Proses fotosintesis untuk kehidupan di Bumi bukan semata-mata penting, dan, seseorang mungkin berkata, tegas. Tanpa proses ini, tidak mungkin hidupan di Bumi dapat berkembang di luar bakteria. Untuk menjalankan sebarang proses di alam semula jadi, tenaga diperlukan. Di Bumi ia diambil dari Matahari. Cahaya matahari ditangkap oleh tumbuhan dan ditukarkan kepada tenaga ikatan kimia sebatian organik. Transformasi ini adalah fotosintesis.
Organisma lain di Bumi (kecuali beberapa bakteria) menggunakan bahan organik daripada tumbuhan untuk mendapatkan tenaga untuk kehidupan mereka. Ini tidak bermakna semua organisma makan tumbuhan. Contohnya, karnivor memakan herbivor, bukan tumbuhan. Walau bagaimanapun, tenaga yang disimpan dalam herbivor diperolehi oleh mereka daripada tumbuhan.
Selain menyimpan tenaga dan memberi makan kepada hampir semua kehidupan di Bumi, fotosintesis adalah penting untuk sebab-sebab lain.
Semasa fotosintesis, oksigen dibebaskan. Oksigen diperlukan untuk proses pernafasan. Semasa respirasi, proses fotosintesis terbalik berlaku. Bahan organik teroksida, dimusnahkan dan tenaga dibebaskan, yang boleh digunakan untuk pelbagai proses kehidupan (berjalan, berfikir, berkembang, dll.). Apabila belum ada tumbuhan di Bumi, hampir tiada oksigen di udara. Organisma hidup primitif yang hidup pada zaman itu mengoksidakan bahan organik dengan cara lain, bukan dengan bantuan oksigen. Ia tidak berkesan. Terima kasih kepada pernafasan oksigen, dunia hidup dapat berkembang secara meluas dan kompleks. Dan oksigen di atmosfera muncul berkat tumbuhan dan proses fotosintesis.
Di stratosfera (ini berada di atas troposfera - lapisan paling rendah atmosfera), oksigen ditukar menjadi ozon di bawah pengaruh sinaran suria. Ozon melindungi kehidupan di Bumi daripada sinaran ultraungu berbahaya dari matahari. Tanpa lapisan ozon, kehidupan tidak mungkin berkembang dari laut ke darat.
Semasa fotosintesis, karbon dioksida diserap dari atmosfera. Karbon dioksida dibebaskan semasa pernafasan. Jika ia tidak diserap, ia akan terkumpul di atmosfera dan mempengaruhi, bersama-sama dengan gas lain, untuk meningkatkan apa yang dipanggil kesan rumah hijau. Kesan rumah hijau terdiri daripada peningkatan suhu di lapisan bawah atmosfera. Pada masa yang sama, iklim mungkin mula berubah, glasier akan mula mencair, paras lautan akan meningkat, akibatnya tanah pantai mungkin dibanjiri dan akibat negatif lain akan timbul.
Semua bahan organik mengandungi unsur kimia karbon. Ia adalah tumbuhan yang mengikatnya menjadi bahan organik (glukosa), menerimanya daripada bahan bukan organik (karbon dioksida). Dan mereka melakukan ini melalui proses fotosintesis. Selepas itu, "mengembara" melalui rantai makanan, karbon bergerak dari satu sebatian organik ke yang lain. Akhirnya, dengan kematian organisma dan penguraiannya, karbon sekali lagi bertukar menjadi bahan bukan organik.
Fotosintesis juga penting untuk manusia. Arang batu, gambut, minyak, gas asli adalah sisa tumbuhan dan organisma hidup lain yang telah terkumpul selama ratusan juta tahun. Mereka berfungsi sebagai sumber tenaga tambahan, yang membolehkan tamadun berkembang.
Kepentingan fotosintesis dalam alam semula jadi. Mari kita perhatikan akibat fotosintesis yang penting untuk kewujudan kehidupan di Bumi dan untuk manusia: "pemuliharaan" tenaga suria; pembentukan oksigen bebas; pembentukan pelbagai sebatian organik; pengekstrakan karbon dioksida dari atmosfera.
Sinar matahari - "tetamu sekejap planet kita" (V.L. Komarov) - menghasilkan beberapa kerja hanya pada saat jatuh, kemudian hilang tanpa jejak dan tidak berguna untuk makhluk hidup. Walau bagaimanapun, sebahagian daripada tenaga sinar suria yang jatuh pada tumbuhan hijau diserap oleh klorofil dan digunakan dalam proses fotosintesis. Dalam kes ini, tenaga cahaya ditukar kepada tenaga kimia berpotensi bahan organik- hasil fotosintesis. Bentuk tenaga ini adalah stabil dan agak tidak bergerak. Ia berterusan sehingga pereputan sebatian organik, iaitu selama-lamanya. Dengan pengoksidaan lengkap satu gram glukosa, jumlah tenaga yang sama dikeluarkan seperti yang diserap semasa pembentukannya - 690 kcal. Oleh itu, tumbuhan hijau, menggunakan tenaga suria dalam proses fotosintesis, menyimpannya "untuk kegunaan masa hadapan." Intipati fenomena ini didedahkan dengan baik oleh ungkapan kiasan K.A. Timiryazev, yang memanggil tumbuhan "makanan dalam tin" cahaya matahari».
