Viața pe Pământ este posibilă datorită luminii, în principal energiei solare. Această energie este transformată în energia legăturilor chimice ale substanțelor organice formate în timpul fotosintezei.
Toate plantele și unele procariote (bacterii fotosintetice și alge albastre-verzi) se angajează în fotosinteză. Astfel de organisme sunt numite fototrofe . Energia pentru fotosinteză provine din lumină, care este captată de molecule speciale numite pigmenți fotosintetici. Deoarece este absorbită doar o anumită lungime de undă a luminii, unele dintre undele luminoase nu sunt absorbite, ci reflectate. În funcție de compoziția spectrală a luminii reflectate, pigmenții capătă culoare - verde, galben, roșu etc.
Există trei tipuri de pigmenți fotosintetici - clorofilele, carotenoidele și ficobilinele . Cel mai important pigment este clorofila. Baza este un miez plat de porfirină format din patru inele pirol conectate prin punți de metil, cu un atom de magneziu în centru. Există diferite clorofile de tip a. Plantele superioare, algele verzi și euglena au clorofila-B, care se formează din clorofila-A. Algele brune și diatomee conțin clorofila-C în loc de clorofila-B, iar algele roșii conțin clorofila-D. Un alt grup de pigmenți este format din carotenoizi, care variază în culori de la galben la roșu. Se găsesc în toate plastidele colorate (cloroplaste, cromoplaste) ale plantelor. Mai mult, în părțile verzi ale plantelor, clorofila maschează carotenoizii, făcându-le invizibile până la apariția vremii reci. Toamna, pigmenții verzi sunt distruși și carotenoizii devin clar vizibili. Carotenoizii sunt sintetizați de bacterii și ciuperci fototrofe. Ficobilinele sunt prezente în algele roșii și cianobacteriile.
Etapa de lumină a fotosintezei
Clorofilele și alți pigmenți din cloroplaste formează specific complexe de recoltare a luminii . Folosind rezonanța electromagnetică, ei transferă energia colectată către molecule speciale de clorofilă. Aceste molecule, sub influența energiei de excitație, dau electroni moleculelor altor substanțe - vectori și apoi iau electroni din proteine și apoi din apă. Împărțirea apei în timpul fotosintezei se numește fotoliză . Acest lucru se întâmplă în cavitățile tilacoidale. Protonii trec prin canale speciale în stromă. Aceasta eliberează energia necesară pentru sinteza ATP:
2H2O = 4e + 4H + + O2
ADP + P = ATP
Participarea energiei luminoase aici este o condiție prealabilă, de aceea această etapă se numește stadiul luminii. Oxigenul produs ca produs secundar este îndepărtat în exterior și utilizat de celulă pentru respirație.
Etapa întunecată a fotosintezei
Următoarele reacții au loc în stroma cloroplastei. Monozaharidele se formează din dioxid de carbon și apă. Acest proces în sine contrazice legile termodinamicii, dar din moment ce sunt implicate molecule de ATP, datorită acestei energii, sinteza glucozei este un proces real. Mai târziu, din moleculele sale sunt create polizaharide - celuloză, amidon și alte molecule organice complexe. Ecuația generală pentru fotosinteză poate fi reprezentată după cum urmează:
6CO 2 + 6H 2 O = C 6 H 12 O 6 + 6O 2
În special, o mulțime de amidon se depune în cloroplaste în timpul zilei în timpul proceselor fotosintetice intense; noaptea, amidonul este descompus în forme solubile și utilizat de plantă.
Vrei să înțelegi mai detaliat acest subiect sau altul în biologie? Înscrie-te la lecții online cu autorul acestui articol, Vladimir Smirnov.
Articolul este un extras din lucrarea lui Vladimir Smirnov „Geneza”; orice copiere și utilizare a materialului trebuie să includă atribuirea.
De asemenea, vă sugerăm să vizionați o lecție video despre fotosinteză de la botanistul nostru Irina:
site-ul web, atunci când copiați materialul integral sau parțial, este necesar un link către sursă.
Fotosinteza este procesul de formare a substanțelor organice în plantele verzi. Fotosinteza a creat întreaga masă de plante de pe Pământ și a saturat atmosfera cu oxigen.
Cum se hrănește planta?
Anterior, oamenii erau siguri că plantele luau toate substanțele pentru hrănirea lor din sol. Dar o experiență a arătat că nu este așa.
Un copac a fost plantat într-un ghiveci cu pământ. În același timp, a fost măsurată atât masa pământului, cât și a copacului. Când, câțiva ani mai târziu, ambele au fost cântărite din nou, s-a dovedit că masa pământului a scăzut cu doar câteva grame, iar masa plantei a crescut cu multe kilograme.
Doar apă a fost adăugată în sol. De unde au venit aceste kilograme de masă vegetală?
Din aer. Toată materia organică din plante este creată din dioxidul de carbon atmosferic și apa din sol.
TOP 2 articolecare citesc împreună cu asta
Energie
Animalele și oamenii mănâncă plante pentru a obține energie pentru viață. Această energie este conținută în legăturile chimice ale substanțelor organice. De unde este ea?
Se știe că o plantă nu poate crește normal fără lumină. Lumina este energia cu care o planta construieste substantele organice ale corpului ei.
Nu contează ce fel de lumină este, solară sau electrică. Orice rază de lumină transportă energie, care devine energia legăturilor chimice și, ca și lipiciul, reține atomii în molecule mari de substanțe organice.
Unde are loc fotosinteza?
Fotosinteza are loc numai în părțile verzi ale plantelor, sau mai precis, în organele speciale ale celulelor vegetale - cloroplastele.
Orez. 1. Cloroplaste la microscop.
Cloroplastele sunt un tip de plastidă. Sunt întotdeauna verzi, deoarece conțin o substanță verde - clorofila.
Cloroplastul este separat de restul celulei printr-o membrană și are aspectul unui bob. Interiorul cloroplastei se numește stromă. Aici încep procesele de fotosinteză.
Orez. 2. Structura internă a cloroplastului.
Cloroplastele sunt ca o fabrică care primește materii prime:
- dioxid de carbon (formula – CO₂);
- apă (H₂O).
Apa vine din rădăcini, iar dioxidul de carbon vine din atmosferă prin găuri speciale din frunze. Lumina este energia pentru funcționarea fabricii, iar substanțele organice rezultate sunt produsul.
În primul rând, se produc carbohidrați (glucoza), dar ulterior formează multe substanțe cu mirosuri și gusturi diverse pe care animalele și oamenii le iubesc atât de mult.
Din cloroplaste, substanțele rezultate sunt transportate în diferite organe ale plantei, unde sunt depozitate sau utilizate.
Reacția de fotosinteză
În general, ecuația fotosintezei arată astfel:
CO₂ + H₂O = materie organică + O₂ (oxigen)
Plantele verzi aparțin grupului de autotrofe (tradus ca „Mă hrănesc”) - organisme care nu au nevoie de alte organisme pentru a obține energie.
Funcția principală a fotosintezei este crearea de substanțe organice din care este construit corpul plantei.
Eliberarea de oxigen este un efect secundar al procesului.
