Fotosintezė yra organinių junginių sintezės iš neorganinių procesų visuma dėl šviesos energijos pavertimo cheminių ryšių energija. Fototrofiniams organizmams priskiriami žali augalai, kai kurie prokariotai – cianobakterijos, purpurinės ir žaliosios sieros bakterijos bei augalų žvyneliai.
Fotosintezės proceso tyrimai pradėti XVIII amžiaus antroje pusėje. Svarbų atradimą padarė iškilus rusų mokslininkas K. A. Timiriazevas, kuris pagrindė žaliųjų augalų kosminio vaidmens doktriną. Augalai sugeria saulės šviesą ir šviesos energiją paverčia jų sintezuojamų organinių junginių cheminių ryšių energija. Taigi jie užtikrina gyvybės išsaugojimą ir vystymąsi Žemėje. Taip pat mokslininkas teoriškai pagrindė ir eksperimentiškai įrodė chlorofilo vaidmenį sugeriant šviesą fotosintezės metu.
Chlorofilai yra pagrindiniai fotosintezės pigmentai. Savo struktūra jie panašūs į hemoglobiną, tačiau juose vietoj geležies yra magnio. Geležies kiekis būtinas chlorofilo molekulių sintezei užtikrinti. Yra keletas chlorofilų, kurie skiriasi savo chemine struktūra. Privaloma visiems fototrofams chlorofilas a . Chlorofilasb randama žaliuose augaluose chlorofilas c – diatomėse ir ruduosiuose dumbliuose. Chlorofilas d būdingas raudondumbliams.
Žalios ir violetinės spalvos fotosintetinės bakterijos turi ypatingų bakteriochlorofilai . Bakterijų fotosintezė turi daug bendro su augalų fotosinteze. Jis skiriasi tuo, kad bakterijose vandenilio donoras yra sieros vandenilis, o augaluose – vanduo. Žalios ir violetinės bakterijos neturi II fotosistemos. Bakterijų fotosintezė nėra lydima deguonies išsiskyrimo. Bendra bakterijų fotosintezės lygtis yra tokia:
6C02 + 12H2S → C6H12O6 + 12S + 6H20.
Fotosintezė pagrįsta redokso procesu. Jis siejamas su elektronų perkėlimu iš junginių, tiekiančių elektronus-donorus, į juos priimančius junginius – akceptorius. Šviesos energija paverčiama susintetintų organinių junginių (angliavandenių) energija.
Ant chloroplastų membranų yra specialių struktūrų - reakcijos centrai kuriuose yra chlorofilo. Žaliuosiuose augaluose ir cianobakterijose jų yra dvi fotosistemos – pirmas (aš) Ir antras (II) , kurios turi skirtingus reakcijos centrus ir yra tarpusavyje sujungtos elektronų perdavimo sistema.
Dvi fotosintezės fazės
Fotosintezės procesas susideda iš dviejų fazių: šviesios ir tamsios.
Atsiranda tik esant šviesai ant vidinių mitochondrijų membranų specialių struktūrų membranose - tilakoidai . Fotosintetiniai pigmentai fiksuoja šviesos kvantus (fotonus). Tai veda prie vieno iš chlorofilo molekulės elektronų „sužadinimo“. Nešėjų molekulių pagalba elektronas juda į išorinį tilakoidinės membranos paviršių, įgydamas tam tikrą potencialią energiją.
Šis elektronas įeina fotosistema I gali grįžti į savo energijos lygį ir jį atkurti. Taip pat gali būti perduodamas NADP (nikotinamido adenino dinukleotido fosfatas). Sąveikaujant su vandenilio jonais elektronai atkuria šį junginį. Sumažintas NADP (NADP H) tiekia vandenilį, kad sumažintų atmosferos CO 2 į gliukozę.
Panašūs procesai vyksta ir fotosistema II . Sužadintus elektronus galima perkelti į I fotosistemą ir ją atkurti. II fotosistemos atkūrimas vyksta dėl vandens molekulių tiekiamų elektronų. Vandens molekulės skyla (vandens fotolizė) į vandenilio protonus ir molekulinį deguonį, kuris patenka į atmosferą. Elektronai naudojami II fotosistemai atkurti. Vandens fotolizės lygtis:
2Н 2 0 → 4Н + + 0 2 + 2е.