Bahan organik dipelihara dalam beberapa keadaan untuk masa yang sangat lama, kadang-kadang selama berjuta-juta tahun. Semasa pengoksidaan mereka, tenaga sinaran matahari yang jatuh ke Bumi pada masa yang jauh itu dibebaskan dan boleh digunakan. Tenaga terma yang dikeluarkan semasa pembakaran minyak, arang batu, gambut, kayu - semua ini adalah tenaga matahari, diserap dan diubah oleh tumbuhan hijau.
Sumber tenaga dalam tubuh haiwan adalah makanan, yang juga mengandungi tenaga "tin" dari Matahari. Kehidupan di Bumi hanya datang dari Matahari. Dan tumbuhan adalah "saluran yang melaluinya tenaga Matahari mengalir ke dalamnya dunia organik Bumi" (K. A, Timiryazev).
Dalam kajian fotosintesis, iaitu bahagian tenaganya, saintis Rusia yang cemerlang K.A. Timiryazev (1843-1920). Beliau adalah orang pertama yang menunjukkan bahawa undang-undang pemuliharaan tenaga juga terpakai dalam dunia organik. Pada zaman itu, kenyataan ini mempunyai kepentingan falsafah dan praktikal yang sangat besar. Timiryazev memiliki persembahan popular terbaik dalam kesusasteraan dunia tentang persoalan peranan kosmik tumbuhan hijau.
Salah satu hasil fotosintesis ialah oksigen bebas, yang diperlukan untuk pernafasan hampir semua makhluk hidup Secara semula jadi, terdapat juga jenis pernafasan bebas oksigen (anaerobik), tetapi ia adalah kurang produktif: apabila menggunakan jumlah pernafasan yang sama. bahan, tenaga bebas diperoleh beberapa kali lebih sedikit, kerana bahan organik tidak teroksida sepenuhnya. Oleh itu, adalah jelas bahawa pernafasan oksigen (aerobik) menyediakan taraf hidup yang lebih tinggi, pertumbuhan yang cepat, pembiakan intensif, pengedaran meluas spesies, iaitu semua fenomena yang mencirikan kemajuan biologi.
Diandaikan bahawa hampir semua oksigen di atmosfera adalah berasal dari biologi. DALAM tempoh awal kewujudan Bumi, atmosfera planet mempunyai watak yang dipulihkan. Ia terdiri daripada hidrogen, hidrogen sulfida, ammonia, dan metana. Dengan kemunculan tumbuh-tumbuhan dan, akibatnya, pernafasan oksigen dan oksigen, dunia organik meningkat ke tahap baharu yang lebih tinggi dan evolusinya berjalan dengan lebih pantas. Oleh itu, tumbuhan hijau mempunyai lebih daripada sekadar kepentingan seketika: dengan melepaskan oksigen, ia menyokong kehidupan. Mereka pada tahap tertentu menentukan sifat evolusi dunia organik.
Akibat penting fotosintesis ialah pembentukan sebatian organik. Tumbuhan mensintesis karbohidrat, protein, dan lemak dalam pelbagai jenis. Bahan ini berfungsi sebagai makanan untuk manusia dan haiwan dan bahan mentah untuk industri. Tumbuhan menghasilkan getah, gutta-percha, minyak pati, resin, tanin, alkaloid, dll. Produk pemprosesan bahan mentah tumbuhan ialah fabrik, kertas, pewarna, ubat-ubatan dan bahan letupan, gentian tiruan, bahan binaan dan banyak lagi.
Skala fotosintesis sangat besar. Setiap tahun, tumbuhan menyerap 15.6-10 10 tan karbon dioksida (1/16 daripada rizab dunia) dan 220 bilion tan air. Jumlah bahan organik di Bumi ialah 10 14 tan, dan jisim tumbuhan berkaitan dengan jisim haiwan sebagai 2200:1. Dalam pengertian ini (sebagai pencipta bahan organik), tumbuhan akuatik dan alga yang mendiami lautan juga penting, pengeluaran organiknya berpuluh kali ganda lebih besar daripada tumbuhan darat.