Sensul fotosintezei
Rolul fotosintezei în natură este extrem de mare. Datorită lui, a fost creată întreaga lume vegetală a planetei.
Orez. 3. Fotosinteza.
Datorită fotosintezei, plantele:
- sunt o sursă de oxigen pentru atmosferă;
- transformă energia soarelui într-o formă accesibilă animalelor și oamenilor.
Viața pe Pământ a devenit posibilă odată cu acumularea de oxigen suficient în atmosferă. Nici omul, nici animalele nu ar fi putut trăi în acele vremuri îndepărtate când el nu era acolo, sau era puțin din el.
Ce știință studiază procesul de fotosinteză?
Fotosinteza este studiată în diverse științe, dar mai ales în botanică și fiziologia plantelor.
Botanica este știința plantelor și, prin urmare, o studiază ca un proces important de viață al plantelor.
Fiziologia plantelor studiază fotosinteza în cel mai detaliu. Oamenii de știință în fiziologie au stabilit că acest proces este complex și are etape:
- ușoară;
- întuneric
Aceasta înseamnă că fotosinteza începe la lumină, dar se termină în întuneric.
Ce am învățat?
După ce ați studiat acest subiect la biologia de clasa a 5-a, puteți explica pe scurt și clar fotosinteza ca procesul de formare a substanțelor organice din substanțe anorganice (CO₂ și H₂O) în plante. Caracteristicile sale: are loc în plastide verzi (cloroplaste), este însoțită de eliberarea de oxigen și se desfășoară sub influența luminii.
Test pe tema
Evaluarea raportului
Rata medie: 4.5. Evaluări totale primite: 397.
Fotosinteză este procesul de sinteză a substanțelor organice din cele anorganice folosind energia luminoasă. În marea majoritate a cazurilor, fotosinteza este efectuată de plante folosind organele celulare precum cloroplaste conţinând pigment verde clorofilă.
Dacă plantele nu ar fi capabile să sintetizeze materie organică, atunci aproape toate celelalte organisme de pe Pământ nu ar avea ce să mănânce, deoarece animalele, ciupercile și multe bacterii nu pot sintetiza substanțe organice din cele anorganice. Ei le absorb doar pe cele gata făcute, le împart în altele mai simple, din care le asamblează din nou pe cele complexe, dar deja caracteristice corpului lor.
Acesta este cazul dacă vorbim foarte pe scurt despre fotosinteză și rolul acesteia. Pentru a înțelege fotosinteza, trebuie să spunem mai multe: ce substanțe anorganice specifice sunt folosite, cum are loc sinteza?
Fotosinteza necesită două substanțe anorganice - dioxid de carbon (CO 2 ) și apă (H 2 O). Primul este absorbit din aer de părțile supraterane ale plantelor, în principal prin stomate. Apa provine din sol, de unde este livrată celulelor fotosintetice prin sistemul conducător al plantei. De asemenea, fotosinteza necesită energia fotonilor (hν), dar aceștia nu pot fi atribuiți materiei.
În total, fotosinteza produce materie organică și oxigen (O2). De obicei, materia organică înseamnă cel mai adesea glucoză (C 6 H 12 O 6).
Compușii organici sunt alcătuiți în cea mai mare parte din atomi de carbon, hidrogen și oxigen. Se găsesc în dioxid de carbon și apă. Cu toate acestea, în timpul fotosintezei, oxigenul este eliberat. Atomii săi sunt prelevați din apă.
Pe scurt și în general, ecuația pentru reacția fotosintezei este de obicei scrisă după cum urmează:
6CO 2 + 6H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 6O 2
Dar această ecuație nu reflectă esența fotosintezei și nu o face de înțeles. Uite, deși ecuația este echilibrată, în ea numărul total de atomi din oxigenul liber este de 12. Dar noi am spus că provin din apă și sunt doar 6.
De fapt, fotosinteza are loc în două faze. Primul se numește ușoară, al doilea - întuneric. Astfel de denumiri se datorează faptului că lumina este necesară doar pentru faza luminoasă, faza întunecată este independentă de prezența sa, dar asta nu înseamnă că apare în întuneric. Faza luminoasă are loc pe membranele tilacoidelor cloroplastei, iar faza întunecată are loc în stroma cloroplastei.
În timpul fazei de lumină, legarea CO2 nu are loc. Tot ceea ce are loc este captarea energiei solare de către complexele de clorofilă, stocarea acesteia în ATP și utilizarea energiei pentru a reduce NADP la NADP*H 2 . Fluxul de energie din clorofila excitată de lumină este asigurat de electronii transmiși de-a lungul lanțului de transport de electroni al enzimelor încorporate în membranele tilacoide.
Hidrogenul pentru NADP provine din apă, care este descompusă de lumina soarelui în atomi de oxigen, protoni de hidrogen și electroni. Acest proces se numește fotoliză. Oxigenul din apă nu este necesar pentru fotosinteză. Atomii de oxigen din două molecule de apă se combină pentru a forma oxigen molecular. Ecuația de reacție pentru faza luminoasă a fotosintezei arată pe scurt astfel:
H 2 O + (ADP+P) + NADP → ATP + NADP*H 2 + ½O 2
Astfel, eliberarea de oxigen are loc în timpul fazei de lumină a fotosintezei. Numărul de molecule de ATP sintetizate din ADP și acid fosforic pe fotoliza unei molecule de apă poate fi diferit: unul sau două.
Deci, ATP și NADP*H 2 vin din faza de lumină la faza de întuneric. Aici, energia primului și puterea reducătoare a celui de-al doilea sunt cheltuite pentru legarea dioxidului de carbon. Această etapă a fotosintezei nu poate fi explicată simplu și concis, deoarece nu se desfășoară în așa fel încât șase molecule de CO 2 să se combine cu hidrogenul eliberat din moleculele NADP*H 2 pentru a forma glucoză:
6CO 2 + 6NADP*H 2 →C 6 H 12 O 6 + 6NADP
(reacția are loc cu cheltuirea energiei ATP, care se descompune în ADP și acid fosforic).
Reacția dată este doar o simplificare pentru a o face mai ușor de înțeles. De fapt, moleculele de dioxid de carbon se leagă una câte una, alăturându-se substanței organice cu cinci atomi de carbon deja pregătită. Se formează o substanță organică instabilă cu șase atomi de carbon, care se descompune în molecule de carbohidrați cu trei atomi de carbon. Unele dintre aceste molecule sunt folosite pentru a resintetiza substanța originală cu cinci atomi de carbon pentru a lega CO 2 . Această resinteză este asigurată Ciclul Calvin. O minoritate de molecule de carbohidrați care conțin trei atomi de carbon părăsesc ciclul. Toate celelalte substanțe organice (carbohidrați, grăsimi, proteine) sunt sintetizate din acestea și alte substanțe.
Adică, de fapt, zaharurile cu trei atomi de carbon, nu glucoza, ies din faza întunecată a fotosintezei.
Procesul de transformare a energiei radiante de la Soare în energie chimică folosind aceasta din urmă în sinteza carbohidraților din dioxid de carbon. Acesta este singurul mod de a capta energia solară și de a o folosi pentru viața de pe planeta noastră.
