Život na Zemi je možný vďaka svetlu, najmä slnečnej energii. Táto energia sa premieňa na energiu chemických väzieb organických látok vznikajúcich pri fotosyntéze.
Všetky rastliny a niektoré prokaryoty (fotosyntetické baktérie a modrozelené riasy) sa zapájajú do fotosyntézy. Takéto organizmy sa nazývajú fototrofy . Energia pre fotosyntézu pochádza zo svetla, ktoré je zachytené špeciálnymi molekulami nazývanými fotosyntetické pigmenty. Keďže sa absorbuje len určitá vlnová dĺžka svetla, časť svetelných vĺn sa nepohltí, ale odrazí. V závislosti od spektrálneho zloženia odrazeného svetla získavajú pigmenty farbu – zelenú, žltú, červenú atď.
Existujú tri typy fotosyntetických pigmentov - chlorofyly, karotenoidy a fykobilíny . Najdôležitejším pigmentom je chlorofyl. Základom je ploché porfyrínové jadro tvorené štyrmi pyrolovými kruhmi spojenými metylovými mostíkmi, s atómom horčíka v strede. Existujú rôzne chlorofyly typu A. Vyššie rastliny, zelené a euglena riasy majú chlorofyl-B, ktorý vzniká z chlorofylu-A. Hnedé a rozsievkové riasy obsahujú chlorofyl-C namiesto chlorofylu-B a červené riasy obsahujú chlorofyl-D. Ďalšiu skupinu pigmentov tvoria karotenoidy, ktorých farba sa pohybuje od žltej po červenú. Nachádzajú sa vo všetkých farebných plastidoch (chloroplastoch, chromoplastoch) rastlín. Navyše v zelených častiach rastlín chlorofyl maskuje karotenoidy, vďaka čomu sú neviditeľné až do nástupu chladného počasia. Na jeseň sú zelené pigmenty zničené a karotenoidy sú jasne viditeľné. Karotenoidy sú syntetizované fototrofnými baktériami a hubami. Fykobilíny sú prítomné v červených riasach a cyanobaktériách.
Svetelné štádium fotosyntézy
Chlorofyly a iné pigmenty v chloroplastoch tvoria špecifické komplexy na zber svetla . Pomocou elektromagnetickej rezonancie prenášajú zozbieranú energiu na špeciálne molekuly chlorofylu. Tieto molekuly pod vplyvom excitačnej energie dávajú elektróny molekulám iných látok - vektory a potom odobrať elektróny z bielkovín a potom z vody. Štiepenie vody počas fotosyntézy sa nazýva tzv fotolýza . K tomu dochádza v tylakoidných dutinách. Protóny prechádzajú špeciálnymi kanálmi do strómy. To uvoľňuje energiu potrebnú na syntézu ATP:
2H20 = 4e + 4H++02
ADP + P = ATP
Účasť svetelnej energie je tu predpokladom, preto sa tento stupeň nazýva svetelný stupeň. Kyslík, ktorý vzniká ako vedľajší produkt, sa odstraňuje von a bunka ho využíva na dýchanie.
Temné štádium fotosyntézy
V stróme chloroplastu prebiehajú nasledujúce reakcie. Monosacharidy vznikajú z oxidu uhličitého a vody. Tento proces je sám o sebe v rozpore so zákonmi termodynamiky, ale keďže sú zapojené molekuly ATP, vďaka tejto energii je syntéza glukózy skutočným procesom. Neskôr sa z jeho molekúl vytvoria polysacharidy – celulóza, škrob a ďalšie zložité organické molekuly. Celková rovnica pre fotosyntézu môže byť reprezentovaná takto:
6C02 + 6H20 = C6H1206 + 602
Počas intenzívnych fotosyntetických procesov sa v chloroplastoch ukladá najmä veľa škrobu, v noci sa škrob rozkladá na rozpustné formy a využíva ho rastlina.
Chceli by ste podrobnejšie porozumieť tejto alebo inej téme z biológie?Prihláste sa na online lekcie s autorom tohto článku Vladimírom Smirnovom.
Článok je úryvkom z diela Vladimira Smirnova „Genesis“; akékoľvek kopírovanie a použitie materiálu musí obsahovať uvedenie zdroja.
Odporúčame tiež pozrieť si video lekciu o fotosyntéze od našej botaničky Iriny:
webová stránka, pri kopírovaní celého materiálu alebo jeho časti je potrebný odkaz na zdroj.
Fotosyntéza je proces tvorby organických látok v zelených rastlinách. Fotosyntéza vytvorila celú masu rastlín na Zemi a nasýtila atmosféru kyslíkom.
Ako sa rastlina živí?
Predtým si ľudia boli istí, že rastliny si všetky látky pre svoju výživu berú z pôdy. Jedna skúsenosť však ukázala, že to tak nie je.
V kvetináči s pôdou bol zasadený strom. Zároveň sa merala hmotnosť zeme aj stromu. Keď o niekoľko rokov neskôr obe znovu zvážili, ukázalo sa, že hmotnosť zeme sa zmenšila len o niekoľko gramov a hmotnosť rastliny sa zvýšila o mnoho kilogramov.
Do pôdy sa pridávala iba voda. Odkiaľ sa vzali tieto kilogramy rastlinnej hmoty?
Zo vzduchu. Všetka organická hmota v rastlinách je vytvorená z atmosférického oxidu uhličitého a pôdnej vody.
TOP 2 článkyktorí spolu s týmto čítajú
Energia
Zvieratá a ľudia jedia rastliny, aby získali energiu pre život. Táto energia je obsiahnutá v chemických väzbách organických látok. Odkiaľ je?
Je známe, že rastlina nemôže normálne rásť bez svetla. Svetlo je energia, pomocou ktorej rastlina buduje organické látky svojho tela.
Nezáleží na tom, aký druh svetla je, solárne alebo elektrické. Každý lúč svetla nesie energiu, ktorá sa stáva energiou chemických väzieb a podobne ako lepidlo drží atómy vo veľkých molekulách organických látok.
Kde prebieha fotosyntéza?
Fotosyntéza prebieha len v zelených častiach rastlín, presnejšie povedané, v špeciálnych orgánoch rastlinných buniek – chloroplastoch.
Ryža. 1. Chloroplasty pod mikroskopom.
Chloroplasty sú typom plastidov. Vždy sú zelené, pretože obsahujú zelenú látku – chlorofyl.
Chloroplast je od zvyšku bunky oddelený membránou a má vzhľad zrna. Vnútro chloroplastu sa nazýva stróma. Tu sa začínajú procesy fotosyntézy.
Ryža. 2. Vnútorná štruktúra chloroplastu.
Chloroplasty sú ako továreň, ktorá prijíma suroviny:
- oxid uhličitý (vzorec – CO₂);
- voda (H20).
Voda pochádza z koreňov a oxid uhličitý prichádza z atmosféry cez špeciálne otvory v listoch. Svetlo je energia pre prevádzku továrne a výsledné organické látky sú produkty.
Najprv sa vyrobia sacharidy (glukóza), následne sa z nich vytvorí množstvo látok rôznych vôní a chutí, ktoré zvieratá a ľudia tak milujú.
Z chloroplastov sú výsledné látky transportované do rôznych orgánov rastliny, kde sa skladujú alebo využívajú.
Reakcia fotosyntézy
Vo všeobecnosti rovnica fotosyntézy vyzerá takto:
CO₂ + H₂O = organická hmota + O₂ (kyslík)
Zelené rastliny patria do skupiny autotrofov (v preklade „kŕmim sa“) – organizmy, ktoré na získavanie energie nepotrebujú iné organizmy.