Sejarah fotosintesis. Selama beribu-ribu tahun, orang percaya bahawa tumbuhan memberi makan secara eksklusif melalui akarnya, menggunakannya untuk menyerap semua bahan yang diperlukan dari tanah. Saya berjanji untuk menyemak sudut pandangan ini awal XIX V. Naturalis Belanda Jan Van Helmont. Dia menimbang tanah di dalam pasu dan menanam pucuk willow di sana. Dia menyiram pokok itu selama lima tahun, kemudian mengeringkan tanah dan menimbangnya serta tanamannya. Willow itu beratnya tujuh puluh lima kilogram, dan berat bumi berubah hanya beberapa ratus gram. Kesimpulan saintis ialah tumbuhan mendapat nutrien, pertama sekali, bukan dari tanah, tetapi dari air.
Selama dua abad, teori pemakanan air tumbuhan telah ditubuhkan dalam sains. Daun, mengikut teori ini, hanya membantu tumbuhan menyejat kelembapan berlebihan.
Para saintis datang kepada andaian yang paling tidak dijangka tetapi betul tentang pemakanan udara tumbuhan hanya pada awal abad kesembilan belas. Peranan penting dalam memahami proses ini dimainkan oleh penemuan yang dibuat oleh ahli kimia Inggeris Joseph Priestley pada tahun 1771. Dia menjalankan eksperimen, yang hasilnya dia membuat kesimpulan: tumbuhan membersihkan udara dan menjadikannya sesuai untuk bernafas. Kemudian ternyata agar tumbuhan itu membersihkan udara, cahaya diperlukan.
Sepuluh tahun kemudian, saintis menyedari bahawa tumbuhan itu lebih daripada sekadar menukar karbon dioksida kepada oksigen. Karbon dioksida diperlukan untuk tumbuhan untuk hidup; ia berfungsi sebagai makanan sebenar mereka (bersama-sama dengan air dan garam mineral).
Pemakanan udara tumbuhan dipanggil fotosintesis. Oksigen dibebaskan sebagai produk luar biasa semasa fotosintesis.
Berbilion tahun dahulu tiada oksigen bebas di bumi. Semua oksigen yang hampir semua makhluk hidup di planet kita bernafas dikeluarkan oleh tumbuhan semasa proses fotosintesis. Fotosintesis telah berjaya mengubah keseluruhan rupa planet kita.
Sejak tahun 70-an. abad lalu, kemajuan besar dalam bidang fotosintesis telah dicapai di Rusia. Karya saintis Rusia Purievich, Ivanovsky, Rickter, Ivanov, Kostychev mengkaji banyak aspek proses ini.
Kepentingan fotosintesis tidak disedari sehinggalah baru-baru ini. Aristotle dan saintis Yunani yang lain, memerhatikan bahawa proses hidup haiwan bergantung pada penggunaan makanan, percaya bahawa tumbuhan memperoleh "makanan" mereka dari tanah.
Lebih kurang tiga ratus tahun yang lalu, dalam salah satu eksperimen pertama yang direka dengan teliti dalam biologi, pakar perubatan Belanda Jan Van Helmont memberikan bukti bahawa tanah bukanlah satu-satunya makanan yang memberi makan kepada tumbuhan. Van Helmont menanam pokok willow kecil dalam pasu tanah liat, hanya menambah air padanya.
Selepas lima tahun, jisim jarum meningkat sebanyak 74.4 kg, manakala jisim tanah berkurangan hanya 57 g.
Pada akhir abad ke-18, saintis Inggeris Joseph Priestley melaporkan bahawa dia "secara tidak sengaja menemui kaedah membetulkan udara yang telah rosak akibat pembakaran lilin." 17 Ogos 1771 Priestley “... meletakkan setangkai pudina hidup dalam bekas tertutup di mana ia terbakar lilin lilin", dan pada 21 haribulan yang sama dia mendapati bahawa "... lilin lain boleh menyala semula dalam bekas yang sama." "Prinsip pembetulan yang digunakan oleh alam semula jadi untuk tujuan ini," Priestley percaya, "adalah tumbuhan." Dia mengembangkan pemerhatiannya dan tidak lama kemudian menunjukkan bahawa udara "diperbetulkan" oleh tumbuhan itu tidak "sama sekali tidak sesuai untuk tetikus."
Eksperimen Priestley membolehkan buat pertama kalinya untuk menjelaskan mengapa udara di Bumi kekal "bersih" dan boleh menyokong kehidupan, walaupun terdapat kebakaran yang tidak terkira banyaknya dan pernafasan banyak organisma hidup. Dia berkata: "Terima kasih kepada penemuan ini, kami yakin bahawa tumbuhan tidak tumbuh dengan sia-sia, tetapi membersihkan dan memuliakan suasana kami."