Kai elektronai iš išorinio tilakoidinės membranos paviršiaus grįžta į ankstesnį energijos lygį, energija išsiskiria. Jis saugomas ATP molekulių cheminių ryšių pavidalu, kurie sintetinami vykstant reakcijoms abiejose fotosistemose. ATP sintezės su ADP ir fosforo rūgštimi procesas vadinamas fotofosforilinimas . Dalis energijos sunaudojama vandeniui išgarinti.
Šviesos fotosintezės fazės metu susidaro daug energijos turintys junginiai: ATP ir NADP H. Vandens molekulių irimo (fotolizės) metu į atmosferą išsiskiria molekulinis deguonis.
Reakcijos vyksta vidinėje chloroplastų aplinkoje. Jie gali atsirasti tiek esant šviesai, tiek be jos. Naudojant energiją, kuri susidarė šviesos fazėje, sintetinamos organinės medžiagos (C0 2 redukuojamas į gliukozę).
Anglies dioksido mažinimo procesas yra cikliškas ir vadinamas Kalvino ciklas . Pavadintas amerikiečių tyrinėtojo M. Calvino, atradusio šį ciklinį procesą, vardu.
Ciklas prasideda atmosferos anglies dioksido reakcija su ribulozės bifosfatu. Procesą katalizuoja fermentas karboksilazės . Ribulozės bifosfatas yra penkių anglies cukrų, sujungtų su dviem fosforo rūgšties vienetais. Vyksta daugybė cheminių virsmų, kurių kiekvieną katalizuoja specifinis fermentas. Kaip susidaro galutinis fotosintezės produktas? gliukozė Taip pat sumažėja ribuliozės bifosfato kiekis.
Bendra fotosintezės proceso lygtis yra tokia:
6C0 2 + 6H 2 0 → C 6 H 12 O 6 + 60 2
Fotosintezės proceso dėka šviesos energija iš Saulės absorbuojama ir paverčiama susintetintų angliavandenių cheminių ryšių energija. Energija maisto grandinėmis perduodama heterotrofiniams organizmams. Fotosintezės metu absorbuojamas anglies dioksidas ir išsiskiria deguonis. Visas atmosferos deguonis yra fotosintezės kilmės. Kasmet išskiriama daugiau nei 200 milijardų tonų laisvo deguonies. Deguonis apsaugo gyvybę Žemėje nuo ultravioletinių spindulių, sukurdamas atmosferoje ozono skydą.
Fotosintezės procesas yra neefektyvus, nes tik 1-2% saulės energijos paverčiama susintetinta organine medžiaga. Taip yra dėl to, kad augalai nepakankamai sugeria šviesos, dalį jos sugeria atmosfera ir tt Didžioji dalis saulės šviesos atsispindi nuo Žemės paviršiaus atgal į kosmosą.
Fotosintezės procesas yra vienas iš svarbiausių gamtoje vykstančių biologinių procesų, nes būtent jo dėka iš anglies dvideginio ir vandens, veikiant šviesai, susidaro organinės medžiagos ir šis reiškinys vadinamas fotosinteze. Ir, svarbiausia, fotosintezės proceso metu įvyksta išsiskyrimas, kuris yra gyvybiškai svarbus gyvybės egzistavimui mūsų nuostabioje planetoje.
Fotosintezės atradimo istorija
Fotosintezės reiškinio atradimo istorija siekia keturis šimtmečius, kai 1600 m. tam tikras belgų mokslininkas Janas Van Helmontas atliko paprastą eksperimentą. Jis įdėjo gluosnio šakelę (užfiksavęs pradinį jos svorį) į maišą, kuriame taip pat buvo 80 kg žemės. Ir tada penkerius metus augalas buvo laistomas tik vandeniu. Kuo nustebino mokslininkas, kai po penkerių metų augalo svoris padidėjo 60 kg, nepaisant to, kad žemės masė sumažėjo tik 50 gramų, iš kur toks įspūdingas svorio padidėjimas liko paslaptis. mokslininkas.