Hlavnou funkciou fotosyntézy je tvorba organických látok, z ktorých je postavené telo rastliny.
Uvoľňovanie kyslíka je vedľajším účinkom procesu.
Význam fotosyntézy
Úloha fotosyntézy v prírode je mimoriadne veľká. Vďaka nemu vznikol celý rastlinný svet planéty.
Ryža. 3. Fotosyntéza.
Vďaka fotosyntéze rastliny:
- sú zdrojom kyslíka pre atmosféru;
- premieňať slnečnú energiu na formu dostupnú zvieratám a ľuďom.
Život na Zemi sa stal možným s akumuláciou dostatočného množstva kyslíka v atmosfére. Ani človek, ani zvieratá nemohli žiť v tých vzdialených časoch, keď tam nebol, alebo ho bolo málo.
Aká veda skúma proces fotosyntézy?
Fotosyntéza sa študuje v rôznych vedách, ale predovšetkým v botanike a fyziológii rastlín.
Botanika je veda o rastlinách, a preto ju študuje ako dôležitý životný proces rastlín.
Fyziológia rastlín študuje fotosyntézu najpodrobnejšie. Fyziológovia zistili, že tento proces je zložitý a má fázy:
- svetlo;
- tmavé
To znamená, že fotosyntéza začína vo svetle, ale končí v tme.
Čo sme sa naučili?
Po preštudovaní tejto témy v 5. ročníku biológie viete stručne a zrozumiteľne vysvetliť fotosyntézu ako proces tvorby organických látok z anorganických látok (CO₂ a H₂O) v rastlinách. Jeho vlastnosti: prebieha v zelených plastidoch (chloroplastoch), je sprevádzaný uvoľňovaním kyslíka a prebieha pod vplyvom svetla.
Test na danú tému
Vyhodnotenie správy
Priemerné hodnotenie: 4.5. Celkový počet získaných hodnotení: 397.
Fotosyntéza je proces syntézy organických látok z anorganických pomocou svetelnej energie. V drvivej väčšine prípadov fotosyntézu uskutočňujú rastliny pomocou bunkových organel ako napr chloroplasty s obsahom zeleného pigmentu chlorofyl.
Ak by rastliny neboli schopné syntetizovať organickú hmotu, potom by takmer všetky ostatné organizmy na Zemi nemali čo jesť, pretože zvieratá, huby a mnohé baktérie nedokážu syntetizovať organické látky z anorganických. Nasávajú len hotové, rozdeľujú ich na jednoduchšie, z ktorých opäť zostavujú zložité, ale už charakteristické pre ich telo.
To je prípad, ak o fotosyntéze a jej úlohe hovoríme veľmi stručne. Aby sme pochopili fotosyntézu, musíme si povedať viac: aké konkrétne anorganické látky sa používajú, ako prebieha syntéza?
Na fotosyntézu sú potrebné dve anorganické látky – oxid uhličitý (CO 2) a voda (H 2 O). Prvý je absorbovaný zo vzduchu nadzemnými časťami rastlín najmä cez prieduchy. Voda pochádza z pôdy, odkiaľ ju vodivý systém rastliny dodáva do fotosyntetických buniek. Fotosyntéza tiež vyžaduje energiu fotónov (hν), ale nemožno ich pripísať hmote.
Celkovo pri fotosyntéze vzniká organická hmota a kyslík (O2). Organickou hmotou sa najčastejšie rozumie glukóza (C6H12O6).
Organické zlúčeniny sú väčšinou zložené z atómov uhlíka, vodíka a kyslíka. Nachádzajú sa v oxide uhličitom a vode. Počas fotosyntézy sa však uvoľňuje kyslík. Jeho atómy sa berú z vody.
Stručne a všeobecne, rovnica pre reakciu fotosyntézy sa zvyčajne píše takto:
6CO2 + 6H20 → C6H1206 + 602
Ale táto rovnica neodráža podstatu fotosyntézy a nerobí ju zrozumiteľnou. Pozri, hoci rovnica je vyvážená, celkový počet atómov vo voľnom kyslíku je 12. Ale povedali sme, že pochádzajú z vody a je ich len 6.
V skutočnosti prebieha fotosyntéza v dvoch fázach. Prvý sa volá svetlo, druhý - tmavé. Takéto názvy sú spôsobené tým, že svetlo je potrebné iba pre svetlú fázu, tmavá fáza je nezávislá od jeho prítomnosti, ale to neznamená, že sa vyskytuje v tme. Svetlá fáza sa vyskytuje na membránach tylakoidov chloroplastu a tmavá fáza sa vyskytuje v stróme chloroplastu.
Počas svetelnej fázy nedochádza k viazaniu CO 2 . Všetko, čo sa deje, je zachytávanie slnečnej energie komplexmi chlorofylu, jej ukladanie do ATP a využitie energie na redukciu NADP na NADP*H2. Tok energie zo svetlom excitovaného chlorofylu zabezpečujú elektróny prenášané pozdĺž elektrónového transportného reťazca enzýmov zabudovaných do tylakoidných membrán.
Vodík pre NADP pochádza z vody, ktorá sa slnečným žiarením rozkladá na atómy kyslíka, vodíkové protóny a elektróny. Tento proces sa nazýva fotolýza. Na fotosyntézu nie je potrebný kyslík z vody. Atómy kyslíka z dvoch molekúl vody sa spájajú a vytvárajú molekulárny kyslík. Reakčná rovnica pre svetelnú fázu fotosyntézy stručne vyzerá takto:
H2O + (ADP+P) + NADP → ATP + NADP*H2 + ½O2
K uvoľňovaniu kyslíka teda dochádza počas svetelnej fázy fotosyntézy. Počet molekúl ATP syntetizovaných z ADP a kyseliny fosforečnej na fotolýzu jednej molekuly vody môže byť rôzny: jedna alebo dve.
Takže ATP a NADP*H2 prichádzajú zo svetlej fázy do tmavej fázy. Tu sa energia prvého a redukčná sila druhého vynakladajú na viazanie oxidu uhličitého. Toto štádium fotosyntézy nemožno vysvetliť jednoducho a stručne, pretože neprebieha tak, že by sa šesť molekúl CO 2 spojilo s vodíkom uvoľneným z molekúl NADP*H 2 za vzniku glukózy:
6CO2 + 6NADP*H2 →C6H1206 + 6NADP
(reakcia nastáva s výdajom energie ATP, ktorá sa rozkladá na ADP a kyselinu fosforečnú).
Uvedená reakcia je len zjednodušením, aby bola ľahšie pochopiteľná. V skutočnosti sa molekuly oxidu uhličitého viažu po jednej a spájajú už pripravenú päťuhlíkovú organickú látku. Vzniká nestabilná šesťuhlíková organická látka, ktorá sa rozkladá na trojuhlíkové molekuly sacharidov. Niektoré z týchto molekúl sa používajú na resyntézu pôvodnej päťuhlíkovej látky na viazanie CO 2 . Táto resyntéza je zabezpečená Calvinov cyklus. Menšina uhľohydrátových molekúl obsahujúcich tri atómy uhlíka opúšťa cyklus. Z nich a iných látok sa syntetizujú všetky ostatné organické látky (sacharidy, tuky, bielkoviny).
To znamená, že z temnej fázy fotosyntézy vychádzajú trojuhlíkové cukry, nie glukóza.
Proces premeny žiarivej energie zo Slnka na chemickú energiu, ktorá sa využíva pri syntéze uhľohydrátov z oxidu uhličitého. Len tak sa dá zachytiť slnečná energia a využiť ju pre život na našej planéte.
