Historia badań nad fotosyntezą. Krótko. Co to jest fotosynteza? Zastosowania fotosyntezy Czym jest fotosynteza

Fotosynteza bez chlorofilu

Lokalizacja przestrzenna

Fotosynteza roślin zachodzi w chloroplastach: oddzielnych organellach komórkowych z podwójną błoną. Chloroplasty można znaleźć w komórkach owoców i łodyg, ale głównym organem fotosyntezy, anatomicznie przystosowanym do jej prowadzenia, jest liść. W liściu tkanka miąższu palisady jest najbogatsza w chloroplasty. U niektórych sukulentów ze zdegenerowanymi liśćmi (takich jak kaktusy) główna aktywność fotosyntetyczna związana jest z łodygą.

Światło potrzebne do fotosyntezy jest lepiej wychwytywane dzięki płaskiemu kształtowi liścia, który zapewnia wysoki stosunek powierzchni do objętości. Woda dostarczana jest z korzenia poprzez rozwiniętą sieć naczyń (żyłki liściowe). Dwutlenek węgla przedostaje się częściowo poprzez dyfuzję przez naskórek i naskórek, ale większość przedostaje się do liścia przez aparaty szparkowe i przez liść przez przestrzeń międzykomórkową. Rośliny przeprowadzające fotosyntezę CAM wykształciły specjalne mechanizmy aktywnej asymilacji dwutlenku węgla.

Wewnętrzna przestrzeń chloroplastu wypełniona jest bezbarwną zawartością (zrębem) i przenikają przez nią błony (lamele), które po połączeniu tworzą tylakoidy, które z kolei grupują się w stosy zwane grana. Przestrzeń wewnątrztylakoidowa jest oddzielona i nie komunikuje się z resztą zrębu; zakłada się również, że przestrzeń wewnętrzna wszystkich tylakoidów komunikuje się ze sobą. Lekkie etapy fotosyntezy ograniczają się do błon; autotroficzne wiązanie CO 2 zachodzi w zrębie.

Chloroplasty mają własne DNA, RNA, rybosomy (typ 70.) i zachodzi synteza białek (choć proces ten jest kontrolowany z jądra). Nie są one ponownie syntetyzowane, ale powstają w wyniku podziału poprzednich. Wszystko to pozwoliło uznać je za potomków wolnych sinic, które w procesie symbiogenezy stały się częścią komórki eukariotycznej.

Fotosystem I

Kompleks zbierający światło I zawiera około 200 cząsteczek chlorofilu.

W centrum reakcji pierwszego fotosystemu znajduje się dimer chlorofilu a z maksimum absorpcji przy 700 nm (P700). Po wzbudzeniu przez kwant światła odbudowuje pierwotny akceptor – chlorofil a, który odbudowuje wtórny akceptor (witamina K 1 lub filochinon), po czym elektron zostaje przeniesiony do ferredoksyny, która redukuje NADP za pomocą enzymu reduktazy ferredoksyny-NADP.

Białko plastocyjaninowe zredukowane w kompleksie b 6 f transportowane jest od strony przestrzeni wewnątrztylakoidowej do centrum reakcji pierwszego fotosystemu i przenosi elektron do utlenionego P700.

Cykliczny i pseudocykliczny transport elektronów

Oprócz opisanej powyżej kompletnej niecyklicznej ścieżki elektronów odkryto ścieżkę cykliczną i pseudocykliczną.

Istotą szlaku cyklicznego jest to, że ferredoksyna zamiast NADP redukuje plastochinon, który przenosi go z powrotem do kompleksu b 6 f. Powoduje to większy gradient protonów i więcej ATP, ale bez NADPH.

Na szlaku pseudocyklicznym ferredoksyna redukuje tlen, który następnie przekształca się w wodę i może zostać wykorzystany w fotosystemie II. W tym przypadku NADPH również nie powstaje.

Ciemna scena

W fazie ciemnej przy udziale ATP i NADPH CO 2 ulega redukcji do glukozy (C 6 H 12 O 6). Choć światło nie jest potrzebne do tego procesu, to jednak bierze udział w jego regulacji.

Fotosynteza C 3, cykl Calvina

Trzeci etap obejmuje 5 cząsteczek PHA, które poprzez utworzenie związków 4-, 5-, 6- i 7-węglowych łączą się w 3-5-węglowy rybulozo-1,5-bifosforan, który wymaga 3ATP.