Kitą svarbų ir įdomų eksperimentą, tapusį fotosintezės atradimo įžanga, 1771 m. atliko anglų mokslininkas Josephas Priestley (įdomu, kad pagal savo profesijos prigimtį P. Priestley buvo Anglikonų bažnyčios kunigas). , bet jis įėjo į istoriją kaip puikus mokslininkas). Ką padarė ponas Priestley? Jis padėjo pelę po gaubtu ir po penkių dienų ji mirė. Tada jis vėl padėjo kitą pelę po gaubtu, tačiau šį kartą po gaubtu kartu su pele buvo mėtų šakelė ir dėl to pelė liko gyva. Gautas rezultatas paskatino mokslininką suprasti, kad yra tam tikras procesas, priešingas kvėpavimui. Kita svarbi šio eksperimento išvada – deguonies, gyvybiškai svarbaus visoms gyvoms būtybėms, atradimas (pirmoji pelė mirė nuo jo nebuvimo, o antroji išgyveno dėl mėtų šakelės, kuri fotosintezės metu sukūrė deguonį).
Taip buvo nustatyta, kad žaliosios augalų dalys gali išskirti deguonį. Tada, 1782 m., Šveicarijos mokslininkas Jeanas Senebier įrodė, kad anglies dioksidas, veikiamas šviesos, suyra į žalius augalus – iš tikrųjų buvo atrasta kita fotosintezės pusė. Tada, dar po 5 metų, prancūzų mokslininkas Jacques'as Boussengo atrado, kad augalai sugeria vandenį organinių medžiagų sintezės metu.
O paskutinis eilės mokslinių atradimų, susijusių su fotosintezės fenomenu, akordas buvo vokiečių botaniko Juliaus Sachso atradimas, kuriam 1864 metais pavyko įrodyti, kad sunaudojamo anglies dvideginio tūris ir išskiriamo deguonies kiekis yra 1:1.
Fotosintezės svarba žmogaus gyvenime
Jei vaizdžiai įsivaizduojate, bet kurio augalo lapą galima palyginti su nedidele laboratorija, kurios langai atsukti į saulėtą pusę. Šioje laboratorijoje susidaro organinės medžiagos ir deguonis, o tai yra organinės gyvybės Žemėje pagrindas. Juk be deguonies ir fotosintezės gyvybės Žemėje tiesiog nebūtų.
Bet jei fotosintezė yra tokia svarbi gyvybei ir deguonies išsiskyrimui, tai kaip žmonės (ir ne tik žmonės) gyvena, pavyzdžiui, dykumoje, kur yra mažiausiai žalių augalų, ar, pavyzdžiui, pramoniniame mieste kur medžiai reti. Faktas yra tas, kad sausumos augalai sudaro tik 20% į atmosferą išleidžiamo deguonies, o likusius 80% išskiria jūros ir vandenynų dumbliai, ne veltui pasaulio vandenynai kartais vadinami „mūsų planetos plaučiais. “
Fotosintezės formulė
Bendrą fotosintezės formulę galima parašyti taip:
Vanduo + anglies dioksidas + šviesa > angliavandeniai + deguonis
Štai kaip atrodo fotosintezės cheminės reakcijos formulė:
6CO2 + 6H2O = C6H12O6 + 6O2
Fotosintezės svarba augalams
Dabar pabandykime atsakyti į klausimą, kodėl augalams reikalinga fotosintezė. Tiesą sakant, deguonies tiekimas mūsų planetos atmosferai yra toli gražu ne vienintelė priežastis, dėl kurios vyksta fotosintezė, šis biologinis procesas yra gyvybiškai svarbus ne tik žmonėms ir gyvūnams, bet ir patiems augalams, nes fotosintezės metu susidaro organinės medžiagos; yra augalų gyvenimo pagrindas.
Kaip vyksta fotosintezė?
Pagrindinis fotosintezės variklis yra chlorofilas – specialus pigmentas, esantis augalų ląstelėse, kuris, be kita ko, yra atsakingas už žalią medžių ir kitų augalų lapų spalvą. Chlorofilas yra sudėtingas organinis junginys, turintis ir svarbią savybę – gebėjimą sugerti saulės šviesą. Sugerdamas jį, būtent chlorofilas aktyvuoja tą nedidelę biocheminę laboratoriją, esančią kiekviename mažame lapelyje, kiekviename žolės ašmenyje ir kiekviename dumblyje. Toliau vyksta fotosintezė (žr. aukščiau pateiktą formulę), kurios metu vanduo ir anglies dioksidas virsta angliavandeniais, reikalingais augalams ir deguonimi, reikalingu visoms gyvoms būtybėms. Fotosintezės mechanizmai yra genialus gamtos kūrinys.