Zachytávanie a transformáciu slnečnej energie vykonávajú rôzne fotosyntetické organizmy (fotoautotrofy). Patria sem mnohobunkové organizmy (vyššie zelené rastliny a ich nižšie formy - zelené, hnedé a červené riasy) a jednobunkové organizmy (euglena, dinoflageláty a rozsievky). Veľkú skupinu fotosyntetických organizmov tvoria prokaryoty – modrozelené riasy, zelené a fialové baktérie. Približne polovicu práce fotosyntézy na Zemi vykonávajú vyššie zelené rastliny a zvyšnú polovicu vykonávajú najmä jednobunkové riasy.
Prvé myšlienky o fotosyntéze vznikli v 17. storočí. Následne, keď boli k dispozícii nové údaje, tieto myšlienky sa mnohokrát zmenili. [šou] .
Rozvoj myšlienok o fotosyntéze
Štúdium fotosyntézy sa začalo v roku 1630, keď van Helmont ukázal, že samotné rastliny tvoria organické látky a nezískavajú ich z pôdy. Zvážením nádoby s pôdou, v ktorej vŕba rástla a samotného stromu ukázal, že v priebehu 5 rokov sa hmotnosť stromu zväčšila o 74 kg, pričom pôda stratila iba 57 g. Van Helmont dospel k záveru, že rastlina dostala zvyšok potravy z vody, ktorá bola použitá na zalievanie stromu. Teraz vieme, že hlavným materiálom pre syntézu je oxid uhličitý, ktorý rastlina získava zo vzduchu.
V roku 1772 Joseph Priestley ukázal, že mätové klíčky „opravili“ vzduch „zašpinený“ horiacou sviečkou. O sedem rokov neskôr Jan Ingenhuis zistil, že rastliny dokážu „napraviť“ zlý vzduch iba tým, že sú na svetle, a že schopnosť rastlín „opraviť“ vzduch je úmerná jasnosti dňa a dĺžke času, počas ktorého rastliny zostanú na svetle. slnko. V tme rastliny vyžarujú vzduch, ktorý je „škodlivý pre zvieratá“.
Ďalším dôležitým krokom vo vývoji poznatkov o fotosyntéze boli Saussurove experimenty uskutočnené v roku 1804. Zvážením vzduchu a rastlín pred a po fotosyntéze Saussure zistil, že nárast sušiny rastliny prevyšuje množstvo oxidu uhličitého absorbovaného zo vzduchu. Saussure dospel k záveru, že ďalšou látkou podieľajúcou sa na náraste hmoty bola voda. Pred 160 rokmi bol proces fotosyntézy predstavovaný takto:
H20 + CO2 + hv -> C6H1206 + O2
Voda + oxid uhličitý + slnečná energia ----> organické látky + kyslík
Ingenhues navrhol, že úlohou svetla vo fotosyntéze je rozkladať oxid uhličitý; v tomto prípade sa uvoľňuje kyslík a uvoľnený „uhlík“ sa používa na stavbu rastlinného tkaniva. Na základe toho boli živé organizmy rozdelené na zelené rastliny, ktoré dokážu využiť slnečnú energiu na „asimiláciu“ oxidu uhličitého, a ostatné organizmy, ktoré neobsahujú chlorofyl, ktoré nedokážu využívať svetelnú energiu a nie sú schopné asimilovať CO 2 .
Tento princíp rozdelenia živého sveta bol porušený, keď S. N. Winogradsky v roku 1887 objavil chemosyntetické baktérie – organizmy bez chlorofylu schopné asimilovať (t. j. premieňať na organické zlúčeniny) oxid uhličitý v tme. Narušilo sa aj to, keď v roku 1883 Engelmann objavil fialové baktérie, ktoré vykonávajú akúsi fotosyntézu, ktorá nie je sprevádzaná uvoľňovaním kyslíka. Kedysi sa táto skutočnosť dostatočne nedoceňovala; Medzitým objav chemosyntetických baktérií, ktoré asimilujú oxid uhličitý v tme, ukazuje, že asimiláciu oxidu uhličitého nemožno považovať za špecifický znak samotnej fotosyntézy.
Po roku 1940 sa vďaka používaniu značeného uhlíka zistilo, že všetky bunky – rastlinné, bakteriálne a živočíšne – sú schopné asimilovať oxid uhličitý, teda zabudovať ho do molekúl organických látok; Rozdielne sú len zdroje, z ktorých čerpajú energiu na to potrebnú.
Ďalším významným príspevkom k štúdiu fotosyntézy bol v roku 1905 Blackman, ktorý zistil, že fotosyntéza pozostáva z dvoch po sebe idúcich reakcií: rýchlej svetelnej reakcie a série pomalších, na svetle nezávislých štádií, ktoré nazval rýchlostná reakcia. Pomocou svetla s vysokou intenzitou Blackman ukázal, že fotosyntéza pri prerušovanom svetle prebieha rovnako rýchlo so zábleskami trvajúcimi len zlomok sekundy ako pri nepretržitom svetle, napriek tomu, že v prvom prípade fotosyntetický systém dostáva o polovicu menej energie. Intenzita fotosyntézy sa znížila len s výrazným nárastom tmavého obdobia. V ďalších štúdiách sa zistilo, že rýchlosť reakcie v tme sa výrazne zvyšuje so zvyšujúcou sa teplotou.
Ďalšiu hypotézu o chemickom základe fotosyntézy predložil van Niel, ktorý v roku 1931 experimentálne ukázal, že fotosyntéza v baktériách môže prebiehať za anaeróbnych podmienok bez uvoľňovania kyslíka. Van Niel naznačil, že proces fotosyntézy je v zásade podobný v baktériách a zelených rastlinách. V druhom prípade sa svetelná energia využíva na fotolýzu vody (H 2 0) s tvorbou redukčného činidla (H), určeného účasťou na asimilácii oxidu uhličitého, a oxidačného činidla (OH), hypotetického prekurzora molekulárny kyslík. V baktériách prebieha fotosyntéza vo všeobecnosti rovnakým spôsobom, ale donorom vodíka je H 2 S alebo molekulárny vodík, a preto sa kyslík neuvoľňuje.
Moderné predstavy o fotosyntéze
Podľa moderných koncepcií je podstatou fotosyntézy premena žiarivej energie slnečného žiarenia na chemickú energiu vo forme ATP a redukovaného nikotínamidadeníndinukleotidfosfátu (NADP · N).
V súčasnosti sa všeobecne uznáva, že proces fotosyntézy pozostáva z dvoch fáz, v ktorých sa aktívne zúčastňujú fotosyntetické štruktúry [šou] a pigmenty fotosenzitívnych buniek.
Fotosyntetické štruktúry
V baktériách fotosyntetické štruktúry sú prezentované vo forme invaginácií bunkovej membrány, ktoré tvoria lamelárne organely mezozómu. Izolované mezozómy získané deštrukciou baktérií sa nazývajú chromatofóry, koncentruje sa v nich svetlocitlivý aparát.
V eukaryotoch Fotosyntetický aparát sa nachádza v špeciálnych vnútrobunkových organelách – chloroplastoch, obsahujúcich zelený pigment chlorofyl, ktorý dáva rastline zelenú farbu a zohráva rozhodujúcu úlohu pri fotosyntéze, zachytávajúcej energiu slnečného žiarenia. Chloroplasty, podobne ako mitochondrie, obsahujú aj DNA, RNA a aparát na syntézu proteínov, t.j. majú potenciálnu schopnosť reprodukovať sa. Chloroplasty sú niekoľkonásobne väčšie ako mitochondrie. Počet chloroplastov sa pohybuje od jedného v riase po 40 na bunku vo vyšších rastlinách.