Wreszcie do syntezy glukozy potrzebne są dwa PHA. Do powstania jednej z jego cząsteczek potrzeba 6 obrotów cyklu, 6 CO 2, 12 NADPH i 18 ATP.

Fotosynteza C4

Główne artykuły: Cykl Hatcha-Slacka-Karpiłowa, Fotosynteza C4

Przy niskim stężeniu CO 2 rozpuszczonego w zrębie karboksylaza rybulozobifosforanu katalizuje reakcję utleniania rybulozo-1,5-bifosforanu i jego rozkładu na kwas 3-fosfoglicerynowy i kwas fosfoglikolowy, które zmuszane są do wykorzystania w procesie fotooddychania .

Aby zwiększyć stężenie CO2, rośliny typu 4 C zmieniły anatomię liści. Cykl Calvina zlokalizowany jest w komórkach osłonki pęczka naczyniowego, w komórkach mezofilu pod działaniem karboksylazy PEP fosfoenolopirogronian ulega karboksylacji z wytworzeniem kwasu szczawiooctowego, który przekształca się w jabłczan lub asparaginian i transportuje do komórek osłonki, gdzie ulega dekarboksylacji, tworząc pirogronian, który jest zawracany do komórek mezofilu.

Przy 4 fotosyntezie praktycznie nie towarzyszą straty rybulozo-1,5-bifosforanu z cyklu Calvina, a zatem jest bardziej wydajna. Do syntezy 1 cząsteczki glukozy potrzeba jednak nie 18, a 30 ATP. Jest to uzasadnione w tropikach, gdzie gorący klimat wymaga utrzymywania aparatów szparkowych zamkniętych, co zapobiega przedostawaniu się CO 2 do liścia, a także przy ruderalnej strategii życiowej.

samą fotosyntezę

Później odkryto, że rośliny oprócz uwalniania tlenu pochłaniają dwutlenek węgla i przy udziale wody syntetyzują materię organiczną znajdującą się w świetle. Opierając się na prawie zachowania energii, Robert Mayer postulował, aby rośliny przetwarzały energię światła słonecznego na energię wiązań chemicznych. W. Pfeffer nazwał ten proces fotosyntezą.

Chlorofile po raz pierwszy wyizolowali P. J. Peltier i J. Caventou. M. S. Tsvetowi udało się oddzielić pigmenty i zbadać je osobno, stosując stworzoną przez siebie metodę chromatograficzną. Widma absorpcyjne chlorofilu badał K. A. Timiryazev, który rozwijając zasady Mayera wykazał, że to właśnie zaabsorbowane promienie umożliwiają zwiększenie energii układu, tworząc wysokoenergetyczne wiązania C-C zamiast słabych wiązań C-O i O-H ( wcześniej wierzono, że w fotosyntezie wykorzystuje się żółte promienie, które nie są pochłaniane przez pigmenty liści). Stało się to dzięki stworzonej przez niego metodzie rozliczania fotosyntezy w oparciu o pochłonięty CO 2: podczas eksperymentów z oświetlaniem rośliny światłem o różnych długościach fal (różnych kolorach) okazało się, że intensywność fotosyntezy pokrywa się ze widmem absorpcji chlorofilu .

Redoksowy charakter fotosyntezy (zarówno tlenowej, jak i beztlenowej) postulował Cornelis van Niel. Oznaczało to, że tlen w procesie fotosyntezy powstaje w całości z wody, co zostało eksperymentalnie potwierdzone przez A.P. Winogradowa w eksperymentach ze znacznikiem izotopowym. Robert Hill odkrył, że proces utleniania wody (i uwalniania tlenu) i asymilacji CO 2 można oddzielić. W. D. Arnon ustalił mechanizm lekkich etapów fotosyntezy, a istotę procesu asymilacji CO 2 odkrył Melvin Calvin za pomocą izotopów węgla pod koniec lat 40. XX wieku, za co otrzymał Nagrodę Nobla.

Inne fakty

Zobacz też

Literatura

• Hall D., Rao K. Fotosynteza: przeł. z angielskiego - M.: Mir, 1983.
• Fizjologia roślin / wyd. prof. Ermakova I. P. - M .: Akademia, 2007
• Biologia molekularna komórek / Albertis B., Bray D. i in. W 3 tomach. - M.: Mir, 1994
• Rubin A. B. Biofizyka. W 2 tomach. - M.: Wydawnictwo. Uniwersytet Moskiewski i Nauka, 2004.
• Czernawskaja N. M.,

DEFINICJA: Fotosynteza to proces powstawania substancji organicznych z dwutlenku węgla i wody pod wpływem światła, z wydzieleniem tlenu.