Fotosintezės fazės
Taip pat fotosintezės procesas susideda iš dviejų etapų: šviesos ir tamsos. Ir toliau mes išsamiai parašysime apie kiekvieną iš jų.
Šviesioji fotosintezės fazė
Šią fazę atlieka tilakoidai. Kas yra šie tialakoidai? Tilakoidai yra struktūros, esančios chloroplastų viduje ir apribotos membrana.
Procesų tvarka šviesioje fotosintezės fazėje atrodo taip:
- Šviesa patenka į chlorofilo molekulę ir yra absorbuojama žaliojo pigmento, todėl ji susijaudina. Į šią molekulę patekęs elektronas pereina į aukštesnį lygį ir dalyvauja sintezės procese.
- Vyksta vandens skilimas, kurio metu protonai, veikiami elektronų, paverčiami vandenilio atomais, kurie vėliau naudojami angliavandenių sintezei.
- Paskutiniame šviesios fotosintezės fazės etape sintetinamas ATP (adenozintrifosfatas). ATP yra organinė medžiaga, kuri atlieka savotiško energijos kaupiklio vaidmenį biologiniuose procesuose.
Tamsioji fotosintezės fazė
Ši fotosintezės fazė vyksta chloroplastų stromoje. Būtent šio proceso metu išsiskiria deguonis ir sintetinama gliukozė. Iš pavadinimo galite manyti, kad tamsioji fotosintezės fazė vyksta tik tamsoje. Tiesą sakant, taip nėra, gliukozės sintezė vyksta visą parą, tiesiog šiame etape šviesos energija nebenaudojama ir jos tiesiog nereikia.
Fotosintezė, video
Ir pabaigai įdomus mokomasis filmukas apie fotosintezę.
Fotosintezė yra unikalus organinių medžiagų kūrimo iš neorganinių medžiagų procesas. Tai vienintelis procesas mūsų planetoje, susijęs su saulės šviesos energijos pavertimu organinėse medžiagose esančių cheminių ryšių energija. Tokiu būdu iš kosmoso gaunama saulės spindulių energija, žaliųjų augalų sukaupta angliavandeniuose, riebaluose ir baltymuose, užtikrina viso gyvojo pasaulio – nuo bakterijų iki žmogaus – gyvybinę veiklą.
Išskirtinis \(XIX\) pabaigos - \(XX\) amžiaus pradžios rusų mokslininkas. Klimentas Arkadjevičius Timirjazevas (1843 m.) – \(1920\)) žaliųjų augalų vaidmenį Žemėje pavadino kosminiu. Jis rašė:
Visos organinės medžiagos, kad ir kokios jos būtų įvairios, nesvarbu, kur jos randamos – augale, gyvūne ar žmoguje, patenkančios per lapą, kilusios iš lapų gaminamų medžiagų. Už lapo, tiksliau už chlorofilo grūdo ribų, gamtoje nėra laboratorijos, kurioje būtų izoliuota organinė medžiaga. Visuose kituose organuose ir organizmuose jis virsta, virsta, tik čia vėl susidaro iš neorganinių medžiagų.
Organinių medžiagų kaupimasis
Visi gyvi organizmai gali gyventi tik maisto pavidalu vartodami energiją, kurią žalieji augalai gavo iš Saulės chlorofilo pagalba ir esančią angliavandeniuose bei kituose organiniuose junginiuose. Angliavandeniai yra svarbus fotosintezės produktas.
Pavyzdys:
Daugelis augalų, tokių kaip cukranendrės, cukriniai runkeliai, svogūnai, žirniai, kukurūzai, vynuogės, datulės, kaupia cukrų stiebuose, šaknyse, svogūnėliuose, vaisiuose ir sėklose. Būtent cukrus yra pagrindinis energijos šaltinis visoms gyvoms būtybėms, nes jie gali lengvai tapti vienu iš aktyviausių junginių bet kurioje gyvoje ląstelėje.