Bunky zelených rastlín obsahujú okrem chloroplastov aj mitochondrie, ktoré sa využívajú na výrobu energie v noci prostredníctvom dýchania ako v heterotrofných bunkách.
Chloroplasty majú guľovitý alebo sploštený tvar. Obklopujú ich dve membrány – vonkajšia a vnútorná (obr. 1). Vnútorná membrána je usporiadaná vo forme stohov sploštených kotúčov podobných bublinám. Tento zásobník sa nazýva grana.
Každé zrno pozostáva z jednotlivých vrstiev usporiadaných ako stĺpce mincí. Vrstvy proteínových molekúl sa striedajú s vrstvami obsahujúcimi chlorofyl, karotény a iné pigmenty, ako aj špeciálne formy lipidov (obsahujúce galaktózu alebo síru, ale iba jednu mastnú kyselinu). Zdá sa, že tieto povrchovo aktívne lipidy sú adsorbované medzi jednotlivými vrstvami molekúl a slúžia na stabilizáciu štruktúry, ktorá pozostáva zo striedajúcich sa vrstiev proteínu a pigmentov. Táto vrstvená (lamelárna) štruktúra grana s najväčšou pravdepodobnosťou uľahčuje prenos energie počas fotosyntézy z jednej molekuly na blízku.
V riasach nie je v každom chloroplaste viac ako jedno zrnko a vo vyšších rastlinách až 50 zŕn, ktoré sú vzájomne prepojené membránovými mostíkmi. Vodné prostredie medzi granami je stróma chloroplastu, ktorá obsahuje enzýmy, ktoré vykonávajú „temné reakcie“
Štruktúry podobné vezikulám, ktoré tvoria granu, sa nazývajú tylakoidy. V grane je od 10 do 20 tylakoidov.
Základná štrukturálna a funkčná jednotka fotosyntézy tylaktoidnej membrány, obsahujúca potrebné pigmenty zachytávajúce svetlo a zložky aparátu na premenu energie, sa nazýva kvantozóm, ktorý pozostáva z približne 230 molekúl chlorofylu. Táto častica má hmotnosť približne 2 x 106 daltonov a rozmery približne 17,5 nm.
Etapy fotosyntézy |
||
Svetelná fáza (alebo energetická fáza) |
Tmavé štádium (alebo metabolické) |
|
Miesto reakcie |
V kvantozómoch tylaktoidných membrán sa vyskytuje na svetle. |
Vykonáva sa mimo tylakoidov, vo vodnom prostredí strómy. |
Počiatočné produkty |
Svetelná energia, voda (H 2 O), ADP, chlorofyl |
CO 2, ribulóza difosfát, ATP, NADPH 2 |
Podstata procesu |
Fotolýza vody, fosforylácia Vo svetelnom štádiu fotosyntézy sa svetelná energia transformuje na chemickú energiu ATP a energeticky chudobné elektróny vody sa premenia na energeticky bohaté elektróny NADP. · N 2. Vedľajším produktom vznikajúcim počas fázy svetla je kyslík. Reakcie svetelného štádia sa nazývajú „reakcie svetla“. |
Karboxylácia, hydrogenácia, defosforylácia Počas temnej fázy fotosyntézy dochádza k „temným reakciám“, počas ktorých sa pozoruje redukčná syntéza glukózy z CO2. Bez energie svetelnej fázy je temná fáza nemožná. |
Finálne produkty |
O 2, ATP, NADPH 2 Energeticky bohaté produkty svetelnej reakcie - ATP a NADP · H 2 sa ďalej využíva v temnom štádiu fotosyntézy. |
|
Vzťah medzi svetlým a tmavým štádiom môže byť vyjadrený diagramom
Proces fotosyntézy je endergonický, t.j. je sprevádzané nárastom voľnej energie, a preto si vyžaduje značné množstvo energie dodávanej zvonku. Celková rovnica pre fotosyntézu je: 6C02 + 12H20--->C6H12062 + 6H20 + 602 + 2861 kJ/mol. |
||
Suchozemské rastliny absorbujú vodu potrebnú na fotosyntézu svojimi koreňmi, zatiaľ čo vodné rastliny ju prijímajú difúziou z prostredia. Oxid uhličitý, potrebný na fotosyntézu, difunduje do rastliny cez malé otvory na povrchu listov – prieduchy. Keďže oxid uhličitý sa pri fotosyntéze spotrebúva, jeho koncentrácia v bunke je zvyčajne o niečo nižšia ako v atmosfére. Kyslík uvoľnený počas fotosyntézy difunduje von z bunky a potom von z rastliny cez prieduchy. Cukry produkované počas fotosyntézy tiež difundujú do tých častí rastliny, kde je ich koncentrácia nižšia.
Na uskutočnenie fotosyntézy potrebujú rastliny veľa vzduchu, pretože obsahuje iba 0,03% oxidu uhličitého. Následne z 10 000 m 3 vzduchu možno získať 3 m 3 oxidu uhličitého, z ktorého pri fotosyntéze vzniká asi 110 g glukózy. Rastliny vo všeobecnosti rastú lepšie s vyššími hladinami oxidu uhličitého vo vzduchu. Preto je v niektorých skleníkoch obsah CO 2 vo vzduchu upravený na 1-5%.
Mechanizmus svetelného (fotochemického) štádia fotosyntézy |
Na realizácii fotochemickej funkcie fotosyntézy sa podieľa slnečná energia a rôzne pigmenty: zelená - chlorofyly a a b, žltá - karotenoidy a červená alebo modrá - fykobilíny. Z tohto komplexu pigmentov je fotochemicky aktívny iba chlorofyl a. Zvyšné pigmenty zohrávajú podpornú úlohu, sú len kolektormi svetelných kvánt (akési šošovky zbierajúce svetlo) a ich vodičmi do fotochemického centra.
Na základe schopnosti chlorofylu efektívne absorbovať slnečnú energiu určitej vlnovej dĺžky boli v tylaktoidných membránach identifikované funkčné fotochemické centrá alebo fotosystémy (obr. 3):
- fotosystém I (chlorofyl A) - obsahuje pigment 700 (P 700), ktorý absorbuje svetlo s vlnovou dĺžkou asi 700 nm, hrá hlavnú úlohu pri tvorbe produktov svetelného štádia fotosyntézy: ATP a NADP · H 2
- fotosystém II (chlorofyl b) - obsahuje pigment 680 (P 680), ktorý absorbuje svetlo s vlnovou dĺžkou 680 nm, hrá pomocnú úlohu pri dopĺňaní elektrónov stratených fotosystémom I fotolýzou vody
Na každých 300 – 400 molekúl svetlozberných pigmentov vo fotosystémoch I a II pripadá len jedna molekula fotochemicky aktívneho pigmentu – chlorofyl a.
Svetelné kvantá absorbované rastlinou
- prenáša pigment P 700 zo základného stavu do excitovaného stavu - P * 700, v ktorom ľahko stráca elektrón s vytvorením kladnej elektrónovej diery vo forme P 700 + podľa schémy:
700 P ---> P * 700 ---> P + 700 + e -
Potom môže molekula pigmentu, ktorá stratila elektrón, slúžiť ako akceptor elektrónov (schopný prijať elektrón) a transformovať sa na redukovanú formu.
