamsioje fotosintezės fazėje naudojant anglies dioksidą.

Šviesioji fotosintezės fazė

Chloroplastuose yra daug chlorofilo molekulių ir jie visi sugeria saulės šviesą. Tuo pačiu metu šviesą sugeria kiti pigmentai, tačiau jie negali atlikti fotosintezės. Pats procesas vyksta tik kai kuriose chlorofilo molekulėse, kurių yra labai mažai. Kitos chlorofilo, karotinoidų ir kitų medžiagų molekulės sudaro specialius antenų ir šviesos surinkimo kompleksus (LHC). Jos, kaip ir antenos, sugeria šviesos kvantus ir perduoda sužadinimą į specialius reakcijos centrus arba spąstus. Šie centrai išsidėstę fotosistemose, iš kurių augalai turi dvi: fotosistemą II ir fotosistemą I. Juose yra specialių chlorofilo molekulių: atitinkamai II fotosistemoje – P680, o I fotosistemoje – P700. Jie sugeria būtent tokio bangos ilgio šviesą (680 ir 700 nm).

Diagrama leidžia geriau suprasti, kaip viskas atrodo ir vyksta šviesioje fotosintezės fazėje.

Paveiksle matome dvi fotosistemas su chlorofilais P680 ir P700. Paveiksle taip pat pavaizduoti nešikliai, per kuriuos vyksta elektronų pernešimas.

Taigi: abi dviejų fotosistemų chlorofilo molekulės sugeria šviesos kvantą ir susijaudina. Elektronas e- (paveiksle raudonas) pereina į aukštesnį energijos lygį.

Sužadinti elektronai turi labai didelę energiją, jie nutrūksta ir patenka į specialią transporterių grandinę, kuri yra tilakoidų membranose – chloroplastų vidinėse struktūrose. Paveikslėlyje parodyta, kad iš II fotosistemos iš chlorofilo P680 elektronas eina į plastochinoną, o iš I fotosistemos iš chlorofilo P700 į ferredoksiną. Pačiose chlorofilo molekulėse vietoj elektronų po jų pašalinimo susidaro mėlynos skylės su teigiamu krūviu. Ką daryti?

Elektrono trūkumui kompensuoti II fotosistemos chlorofilo P680 molekulė priima elektronus iš vandens, susidaro vandenilio jonai. Be to, dėl vandens irimo į atmosferą patenka deguonis. O chlorofilo P700 molekulė, kaip matyti iš paveikslo, kompensuoja elektronų trūkumą per II fotosistemos nešiklių sistemą.

Apskritai, kad ir kaip sunku būtų, fotosintezės šviesos fazė vyksta būtent taip. Taip pat iš paveikslo matyti, kad lygiagrečiai su elektronų pernešimu per membraną juda vandenilio jonai H+, kurie kaupiasi tilakoido viduje. Kadangi jų ten daug, jie juda į išorę pasitelkę specialų konjugavimo faktorių, kuris paveikslėlyje yra oranžinis, parodytas dešinėje ir atrodo kaip grybas.

Galiausiai matome paskutinį elektronų transportavimo žingsnį, dėl kurio susidaro minėtas NADH junginys. O dėl H+ jonų perdavimo susintetina energijos valiuta – ATP (paveikslėlyje matosi dešinėje).

Taigi, šviesos fotosintezės fazė baigta, deguonis išsiskiria į atmosferą, susidaro ATP ir NADH. Kas toliau? Kur yra žadėta organinė medžiaga? Ir tada ateina tamsioji stadija, kurią daugiausia sudaro cheminiai procesai.

Tamsioji fotosintezės fazė

Tamsiojoje fotosintezės fazėje anglies dioksidas – CO2 – yra esminis komponentas. Todėl augalas turi nuolat jį sugerti iš atmosferos. Tam tikslui lapo paviršiuje yra specialios struktūros – stomatai. Jiems atsivėrus, CO2 patenka į lapą, ištirpsta vandenyje ir reaguoja su šviesos fotosintezės faze.

Daugumoje augalų šviesos fazės metu CO2 prisijungia prie penkių anglies organinių junginių (kuris yra penkių anglies molekulių grandinė), todėl susidaro dvi trijų anglies junginių (3-fosfoglicerino rūgšties) molekulės. Nes Pirminis rezultatas yra būtent šie trijų anglies junginiai, turintys tokio tipo fotosintezę, vadinami C3 augalais.