Krótkie wyjaśnienie fotosyntezy

Na proces fotosyntezy składa się:

1) chloroplasty,

3) dwutlenek węgla,

5) temperatura.

U roślin wyższych fotosynteza zachodzi w chloroplastach - owalnych plastydach (organellach półautonomicznych) zawierających pigment chlorofil, dzięki zielonemu kolorowi, którego części rośliny również mają zielony kolor.

W algach chlorofil zawarty jest w chromatoforach (komórkach zawierających pigment i odbijających światło). Brązowe i czerwone algi, które żyją na znacznych głębokościach, gdzie światło słoneczne nie dociera dobrze, mają inne pigmenty.

Jeśli spojrzeć na piramidę żywieniową wszystkich żywych istot, organizmy fotosyntetyzujące znajdują się na samym dole, wśród autotrofów (organizmów syntetyzujących substancje organiczne z nieorganicznych). Dlatego są źródłem pożywienia dla całego życia na planecie.

Podczas fotosyntezy tlen jest uwalniany do atmosfery. W górnych warstwach atmosfery powstaje z niego ozon. Tarcza ozonowa chroni powierzchnię Ziemi przed ostrym promieniowaniem ultrafioletowym, dzięki któremu życie mogło wydostać się z morza na ląd.

Tlen jest niezbędny do oddychania roślin i zwierząt. Podczas utleniania glukozy przy udziale tlenu mitochondria magazynują prawie 20 razy więcej energii niż bez niego. Dzięki temu wykorzystanie pożywienia jest znacznie efektywniejsze, co doprowadziło do wysokiego tempa metabolizmu u ptaków i ssaków.

Bardziej szczegółowy opis procesu fotosyntezy u roślin

Postęp fotosyntezy:

Proces fotosyntezy rozpoczyna się od uderzenia światła w chloroplasty – wewnątrzkomórkowe półautonomiczne organelle zawierające zielony pigment. Pod wpływem światła chloroplasty zaczynają pobierać wodę z gleby, rozkładając ją na wodór i tlen.

Część tlenu uwalniana jest do atmosfery, pozostała część trafia do procesów oksydacyjnych zachodzących w roślinie.

Cukier łączy się z azotem, siarką i fosforem pochodzącym z gleby, w ten sposób zielone rośliny wytwarzają skrobię, tłuszcze, białka, witaminy i inne złożone związki niezbędne do ich życia.

Fotosynteza najlepiej zachodzi pod wpływem światła słonecznego, ale niektóre rośliny mogą zadowolić się sztucznym oświetleniem.

Kompleksowy opis mechanizmów fotosyntezy dla zaawansowanego czytelnika

Do lat 60. XX wieku naukowcy znali tylko jeden mechanizm wiązania dwutlenku węgla – poprzez szlak C3-pentofosforanowy. Jednak ostatnio grupie australijskich naukowców udało się udowodnić, że w niektórych roślinach redukcja dwutlenku węgla następuje poprzez cykl kwasu C4-dikarboksylowego.

U roślin z reakcją C3 fotosynteza zachodzi najaktywniej w warunkach umiarkowanej temperatury i światła, głównie w lasach i ciemnych miejscach. Roślinami takimi są prawie wszystkie rośliny uprawne i większość warzyw. Stanowią podstawę diety człowieka.

U roślin z reakcją C4 fotosynteza zachodzi najaktywniej w warunkach wysokiej temperatury i światła. Do takich roślin zalicza się na przykład kukurydzę, sorgo i trzcinę cukrową, które rosną w klimacie ciepłym i tropikalnym.

Sam metabolizm roślin odkryto całkiem niedawno, kiedy odkryto, że w niektórych roślinach, które mają specjalne tkanki do magazynowania wody, dwutlenek węgla gromadzi się w postaci kwasów organicznych i jest utrwalany w węglowodanach dopiero po jednym dniu. Mechanizm ten pomaga roślinom oszczędzać wodę.

Jak przebiega proces fotosyntezy?

Roślina pochłania światło za pomocą zielonej substancji zwanej chlorofilem. Chlorofil występuje w chloroplastach, które znajdują się w łodygach lub owocach. Szczególnie dużo ich jest w liściach, gdyż dzięki swojej bardzo płaskiej strukturze liść może przyciągnąć dużo światła, a co za tym idzie, otrzymać znacznie więcej energii do procesu fotosyntezy.