Captarea și transformarea energiei solare este realizată de o varietate de organisme fotosintetice (fotoautotrofe). Acestea includ organisme pluricelulare (plante verzi superioare și formele lor inferioare - alge verzi, maro și roșii) și organisme unicelulare (euglena, dinoflagelate și diatomee). Un grup mare de organisme fotosintetice sunt procariote - alge albastre-verzi, bacterii verzi și violete. Aproximativ jumătate din activitatea de fotosinteză de pe Pământ este efectuată de plante verzi superioare, iar jumătatea rămasă este efectuată în principal de alge unicelulare.
Primele idei despre fotosinteză s-au format în secolul al XVII-lea. Ulterior, pe măsură ce noi date au devenit disponibile, aceste idei s-au schimbat de multe ori. [spectacol] .
Dezvoltarea ideilor despre fotosinteză
Studiul fotosintezei a început în 1630, când van Helmont a arătat că plantele însele formează substanțe organice și nu le obțin din sol. Cântărind ghiveciul de pământ în care creștea salcia și arborele însuși, el a arătat că pe parcursul a 5 ani masa arborelui a crescut cu 74 kg, în timp ce solul a pierdut doar 57 g. Van Helmont a concluzionat că planta a primit restul hranei sale din apa care a fost folosită pentru a uda copacul. Acum știm că principalul material pentru sinteza este dioxidul de carbon, extras de plantă din aer.
În 1772, Joseph Priestley a arătat că mugurii de mentă „corectau” aerul „pătat” de o lumânare aprinsă. Șapte ani mai târziu, Jan Ingenhuis a descoperit că plantele pot „corecta” aerul rău doar fiind în lumină, iar capacitatea plantelor de a „corecta” aerul este proporțională cu claritatea zilei și cu durata de timp în care plantele rămân în aer. soare. În întuneric, plantele emit aer care este „dăunător pentru animale”.
Următorul pas important în dezvoltarea cunoștințelor despre fotosinteză au fost experimentele lui Saussure, efectuate în 1804. Cântărind aerul și plantele înainte și după fotosinteză, Saussure a descoperit că creșterea masei uscate a plantei a depășit masa de dioxid de carbon absorbită din aer. Saussure a concluzionat că o altă substanță implicată în creșterea masei a fost apa. Astfel, acum 160 de ani procesul de fotosinteză a fost imaginat după cum urmează:
H2O + CO2 + hv -> C6H12O6 + O2
Apă + Dioxid de Carbon + Energie Solară ----> Materie Organică + Oxigen
Ingenhues a propus că rolul luminii în fotosinteză este de a descompune dioxidul de carbon; în acest caz, oxigenul este eliberat, iar „carbonul” eliberat este folosit pentru a construi țesutul vegetal. Pe această bază, organismele vii au fost împărțite în plante verzi, care pot folosi energia solară pentru a „asimila” dioxidul de carbon și alte organisme care nu conțin clorofilă, care nu pot folosi energia luminoasă și nu sunt capabile să asimileze CO 2.
Acest principiu de împărțire a lumii vii a fost încălcat când S. N. Winogradsky, în 1887, a descoperit bacterii chemosintetice - organisme fără clorofilă capabile să asimileze (adică să transforme în compuși organici) dioxidul de carbon în întuneric. De asemenea, a fost perturbat când, în 1883, Engelmann a descoperit bacterii violete care realizează un fel de fotosinteză care nu este însoțită de eliberarea de oxigen. La un moment dat acest fapt nu a fost apreciat în mod adecvat; Între timp, descoperirea bacteriilor chemosintetice care asimilează dioxidul de carbon în întuneric arată că asimilarea dioxidului de carbon nu poate fi considerată o caracteristică specifică doar a fotosintezei.
După 1940, datorită utilizării carbonului marcat, s-a stabilit că toate celulele - vegetale, bacteriene și animale - sunt capabile să asimileze dioxidul de carbon, adică să-l încorporeze în moleculele de substanțe organice; Doar sursele din care ei extrag energia necesară pentru aceasta sunt diferite.
O altă contribuție majoră la studiul fotosintezei a fost adusă în 1905 de Blackman, care a descoperit că fotosinteza constă din două reacții secvențiale: o reacție rapidă a luminii și o serie de etape mai lente, independente de lumină, pe care le-a numit reacție de viteză. Folosind lumină de mare intensitate, Blackman a arătat că fotosinteza se desfășoară în aceeași viteză sub lumină intermitentă, cu blițuri care durează doar o fracțiune de secundă ca și în lumină continuă, în ciuda faptului că, în primul caz, sistemul fotosintetic primește jumătate mai multă energie. Intensitatea fotosintezei a scăzut doar cu o creștere semnificativă în perioada întunecată. În studii ulterioare, s-a constatat că viteza reacției întunecate crește semnificativ odată cu creșterea temperaturii.
Următoarea ipoteză privind baza chimică a fotosintezei a fost înaintată de van Niel, care în 1931 a arătat experimental că fotosinteza în bacterii poate avea loc în condiții anaerobe, fără eliberarea de oxigen. Van Niel a sugerat că, în principiu, procesul de fotosinteză este similar la bacterii și la plantele verzi. În aceasta din urmă, energia luminoasă este utilizată pentru fotoliza apei (H 2 0) cu formarea unui agent reducător (H), determinat prin participarea la asimilarea dioxidului de carbon, și a unui agent oxidant (OH), un precursor ipotetic al oxigen molecular. În bacterii, fotosinteza se desfășoară în general în același mod, dar donatorul de hidrogen este H2S sau hidrogenul molecular și, prin urmare, oxigenul nu este eliberat.
Idei moderne despre fotosinteză
Conform conceptelor moderne, esența fotosintezei este conversia energiei radiante a luminii solare în energie chimică sub formă de ATP și fosfat redus de nicotinamidă adenin dinucleotidă (NADP). · N).
În prezent, este general acceptat că procesul de fotosinteză constă din două etape în care structurile fotosintetice iau parte activă. [spectacol] și pigmenți celulari fotosensibili.
Structuri fotosintetice
În bacterii structurile fotosintetice se prezintă sub formă de invaginări ale membranei celulare, formând organele lamelare ale mezosomului. Mezosomii izolați obținuți din distrugerea bacteriilor se numesc cromatofori; în ei este concentrat aparatul sensibil la lumină.
La eucariote Aparatul fotosintetic este situat în organele intracelulare speciale - cloroplaste, care conțin clorofila pigmentului verde, care conferă plantei culoarea verde și joacă un rol crucial în fotosinteză, captând energia luminii solare. Cloroplastele, precum mitocondriile, conțin și ADN, ARN și un aparat pentru sinteza proteinelor, adică au capacitatea potențială de a se reproduce. Cloroplastele sunt de câteva ori mai mari ca dimensiune decât mitocondriile. Numărul de cloroplaste variază de la unul la alge la 40 per celulă la plantele superioare.
Pe lângă cloroplaste, celulele plantelor verzi conțin și mitocondrii, care sunt folosite pentru a produce energie noaptea prin respirație, ca în celulele heterotrofe.