Tolesnė sintezė chloroplastuose vyksta gana sudėtingai. Galiausiai susidaro šešių anglies junginių junginys, iš kurio vėliau gali būti susintetinta gliukozė, sacharozė arba krakmolas. Šių organinių medžiagų pavidalu augalas kaupia energiją. Tokiu atveju lape lieka tik nedidelė jų dalis, kuri panaudojama savo reikmėms, o likusieji angliavandeniai keliauja po visą augalą, atkeliaudami ten, kur labiausiai reikia energijos – pavyzdžiui, į augimo taškus.

Kaip trumpai ir aiškiai paaiškinti tokį sudėtingą procesą kaip fotosintezė? Augalai yra vieninteliai gyvi organizmai, galintys patys gaminti maistą. Kaip jie tai daro? Visas augimui reikalingas medžiagas jie gauna iš aplinkos: anglies dvideginio iš oro, vandens ir iš dirvožemio. Jiems taip pat reikia energijos, kurią jie gauna iš saulės spindulių. Ši energija sukelia tam tikras chemines reakcijas, kurių metu anglies dioksidas ir vanduo paverčiami gliukoze (maistu) ir yra fotosintezė. Proceso esmę galima trumpai ir aiškiai paaiškinti net mokyklinio amžiaus vaikams.

„Kartu su šviesa“

Žodis „fotosintezė“ kilęs iš dviejų graikų kalbos žodžių – „foto“ ir „sintezė“, kurių derinys reiškia „kartu su šviesa“. Saulės energija paverčiama chemine energija. Cheminė fotosintezės lygtis:

6CO 2 + 12H 2 O + šviesa = C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + 6H 2 O.

Tai reiškia, kad gliukozei gaminti (kartu su saulės šviesa) naudojamos 6 anglies dioksido molekulės ir dvylika molekulių vandens, todėl susidaro šešios deguonies ir šešios vandens molekulės. Jei tai pateikiate kaip žodinę lygtį, gausite:

Vanduo + saulė => gliukozė + deguonis + vanduo.

Saulė yra labai galingas energijos šaltinis. Žmonės visada stengiasi jį panaudoti gamindami elektrą, apšiltindami namus, šildydami vandenį ir pan. Augalai suprato, kaip panaudoti saulės energiją prieš milijonus metų, nes tai buvo būtina jų išlikimui. Fotosintezę galima trumpai ir aiškiai paaiškinti taip: augalai panaudoja saulės šviesos energiją ir paverčia ją chemine energija, kurios rezultatas – cukrus (gliukozė), kurio perteklius kaupiamas kaip krakmolas lapuose, šaknyse, stiebuose ir. augalo sėklos. Saulės energija perduodama augalams, taip pat gyvūnams, kurie minta šiais augalais. Kai augalui reikia maistinių medžiagų augimui ir kitiems gyvenimo procesams, šios atsargos yra labai naudingos.

Kaip augalai sugeria saulės energiją?

Trumpai ir aiškiai kalbant apie fotosintezę, verta atkreipti dėmesį į klausimą, kaip augalai sugeba įsisavinti saulės energiją. Taip nutinka dėl ypatingos lapų struktūros, į kurią įeina žaliosios ląstelės – chloroplastai, kuriuose yra specialios medžiagos, vadinamos chlorofilu. Būtent tai suteikia lapams žalią spalvą ir yra atsakinga už saulės šviesos energijos sugėrimą.


Kodėl dauguma lapų yra platūs ir plokšti?

Fotosintezė vyksta augalų lapuose. Nuostabus faktas yra tai, kad augalai yra labai gerai prisitaikę gaudyti saulės šviesą ir sugerti anglies dioksidą. Dėl plataus paviršiaus bus užfiksuota daug daugiau šviesos. Būtent dėl ​​šios priežasties saulės baterijos, kurios kartais įrengiamos ant namų stogų, taip pat yra plačios ir plokščios. Kuo didesnis paviršius, tuo geriau sugeriama.

Kas dar svarbu augalams?

Kaip ir žmonėms, augalams taip pat reikia naudingų maistinių medžiagų, kad jie išliktų sveiki, augtų ir gerai atliktų savo gyvybines funkcijas. Vandenyje ištirpintus mineralus jie gauna iš dirvožemio per savo šaknis. Jei dirvoje trūksta mineralinių maisto medžiagų, augalas normaliai vystysis. Ūkininkai dažnai išbando dirvožemį, kad įsitikintų, jog jame yra pakankamai maistinių medžiagų pasėliams augti. Priešingu atveju naudokite trąšas, kuriose yra būtinų mineralų augalų mitybai ir augimui.

Kodėl fotosintezė tokia svarbi?