Po wchłonięciu chlorofil znajduje się w stanie wzbudzonym i przekazuje energię innym cząsteczkom organizmu rośliny, szczególnie tym bezpośrednio biorącym udział w fotosyntezie. Drugi etap procesu fotosyntezy odbywa się bez obowiązkowego udziału światła i polega na powstaniu wiązania chemicznego przy udziale dwutlenku węgla pozyskiwanego z powietrza i wody. Na tym etapie syntetyzuje się różne bardzo przydatne do życia substancje, takie jak skrobia i glukoza.

Te substancje organiczne wykorzystywane są przez same rośliny do odżywiania poszczególnych jej części, a także do utrzymania prawidłowych funkcji życiowych. Ponadto substancje te pozyskują także zwierzęta jedząc rośliny. Ludzie zaopatrują się w te substancje również poprzez spożywanie pokarmów pochodzenia zwierzęcego i roślinnego.

Warunki fotosyntezy

Fotosynteza może zachodzić zarówno pod wpływem sztucznego światła, jak i światła słonecznego. Z reguły w naturze rośliny „pracują” intensywnie wiosną i latem, kiedy jest dużo niezbędnego światła słonecznego. Jesienią jest mniej światła, dni są krótsze, liście najpierw żółkną, a potem opadają. Ale gdy tylko pojawi się ciepłe wiosenne słońce, ponownie pojawi się zielone liście, a zielone „fabryki” na nowo wznowią swoją pracę, aby zapewnić niezbędny do życia tlen i wiele innych składników odżywczych.

Alternatywna definicja fotosyntezy

Fotosynteza (od starożytnego greckiego fotoświatła i syntezy - łączenie, składanie, wiązanie, synteza) to proces przekształcania energii świetlnej w energię wiązań chemicznych substancji organicznych w świetle przez fotoautotrofy z udziałem pigmentów fotosyntetycznych (chlorofilu w roślinach). , bakteriochlorofil i bakteriorodopsyna w bakteriach). We współczesnej fizjologii roślin fotosyntezę coraz częściej rozumie się jako funkcję fotoautotroficzną – zespół procesów absorpcji, przemiany i wykorzystania energii kwantów świetlnych w różnych reakcjach endergonicznych, w tym w przemianie dwutlenku węgla w substancje organiczne.

Fazy ​​​​fotosyntezy

Fotosynteza jest procesem dość złożonym i obejmuje dwie fazy: światło, które zawsze zachodzi wyłącznie w świetle, oraz ciemność. Wszystkie procesy zachodzą wewnątrz chloroplastów na specjalnych małych narządach - tylakodii. W fazie jasnej chlorofil absorbuje pewną ilość światła, w wyniku czego powstają cząsteczki ATP i NADPH. Następnie woda rozkłada się, tworząc jony wodoru i uwalniając cząsteczkę tlenu. Powstaje pytanie, czym są te niezrozumiałe, tajemnicze substancje: ATP i NADH?

ATP to specjalna cząsteczka organiczna występująca we wszystkich żywych organizmach i często nazywana jest walutą „energetyczną”. To właśnie te cząsteczki zawierają wiązania wysokoenergetyczne i są źródłem energii we wszelkich syntezach organicznych i procesach chemicznych zachodzących w organizmie. Otóż ​​NADPH jest właściwie źródłem wodoru, wykorzystywany jest bezpośrednio w syntezie wielkocząsteczkowych substancji organicznych – węglowodanów, co zachodzi w drugiej, ciemnej fazie fotosyntezy z wykorzystaniem dwutlenku węgla.

Faza jasna fotosyntezy

Chloroplasty zawierają dużo cząsteczek chlorofilu i wszystkie pochłaniają światło słoneczne. Jednocześnie światło jest pochłaniane przez inne pigmenty, ale nie mogą one przeprowadzać fotosyntezy. Sam proces zachodzi tylko w niektórych cząsteczkach chlorofilu, których jest bardzo niewiele. Inne cząsteczki chlorofilu, karotenoidów i innych substancji tworzą specjalne kompleksy antenowe i zbierające światło (LHC). Podobnie jak anteny pochłaniają kwanty światła i przekazują wzbudzenie do specjalnych ośrodków reakcji lub pułapek. Centra te zlokalizowane są w fotosystemach, z czego rośliny posiadają dwa: fotosystem II i fotosystem I. Zawierają one specjalne cząsteczki chlorofilu: odpowiednio w fotosystemie II – P680 i w fotosystemie I – P700. Pochłaniają światło o dokładnie tej długości fali (680 i 700 nm).