Cloroplastele au o formă sferică sau turtită. Sunt înconjurate de două membrane - exterioară și interioară (Fig. 1). Membrana interioară este aranjată sub formă de stive de discuri turtite sub formă de bule. Această stivă se numește grana.
Fiecare bob este format din straturi individuale aranjate ca niște coloane de monede. Straturile de molecule proteice alternează cu straturi care conțin clorofilă, caroteni și alți pigmenți, precum și forme speciale de lipide (conțin galactoză sau sulf, dar un singur acid gras). Aceste lipide tensioactive par a fi adsorbite între straturi individuale de molecule și servesc la stabilizarea structurii, care constă din straturi alternative de proteine și pigmenți. Această structură stratificată (lamelară) a granei facilitează cel mai probabil transferul de energie în timpul fotosintezei de la o moleculă la una din apropiere.
La alge nu există mai mult de un bob în fiecare cloroplast, iar la plantele superioare există până la 50 de boabe, care sunt interconectate prin punți de membrană. Mediul apos dintre grana este stroma cloroplastei, care conține enzime care desfășoară „reacții întunecate”
Structurile asemănătoare veziculelor care alcătuiesc grana se numesc tilactoizi. Există între 10 și 20 de tilactoizi în grana.
Unitatea structurală și funcțională elementară a fotosintezei membranei tilactoide, care conține pigmenții necesari de captare a luminii și componentele aparatului de transformare a energiei, se numește quantozom, constând din aproximativ 230 de molecule de clorofilă. Această particulă are o masă de aproximativ 2 x 106 daltoni și dimensiuni de aproximativ 17,5 nm.
Etapele fotosintezei |
||
Stadiul luminii (sau stadiul energetic) |
Stadiul întunecat (sau metabolic) |
|
Locația reacției |
În quantozomii membranelor tilactoide, apare în lumină. |
Se desfășoară în afara tilactoizilor, în mediul apos al stromei. |
Produse inițiale |
Energie luminoasă, apă (H 2 O), ADP, clorofilă |
CO2, ribuloză difosfat, ATP, NADPH2 |
Esența procesului |
Fotoliza apei, fosforilarea În stadiul de lumină al fotosintezei, energia luminoasă este transformată în energia chimică a ATP, iar electronii săraci în energie ai apei sunt transformați în electroni bogați în energie ai NADP. · N 2. Un produs secundar format în timpul etapei de lumină este oxigenul. Reacțiile etapei luminii se numesc „reacții luminoase”. |
Carboxilare, hidrogenare, defosforilare În timpul etapei întunecate a fotosintezei, au loc „reacții întunecate”, în timpul cărora se observă sinteza reductivă a glucozei din CO2. Fără energia etapei luminii, stadiul întuneric este imposibil. |
Produse finale |
O2, ATP, NADPH2 Produse bogate în energie ale reacției luminii - ATP și NADP · H2 este folosit în continuare în stadiul întunecat al fotosintezei. |
|
Relația dintre etapele de lumină și întuneric poate fi exprimată prin diagramă
Procesul de fotosinteză este endergonic, adică. este însoțită de o creștere a energiei libere și, prin urmare, necesită o cantitate semnificativă de energie furnizată din exterior. Ecuația generală pentru fotosinteză este: 6CO2 + 12H2O--->C6H12O62 + 6H2O + 6O2 + 2861 kJ/mol. |
||
Plantele terestre absorb apa necesară fotosintezei prin rădăcini, în timp ce plantele acvatice o primesc prin difuzie din mediu. Dioxidul de carbon, necesar pentru fotosinteză, difuzează în plantă prin mici găuri de pe suprafața frunzelor - stomatele. Deoarece dioxidul de carbon este consumat în timpul fotosintezei, concentrația sa în celulă este de obicei puțin mai mică decât în atmosferă. Oxigenul eliberat în timpul fotosintezei difuzează din celulă și apoi din plantă prin stomate. Zaharurile produse în timpul fotosintezei difuzează și în acele părți ale plantei în care concentrația lor este mai mică.
Pentru a efectua fotosinteza, plantele au nevoie de mult aer, deoarece conține doar 0,03% dioxid de carbon. În consecinţă, din 10.000 m 3 de aer se pot obţine 3 m 3 de dioxid de carbon, din care se formează circa 110 g de glucoză în timpul fotosintezei. Plantele cresc în general mai bine cu niveluri mai mari de dioxid de carbon în aer. Prin urmare, în unele sere conținutul de CO 2 din aer este ajustat la 1-5%.
Mecanismul etapei luminoase (fotochimice) a fotosintezei |
Energia solară și diferiți pigmenți participă la implementarea funcției fotochimice a fotosintezei: verde - clorofilele a și b, galben - carotenoizi și roșu sau albastru - ficobiline. Dintre acest complex de pigmenți, doar clorofila a este activă fotochimic. Pigmenții rămași joacă un rol de susținere, fiind doar colectori de cuante de lumină (un fel de lentile colectoare de lumină) și conductorii lor către centrul fotochimic.
Pe baza capacității clorofilei de a absorbi eficient energia solară de o anumită lungime de undă, în membranele tilactoide au fost identificate centri fotochimici funcționali sau fotosisteme (Fig. 3):
- fotosistemul I (clorofila A) - conține pigment 700 (P 700) care absoarbe lumina cu o lungime de undă de aproximativ 700 nm, joacă un rol major în formarea produselor din etapa luminoasă a fotosintezei: ATP și NADP · H 2
- fotosistemul II (clorofila b) - contine pigmentul 680 (P 680), care absoarbe lumina cu o lungime de unda de 680 nm, joaca un rol auxiliar prin completarea electronilor pierduti de fotosistemul I prin fotoliza apei
Pentru fiecare 300-400 de molecule de pigmenți de captare a luminii din fotosistemele I și II, există o singură moleculă de pigment fotochimic activ - clorofila a.
Cuantum de lumină absorbit de o plantă
- transferă pigmentul P 700 din starea fundamentală în starea excitată - P * 700, în care pierde cu ușurință un electron cu formarea unei găuri de electroni pozitive sub forma P 700 + conform schemei:
P 700 ---> P * 700 ---> P + 700 + e -
După care molecula de pigment care a pierdut un electron poate servi ca acceptor de electroni (capabil să accepte un electron) și să se transforme într-o formă redusă
- determină descompunerea (fotooxidarea) apei în centrul fotochimic P 680 al fotosistemului II conform schemei
H20 ---> 2H + + 2e - + 1/2O 2
Fotoliza apei se numește reacție Hill. Electronii produși în timpul descompunerii apei sunt acceptați inițial de o substanță denumită Q (uneori numită citocrom C 550 datorită absorbției sale maxime, deși nu este un citocrom). Apoi, din substanța Q, printr-un lanț de purtători asemănător ca compoziție cu cel mitocondrial, electronii sunt furnizați fotosistemului I pentru a umple golul de electroni format ca urmare a absorbției cuantelor de lumină de către sistem și a restabili pigmentul P + 700.