Norint trumpai ir aiškiai paaiškinti vaikams fotosintezę, verta pasakyti, kad šis procesas yra viena iš svarbiausių cheminių reakcijų pasaulyje. Kokios yra tokio garsaus pareiškimo priežastys? Pirma, fotosintezė maitina augalus, kurie savo ruožtu maitina visus kitus planetos gyvius, įskaitant gyvūnus ir žmones. Antra, dėl fotosintezės į atmosferą patenka kvėpavimui reikalingas deguonis. Visi gyvi daiktai įkvepia deguonį ir iškvepia anglies dioksidą. Laimei, augalai elgiasi priešingai, todėl yra labai svarbūs žmonėms ir gyvūnams, nes suteikia jiems galimybę kvėpuoti.

Nuostabus procesas

Augalai, pasirodo, irgi moka kvėpuoti, tačiau, skirtingai nei žmonės ir gyvūnai, iš oro sugeria anglies dvideginį, o ne deguonį. Augalai taip pat geria. Štai kodėl reikia juos laistyti, kitaip jie mirs. Šaknų sistemos pagalba vanduo ir maisto medžiagos pernešamos į visas augalo kūno dalis, o anglies dvideginis absorbuojamas per mažas lapų skylutes. Cheminės reakcijos pradžios veiksnys yra saulės šviesa. Visus gautus medžiagų apykaitos produktus augalai naudoja mitybai, deguonis išleidžiamas į atmosferą. Taip galite trumpai ir aiškiai paaiškinti, kaip vyksta fotosintezės procesas.

Fotosintezė: šviesioji ir tamsioji fotosintezės fazės

Nagrinėjamas procesas susideda iš dviejų pagrindinių dalių. Yra dvi fotosintezės fazės (aprašas ir lentelė toliau). Pirmasis vadinamas šviesos faze. Jis atsiranda tik esant šviesai tilaoidinėse membranose, dalyvaujant chlorofilui, elektronų transportavimo baltymams ir fermentui ATP sintetazei. Ką dar slepia fotosintezė? Dienos ir nakties eigoje apšvieskite ir pakeiskite vienas kitą (Calvin ciklai). Tamsiosios fazės metu susidaro ta pati gliukozė, maistas augalams. Šis procesas dar vadinamas nuo šviesos nepriklausoma reakcija.

Šviesos fazė Tamsi fazė

1. Chloroplastuose vykstančios reakcijos galimos tik esant šviesai. Šiose reakcijose šviesos energija paverčiama chemine energija

2. Chlorofilas ir kiti pigmentai sugeria saulės spindulių energiją. Ši energija perduodama fotosistemoms, atsakingoms už fotosintezę

3. Vanduo naudojamas elektronams ir vandenilio jonams, taip pat dalyvauja deguonies gamyboje

4. Elektronai ir vandenilio jonai naudojami ATP (energijos kaupimo molekulei) sukurti, kuri reikalinga kitoje fotosintezės fazėje.

1. Chloroplastų stromoje vyksta itin lengvo ciklo reakcijos

2. Anglies dioksidas ir energija iš ATP naudojami gliukozės pavidalu

Išvada

Iš viso to, kas išdėstyta pirmiau, galima padaryti tokias išvadas:

  • Fotosintezė yra procesas, kurio metu gaunama energija iš saulės.
  • Saulės šviesos energiją chlorofilas paverčia chemine energija.
  • Chlorofilas suteikia augalams žalią spalvą.
  • Fotosintezė vyksta augalų lapų ląstelių chloroplastuose.
  • Anglies dioksidas ir vanduo yra būtini fotosintezei.
  • Anglies dioksidas į augalą patenka per mažytes skylutes, stomatas, o pro jas išeina deguonis.
  • Vanduo į augalą įsigeria per jo šaknis.
  • Be fotosintezės pasaulyje nebūtų maisto.

Fotosintezė yra organinių medžiagų sintezės iš neorganinių, naudojant šviesos energiją, procesas. Daugeliu atvejų fotosintezę vykdo augalai, naudodami ląstelinius organelius, tokius kaip chloroplastai kurių sudėtyje yra žalio pigmento chlorofilas.

Jei augalai nepajėgtų sintetinti organinių medžiagų, tai beveik visi kiti Žemės organizmai neturėtų ką valgyti, nes gyvūnai, grybai ir daugelis bakterijų negali sintetinti organinių medžiagų iš neorganinių. Jie sugeria tik paruoštus, skaido į paprastesnius, iš kurių vėl surenka sudėtingus, bet jau būdingus savo kūnui.

Taip yra, jei apie fotosintezę ir jos vaidmenį kalbame labai trumpai. Norint suprasti fotosintezę, reikia pasakyti daugiau: kokios konkrečios neorganinės medžiagos naudojamos, kaip vyksta sintezė?