Diagram wyjaśnia, jak wszystko wygląda i dzieje się podczas jasnej fazy fotosyntezy.

Na rysunku widzimy dwa fotosystemy z chlorofilami P680 i P700. Na rysunku pokazano także nośniki, przez które następuje transport elektronów.

Zatem: obie cząsteczki chlorofilu dwóch fotosystemów absorbują kwant światła i ulegają wzbudzeniu. Elektron e- (na rysunku czerwony) przechodzi na wyższy poziom energii.

Wzbudzone elektrony mają bardzo wysoką energię, odrywają się i wchodzą do specjalnego łańcucha transporterów, który znajduje się w błonach tylakoidów - wewnętrznych strukturach chloroplastów. Z rysunku wynika, że ​​z fotosystemu II z chlorofilu P680 elektron przechodzi do plastochinonu, a z fotosystemu I z chlorofilu P700 do ferredoksyny. W samych cząsteczkach chlorofilu w miejscu elektronów po ich usunięciu tworzą się niebieskie dziury o ładunku dodatnim. Co robić?

Aby zrekompensować brak elektronu, cząsteczka chlorofilu P680 fotosystemu II przyjmuje elektrony z wody i powstają jony wodoru. Ponadto w wyniku rozkładu wody do atmosfery uwalniany jest tlen. Natomiast cząsteczka chlorofilu P700, jak widać na rysunku, uzupełnia brak elektronów poprzez system nośników z fotosystemu II.

Ogólnie rzecz biorąc, bez względu na to, jak trudne jest to, właśnie w ten sposób przebiega lekka faza fotosyntezy, jej główną istotą jest przenoszenie elektronów. Z rysunku widać również, że równolegle z transportem elektronów jony wodoru H+ przemieszczają się przez błonę i gromadzą się wewnątrz tylakoidu. Ponieważ jest ich tam dużo, przemieszczają się na zewnątrz za pomocą specjalnego czynnika koniugującego, który na zdjęciu pokazanym po prawej stronie jest pomarańczowy i wygląda jak grzyb.

Wreszcie widzimy końcowy etap transportu elektronów, w wyniku którego powstaje wspomniany związek NADH. A dzięki transferowi jonów H+ syntetyzowana jest waluta energetyczna – ATP (widoczne po prawej stronie na rysunku).

Tak więc faza jasna fotosyntezy dobiega końca, tlen jest uwalniany do atmosfery, powstają ATP i NADH. Co dalej? Gdzie jest obiecana materia organiczna? A potem przychodzi etap ciemny, na który składają się głównie procesy chemiczne.

Ciemna faza fotosyntezy

W ciemnej fazie fotosyntezy niezbędnym składnikiem jest dwutlenek węgla – CO2. Dlatego roślina musi stale wchłaniać go z atmosfery. W tym celu na powierzchni liścia znajdują się specjalne struktury - aparaty szparkowe. Kiedy się otwierają, CO2 przedostaje się do liścia, rozpuszcza się w wodzie i reaguje z lekką fazą fotosyntezy.

W fazie lekkiej u większości roślin CO2 wiąże się z pięciowęglowym związkiem organicznym (który jest łańcuchem pięciu cząsteczek węgla), w wyniku czego powstają dwie cząsteczki związku trójwęglowego (kwasu 3-fosfoglicerynowego). Ponieważ Podstawowym rezultatem są właśnie te związki trójwęglowe; rośliny prowadzące tego typu fotosyntezę nazywane są roślinami C3.

Dalsza synteza w chloroplastach zachodzi dość złożona. Ostatecznie tworzy związek sześciowęglowy, z którego można następnie syntetyzować glukozę, sacharozę lub skrobię. W postaci tych substancji organicznych roślina gromadzi energię. W tym przypadku tylko niewielka ich część pozostaje w liściu, który jest wykorzystywany na jej potrzeby, natomiast reszta węglowodanów wędruje po całej roślinie, docierając tam, gdzie jest najbardziej potrzebna energia – np. w punktach wzrostu.