Kemudian, doktor Belanda Jan Ingenhouse (1730-1799) mengesahkan kerja Priestley dan menunjukkan bahawa udara "diperbetulkan" hanya dalam cahaya matahari dan hanya oleh bahagian hijau tumbuhan. Pada tahun 1796, Ingenhouse mencadangkan bahawa karbon dioksida terurai semasa fotosintesis menjadi C dan O 2, dan O 2 dibebaskan sebagai gas. Ia kemudiannya mendapati bahawa nisbah atom karbon, hidrogen dan oksigen dalam gula dan kanji adalah sedemikian rupa sehingga terdapat satu atom karbon bagi setiap molekul air, iaitu apa yang ditunjukkan oleh perkataan "karbohidrat". Telah diterima umum bahawa karbohidrat terbentuk daripada C dan H 2 O, dan O 2 dibebaskan daripada karbon dioksida. Hipotesis yang agak munasabah ini diterima secara meluas, tetapi, seperti yang ternyata kemudiannya, ia adalah salah sama sekali.
Penyelidik yang menyangkal teori yang diterima umum ini ialah Cornelius van Niel dari Universiti Stamford apabila, sebagai pelajar siswazah, dia menyiasat metabolisme pelbagai bakteria fotosintesis. Satu kumpulan bakteria tersebut, iaitu bakteria sulfur ungu, mengurangkan C kepada karbohidrat tetapi tidak membebaskan O2. Bakteria sulfur ungu memerlukan hidrogen sulfida untuk fotosintesis. Hasil daripada fotosintesis, zarah sulfur terkumpul di dalam sel bakteria. Van Niel mendapati bahawa untuk bakteria ini persamaan untuk fotosintesis boleh ditulis sebagai:
CO 2 + 2H 2 S (CH 2 O) + H 2 O + 2S.
Fakta ini tidak menarik perhatian penyelidik sehingga van Niel membuat pengumuman berani dan mencadangkan persamaan ringkasan berikut untuk fotosintesis:
CO 2 + 2H 2 A (CH 2 O) + H 2 O + 2A.
Dalam persamaan ini, H 2 A mewakili sama ada air atau bahan lain yang boleh teroksida, seperti hidrogen sulfida atau H 2 bebas. Dalam tumbuhan hijau dan alga, H 2 A = H 2 O. Iaitu, van Niel mencadangkan bahawa H 2 O, dan bukan karbon dioksida, terurai semasa fotosintesis. Idea cemerlang ini, yang dikemukakan pada tahun tiga puluhan, telah dibuktikan secara eksperimen kemudian apabila penyelidik, menggunakan isotop berat O 2 (18 O 2), mengesan laluan oksigen dari air ke keadaan gas:
CO 2 + 2H 2 18 O 2 (CH 2 O) + H 2 O + 18 O 2.
Oleh itu, untuk alga atau tumbuhan hijau di mana air berfungsi sebagai penderma elektron, persamaan fotosintesis keseluruhan ditulis seperti berikut:
6CO 2 + 12H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + 6H 2 O.
Proses yang berlaku dalam daun. Daun menjalankan tiga proses penting - fotosintesis, penyejatan air dan pertukaran gas. Semasa proses fotosintesis, bahan organik disintesis dalam daun daripada air dan karbon dioksida di bawah pengaruh cahaya matahari. Pada siang hari, sebagai hasil fotosintesis dan pernafasan, tumbuhan mengeluarkan oksigen dan karbon dioksida, dan pada waktu malam - hanya karbon dioksida yang dihasilkan semasa pernafasan.
Kebanyakan tumbuhan dapat mensintesis klorofil dalam cahaya rendah. Dalam cahaya matahari langsung, klorofil disintesis lebih cepat.
Tenaga cahaya yang diperlukan untuk fotosintesis, dalam had tertentu, diserap lebih banyak, semakin kurang daun menjadi gelap. Oleh itu, dalam proses evolusi, tumbuh-tumbuhan telah mengembangkan keupayaan untuk memusingkan helai daun ke arah cahaya supaya lebih banyak cahaya matahari jatuh ke atasnya. Daun pada tumbuhan disusun supaya tidak bersesak-sesak antara satu sama lain.
Timiryazev membuktikan bahawa sumber tenaga untuk fotosintesis kebanyakannya adalah sinaran merah spektrum. Ini ditunjukkan oleh spektrum penyerapan klorofil, di mana jalur penyerapan yang paling sengit diperhatikan di bahagian merah, dan yang kurang sengit diperhatikan di bahagian biru-ungu.
Kloroplas mengandungi pigmen karotena dan xantofil bersama dengan klorofil. Kedua-dua pigmen ini menyerap sinar biru dan sebahagiannya hijau dan menghantar sinar merah dan kuning. Sesetengah saintis mengaitkan karotena dan xantofil kepada peranan skrin yang melindungi klorofil daripada kesan merosakkan sinar biru.
Proses fotosintesis terdiri daripada beberapa tindak balas berurutan, beberapa daripadanya berlaku dengan penyerapan tenaga cahaya, dan sebahagian lagi dalam gelap. Hasil akhir fotosintesis yang stabil ialah karbohidrat (gula dan kemudian kanji), asid organik, asid amino, protein.