Dacă o astfel de moleculă pur și simplu primește înapoi același electron, atunci energia luminoasă va fi eliberată sub formă de căldură și fluorescență (acest lucru se datorează fluorescenței clorofilei pure). Cu toate acestea, în majoritatea cazurilor, electronul încărcat negativ eliberat este acceptat de proteinele speciale fier-sulf (centrul FeS) și apoi
- sau este transportat de-a lungul unuia dintre lanțurile purtătoare înapoi la P+700, umplând gaura de electroni
- sau de-a lungul unui alt lanț de transportatori prin ferredoxină și flavoproteină la un acceptor permanent - NADP · H 2
În primul caz are loc transportul ciclic închis de electroni, iar în al doilea caz are loc transportul neciclic.
Ambele procese sunt catalizate de același lanț de transport de electroni. Cu toate acestea, în timpul fotofosforilării ciclice, electronii sunt returnați din clorofilă Aînapoi la clorofilă A, în timp ce în fotofosforilarea neciclică electronii sunt transferați de la clorofila b la clorofilă A.
| Fosforilarea ciclică (fotosintetică). | Fosforilarea neciclică |
Ca rezultat al fosforilării ciclice, se formează molecule de ATP. Procesul este asociat cu întoarcerea electronilor excitați la P 700 printr-o serie de etape succesive. Revenirea electronilor excitați la P 700 duce la eliberarea de energie (în timpul tranziției de la un nivel de energie ridicat la cel scăzut), care, cu participarea sistemului enzimatic fosforilant, se acumulează în legăturile fosfat ale ATP și este nu se disipează sub formă de fluorescență și căldură (Fig. 4.). Acest proces se numește fosforilare fotosintetică (spre deosebire de fosforilarea oxidativă efectuată de mitocondrii); Fosforilarea fotosintetică- reacția primară a fotosintezei este un mecanism de formare a energiei chimice (sinteza ATP din ADP și fosfat anorganic) pe membrana tilactoidă a cloroplastelor folosind energia luminii solare. Necesar pentru reacția întunecată de asimilare a CO 2 |
Ca rezultat al fosforilării neciclice, NADP + este redus pentru a forma NADP · N. Procesul este asociat cu transferul unui electron la ferredoxină, reducerea acestuia și tranziția ulterioară la NADP + cu reducerea sa ulterioară la NADP · N |
Ambele procese apar la tilactoizi, deși al doilea este mai complex. Este asociat (interconectat) cu activitatea fotosistemului II. |
|
Astfel, electronii pierduți de P 700 sunt reînnoiți cu electroni din apa descompusă sub influența luminii din fotosistemul II.
A+ la starea fundamentală, se formează aparent la excitarea clorofilei b. Acești electroni de înaltă energie trec la ferredoxină și apoi prin flavoproteine și citocromi la clorofilă A. În ultima etapă, are loc fosforilarea ADP la ATP (Fig. 5).
Electronii necesari pentru a returna clorofila V starea sa fundamentală sunt probabil furnizate de ionii OH - formați în timpul disocierii apei. Unele dintre moleculele de apă se disociază în ioni H + și OH -. Ca urmare a pierderii de electroni, ionii OH - sunt transformați în radicali (OH), care ulterior produc molecule de apă și oxigen gazos (Fig. 6).
Acest aspect al teoriei este confirmat de rezultatele experimentelor cu apă și CO 2 marcate cu 18 0 [spectacol] .
Conform acestor rezultate, tot oxigenul gazos eliberat în timpul fotosintezei provine din apă și nu din CO 2 . Reacțiile de scindare a apei nu au fost încă studiate în detaliu. Este clar, totuși, că implementarea tuturor reacțiilor secvențiale de fotofosforilare neciclică (Fig. 5), inclusiv excitarea unei molecule de clorofilă Ași o moleculă de clorofilă b, ar trebui să conducă la formarea unei molecule NADP · H, două sau mai multe molecule de ATP din ADP și Pn și la eliberarea unui atom de oxigen. Acest lucru necesită cel puțin patru cuante de lumină - două pentru fiecare moleculă de clorofilă.
Fluxul neciclic al electronilor de la H 2 O la NADP · H2, care apare în timpul interacțiunii dintre două fotosisteme și lanțurile de transport de electroni care le conectează, se observă contrar valorilor potențialelor redox: E° pentru 1/2O2/H2O = +0,81 V și E° pentru NADP/NADP · H = -0,32 V. Energia luminii inversează fluxul de electroni. Este semnificativ faptul că, atunci când este transferată de la fotosistemul II la fotosistemul I, o parte din energia electronilor este acumulată sub formă de potențial de protoni pe membrana tilactoidă și apoi în energie ATP.
Mecanismul de formare a potențialului de protoni în lanțul de transport de electroni și utilizarea acestuia pentru formarea de ATP în cloroplaste este similar cu cel din mitocondrii. Cu toate acestea, există unele particularități în mecanismul de fotofosforilare. Tilactoizii sunt ca mitocondriile întoarse pe dos, astfel încât direcția transferului de electroni și protoni prin membrană este opusă direcției din membrana mitocondrială (Fig. 6). Electronii se deplasează în exterior, iar protonii se concentrează în interiorul matricei tilactoide. Matricea este încărcată pozitiv, iar membrana exterioară a tilactoidului este încărcată negativ, adică direcția gradientului de protoni este opusă direcției sale în mitocondrii.
O altă caracteristică este proporția semnificativ mai mare de pH în potențialul de protoni în comparație cu mitocondriile. Matricea tilactoidă este foarte acidificată, astfel încât Δ pH poate ajunge la 0,1-0,2 V, în timp ce Δ Ψ este de aproximativ 0,1 V. Valoarea totală a Δ μ H+ > 0,25 V.
H + -ATP sintetaza, desemnată în cloroplaste ca complex „CF 1 + F 0”, este de asemenea orientată în direcția opusă. Capul său (F 1) se uită spre exterior, spre stroma cloroplastei. Protonii sunt împinși prin CF 0 + F 1 din matrice, iar ATP se formează în centrul activ al F 1 datorită energiei potențialului de protoni.
Spre deosebire de lanțul mitocondrial, lanțul tilactoid are aparent doar două situsuri de conjugare, astfel încât sinteza unei molecule de ATP necesită trei protoni în loc de doi, adică un raport de 3 H + /1 mol de ATP.
Deci, în prima etapă a fotosintezei, în timpul reacțiilor luminoase, în stroma cloroplastei se formează ATP și NADP. · H - produse necesare reacțiilor întunecate.
Mecanismul etapei întunecate a fotosintezei |
Reacțiile întunecate ale fotosintezei sunt procesul de încorporare a dioxidului de carbon în materia organică pentru a forma carbohidrați (fotosinteza glucozei din CO2). Reacțiile apar în stroma cloroplastei cu participarea produselor din etapa luminoasă a fotosintezei - ATP și NADP · H2.