Jak krótko i jasno wytłumaczyć tak złożony proces, jakim jest fotosynteza? Rośliny są jedynymi żywymi organizmami, które mogą wytwarzać własne pożywienie. Jak oni to robią? Do wzrostu otrzymują wszystkie niezbędne substancje ze środowiska: dwutlenek węgla z powietrza, wody i gleby. Potrzebują także energii, którą czerpią z promieni słonecznych. Energia ta wywołuje pewne reakcje chemiczne, podczas których dwutlenek węgla i woda przekształcają się w glukozę (pożywienie) i zachodzi fotosynteza. Istotę tego procesu można krótko i jasno wyjaśnić nawet dzieciom w wieku szkolnym.

„Razem ze Światłem”

Słowo „fotosynteza” pochodzi od dwóch greckich słów – „foto” i „synteza”, których kombinacja oznacza „razem ze światłem”. Energia słoneczna jest przekształcana w energię chemiczną. Równanie chemiczne fotosyntezy:

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

Oznacza to, że do wytworzenia glukozy wykorzystuje się 6 cząsteczek dwutlenku węgla i dwanaście cząsteczek wody (wraz ze światłem słonecznym), w wyniku czego powstaje sześć cząsteczek tlenu i sześć cząsteczek wody. Jeśli przedstawisz to jako równanie słowne, otrzymasz co następuje:

Woda + słońce => glukoza + tlen + woda.

Słońce jest bardzo potężnym źródłem energii. Ludzie zawsze próbują go używać do wytwarzania prądu, izolowania domów, podgrzewania wody i tak dalej. Rośliny „wymyśliły”, jak wykorzystywać energię słoneczną miliony lat temu, ponieważ było to konieczne do ich przetrwania. Fotosyntezę można krótko i jasno wyjaśnić w ten sposób: rośliny wykorzystują energię świetlną słońca i przekształcają ją w energię chemiczną, w wyniku czego powstaje cukier (glukoza), którego nadmiar magazynowany jest w postaci skrobi w liściach, korzeniach, łodygach i nasiona rośliny. Energia słoneczna przekazywana jest roślinom, a także zwierzętom jedzącym te rośliny. Kiedy roślina potrzebuje składników odżywczych do wzrostu i innych procesów życiowych, rezerwy te są bardzo przydatne.

W jaki sposób rośliny czerpią energię ze słońca?

Mówiąc krótko i jasno o fotosyntezie, warto poruszyć kwestię tego, w jaki sposób rośliny radzą sobie z absorbowaniem energii słonecznej. Dzieje się tak dzięki specjalnej strukturze liści, w skład której wchodzą zielone komórki - chloroplasty, które zawierają specjalną substancję zwaną chlorofilem. To ona nadaje liściom zielony kolor i odpowiada za pochłanianie energii słonecznej.

Dlaczego większość liści jest szeroka i płaska?

Fotosynteza zachodzi w liściach roślin. Zadziwiający jest fakt, że rośliny są bardzo dobrze przystosowane do wychwytywania światła słonecznego i pochłaniania dwutlenku węgla. Dzięki szerokiej powierzchni uchwycone zostanie znacznie więcej światła. Z tego powodu panele słoneczne, które czasami instaluje się na dachach domów, są również szerokie i płaskie. Im większa powierzchnia, tym lepsza absorpcja.

Co jeszcze jest ważne dla roślin?

Podobnie jak ludzie, rośliny również potrzebują korzystnych składników odżywczych, aby zachować zdrowie, rosnąć i dobrze wykonywać swoje funkcje życiowe. Pozyskują minerały rozpuszczone w wodzie z gleby poprzez korzenie. Jeśli w glebie brakuje składników mineralnych, roślina nie będzie się normalnie rozwijać. Rolnicy często badają glebę, aby upewnić się, że zawiera wystarczającą ilość składników odżywczych, aby rośliny mogły rosnąć. W przeciwnym razie zastosuj nawozy zawierające niezbędne minerały do ​​odżywiania i wzrostu roślin.

Dlaczego fotosynteza jest tak ważna?

Aby krótko i przejrzyście wytłumaczyć dzieciom fotosyntezę, warto powiedzieć, że proces ten jest jedną z najważniejszych reakcji chemicznych na świecie. Jakie są powody tak głośnego stwierdzenia? Po pierwsze, fotosynteza zasila rośliny, które z kolei żywią każdą inną żywą istotę na planecie, w tym zwierzęta i ludzi. Po drugie, w wyniku fotosyntezy do atmosfery uwalniany jest tlen niezbędny do oddychania. Wszystkie żywe istoty wdychają tlen i wydychają dwutlenek węgla. Na szczęście rośliny robią odwrotnie, dlatego są bardzo ważne dla ludzi i zwierząt, ponieważ dają im możliwość oddychania.