Fotosintesis berlaku pada kadar yang berbeza dalam keadaan yang berbeza.
Keamatan fotosintesis juga bergantung kepada fasa perkembangan tumbuhan. Keamatan maksimum fotosintesis diperhatikan dalam fasa berbunga.
Kandungan karbon dioksida biasa di udara ialah 0.03% mengikut isipadu. Mengurangkan kandungan karbon dioksida dalam udara mengurangkan keamatan fotosintesis. Meningkatkan kandungan karbon dioksida kepada 0.5% meningkatkan kadar fotosintesis hampir berkadar. Walau bagaimanapun, dengan peningkatan selanjutnya dalam kandungan karbon dioksida, keamatan fotosintesis tidak meningkat, dan pada 1%, tumbuhan itu menderita.
Tumbuhan menyejat, atau transperate, jumlah air yang sangat besar. Penyejatan air adalah salah satu punca arus menaik. Disebabkan oleh penyejatan air oleh tumbuhan, mineral terkumpul di dalamnya dan penurunan suhu yang bermanfaat untuk tumbuhan berlaku semasa pemanasan solar. Kadangkala transperasi mengurangkan suhu tumbuhan sebanyak 6 o C.
Kilang itu mengawal proses penyejatan air melalui kerja stomata. Pemendapan kutikula, atau salutan lilin, pada epidermis, pembentukan rambutnya dan penyesuaian lain bertujuan untuk mengurangkan transperasi yang tidak terkawal.
Proses fotosintesis dan pernafasan berterusan berterusan sel daun hidup memerlukan pertukaran gas antara tisu dalaman daun dan atmosfera. Semasa proses fotosintesis, karbon dioksida yang diasimilasikan diserap dari atmosfera dan dikembalikan ke atmosfera sebagai oksigen.
Penggunaan kaedah analisis isotop menunjukkan bahawa oksigen yang dikembalikan ke atmosfera (16 O) adalah milik air, dan bukan karbon dioksida udara, di mana isotopnya yang lain, 15 O, mendominasi semasa respirasi sel hidup (pengoksidaan bahan organik di dalam sel oleh oksigen bebas kepada gas karbon dioksida dan air) memerlukan bekalan oksigen dari atmosfera dan pemulangan karbon dioksida. Pertukaran gas ini juga dilakukan terutamanya melalui radas stomata.
Idea moden tentang fotosintesis. Pada masa ini diketahui bahawa fotosintesis melalui dua peringkat, tetapi hanya satu daripadanya berada dalam cahaya. Bukti proses dua peringkat pertama kali diperoleh pada tahun 1905 oleh ahli fisiologi tumbuhan Inggeris F.F. Blacklin, yang mengkaji kesan cahaya dan suhu pada jumlah fotosintesis.
Berdasarkan eksperimen, Blacklin membuat kesimpulan berikut.
1. Terdapat satu kumpulan tindak balas bergantung kepada cahaya yang tidak bergantung kepada suhu. Magnitud tindak balas ini dalam julat cahaya rendah boleh meningkat dengan peningkatan pencahayaan, tetapi tidak dengan peningkatan suhu.
2. Terdapat kumpulan kedua tindak balas yang bergantung pada suhu, dan bukan pada cahaya. Ternyata kedua-dua kumpulan tindak balas diperlukan untuk fotosintesis. Menambahkan isipadu hanya satu kumpulan tindak balas meningkatkan jumlah keseluruhan proses, tetapi hanya sehingga kumpulan kedua tindak balas mula memegang yang pertama. Selepas ini, adalah perlu untuk mempercepatkan kumpulan kedua tindak balas supaya yang pertama dapat diteruskan tanpa sekatan.
Oleh itu, telah ditunjukkan bahawa kedua-dua peringkat bergantung kepada cahaya: "terang dan gelap". Adalah penting untuk diingat bahawa tindak balas gelap berlaku secara normal dalam cahaya dan memerlukan produk dari peringkat cahaya. Ungkapan "tindak balas gelap" hanya bermaksud bahawa cahaya seperti itu tidak terlibat di dalamnya.
Isipadu tindak balas gelap meningkat dengan peningkatan suhu, tetapi hanya sehingga 30 o, dan kemudian mula jatuh. Berdasarkan fakta ini, diandaikan bahawa tindak balas gelap dimangkinkan oleh enzim, kerana pertukaran tindak balas enzimatik adalah bergantung kepada suhu. Kemudian ternyata kesimpulan ini dibuat secara tidak betul.
Pada peringkat pertama fotosintesis (tindak balas cahaya), tenaga cahaya digunakan untuk membentuk ATP (molekul adenosin trifosfat) dan pembawa elektron bertenaga tinggi. Semasa peringkat kedua fotosintesis (tindak balas gelap) produk tenaga, terbentuk dalam tindak balas cahaya, digunakan untuk mengurangkan CO 2 kepada gula ringkas (glukosa).