- spôsobuje rozklad (fotooxidáciu) vody vo fotochemickom centre P 680 fotosystému II podľa schémy
H20 ---> 2H++ 2e- + 1/20 2
Fotolýza vody sa nazýva Hillova reakcia. Elektróny vznikajúce pri rozklade vody sú spočiatku prijímané látkou označenou ako Q (niekedy nazývanou cytochróm C 550 kvôli svojej maximálnej absorpcii, hoci nejde o cytochróm). Potom sa z látky Q cez reťazec nosičov podobného zloženiu ako ten mitochondriálny dostávajú elektróny do fotosystému I, aby vyplnili elektrónovú dieru vytvorenú v dôsledku absorpcie svetelných kvánt systémom a obnovili pigment P + 700.
Ak takáto molekula jednoducho prijme späť rovnaký elektrón, potom sa svetelná energia uvoľní vo forme tepla a fluorescencie (je to spôsobené fluorescenciou čistého chlorofylu). Vo väčšine prípadov je však uvoľnený záporne nabitý elektrón prijatý špeciálnymi železo-sírovými proteínmi (FeS centrum) a potom
- alebo je transportovaný pozdĺž jedného z nosných reťazcov späť do P+700, čím sa vyplní elektrónová diera
- alebo pozdĺž iného reťazca transportérov cez ferredoxín a flavoproteín k trvalému akceptoru - NADP · H 2
V prvom prípade dochádza k uzavretému cyklickému transportu elektrónov a v druhom prípade k necyklickému transportu.
Oba procesy sú katalyzované rovnakým elektrónovým transportným reťazcom. Počas cyklickej fotofosforylácie sa však elektróny vracajú z chlorofylu A späť k chlorofylu A, pričom pri necyklickej fotofosforylácii sa elektróny prenášajú z chlorofylu b na chlorofyl A.
| Cyklická (fotosyntetická) fosforylácia | Necyklická fosforylácia |
V dôsledku cyklickej fosforylácie vznikajú molekuly ATP. Proces je spojený s návratom excitovaných elektrónov do P 700 prostredníctvom série po sebe nasledujúcich stupňov. Návrat excitovaných elektrónov do P 700 vedie k uvoľneniu energie (pri prechode z vysokej na nízku energetickú hladinu), ktorá sa za účasti systému fosforylujúcich enzýmov akumuluje vo fosfátových väzbách ATP a je nerozptyluje sa vo forme fluorescencie a tepla (obr. 4.). Tento proces sa nazýva fotosyntetická fosforylácia (na rozdiel od oxidatívnej fosforylácie uskutočňovanej mitochondriami); Fotosyntetická fosforylácia- primárna reakcia fotosyntézy je mechanizmus vzniku chemickej energie (syntéza ATP z ADP a anorganického fosfátu) na tylaktoidnej membráne chloroplastov pomocou energie slnečného žiarenia. Nevyhnutné pre temnú reakciu asimilácie CO 2 |
V dôsledku necyklickej fosforylácie sa NADP + redukuje za vzniku NADP · N. Proces je spojený s prenosom elektrónu na ferredoxín, jeho redukciou a jeho ďalším prechodom na NADP + s jeho následnou redukciou na NADP · N |
Oba procesy sa vyskytujú v tylakoidoch, hoci druhý je zložitejší. Je spojená (prepojená) s prácou fotosystému II. |
|
Elektróny stratené P 700 sú teda doplnené elektrónmi z vody rozloženej pod vplyvom svetla vo fotosystéme II.
A+ do základného stavu, sa zrejme tvoria pri excitácii chlorofylu b. Tieto vysokoenergetické elektróny prechádzajú do ferredoxínu a potom cez flavoproteín a cytochrómy do chlorofylu A. V poslednom štádiu nastáva fosforylácia ADP na ATP (obr. 5).
Elektróny potrebné na návrat chlorofylu V jej základný stav dodávajú pravdepodobne OH - ióny vznikajúce pri disociácii vody. Niektoré z molekúl vody disociujú na ióny H + a OH -. V dôsledku straty elektrónov dochádza k premene OH - iónov na radikály (OH), ktoré následne produkujú molekuly vody a plynného kyslíka (obr. 6).
Tento aspekt teórie potvrdzujú výsledky experimentov s vodou a CO 2 značeným 18 0 [šou] .
Podľa týchto výsledkov všetok plynný kyslík uvoľnený počas fotosyntézy pochádza z vody a nie z CO 2 . Reakcie štiepenia vody ešte neboli podrobne študované. Je však zrejmé, že realizácia všetkých sekvenčných reakcií necyklickej fotofosforylácie (obr. 5), vrátane excitácie jednej molekuly chlorofylu A a jedna molekula chlorofylu b, by malo viesť k vytvoreniu jednej molekuly NADP · H, dvoch alebo viacerých molekúl ATP z ADP a Pn a k uvoľneniu jedného atómu kyslíka. To si vyžaduje najmenej štyri kvantá svetla – dve na každú molekulu chlorofylu.
Necyklický tok elektrónov z H 2 O do NADP · H2, ktorý vzniká pri interakcii dvoch fotosystémov a elektrónových transportných reťazcov, ktoré ich spájajú, sa pozoruje na rozdiel od hodnôt redoxných potenciálov: E° pre 1/2O2/H2O = +0,81 V a E° pre NADP/NADP · H = -0,32 V. Svetelná energia obráti tok elektrónov. Je dôležité, že pri prenose z fotosystému II do fotosystému I sa časť elektrónovej energie akumuluje vo forme protónového potenciálu na tylaktoidnej membráne a následne do energie ATP.
Mechanizmus tvorby protónového potenciálu v elektrónovom transportnom reťazci a jeho využitie na tvorbu ATP v chloroplastoch je podobný ako v mitochondriách. Existujú však určité zvláštnosti v mechanizme fotofosforylácie. Tylakoidy sú ako mitochondrie obrátené naruby, takže smer prenosu elektrónov a protónov cez membránu je opačný ako v mitochondriálnej membráne (obr. 6). Elektróny sa pohybujú smerom von a protóny sa koncentrujú vo vnútri tylaktoidnej matrice. Matrica je nabitá kladne a vonkajšia membrána tylakoidu je nabitá záporne, t.j. smer protónového gradientu je opačný ako smer v mitochondriách.
Ďalšou vlastnosťou je výrazne väčší podiel pH na protónovom potenciáli v porovnaní s mitochondriami. Tylaktoidná matrica je vysoko okyslená, takže Δ pH môže dosiahnuť 0,1 – 0,2 V, zatiaľ čo Δ Ψ je asi 0,1 V. Celková hodnota Δ μ H+ > 0,25 V.
Opačným smerom je orientovaná aj H + -ATP syntetáza, označovaná v chloroplastoch ako komplex „CF 1 + F 0“. Jeho hlava (F 1) sa pozerá von, smerom k stróme chloroplastu. Protóny sú vytláčané cez CF 0 + F 1 z matrice a ATP sa tvorí v aktívnom centre F 1 vďaka energii protónového potenciálu.
Na rozdiel od mitochondriálneho reťazca má tylaktoidný reťazec zjavne len dve konjugačné miesta, takže syntéza jednej molekuly ATP vyžaduje tri protóny namiesto dvoch, t.j. pomer 3 H + /1 mol ATP.
Takže v prvej fáze fotosyntézy sa počas svetelných reakcií tvoria ATP a NADP v stróme chloroplastu · H - produkty potrebné pre tmavé reakcie.
Mechanizmus temnej fázy fotosyntézy |
Tmavé reakcie fotosyntézy sú proces začlenenia oxidu uhličitého do organickej hmoty za vzniku sacharidov (fotosyntéza glukózy z CO 2). Reakcie prebiehajú v stróme chloroplastu za účasti produktov svetelného štádia fotosyntézy - ATP a NADP · H2.