Niesamowity proces

Okazuje się, że rośliny też potrafią oddychać, ale w przeciwieństwie do ludzi i zwierząt pochłaniają z powietrza dwutlenek węgla, a nie tlen. Rośliny też piją. Dlatego trzeba je podlewać, inaczej umrą. Za pomocą systemu korzeniowego woda i składniki odżywcze są transportowane do wszystkich części ciała rośliny, a dwutlenek węgla jest wchłaniany przez małe otwory w liściach. Czynnikiem wyzwalającym reakcję chemiczną jest światło słoneczne. Wszystkie uzyskane produkty przemiany materii są wykorzystywane przez rośliny do odżywiania, a tlen uwalniany jest do atmosfery. W ten sposób można krótko i przejrzyście wyjaśnić, jak zachodzi proces fotosyntezy.

Fotosynteza: jasna i ciemna faza fotosyntezy

Rozważany proces składa się z dwóch głównych części. Istnieją dwie fazy fotosyntezy (opis i tabela poniżej). Pierwsza nazywa się fazą świetlną. Zachodzi ono jedynie w obecności światła w błonach tylakoidów przy udziale chlorofilu, białek przenoszących elektrony i enzymu syntetazy ATP. Co jeszcze kryje fotosynteza? Zapalają się i wymieniają wzajemnie w miarę postępu dnia i nocy (cykle Calvina). W fazie ciemnej następuje produkcja tej samej glukozy, pożywienia dla roślin. Proces ten nazywany jest także reakcją niezależną od światła.

Faza jasna

Faza ciemna

1. Reakcje zachodzące w chloroplastach są możliwe tylko w obecności światła. W reakcjach tych energia świetlna zamieniana jest na energię chemiczną 2. Chlorofil i inne pigmenty pochłaniają energię słoneczną. Energia ta przekazywana jest do fotosystemów odpowiedzialnych za fotosyntezę 3. Woda służy do przechowywania elektronów i jonów wodoru, bierze także udział w produkcji tlenu 4. Elektrony i jony wodoru wykorzystywane są do tworzenia ATP (cząsteczki magazynującej energię), która jest potrzebna w kolejnej fazie fotosyntezy

1. Reakcje cyklu bardzo lekkiego zachodzą w zrębie chloroplastów 2. Dwutlenek węgla i energia z ATP są wykorzystywane w postaci glukozy

Wniosek

Z powyższego można wyciągnąć następujące wnioski:

• Fotosynteza to proces, w wyniku którego powstaje energia słoneczna.
• Energia świetlna ze słońca jest przekształcana przez chlorofil w energię chemiczną.
• Chlorofil nadaje roślinom zielony kolor.
• Fotosynteza zachodzi w chloroplastach komórek liści roślin.
• Dwutlenek węgla i woda są niezbędne do fotosyntezy.
• Dwutlenek węgla dostaje się do rośliny przez maleńkie dziurki, aparaty szparkowe, a tlen przez nie wychodzi.
• Woda wchłaniana jest do rośliny przez korzenie.
• Bez fotosyntezy na świecie nie byłoby żywności.

Fotosynteza to proces syntezy substancji organicznych z nieorganicznych przy wykorzystaniu energii świetlnej. W zdecydowanej większości przypadków fotosynteza prowadzona jest przez rośliny za pomocą organelli komórkowych takich jak chloroplasty zawierający zielony pigment chlorofil.

Gdyby rośliny nie były w stanie syntetyzować materii organicznej, wówczas prawie wszystkie inne organizmy na Ziemi nie miałyby nic do jedzenia, ponieważ zwierzęta, grzyby i wiele bakterii nie jest w stanie syntetyzować substancji organicznych z nieorganicznych. Pochłaniają tylko gotowe, dzielą je na prostsze, z których ponownie składają złożone, ale już charakterystyczne dla ich ciała.

Dzieje się tak, jeśli mówimy o fotosyntezie i jej roli bardzo krótko. Aby zrozumieć fotosyntezę, musimy powiedzieć więcej: jakie konkretne substancje nieorganiczne są używane, jak zachodzi synteza?