Proses fotosintesis semakin menarik perhatian saintis. Sains hampir dengan resolusi isu yang paling penting– ciptaan tiruan menggunakan tenaga cahaya bahan organik berharga daripada meluas bahan bukan organik. Masalah fotosintesis sedang dikaji secara intensif oleh ahli botani, ahli kimia, ahli fizik dan pakar lain.
DALAM Kebelakangan ini Ia telah pun mungkin untuk mendapatkan sintesis formaldehid dan bahan bergula secara buatan daripada larutan akueus asid karbonat; dalam kes ini, peranan penyerap tenaga cahaya dimainkan oleh kobalt dan nikel karbonat dan bukannya klorofil. Molekul klorofil baru-baru ini telah disintesis.
Kejayaan sains dalam bidang sintesis bahan organik memberi tamparan hebat kepada doktrin idealistik - vitalisme, yang berpendapat bahawa pembentukan bahan organik daripada bahan bukan organik memerlukan "daya vital" khas dan bahawa seseorang tidak akan dapat mensintesis bahan organik kompleks.
Fotosintesis dalam tumbuhan berlaku dalam kloroplas. Ia termasuk: transformasi tenaga (proses cahaya), transformasi jirim (proses gelap). Proses cahaya berlaku dalam gilakoid, proses gelap dalam stroma kloroplas. Peredaran umum fotosintesis adalah seperti berikut:
6CO 2 + 12H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6H 2 O + 6O 2.
Kedua-dua proses fotosintesis dinyatakan dengan persamaan yang berasingan:
12H 2 O 12H 2 + 6O 2 + tenaga ATP;
(proses ringan)
12H 2 + 6O 2 + ATP tenaga C 6 H 12 O 6 + H 2 O.
(proses gelap)
Kepentingan fotosintesis dalam alam semula jadi. Fotosintesis adalah satu-satunya proses dalam biosfera yang membawa kepada peningkatan tenaga bebasnya disebabkan oleh sumber luaran. Tenaga yang disimpan dalam hasil fotosintesis adalah sumber tenaga utama untuk manusia.
Setiap tahun, hasil fotosintesis, 150 bilion tan bahan organik terbentuk di Bumi dan kira-kira 200 juta tan oksigen bebas dibebaskan.
Kitaran oksigen, karbon dan unsur-unsur lain yang terlibat dalam fotosintesis dikekalkan gubahan moden atmosfera yang diperlukan untuk kehidupan di Bumi. Fotosintesis menghalang peningkatan kepekatan CO 2, mencegah kepanasan terlampau Bumi disebabkan oleh apa yang dipanggil "kesan rumah hijau".
Memandangkan tumbuhan hijau mewakili asas pemakanan langsung atau tidak langsung semua organisma heterotropik yang lain, fotosintesis memenuhi keperluan makanan semua makhluk hidup di planet kita. Ia merupakan asas terpenting dalam pertanian dan perhutanan. Walaupun kemungkinan untuk mempengaruhinya masih kecil, ia masih digunakan sedikit sebanyak. Dengan meningkatkan kepekatan karbon dioksida di udara kepada 0.1% (berbanding 0.3% dalam atmosfera semula jadi), adalah mungkin, sebagai contoh, untuk menggandakan hasil timun dan tomato.
Satu meter persegi permukaan daun menghasilkan kira-kira satu gram gula dalam satu jam; Ini bermakna semua tumbuhan, mengikut anggaran kasar, mengeluarkan dari atmosfera daripada 100 hingga 200 bilion tan C setahun. Kira-kira 60% daripada jumlah ini diserap oleh hutan, menduduki 30% daripada permukaan tanah yang tidak dilitupi ais, 32% oleh tanah yang ditanam, dan baki 8% oleh tumbuhan padang rumput dan kawasan padang pasir, serta bandar dan bandar.
Tumbuhan hijau mampu bukan sahaja menggunakan karbon dioksida dan mencipta gula, tetapi juga menukar sebatian nitrogen dan sebatian sulfur kepada bahan yang membentuk badannya. Melalui sistem akar, tumbuhan menerima ion nitrat yang terlarut dalam air tanah dan memprosesnya dalam selnya menjadi asid amino - komponen utama semua sebatian protein. Komponen lemak juga timbul daripada sebatian yang terbentuk semasa proses metabolik dan tenaga. Asid lemak dan gliserol menghasilkan lemak dan minyak, yang berfungsi terutamanya sebagai bahan simpanan untuk tumbuhan. Biji benih kira-kira 80% daripada semua tumbuhan mengandungi lemak sebagai bahan simpanan yang kaya dengan tenaga. Mendapatkan benih, lemak dan minyak bermain peranan penting dalam industri pertanian dan makanan.