Fotosintezei reikalingos dvi neorganinės medžiagos – anglies dioksidas (CO 2) ir vanduo (H 2 O). Pirmąjį iš oro sugeria antžeminės augalų dalys, daugiausia per stomatas. Vanduo ateina iš dirvožemio, iš kur augalo laidžiosios sistemos pagalba jis tiekiamas į fotosintetines ląsteles. Taip pat fotosintezei reikalinga fotonų energija (hν), tačiau jų negalima priskirti medžiagai.

Iš viso fotosintezės metu susidaro organinės medžiagos ir deguonis (O2). Paprastai organinė medžiaga dažniausiai reiškia gliukozę (C 6 H 12 O 6).

Organinius junginius daugiausia sudaro anglies, vandenilio ir deguonies atomai. Jų yra anglies dvideginyje ir vandenyje. Tačiau fotosintezės metu išsiskiria deguonis. Jo atomai paimti iš vandens.

Trumpai ir paprastai fotosintezės reakcijos lygtis paprastai rašoma taip:

6CO 2 + 6H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 6O 2

Tačiau ši lygtis neatspindi fotosintezės esmės ir nedaro jos suprantamos. Žiūrėk, nors lygtis subalansuota, joje bendras laisvojo deguonies atomų skaičius yra 12. Bet mes sakėme, kad jie kilę iš vandens, o jų yra tik 6.

Tiesą sakant, fotosintezė vyksta dviem etapais. Pirmasis vadinamas šviesos, antras - tamsus. Tokie pavadinimai yra dėl to, kad šviesos reikia tik šviesos fazė , tamsi fazė nepriklauso nuo jo buvimo, bet tai nereiškia, kad jis vaikšto tamsoje. Šviesioji fazė atsiranda ant tilakoidinių membranų chloroplastas, tamsiai – chloroplasto stromoje.

Šviesos fazės metu CO 2 jungimasis nevyksta. Tik saulės energiją sugauna chlorofilo kompleksai ir kaupia ATP, energijos naudojimas siekiant sumažinti NADP iki NADP*H 2. Energijos srautą iš šviesos sužadinto chlorofilo užtikrina elektronai, perduodami fermentų, įmontuotų į tilakoidų membranas, elektronų transportavimo grandine.

NADP vandenilis gaunamas iš vandens, kuris saulės šviesoje suskaidomas į deguonies atomus, vandenilio protonus ir elektronus. Šis procesas vadinamas fotolizė. Deguonis iš vandens fotosintezei nereikalingas. Dviejų vandens molekulių deguonies atomai susijungia ir sudaro molekulinį deguonį. Fotosintezės šviesos fazės reakcijos lygtis trumpai atrodo taip:

H 2 O + (ADP+P) + NADP → ATP + NADP*H 2 + ½O 2

Taigi deguonies išsiskyrimas vyksta šviesos fotosintezės fazės metu. Vienos vandens molekulės fotolizės metu iš ADP ir fosforo rūgšties susintetintų ATP molekulių skaičius gali būti skirtingas: viena arba dvi.

Taigi, ATP ir NADP*H 2 ateina iš šviesios fazės į tamsiąją. Čia pirmojo energija ir antrojo redukcinė galia išleidžiama anglies dioksidui surišti. Šis fotosintezės etapas negali būti paaiškintas paprastai ir glaustai, nes jis vyksta ne taip, kaip šešios CO 2 molekulės susijungia su vandeniliu, išsiskiriančiu iš NADP*H 2 molekulių, kad susidarytų gliukozė:

6CO2 + 6NADP*H2 →C 6H12O6 + 6NADP
(reakcija vyksta sunaudojant ATP energiją, kuri skyla į ADP ir fosforo rūgštį).

Pateikta reakcija yra tik supaprastinimas, kad būtų lengviau suprasti. Tiesą sakant, anglies dioksido molekulės jungiasi po vieną ir prisijungia prie jau paruoštos penkių anglies organinės medžiagos. Susidaro nestabili šešių angliavandenių organinė medžiaga, kuri skyla į trijų angliavandenių molekules. Kai kurios iš šių molekulių naudojamos iš naujo sintetinti pradinę penkių anglies junginių medžiagą, kad surištų CO 2 . Ši pakartotinė sintezė užtikrinama Kalvino ciklas. Mažuma angliavandenių molekulių, turinčių tris anglies atomus, išeina iš ciklo. Iš jų ir kitų medžiagų sintetinamos visos kitos organinės medžiagos (angliavandeniai, riebalai, baltymai).

Tai iš tikrųjų yra trijų anglies cukrų, o ne gliukozė, išeina iš tamsiosios fotosintezės fazės.