Asimilarea dioxidului de carbon (carboxilarea fotochimică) este un proces ciclic, numit și ciclul fotosintetic al pentozelor fosfat sau ciclul Calvin (Fig. 7). Există trei faze principale în ea:
- carboxilarea (fixarea CO 2 cu ribuloză difosfat)
- reducerea (formarea triozei fosfaților în timpul reducerii 3-fosfogliceratului)
- regenerarea ribulozei difosfat
Ribuloza 5-fosfat (un zahăr care conține 5 atomi de carbon cu o porțiune fosfat la carbonul 5) suferă fosforilarea de către ATP, ducând la formarea de ribuloză difosfat. Această din urmă substanță este carboxilată prin adăugarea de CO2, aparent la un intermediar cu șase atomi de carbon, care, totuși, este imediat scindat prin adăugarea unei molecule de apă, formând două molecule de acid fosfogliceric. Acidul fosfogliceric este apoi redus printr-o reacție enzimatică care necesită prezența ATP și NADP. · H cu formarea de fosfogliceraldehidă (zahăr cu trei atomi de carbon - trioză). Ca urmare a condensării a două astfel de trioze, se formează o moleculă de hexoză, care poate fi inclusă într-o moleculă de amidon și astfel stocată ca rezervă.
Pentru a finaliza această fază a ciclului, fotosinteza absoarbe 1 moleculă de CO2 și folosește 3 molecule de ATP și 4 atomi de H (atașați la 2 molecule de NAD · N). Din fosfatul de hexoză, prin anumite reacții ale ciclului fosfatului de pentoză (Fig. 8), se regenerează fosfatul de ribuloză, care poate atașa din nou o altă moleculă de dioxid de carbon.
Niciuna dintre reacțiile descrise - carboxilare, reducere sau regenerare - nu poate fi considerată specifică doar celulei fotosintetice. Singura diferență pe care au descoperit-o a fost că reacția de reducere care transformă acidul fosfogliceric în fosfogliceraldehidă necesită NADP. · N, nu TERMINAT · N, ca de obicei.
Fixarea CO 2 de către ribuloză difosfat este catalizată de enzima ribuloză difosfat carboxilază: Ribuloză difosfat + CO 2 --> 3-fosfoglicerat În continuare, 3-fosfogliceratul se reduce cu ajutorul NADP. · H2 şi ATP la gliceraldehidă 3-fosfat. Această reacție este catalizată de enzima gliceraldehida-3-fosfat dehidrogenază. Gliceraldehida 3-fosfat se izomerizează ușor la dihidroxiacetonă fosfat. Ambii trioză fosfați sunt utilizați la formarea fructozei bifosfat (reacția inversă catalizată de fructoză bifosfat aldolaza). O parte din moleculele fructozei bifosfatului rezultat participă, împreună cu trioza fosfaților, la regenerarea ribulozei bifosfatului (închiderea ciclului), iar cealaltă parte este folosită pentru a stoca carbohidrați în celulele fotosintetice, așa cum se arată în diagramă.
Se estimează că sinteza unei molecule de glucoză din CO 2 în ciclul Calvin necesită 12 NADP · H + H + și 18 ATP (12 molecule de ATP sunt cheltuite pentru reducerea 3-fosfogliceratului și 6 molecule sunt utilizate în reacțiile de regenerare a ribulozei difosfat). Raport minim - 3 ATP: 2 NADP · N 2.
Se poate observa comunitatea principiilor care stau la baza fosforilării fotosintetice și oxidative, iar fotofosforilarea este, așa cum ar fi, fosforilarea oxidativă inversă:
Energia luminii este forța motrice din spatele fosforilării și sintezei substanțelor organice (S-H 2) în timpul fotosintezei și, invers, energia de oxidare a substanțelor organice în timpul fosforilării oxidative. Prin urmare, plantele oferă viață animalelor și altor organisme heterotrofe:
Carbohidrații produși în timpul fotosintezei servesc la construirea scheletelor de carbon ale numeroaselor substanțe organice vegetale. Substanțele organoazotate sunt absorbite de organismele fotosintetice prin reducerea nitraților anorganici sau azotului atmosferic, iar sulful este absorbit prin reducerea sulfaților la grupări sulfhidril ale aminoacizilor. Fotosinteza asigură în cele din urmă construcția nu numai a proteinelor, acizilor nucleici, carbohidraților, lipidelor, cofactorilor esențiali vieții, ci și a numeroaselor produse de sinteză secundară care sunt substanțe medicinale valoroase (alcaloizi, flavonoide, polifenoli, terpene, steroizi, acizi organici etc.). ).
Fotosinteza non-clorofilă
Fotosinteza non-clorofilă se găsește în bacteriile iubitoare de sare care au un pigment violet sensibil la lumină. Acest pigment s-a dovedit a fi proteina bacteriorhodopsin, care conține, la fel ca violetul vizual al retinei - rodopsina, un derivat al vitaminei A - retiniană. Bacteriodopsina, construită în membrana bacteriilor iubitoare de sare, formează un potențial de protoni pe această membrană ca răspuns la absorbția luminii de către retină, care este transformată în ATP. Astfel, bacteriorhodopsina este un convertor de energie luminoasă fără clorofilă.
Fotosinteza și mediul extern
Fotosinteza este posibilă numai în prezența luminii, a apei și a dioxidului de carbon. Eficiența fotosintezei nu depășește 20% la speciile de plante cultivate și, de obicei, nu depășește 6-7%. În atmosferă există aproximativ 0,03% (vol.) CO 2, când conținutul acestuia crește la 0,1%, intensitatea fotosintezei și productivitatea plantelor cresc, de aceea este indicat să se hrănească plantele cu bicarbonați. Cu toate acestea, conținutul de CO 2 din aer peste 1,0% are un efect dăunător asupra fotosintezei. Într-un an, plantele terestre absorb singure 3% din CO 2 total din atmosfera Pământului, adică aproximativ 20 de miliarde de tone. Până la 4 × 10 18 kJ de energie luminoasă se acumulează în carbohidrații sintetizati din CO 2. Aceasta corespunde unei capacități a centralei electrice de 40 de miliarde de kW. Un produs secundar al fotosintezei, oxigenul, este vital pentru organismele superioare și microorganismele aerobe. Păstrarea vegetației înseamnă conservarea vieții pe Pământ.
Eficiența fotosintezei
Eficiența fotosintezei în ceea ce privește producția de biomasă poate fi evaluată prin proporția radiației solare totale care cade pe o anumită zonă într-un anumit timp care este stocată în materia organică a culturii. Productivitatea sistemului poate fi evaluată prin cantitatea de substanță organică uscată obținută pe unitatea de suprafață pe an și exprimată în unități de masă (kg) sau energie (mJ) de producție obținută la hectar pe an.
Randamentul de biomasă depinde astfel de suprafața colectorului (frunzelor) de energie solară care funcționează pe parcursul anului și de numărul de zile pe an cu astfel de condiții de iluminare când fotosinteza este posibilă la ritmul maxim, ceea ce determină eficiența întregului proces. . Rezultatele determinării proporției de radiație solară (în %) disponibilă plantelor (radiație fotosintetic activă, PAR), precum și cunoașterea proceselor fotochimice și biochimice de bază și a eficienței lor termodinamice fac posibilă calcularea ratelor maxime probabile de formare a substanțelor organice. substanțe din punct de vedere al carbohidraților.