Proses fotosintesis adalah salah satu proses biologi yang paling penting yang berlaku di alam semula jadi, kerana ia adalah terima kasih kepada bahan organik terbentuk daripada karbon dioksida dan air di bawah pengaruh cahaya, dan fenomena ini dipanggil fotosintesis. Dan yang paling penting, semasa proses fotosintesis, pelepasan berlaku, yang penting untuk kewujudan kehidupan di planet kita yang menakjubkan.
Sejarah penemuan fotosintesis
Sejarah penemuan fenomena fotosintesis bermula empat abad, apabila pada tahun 1600 seorang saintis Belgium tertentu Jan Van Helmont melakukan eksperimen mudah. Dia meletakkan ranting willow (selepas merekodkan berat awalnya) dalam beg yang turut mengandungi 80 kg tanah. Dan kemudian selama lima tahun tumbuhan itu disiram secara eksklusif dengan air. Apakah yang mengejutkan saintis itu apabila, selepas lima tahun, berat tumbuhan meningkat sebanyak 60 kg, walaupun pada hakikatnya jisim bumi berkurangan hanya 50 gram, di mana peningkatan berat yang mengagumkan itu berasal dari tetap menjadi misteri kepada ahli sains.
Eksperimen penting dan menarik seterusnya, yang menjadi pendahuluan kepada penemuan fotosintesis, telah dijalankan oleh saintis Inggeris Joseph Priestley pada tahun 1771 (adalah pelik bahawa dengan sifat profesionnya, Mr. Priestley adalah seorang paderi Gereja Anglikan , tetapi dia turun dalam sejarah sebagai saintis yang cemerlang). Apa yang Encik Priestley lakukan? Dia meletakkan tetikus itu di bawah tudung dan lima hari kemudian ia mati. Kemudian dia sekali lagi meletakkan tetikus lain di bawah tudung, tetapi kali ini terdapat setangkai pudina di bawah tudung bersama-sama dengan tetikus dan akibatnya tetikus itu terus hidup. Keputusan yang diperoleh membawa saintis kepada idea bahawa terdapat proses tertentu yang bertentangan dengan pernafasan. Satu lagi kesimpulan penting dalam eksperimen ini ialah penemuan oksigen sebagai penting untuk semua makhluk hidup (tikus pertama mati kerana ketiadaannya, yang kedua terselamat berkat setangkai pudina, yang mencipta oksigen semasa proses fotosintesis).
Oleh itu, fakta telah ditubuhkan bahawa bahagian hijau tumbuhan mampu melepaskan oksigen. Kemudian, pada tahun 1782, saintis Switzerland Jean Senebier membuktikan bahawa karbon dioksida terurai menjadi tumbuhan hijau di bawah pengaruh cahaya - sebenarnya, sisi lain fotosintesis ditemui. Kemudian, 5 tahun lagi kemudian, saintis Perancis Jacques Boussengo mendapati bahawa penyerapan air oleh tumbuhan juga berlaku semasa sintesis bahan organik.
Dan kord terakhir dalam siri penemuan saintifik yang berkaitan dengan fenomena fotosintesis adalah penemuan ahli botani Jerman Julius Sachs, yang pada tahun 1864 berjaya membuktikan bahawa jumlah karbon dioksida yang digunakan dan oksigen yang dibebaskan berlaku dalam nisbah 1:1.
Kepentingan fotosintesis dalam kehidupan manusia
Jika anda bayangkan secara kiasan, daun mana-mana tumbuhan boleh dibandingkan dengan makmal kecil, tingkap yang menghadap ke bahagian yang cerah. Di makmal ini, pembentukan bahan organik dan oksigen berlaku, yang merupakan asas kepada kewujudan kehidupan organik di Bumi. Lagipun, tanpa oksigen dan fotosintesis, kehidupan tidak akan wujud di Bumi.
Tetapi jika fotosintesis sangat penting untuk kehidupan dan pembebasan oksigen, maka bagaimana orang (dan bukan sahaja orang) hidup, contohnya di padang pasir, di mana terdapat minimum tumbuhan hijau, atau, sebagai contoh, di bandar perindustrian di mana pokok jarang berlaku. Hakikatnya ialah tumbuhan darat hanya menyumbang 20% daripada oksigen yang dibebaskan ke atmosfera, manakala 80% selebihnya dilepaskan oleh laut dan alga laut, bukan tanpa alasan bahawa lautan dunia kadang-kadang dipanggil "paru-paru planet kita; ”
Formula fotosintesis
Formula umum untuk fotosintesis boleh ditulis seperti berikut:
Air + Karbon dioksida + Cahaya > Karbohidrat + Oksigen
Dan inilah rupa formulanya: tindak balas kimia fotosintesis
6CO 2 + 6H 2 O = C6H 12 O 6 + 6O 2
Kepentingan fotosintesis untuk tumbuhan
Sekarang mari kita cuba menjawab soalan mengapa tumbuhan memerlukan fotosintesis. Sebenarnya, penyediaan oksigen ke atmosfera planet kita jauh dari satu-satunya sebab berlakunya fotosintesis, ini proses biologi Ia penting bukan sahaja untuk manusia dan haiwan, tetapi juga untuk tumbuhan itu sendiri, kerana bahan organik yang terbentuk semasa fotosintesis membentuk asas kehidupan tumbuhan.