Energijos kaupimas
Nuolat sugerdami energiją saulės spinduliuotės pavidalu, augalai ją kaupia. Energijos kaupimasis yra labai svarbus gyvajai gamtai reiškinys, kurį sukelia žaliųjų augalų fotosintezė.
Pavyzdys:
organinės medžiagos yra puikus energijos nešėjas. Žmogus plačiai naudoja dujas, naftą, anglį, malkas – visa tai yra organinės medžiagos, kurios degdamos išskiria energiją, kuri kažkada buvo sukaupta žaliuosiuose augaluose.
Užtikrinti pastovų anglies dioksido lygį atmosferoje
Žemės atmosferoje anglies dioksidas sudaro \(0,03\)% oro tūrio. Ši vertė išlaikoma daugelį tūkstantmečių, nepaisant to, kad labai daug gyvų organizmų kvėpuodami išskiria anglies dvideginį. Dar daugiau jo išsiskiria pūstant ir naikinant lavonus, išsiveržiant ugnikalniams, per gaisrus, degant kurui. Visą šį didžiulį anglies dvideginio kiekį žalieji augalai sugeria fotosintezės metu, palaikydami daugiau ar mažiau pastovų anglies dioksido kiekį Žemės atmosferoje ir taip užtikrindami gyvybės galimybę mūsų planetoje.
Deguonies kaupimasis atmosferoje
Senovėje, kai mūsų planetoje nebuvo augalų, atmosferoje nebuvo deguonies. Šiuo metu oro deguonis atmosferoje užima \(21\)% jo tūrio. Šiuolaikinė atmosferos dujų sudėtis susidarė dėl fotosintezės proceso. Dėl to visi Žemėje esantys organizmai – bakterijos, grybai, gyvūnai, žmonės ir patys augalai – gali kvėpuoti ir vykdyti savo gyvybės procesus.
Ozonas susidaro iš deguonies maždaug \(20\) km aukštyje virš Žemės paviršiaus veikiant saulės spinduliuotei. Jis blokuoja tą dalį ultravioletinių spindulių, kurie daro žalingą poveikį gyviems organizmams. Žemę supantis ozono sluoksnis leidžia organizmams gyventi.
Dirvožemio kūrimas Žemėje
Žaliųjų augalų gaminamą organinę medžiagą suvartoja gyvi sausumos padarai. Gyvybinių organizmų procesų atliekos, negyvų kūnų (augalų, gyvūnų, grybų, bakterijų) ir atskirų jų dalių (nukritusių lapų, negyvų šaknų, šaknų plaukelių, gausių šaknų išskyrų) irimo bei irimo produktai, patenkantys į viršutinį sluoksnį. žemės paviršių, suyra ten ir dalyvauja kuriant unikalų gamtos išsilavinimą - dirvožemis.
Fotosintezė – žaliųjų augalų gyvavimo procesas, vienintelis biosferoje, susijęs su saulės energijos kaupimu. Jo reikšmė slypi įvairiame gyvybės aprūpinimo Žemėje teikime.
Biomasės susidarymas
Gyvybės – augalai, grybai, bakterijos ir gyvūnai – susideda iš organinių medžiagų. Visa organinių medžiagų masė iš pradžių susidaro vykstant fotosintezei, kuri vyksta autotrofiniuose organizmuose – augaluose ir kai kuriose bakterijose.
Ryžiai. 1. Auto- ir heterotrofiniai organizmai.
Heterotrofiniai organizmai, maistui vartojantys augalus, tik modifikuoja organines medžiagas, nedidindami bendros planetos biomasės. Fotosintezės išskirtinumas yra tas, kad organinių medžiagų sintezės metu saulės energija kaupiama jų cheminiuose ryšiuose. Tiesą sakant, fotosintetiniai organizmai „pririša“ saulės energiją prie Žemės.
Gyvybės palaikymas
Fotosintezės metu iš anglies dioksido ir vandens nuolat gaminamos organinės medžiagos, kurios yra maistas ir buveinė įvairiems gyvūnams ir žmonėms.
Visa gyvų organizmų gyvenime naudojama energija iš pradžių yra saulės energija. Fotosintezė fiksuoja šią energiją Žemėje ir perduoda ją visiems planetos gyventojams.