Asimilácia oxidu uhličitého (fotochemická karboxylácia) je cyklický proces, nazývaný aj pentózofosfátový fotosyntetický cyklus alebo Calvinov cyklus (obr. 7). Sú v ňom tri hlavné fázy:
- karboxylácia (fixácia CO2 ribulózadifosfátom)
- redukcia (tvorba triózových fosfátov pri redukcii 3-fosfoglycerátu)
- regenerácia ribulóza difosfátu
Ribulóza 5-fosfát (cukor obsahujúci 5 atómov uhlíka s fosfátovou skupinou na uhlíku 5) podlieha fosforylácii ATP, čo vedie k tvorbe ribulóza difosfátu. Táto posledná látka je karboxylovaná pridaním C02, zrejme na šesťuhlíkový medziprodukt, ktorý sa však okamžite štiepi pridaním molekuly vody, čím sa vytvoria dve molekuly kyseliny fosfoglycerovej. Kyselina fosfoglycerová sa potom redukuje prostredníctvom enzymatickej reakcie, ktorá vyžaduje prítomnosť ATP a NADP. · H za vzniku fosfoglyceraldehydu (trojuhlíkový cukor – trióza). V dôsledku kondenzácie dvoch takýchto trióz vzniká molekula hexózy, ktorá môže byť zahrnutá do molekuly škrobu a tak uložená ako rezerva.
Na dokončenie tejto fázy cyklu fotosyntéza absorbuje 1 molekulu CO2 a využíva 3 molekuly ATP a 4 atómy H (naviazané na 2 molekuly NAD · N). Z hexózofosfátu sa určitými reakciami pentózofosfátového cyklu (obr. 8) regeneruje ribulózafosfát, ktorý na seba môže opäť naviazať ďalšiu molekulu oxidu uhličitého.
Žiadnu z popísaných reakcií – karboxyláciu, redukciu alebo regeneráciu – nemožno považovať za špecifickú len pre fotosyntetickú bunku. Jediný rozdiel, ktorý zistili, bol, že redukčná reakcia, ktorá premieňa kyselinu fosfoglycerínovú na fosfoglyceraldehyd, vyžaduje NADP. · N, nie NAD · N, ako obvykle.
Fixácia CO 2 ribulóza difosfátom je katalyzovaná enzýmom ribulóza difosfát karboxylázou: ribulóza difosfát + CO 2 --> 3-fosfoglycerát Ďalej sa 3-fosfoglycerát redukuje pomocou NADP · H 2 a ATP na glyceraldehyd 3-fosfát. Táto reakcia je katalyzovaná enzýmom glyceraldehyd-3-fosfátdehydrogenáza. Glyceraldehyd-3-fosfát sa ľahko izomerizuje na dihydroxyacetónfosfát. Oba triózafosfáty sa používajú pri tvorbe fruktózabisfosfátu (reverzná reakcia katalyzovaná fruktózabisfosfátaldolázou). Časť molekúl vzniknutého fruktózabisfosfátu sa spolu s triózofosfátmi podieľa na regenerácii ribulózabisfosfátu (uzatváranie cyklu) a druhá časť slúži na ukladanie sacharidov do fotosyntetických buniek, ako je znázornené na obrázku.
Odhaduje sa, že syntéza jednej molekuly glukózy z CO 2 v Calvinovom cykle vyžaduje 12 NADP · H + H + a 18 ATP (12 molekúl ATP sa spotrebuje na redukciu 3-fosfoglycerátu a 6 molekúl sa použije pri regeneračných reakciách ribulózadifosfátu). Minimálny pomer - 3 ATP: 2 NADP · N 2.
Možno si všimnúť zhodnosť princípov, ktoré sú základom fotosyntetickej a oxidačnej fosforylácie, a fotofosforylácia je, ako to bolo, obrátená oxidačná fosforylácia:
Svetelná energia je hybnou silou fosforylácie a syntézy organických látok (S-H 2) pri fotosyntéze a, naopak, energiou oxidácie organických látok pri oxidačnej fosforylácii. Preto sú to rastliny, ktoré poskytujú život zvieratám a iným heterotrofným organizmom:
Sacharidy produkované počas fotosyntézy slúžia na stavbu uhlíkových skeletov mnohých organických rastlinných látok. Organické dusíkaté látky sú absorbované fotosyntetickými organizmami redukciou anorganických dusičnanov alebo atmosférického dusíka a síra je absorbovaná redukciou síranov na sulfhydrylové skupiny aminokyselín. Fotosyntéza v konečnom dôsledku zabezpečuje stavbu nielen bielkovín, nukleových kyselín, sacharidov, lipidov, kofaktorov nevyhnutných pre život, ale aj mnohých produktov sekundárnej syntézy, ktoré sú cennými liečivými látkami (alkaloidy, flavonoidy, polyfenoly, terpény, steroidy, organické kyseliny atď.). ).
Fotosyntéza bez chlorofylu
Fotosyntéza bez chlorofylu sa nachádza v baktériách milujúcich soľ, ktoré majú pigment citlivý na fialové svetlo. Ukázalo sa, že týmto pigmentom je proteín bakteriorhodopsín, ktorý obsahuje podobne ako vizuálna purpur sietnice – rodopsín, derivát vitamínu A – retinal. Bakteriorhodopsín zabudovaný do membrány slanomilných baktérií vytvára na tejto membráne protónový potenciál ako odpoveď na absorpciu svetla sietnicou, ktorá sa premieňa na ATP. Bakteriorhodopsín je teda bezchlorofylový konvertor svetelnej energie.
Fotosyntéza a vonkajšie prostredie
Fotosyntéza je možná len za prítomnosti svetla, vody a oxidu uhličitého. Účinnosť fotosyntézy nie je vyššia ako 20% u kultúrnych druhov rastlín a zvyčajne nepresahuje 6-7%. V atmosfére je približne 0,03 % (obj.) CO 2, pri zvýšení jeho obsahu na 0,1 % sa zvyšuje intenzita fotosyntézy a produktivita rastlín, preto je vhodné prikrmovať rastliny hydrogénuhličitanmi. Avšak obsah CO 2 vo vzduchu nad 1,0 % má škodlivý vplyv na fotosyntézu. Len suchozemské rastliny absorbujú za rok 3 % z celkového CO 2 zemskej atmosféry, teda asi 20 miliárd ton.V sacharidoch syntetizovaných z CO 2 sa akumuluje až 4 × 10 18 kJ svetelnej energie. To zodpovedá kapacite elektrárne 40 miliárd kW. Vedľajší produkt fotosyntézy, kyslík, je životne dôležitý pre vyššie organizmy a aeróbne mikroorganizmy. Zachovať vegetáciu znamená zachovať život na Zemi.
Účinnosť fotosyntézy
Efektívnosť fotosyntézy z hľadiska produkcie biomasy je možné posúdiť prostredníctvom podielu celkového slnečného žiarenia dopadajúceho na určitú plochu za určitý čas, ktorý je uložený v organickej hmote plodiny. Produktivita systému môže byť hodnotená množstvom organickej sušiny získanej na jednotku plochy za rok a vyjadrená v jednotkách hmotnosti (kg) alebo energie (mJ) produkcie získanej na hektár za rok.
Výťažok biomasy teda závisí od plochy solárneho kolektora (listov) v prevádzke počas roka a počtu dní v roku s takými svetelnými podmienkami, kedy je fotosyntéza možná maximálnou rýchlosťou, čo určuje efektivitu celého procesu. . Výsledky stanovenia podielu slnečného žiarenia (v %) dostupného pre rastliny (fotosynteticky aktívne žiarenie, PAR) a znalosti základných fotochemických a biochemických procesov a ich termodynamickej účinnosti umožňujú vypočítať pravdepodobné maximálne rýchlosti tvorby organických látok z hľadiska uhľohydrátov.