Plantele folosesc lumină cu o lungime de undă de la 400 la 700 nm, adică radiația activă fotosintetic reprezintă 50% din toată lumina solară. Aceasta corespunde unei intensități pe suprafața Pământului de 800-1000 W/m2 pentru o zi însorită tipică (în medie). Eficiența maximă medie a conversiei energiei în timpul fotosintezei în practică este de 5-6%. Aceste estimări sunt obținute pe baza studiilor procesului de legare a CO 2 , precum și a pierderilor fiziologice și fizice asociate. Un mol de CO 2 legat sub formă de carbohidrați corespunde unei energii de 0,47 MJ, iar energia unui mol de cuante de lumină roșie cu o lungime de undă de 680 nm (cea mai slabă lumină utilizată în fotosinteză) este de 0,176 MJ. Astfel, numărul minim de moli de cuante de lumină roșie necesari pentru a lega 1 mol de CO2 este 0,47:0,176 = 2,7. Cu toate acestea, deoarece transferul a patru electroni din apă pentru a fixa o moleculă de CO 2 necesită cel puțin opt quante de lumină, eficiența teoretică de legare este de 2,7:8 = 33%. Aceste calcule sunt făcute pentru lumina roșie; Este clar că pentru lumina albă această valoare va fi în mod corespunzător mai mică.
În cele mai bune condiții de teren, eficiența de fixare în plante ajunge la 3%, dar acest lucru este posibil doar pe perioade scurte de creștere și, dacă se calculează pe întregul an, va fi undeva între 1 și 3%.
În practică, eficiența medie anuală a conversiei energiei fotosintetice în zonele temperate este de obicei de 0,5-1,3%, iar pentru culturile subtropicale - 0,5-2,5%. Randamentul care poate fi așteptat la un anumit nivel de intensitate a luminii solare și o eficiență fotosintetică diferită poate fi estimat cu ușurință din graficele prezentate în Fig. 9.
Sensul fotosintezei
- Procesul de fotosinteză este baza nutriției pentru toate ființele vii și, de asemenea, furnizează omenirii combustibil, fibre și nenumărați compuși chimici utili.
- Aproximativ 90-95% din greutatea uscată a culturii este formată din dioxid de carbon și apă combinate din aer în timpul fotosintezei.
- Oamenii folosesc aproximativ 7% din produsele fotosintetice ca hrană, hrană pentru animale, combustibil și materiale de construcție.
Plantele primesc tot ce au nevoie pentru creștere și dezvoltare din mediu. Acesta este modul în care se deosebesc de alte organisme vii. Pentru ca acestea să se dezvolte bine, au nevoie de sol fertil, udare naturală sau artificială și iluminare bună. Nimic nu va crește în întuneric.
Solul este o sursă de apă și de compuși organici nutritivi și microelemente. Dar copacii, florile și iarba au nevoie și de energie solară. Sub influența luminii solare apar anumite reacții, în urma cărora dioxidul de carbon absorbit din aer este transformat în oxigen. Acest proces se numește fotosinteză. Reacția chimică care are loc sub influența luminii solare duce și la formarea de glucoză și apă. Aceste substanțe sunt vitale pentru dezvoltarea plantei.
În limbajul chimiștilor, reacția arată astfel: 6CO2 + 12H2O + lumină = C6H12O6 + 6O2 + 6H2O. O formă simplificată a ecuației: dioxid de carbon + apă + lumină = glucoză + oxigen + apă.
Literal, „fotosinteza” este tradusă ca „împreună cu lumina”. Acest cuvânt este format din două cuvinte simple „foto” și „sinteză”. Soarele este o sursă foarte puternică de energie. Oamenii îl folosesc pentru a genera electricitate, a izola casele și a încălzi apa. De asemenea, plantele au nevoie de energie de la soare pentru a susține viața. Glucoza, produsă în timpul fotosintezei, este un zahăr simplu care este unul dintre cei mai importanți nutrienți. Plantele îl folosesc pentru creștere și dezvoltare, iar excesul este depus în frunze, semințe și fructe. Nu toată glucoza rămâne neschimbată în părțile verzi ale plantelor și fructelor. Zaharurile simple tind să se transforme în altele mai complexe, care includ amidonul. Plantele folosesc astfel de rezerve în perioadele de deficit de nutrienți. Ele determină valoarea nutritivă a ierburilor, fructelor, florilor, frunzelor pentru animale și oameni care consumă alimente vegetale.
Cum absorb plantele lumina?
Procesul de fotosinteză este destul de complex, dar poate fi descris pe scurt, astfel încât să devină de înțeles chiar și pentru copiii de vârstă școlară. Una dintre cele mai frecvente întrebări se referă la mecanismul de absorbție a luminii. Cum ajunge energia luminoasă în plante? Procesul de fotosinteză are loc în frunze. Frunzele tuturor plantelor conțin celule verzi - cloroplaste. Conțin o substanță numită clorofilă. Clorofila este pigmentul care conferă frunzelor culoarea verde și este responsabil pentru absorbția energiei luminoase. Mulți oameni nu s-au gândit de ce frunzele majorității plantelor sunt largi și plate. Se pare că natura a oferit acest lucru cu un motiv. Suprafața largă vă permite să absorbiți mai multă lumină solară. Din același motiv, panourile solare sunt făcute late și plate.
Partea superioară a frunzelor este protejată de un strat ceros (cuticulă) de pierderea apei și de efectele adverse ale intemperiilor și dăunătorilor. Se numește palisadă. Dacă te uiți cu atenție la frunză, poți vedea că partea superioară a acesteia este mai strălucitoare și mai netedă. Culoarea bogată se obține datorită faptului că în această parte sunt mai multe cloroplaste. Excesul de lumină poate reduce capacitatea plantei de a produce oxigen și glucoză. Când este expusă la soare strălucitor, clorofila este deteriorată și acest lucru încetinește fotosinteza. O încetinire are loc și odată cu sosirea toamnei, când este mai puțină lumină, iar frunzele încep să se îngălbenească din cauza distrugerii cloroplastelor din ele.
Rolul apei în fotosinteză și în menținerea vieții plantelor nu poate fi subestimat. Apa este necesară pentru:
- furnizarea plantelor cu minerale dizolvate în ea;
- menținerea tonului;
- răcire;
- posibilitatea apariţiei reacţiilor chimice şi fizice.
Copacii, arbuștii și florile absorb apa din sol cu rădăcinile lor, iar apoi umiditatea crește de-a lungul tulpinii și trece în frunze de-a lungul venelor care sunt vizibile chiar și cu ochiul liber.
Dioxidul de carbon intră prin mici găuri din partea inferioară a frunzei - stomate. În partea inferioară a frunzei, celulele sunt dispuse astfel încât dioxidul de carbon să poată pătrunde mai adânc. Acest lucru permite, de asemenea, oxigenului produs prin fotosinteză să părăsească cu ușurință frunza. Ca toate organismele vii, plantele sunt dotate cu capacitatea de a respira. Mai mult, spre deosebire de animale și oameni, aceștia absorb dioxidul de carbon și eliberează oxigen, și nu invers. Acolo unde sunt multe plante, aerul este foarte curat și proaspăt. De aceea este atât de important să aveți grijă de copaci și arbuști și să creați grădini publice și parcuri în orașele mari.