Fotosintezės metu sukauptą medžiagą ir energiją žmonės plačiai naudoja:
TOP 3 straipsniaikurie skaito kartu su tuo
- iškastiniai energijos ištekliai;
- mediena;
- laukiniai augalai kaip žaliava ir estetiniai ištekliai;
- maisto ir techninių augalininkystės produktų.
1 hektaras miško ar parko vasarą per 1 valandą sugeria 8 kg anglies dvideginio. Tokia suma tam pačiam laikui skirta dviem šimtams žmonių.
Atmosfera
Atmosferos sudėtis pasikeitė būtent dėl fotosintezės proceso. Deguonies kiekis palaipsniui didėjo, didindamas organizmų gebėjimą išgyventi. Iš pradžių pirmasis vaidmuo deguonies formavime priklausė žaliadumbliams, o dabar – miškams.
Ryžiai. 2. O₂ kiekio atmosferoje pokyčių evoliucijos proceso metu grafikas.
Viena iš didėjančio deguonies kiekio atmosferoje pasekmių yra ozono sluoksnio susidarymas, apsaugantis gyvus organizmus nuo žalingos saulės spinduliuotės.
Manoma, kad susiformavus ozono sluoksniui tapo įmanoma gyvybė sausumoje.
Fotosintezė yra pagrindinis gyvybės Žemėje šaltinis ir veiksnys.
Fotosintezės svarba dabartiniame etape įgavo naują aspektą. Fotosintezė stabdo CO₂ koncentracijos padidėjimą ore dėl kuro degimo transporto ir pramonės srityse. Tai sumažina šiltnamio efektą. Fotosintezės intensyvumas didėja didėjant CO₂ koncentracijai iki tam tikros ribos.
Ryžiai. 3. Fotosintezės grafikas priklausomai nuo CO₂ kiekio ore.
Studijų metais man prireikė kelių valandų, kad įsiminčiau visą fotosintezės metu vykstančių reakcijų seką. Bet kas, jei atitrūktume nuo chemijos sudėtingumo ir pažvelgtume į šį procesą iš praktiškesnio požiūrio, kad suprastume, ką fotosintezė daro gamtai, kokia jos tiesioginė prasmė?
Šiek tiek chemijos
Pirmiausia verta trumpai apibūdinti vykstančius procesus. Pilnai fotosintezei reikalingi šie svarbūs elementai:
- chlorofilas;
- anglies dioksidas;
- saulės šviesa;
- papildomi elementai iš dirvožemio/aplinkos.
Šviesai gaudyti augalas naudoja chlorofilą, o po to, naudodamas mineralus, anglies dioksidą paverčia deguonimi, tuo pačiu gamindamas įvairias medžiagas, tokias kaip gliukozė ir krakmolas. Būtent šių medžiagų gamyba yra pagrindinis augalų tikslas, tačiau deguonies gamyba yra greičiau šalutinis poveikis.
Fotosintezės vaidmuo atmosferai
Nors deguonis yra tik antrinis produktas, juo kvėpuojame mes ir dauguma kitų gyvų būtybių žemėje. Jei ne fotosintezė, evoliucija nebūtų pasiekusi taip toli. Nebūtų tokių sudėtingų organizmų kaip žmonės. Kalbant kuo paprasčiau, augalai fotosintezės būdu sukuria orą, tinkamą kvėpuoti ir gyvybei Žemėje.
Įdomus faktas yra tai, kad augalai taip pat kvėpuoja, kaip ir visi organizmai, ir jiems taip pat reikia deguonies, kurį jie sukuria!
Fotosintezės vaidmuo maisto grandinėje
Tik augalai sugauna vienintelį mūsų planetoje prieinamą organinės energijos šaltinį – saulės šviesą. Per fotosintezę jie sukuria pirmiau minėtas maistines medžiagas. Vėliau išilgai mitybos grandinės šios medžiagos plinta toliau: nuo augalų iki žolėdžių, vėliau – į plėšrūnus, iš jų – į šiukšlintojus ir liekanas apdorojančias bakterijas.
Pabaigoje prisiminiau didžiojo rusų mokslininko Klimento Artemjevičiaus Timirjazevo žodžius:
Visos organinės medžiagos, kad ir kur jų būtų, atsiranda iš lapų gaminamų medžiagų.
Be to, didysis mokslininkas fotosintezę pavadino tikrai kosminiu procesu, su kuriuo sunku nesutikti.