Do fotosyntezy potrzebne są dwie substancje nieorganiczne – dwutlenek węgla (CO 2) i woda (H 2 O). Pierwsza jest pobierana z powietrza przez nadziemne części roślin, głównie poprzez aparaty szparkowe. Woda pochodzi z gleby, skąd jest dostarczana do komórek fotosyntetycznych za pomocą układu przewodzącego rośliny. Do fotosyntezy potrzebna jest także energia fotonów (hν), których jednak nie można przypisać materii.

W sumie w wyniku fotosyntezy powstaje materia organiczna i tlen (O2). Zazwyczaj materia organiczna oznacza najczęściej glukozę (C 6 H 12 O 6).

Związki organiczne składają się głównie z atomów węgla, wodoru i tlenu. Występują w dwutlenku węgla i wodzie. Jednak podczas fotosyntezy uwalniany jest tlen. Jego atomy pochodzą z wody.

W skrócie i ogólnie równanie reakcji fotosyntezy zapisuje się zwykle w następujący sposób:

6CO 2 + 6H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 6O 2

Ale to równanie nie oddaje istoty fotosyntezy i nie czyni jej zrozumiałą. Spójrz, chociaż równanie jest zrównoważone, całkowita liczba atomów w wolnym tlenie wynosi 12. Ale powiedzieliśmy, że pochodzą one z wody i jest ich tylko 6.

W rzeczywistości fotosynteza zachodzi w dwóch fazach. Pierwszy z nich to tzw światło, drugi - ciemny. Takie nazwy wynikają z faktu, że światło jest potrzebne tylko do faza jasna , faza ciemna niezależnie od jego obecności, ale to nie znaczy, że chodzi w ciemności. Faza jasna występuje na błonach tylakoidów chloroplast, ciemny - w zrębie chloroplastu.

W fazie jasnej nie zachodzi wiązanie CO2. Tylko energia słoneczna jest wychwytywana przez kompleksy chlorofilu i magazynowana ATP, wykorzystanie energii do redukcji NADP do NADP*H2. Przepływ energii ze wzbudzonego światłem chlorofilu zapewniają elektrony przenoszone wzdłuż łańcucha transportu elektronów enzymów wbudowanych w błony tylakoidów.

Wodór do NADP pochodzi z wody, która pod wpływem światła słonecznego rozkłada się na atomy tlenu, protony wodoru i elektrony. Proces ten nazywa się fotoliza. Do fotosyntezy nie jest potrzebny tlen z wody. Atomy tlenu z dwóch cząsteczek wody łączą się, tworząc tlen cząsteczkowy. Równanie reakcji dla fazy lekkiej fotosyntezy w skrócie wygląda następująco:

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

Zatem uwalnianie tlenu następuje podczas lekkiej fazy fotosyntezy. Liczba cząsteczek ATP syntetyzowanych z ADP i kwasu fosforowego na fotolizę jednej cząsteczki wody może być różna: jedna lub dwie.

Zatem ATP i NADP*H2 przechodzą z fazy jasnej do fazy ciemnej. Tutaj energia pierwszego i siła redukująca drugiego są wydawane na wiązanie dwutlenku węgla. Tego etapu fotosyntezy nie da się wytłumaczyć prosto i zwięźle, gdyż nie przebiega on w ten sposób, że sześć cząsteczek CO 2 łączy się z wodorem uwalnianym z cząsteczek NADP*H 2, tworząc glukozę:

6CO 2 + 6NADP*H 2 →C 6 H 12 O 6 + 6NADP
(reakcja zachodzi przy wydatku energii ATP, która rozkłada się na ADP i kwas fosforowy).

Podana reakcja jest jedynie uproszczeniem, aby było łatwiej zrozumieć. W rzeczywistości cząsteczki dwutlenku węgla wiążą się pojedynczo, łącząc się z już przygotowaną pięciowęglową substancją organiczną. Tworzy się niestabilna sześciowęglowa substancja organiczna, która rozpada się na trójwęglowe cząsteczki węglowodanów. Niektóre z tych cząsteczek są wykorzystywane do ponownej syntezy pierwotnej substancji pięciowęglowej w celu wiązania CO2. Ta resynteza jest zapewniona Cykl Calvina. Mniejszość cząsteczek węglowodanów zawierających trzy atomy węgla opuszcza cykl. Z nich i innych substancji syntetyzowane są wszystkie inne substancje organiczne (węglowodany, tłuszcze, białka).

Oznacza to, że w rzeczywistości z ciemnej fazy fotosyntezy wychodzą cukry trójwęglowe, a nie glukoza.