Fazele luminoase și întunecate ale fotosintezei
Procesul de fotosinteză este complex și constă din două faze - lumină și întuneric. Faza de lumină este posibilă numai în prezența luminii solare. Când sunt expuse la lumină, moleculele de clorofilă ionizează, rezultând energie care servește ca catalizator pentru reacțiile chimice. Ordinea evenimentelor care au loc în această fază este următoarea:
- lumina lovește molecula de clorofilă, care este absorbită de pigmentul verde și o pune într-o stare excitată;
- rupturi de apă;
- Se sintetizează ATP, care este un acumulator de energie.
Faza întunecată a fotosintezei are loc fără participarea energiei luminoase. În această etapă, se formează glucoză și oxigen. Este important să înțelegem că formarea glucozei și a oxigenului are loc non-stop, și nu doar noaptea. Faza întunecată se numește deoarece prezența luminii nu mai este necesară pentru ca aceasta să apară. Catalizatorul este ATP, care a fost sintetizat mai devreme.
Importanța fotosintezei în natură
Fotosinteza este unul dintre cele mai importante procese naturale. Este necesar nu numai pentru a menține viața plantelor, ci și pentru toată viața de pe planetă. Fotosinteza este necesară pentru:
- asigurarea animalelor și oamenilor cu hrană;
- eliminarea dioxidului de carbon și saturarea aerului cu oxigen;
- menținerea ciclului nutrienților.
Toate plantele depind de viteza de fotosinteză. Energia solară poate fi văzută ca un factor care promovează sau inhibă creșterea. De exemplu, în regiunile și zonele sudice există mult soare și plantele pot crește destul de înalte. Dacă luăm în considerare modul în care se desfășoară procesul în ecosistemele acvatice, lumina soarelui nu lipsește pe suprafața mărilor și oceanelor și se observă o creștere abundentă de alge în aceste straturi. În straturile mai adânci de apă există o lipsă de energie solară, ceea ce afectează rata de creștere a florei acvatice.
Procesul de fotosinteză contribuie la formarea stratului de ozon în atmosferă. Acest lucru este foarte important deoarece ajută la protejarea întregii vieți de pe planetă de efectele nocive ale razelor ultraviolete.
Orice frunză verde este o mică fabrică de oxigen și nutrienți necesari oamenilor și animalelor pentru viața normală. Procesul de producere a acestor substanțe din dioxid de carbon și apă din atmosferă se numește fotosinteză.
Fotosinteza este un proces complex care are loc cu participarea directă a luminii. Însuși conceptul de „fotosinteză” provine din două cuvinte grecești: „fotografii” - lumină și „sinteză” - combinație. Procesul de fotosinteză constă în două etape: absorbția cuantelor de lumină și utilizarea energiei acestora în diferite reacții chimice.Planta absoarbe lumina cu ajutorul unei substanțe verzi numită clorofilă. Clorofila se găsește în așa-numitele cloroplaste, care pot fi găsite în tulpini sau chiar în fructe. Există mai ales multe dintre ele, deoarece datorită structurii sale plate, frunza este capabilă să atragă mai multă lumină și, în consecință, să primească mai multă energie pentru fotosinteză. După absorbție, clorofila trece și transferă energie altor molecule ale organismului vegetal, în special celor implicate în fotosinteză. A doua etapă a procesului are loc fără participarea obligatorie a cuantelor luminoase și constă în formarea de legături chimice cu participarea apei și a dioxidului de carbon obținut din aer. În această etapă, sunt sintetizate diverse substanțe utile vieții, precum amidonul, aceste substanțe organice sunt folosite de planta însăși pentru a-și hrăni diferitele părți și a menține viața normală. În plus, aceste substanțe sunt obținute prin consumul de plante, și de către persoanele care consumă alimente atât de origine vegetală, cât și de origine animală. Fotosinteza poate avea loc atât sub influența luminii solare, cât și a luminii artificiale. În natură, plantele, de regulă, „lucrează” intens primăvara și vara, când există multă lumină solară. Toamna, lumina scade, zilele se scurtează, frunzele se îngălbenesc și cad. Dar, de îndată ce soarele cald de primăvară începe să răsară, frunzișul verde apare din nou și „fabricile” verzi își încep din nou munca pentru a furniza oxigen, atât de necesar vieții, și alți nutrienți.
Video pe tema
Toate ființele vii au nevoie de hrană pentru a supraviețui. Organismele heterotrofe - consumatori - folosesc compuși organici gata preparati, în timp ce producătorii autotrofe creează ei înșiși substanțe organice în procesul de fotosinteză și chemosinteză. Principalii producători de pe Pământ sunt plantele verzi.
Este o succesiune de reacții chimice care implică pigmenți fotosintetici, în urma cărora materia organică este creată din dioxid de carbon și apă în lumină. În ecuația generală, șase molecule de dioxid de carbon se combină cu șase molecule de apă pentru a forma o moleculă, utilizată pentru producerea și stocarea energiei. De asemenea, la sfârșitul reacției, se formează șase molecule de oxigen ca „produs secundar”. Procesul de fotosinteză constă dintr-o fază luminoasă și întunecată. Cuantele de lumină excită electronii moleculei de clorofilă și îi transferă la un nivel de energie mai înalt. De asemenea, cu participarea razelor de lumină, are loc fotoliza apei - divizarea unei molecule de apă în cationi de hidrogen, electroni încărcați negativ și o moleculă de oxigen liber. Energia stocată în legăturile moleculare este transformată în adenozin trifosfat (ATP) și va fi eliberată în a doua etapă a fotosintezei. În faza întunecată, dioxidul de carbon se combină direct cu formarea glucozei. O condiție necesară pentru ca fotosinteza să aibă loc în celule este pigmentul verde - clorofila, deci apare la plantele verzi și la unele bacterii fotosintetice. Procesele fotosintetice furnizează planetei biomasă organică, oxigen atmosferic și, ca urmare, un scut protector de ozon. În plus, reduc concentrația de dioxid de carbon din atmosferă. Pe lângă fotosinteză, dioxidul de carbon poate fi transformat în materie organică prin chemosinteză, care diferă de prima prin absența reacțiilor luminoase. Chemosinteticele folosesc lumina ca sursă de energie și energia reacțiilor chimice redox. De exemplu, bacteriile nitrificatoare oxidează amoniacul în acid azot și azotic, bacteriile de fier transformă fierul feros în fier feric, bacteriile cu sulf oxidează hidrogenul sulfurat în sulf sau acid sulfuric. Toate aceste reacții eliberează energie, care este ulterior folosită pentru sinteza substanțelor organice. Doar anumite tipuri de bacterii sunt capabile de chimiosinteză. Bacteriile chemosintetice nu produc oxigen atmosferic și nu acumulează cantități mari de biomasă, dar distrug rocile, participă la formarea mineralelor și tratează apele uzate. Rolul biogeochimic al chimiosintezei este de a asigura ciclul azotului, sulfului, fierului și a altor elemente din natură.
Video pe tema