Rastliny využívajú svetlo s vlnovou dĺžkou od 400 do 700 nm, t.j. fotosynteticky aktívne žiarenie tvorí 50 % všetkého slnečného žiarenia. To zodpovedá intenzite na zemskom povrchu 800-1000 W/m2 pre typický slnečný deň (v priemere). Priemerná maximálna účinnosť premeny energie pri fotosyntéze v praxi je 5-6%. Tieto odhady sú získané na základe štúdií procesu viazania CO2, ako aj súvisiacich fyziologických a fyzikálnych strát. Jeden mól viazaného CO 2 vo forme sacharidu zodpovedá energii 0,47 MJ a energia mólu kvanta červeného svetla s vlnovou dĺžkou 680 nm (energeticky najchudobnejšie svetlo používané pri fotosyntéze) je 0,176 MJ. Minimálny počet mólov červeného svetla potrebných na naviazanie 1 mólu CO 2 je teda 0,47:0,176 = 2,7. Keďže však prenos štyroch elektrónov z vody na fixáciu jednej molekuly CO 2 vyžaduje aspoň osem kvánt svetla, teoretická väzbová účinnosť je 2,7:8 = 33 %. Tieto výpočty sa robia pre červené svetlo; Je jasné, že pre biele svetlo bude táto hodnota zodpovedajúco nižšia.
V najlepších poľných podmienkach dosahuje účinnosť fixácie v rastlinách 3 %, ale je to možné len počas krátkych období rastu a ak sa počíta na celý rok, bude to niekde medzi 1 a 3 %.
V praxi je priemerná ročná účinnosť premeny fotosyntetickej energie v miernych pásmach zvyčajne 0,5-1,3% a pre subtropické plodiny - 0,5-2,5%. Výťažok, ktorý možno očakávať pri danej úrovni intenzity slnečného žiarenia a rôznej účinnosti fotosyntézy, možno ľahko odhadnúť z grafov znázornených na obr. 9.
Význam fotosyntézy
- Proces fotosyntézy je základom výživy pre všetko živé a tiež zásobuje ľudstvo palivom, vlákninou a nespočetnými užitočnými chemickými zlúčeninami.
- Asi 90 – 95 % suchej hmotnosti plodiny tvorí oxid uhličitý a voda spojená zo vzduchu počas fotosyntézy.
- Ľudia používajú asi 7 % produktov fotosyntézy ako potraviny, krmivo pre zvieratá, palivo a stavebné materiály.
Rastliny dostávajú všetko, čo potrebujú pre rast a vývoj z prostredia. Tým sa líšia od ostatných živých organizmov. Aby sa dobre rozvíjali, potrebujú úrodnú pôdu, prirodzenú alebo umelú zálievku a dobré osvetlenie. V tme nič nevyrastie.
Pôda je zdrojom vody a výživných organických zlúčenín a mikroelementov. Ale stromy, kvety a tráva tiež potrebujú slnečnú energiu. Pod vplyvom slnečného žiarenia dochádza k určitým reakciám, v dôsledku ktorých sa oxid uhličitý absorbovaný zo vzduchu premieňa na kyslík. Tento proces sa nazýva fotosyntéza. Chemická reakcia, ku ktorej dochádza pod vplyvom slnečného žiarenia, vedie aj k tvorbe glukózy a vody. Tieto látky sú životne dôležité pre vývoj rastliny.
V reči chemikov reakcia vyzerá takto: 6CO2 + 12H2O + svetlo = C6H12O6 + 6O2 + 6H2O. Zjednodušená forma rovnice: oxid uhličitý + voda + svetlo = glukóza + kyslík + voda.
Doslova sa „fotosyntéza“ prekladá ako „spolu so svetlom“. Toto slovo sa skladá z dvoch jednoduchých slov „fotka“ a „syntéza“. Slnko je veľmi silný zdroj energie. Ľudia ho využívajú na výrobu elektriny, izoláciu domov a ohrev vody. Rastliny tiež potrebujú energiu zo slnka na udržanie života. Glukóza, ktorá vzniká pri fotosyntéze, je jednoduchý cukor, ktorý je jednou z najdôležitejších živín. Rastliny ho využívajú na rast a vývoj a prebytok sa ukladá v listoch, semenách a plodoch. Nie všetka glukóza zostáva nezmenená v zelených častiach rastlín a ovocia. Jednoduché cukry majú tendenciu sa premieňať na zložitejšie, medzi ktoré patrí aj škrob. Rastliny využívajú tieto zásoby v období nedostatku živín. Určujú nutričnú hodnotu bylín, ovocia, kvetov, listov pre zvieratá a ľudí, ktorí jedia rastlinnú stravu.
Ako rastliny absorbujú svetlo?
Proces fotosyntézy je pomerne zložitý, ale dá sa stručne opísať, aby sa stal zrozumiteľným aj pre deti školského veku. Jedna z najčastejších otázok sa týka mechanizmu absorpcie svetla. Ako sa svetelná energia dostáva do rastlín? Proces fotosyntézy prebieha v listoch. Listy všetkých rastlín obsahujú zelené bunky – chloroplasty. Obsahujú látku zvanú chlorofyl. Chlorofyl je pigment, ktorý dáva listom zelenú farbu a je zodpovedný za absorpciu svetelnej energie. Mnoho ľudí sa nezamýšľalo nad tým, prečo sú listy väčšiny rastlín široké a ploché. Ukazuje sa, že príroda to poskytla z nejakého dôvodu. Široký povrch umožňuje absorbovať viac slnečného svetla. Z rovnakého dôvodu sa solárne panely vyrábajú široké a ploché.
Vrchná časť listov je chránená voskovou vrstvou (kutikulou) pred stratou vody a nepriaznivými vplyvmi počasia a škodcami. Nazýva sa palisáda. Ak sa pozriete pozorne na list, môžete vidieť, že jeho horná strana je jasnejšia a hladšia. Bohatá farba sa získa vďaka tomu, že v tejto časti je viac chloroplastov. Nadmerné svetlo môže znížiť schopnosť rastliny produkovať kyslík a glukózu. Pri ostrom slnku sa chlorofyl poškodzuje a to spomaľuje fotosyntézu. Spomalenie nastáva aj s príchodom jesene, kedy je menej svetla a listy začínajú žltnúť v dôsledku ničenia chloroplastov v nich.
Úlohu vody pri fotosyntéze a pri udržiavaní života rastlín nemožno podceňovať. Voda je potrebná na:
- poskytovanie rastlín minerálmi rozpustenými v ňom;
- udržiavanie tónu;
- chladenie;
- možnosť chemických a fyzikálnych reakcií.
Stromy, kríky a kvety svojimi koreňmi absorbujú vodu z pôdy a potom vlhkosť stúpa pozdĺž stonky a prechádza do listov pozdĺž žiliek, ktoré sú viditeľné aj voľným okom.
Oxid uhličitý vstupuje cez malé otvory v spodnej časti listu - prieduchy. V spodnej časti listu sú bunky usporiadané tak, aby oxid uhličitý mohol prenikať hlbšie. To tiež umožňuje, aby kyslík produkovaný fotosyntézou ľahko opustil list. Ako všetky živé organizmy, aj rastliny sú obdarené schopnosťou dýchať. Navyše, na rozdiel od zvierat a ľudí, absorbujú oxid uhličitý a uvoľňujú kyslík, a nie naopak. Tam, kde je veľa rastlín, je vzduch veľmi čistý a svieži. Preto je také dôležité starať sa o stromy a kríky a vytvárať verejné záhrady a parky vo veľkých mestách.
Svetlé a tmavé fázy fotosyntézy
Proces fotosyntézy je zložitý a pozostáva z dvoch fáz – svetla a tmy. Svetelná fáza je možná len za prítomnosti slnečného svetla. Pri vystavení svetlu sa molekuly chlorofylu ionizujú, výsledkom čoho je energia, ktorá slúži ako katalyzátor chemických reakcií. Poradie udalostí prebiehajúcich v tejto fáze je nasledovné:
- svetlo dopadá na molekulu chlorofylu, ktorý je absorbovaný zeleným pigmentom a uvádza ho do excitovaného stavu;
- rozvody vody;
- Syntetizuje sa ATP, čo je akumulátor energie.
Temná fáza fotosyntézy prebieha bez účasti svetelnej energie. V tomto štádiu sa tvorí glukóza a kyslík. Je dôležité pochopiť, že tvorba glukózy a kyslíka sa vyskytuje nepretržite, a nielen v noci. Tmavá fáza sa nazýva, pretože prítomnosť svetla už nie je potrebná, aby nastala. Katalyzátorom je ATP, ktorý bol syntetizovaný skôr.
Význam fotosyntézy v prírode
Fotosyntéza je jedným z najvýznamnejších prírodných procesov. Je potrebné nielen udržiavať život rastlín, ale aj celý život na planéte. Fotosyntéza je potrebná pre:
- poskytovanie potravy zvieratám a ľuďom;
- odstránenie oxidu uhličitého a nasýtenie vzduchu kyslíkom;
- udržiavanie kolobehu živín.
Všetky rastliny závisia od rýchlosti fotosyntézy. Slnečnú energiu možno považovať za faktor, ktorý podporuje alebo brzdí rast. Napríklad v južných oblastiach a oblastiach je veľa slnka a rastliny môžu rásť dosť vysoko. Ak vezmeme do úvahy, ako tento proces prebieha vo vodných ekosystémoch, na povrchu morí a oceánov nie je nedostatok slnečného svetla a v týchto vrstvách je pozorovaný bohatý rast rias. V hlbších vrstvách vody je nedostatok slnečnej energie, čo ovplyvňuje rýchlosť rastu vodnej flóry.
Proces fotosyntézy prispieva k tvorbe ozónovej vrstvy v atmosfére. To je veľmi dôležité, pretože pomáha chrániť všetok život na planéte pred škodlivými účinkami ultrafialového žiarenia.
Akýkoľvek zelený list je malá továreň na kyslík a živiny potrebné pre ľudí a zvieratá pre normálny život. Proces výroby týchto látok z oxidu uhličitého a vody z atmosféry sa nazýva fotosyntéza.
Fotosyntéza je zložitý proces, ktorý prebieha za priamej účasti svetla. Samotný pojem „fotosyntéza“ pochádza z dvoch gréckych slov: „fotografie“ - svetlo a „syntéza“ - kombinácia. Proces fotosyntézy pozostáva z dvoch fáz: absorpcia svetelných kvánt a využitie ich energie pri rôznych chemických reakciách.Rastlina absorbuje svetlo pomocou zelenej látky zvanej chlorofyl. Chlorofyl sa nachádza v takzvaných chloroplastoch, ktoré nájdeme v stonkách či dokonca plodoch. Je ich tam obzvlášť veľa, pretože vďaka svojej plochej štruktúre je list schopný pritiahnuť viac svetla, a teda získať viac energie na fotosyntézu. Po absorpcii prechádza chlorofyl do iných molekúl rastlinného organizmu, najmä tých, ktoré sa podieľajú na fotosyntéze, a odovzdáva im energiu. Druhá etapa procesu prebieha bez povinnej účasti svetelných kvánt a pozostáva z tvorby chemických väzieb za účasti vody a oxidu uhličitého získaného zo vzduchu. V tomto štádiu sa syntetizujú rôzne látky užitočné pre život, napríklad škrob.Tieto organické látky využíva samotná rastlina na výživu rôznych častí a udržanie normálneho života. Okrem toho sa tieto látky získavajú jedením rastlín a ľuďmi, ktorí jedia potraviny rastlinného aj živočíšneho pôvodu.Fotosyntéza môže prebiehať pod vplyvom slnečného žiarenia aj umelého svetla. V prírode rastliny spravidla intenzívne „pracujú“ na jar av lete, keď je dostatok slnečného svetla. Na jeseň je svetla menej, dni sa skracujú, listy žltnú a opadávajú. Akonáhle však začne svitať teplé jarné slnko, opäť sa objaví zelené lístie a zelené „továrne“ opäť začnú svoju prácu na zásobovaní kyslíkom, tak potrebným pre život, a ďalšími živinami.
Video k téme
Všetky živé bytosti potrebujú na prežitie potravu. Heterotrofné organizmy – konzumenti – využívajú hotové organické zlúčeniny, zatiaľ čo autotrofní producenti sami vytvárajú organické látky v procese fotosyntézy a chemosyntézy. Hlavnými producentmi na Zemi sú zelené rastliny.
Ide o postupnosť chemických reakcií fotosyntetických pigmentov, v dôsledku ktorých sa z oxidu uhličitého a vody vo svetle vytvára organická hmota. V celkovej rovnici sa šesť molekúl oxidu uhličitého kombinuje so šiestimi molekulami vody, aby vytvorili jednu molekulu, ktorá sa používa na výrobu a skladovanie energie. Na konci reakcie sa tiež vytvorí šesť molekúl kyslíka ako „vedľajší produkt“. Proces fotosyntézy pozostáva zo svetlej a tmavej fázy. Svetelné kvantá excitujú elektróny molekuly chlorofylu a prenášajú ich na vyššiu energetickú hladinu. Za účasti svetelných lúčov tiež dochádza k fotolýze vody - štiepeniu molekuly vody na katióny vodíka, negatívne nabité elektróny a voľnú molekulu kyslíka. Energia uložená v molekulárnych väzbách sa premení na adenozíntrifosfát (ATP) a uvoľní sa v druhej fáze fotosyntézy. V tmavej fáze sa oxid uhličitý priamo spája s tvorbou glukózy. Nevyhnutnou podmienkou pre priebeh fotosyntézy v bunkách je zelený pigment – chlorofyl, vyskytuje sa teda v zelených rastlinách a niektorých fotosyntetických baktériách. Fotosyntetické procesy poskytujú planéte organickú biomasu, vzdušný kyslík a v dôsledku toho aj ochranný ozónový štít. Okrem toho znižujú koncentráciu oxidu uhličitého v atmosfére. Okrem fotosyntézy môže byť oxid uhličitý premenený na organickú hmotu prostredníctvom chemosyntézy, ktorá sa líši od prvej v neprítomnosti svetelných reakcií. Chemosyntetiká využívajú svetlo ako zdroj energie a energiu redoxných chemických reakcií. Napríklad nitrifikačné baktérie oxidujú amoniak na kyselinu dusnú a dusičnú, baktérie železa premieňajú železité železo na železité železo, sírne baktérie oxidujú sírovodík na síru alebo kyselinu sírovú. Všetky tieto reakcie uvoľňujú energiu, ktorá sa následne využíva na syntézu organických látok. Chemosyntézy sú schopné len určité druhy baktérií. Chemosyntetické baktérie neprodukujú vzdušný kyslík a neakumulujú veľké množstvá biomasy, ale ničia horniny, podieľajú sa na tvorbe minerálov a čistia odpadové vody. Biogeochemickou úlohou chemosyntézy je zabezpečiť kolobeh dusíka, síry, železa a ďalších prvkov v prírode.
Video k téme