Bagaimanakah fotosintesis berlaku?
Enjin utama fotosintesis ialah klorofil - pigmen khas yang terkandung dalam sel tumbuhan, yang, antara lain, bertanggungjawab untuk warna hijau daun pokok dan tumbuhan lain. Klorofil adalah sebatian organik kompleks yang juga mempunyai harta yang penting- keupayaan untuk menyerap cahaya matahari. Dengan menyerapnya, klorofillah yang mengaktifkan makmal biokimia kecil yang terkandung dalam setiap daun kecil, dalam setiap helai rumput dan setiap alga. Seterusnya, fotosintesis berlaku (lihat formula di atas), di mana air dan karbon dioksida diubah menjadi karbohidrat yang diperlukan untuk tumbuhan dan oksigen yang diperlukan untuk semua makhluk hidup. Mekanisme fotosintesis adalah ciptaan alam semula jadi yang bijak.
Fasa-fasa fotosintesis
Juga, proses fotosintesis terdiri daripada dua peringkat: terang dan gelap. Dan di bawah kami akan menulis secara terperinci tentang setiap daripada mereka.
Fasa cahaya fotosintesis
Fasa ini dijalankan oleh tilakoid. Apakah thialakoid ini? Tilakoid ialah struktur yang terdapat di dalam kloroplas dan dibatasi oleh membran.
Urutan proses dalam fasa cahaya fotosintesis kelihatan seperti ini:
- Cahaya mengenai molekul klorofil dan diserap oleh pigmen hijau, menyebabkan ia menjadi teruja. Elektron yang memasuki molekul ini pergi ke lebih tahap tinggi dan mengambil bahagian dalam proses sintesis.
- Pemisahan air berlaku, di mana proton, di bawah pengaruh elektron, ditukar menjadi atom hidrogen, yang kemudiannya digunakan untuk sintesis karbohidrat.
- Pada peringkat terakhir fasa cahaya fotosintesis, ATP (Adenosine triphosphate) disintesis. ATP ialah bahan organik yang memainkan peranan sejenis penumpuk tenaga dalam proses biologi.
Fasa gelap fotosintesis
Fasa fotosintesis ini berlaku dalam stroma kloroplas. Semasa proses inilah oksigen dibebaskan dan glukosa disintesis. Anda mungkin berfikir berdasarkan nama itu bahawa fasa gelap fotosintesis berlaku secara eksklusif dalam gelap. Sebenarnya, ini tidak begitu, sintesis glukosa berlaku sepanjang masa, cuma pada peringkat ini tenaga cahaya tidak lagi digunakan dan tidak diperlukan.
Fotosintesis, video
Dan akhirnya, video pendidikan yang menarik tentang fotosintesis.
- sintesis bahan organik daripada karbon dioksida dan air dengan penggunaan tenaga cahaya yang wajib:
6CO 2 + 6H 2 O + Q cahaya → C 6 H 12 O 6 + 6O 2.
Dalam tumbuhan yang lebih tinggi, organ fotosintesis ialah daun, dan organel fotosintesis ialah kloroplas (struktur kloroplas - kuliah No. 7). Membran tilakoid kloroplas mengandungi pigmen fotosintesis: klorofil dan karotenoid. Terdapat beberapa jenis yang berbeza klorofil ( a, b, c, d), yang utama ialah klorofil a. Dalam molekul klorofil, "kepala" porfirin dengan atom magnesium di tengah dan "ekor" phytol boleh dibezakan. “Kepala” porfirin ialah struktur rata, bersifat hidrofilik dan oleh itu terletak pada permukaan membran yang menghadap persekitaran akuatik stroma. "Ekor" fitol adalah hidrofobik dan kerana ini mengekalkan molekul klorofil dalam membran.
Klorofil menyerap cahaya merah dan biru-ungu, memantulkan cahaya hijau dan oleh itu memberi tumbuhan warna hijau ciri mereka. Molekul klorofil dalam membran tilakoid disusun menjadi sistem foto. Tumbuhan dan alga biru-hijau mempunyai fotosistem-1 dan fotosistem-2, manakala bakteria fotosintesis mempunyai fotosistem-1. Hanya fotosistem-2 boleh mengurai air untuk membebaskan oksigen dan mengambil elektron daripada hidrogen air.
Fotosintesis ialah proses pelbagai langkah yang kompleks; tindak balas fotosintesis dibahagikan kepada dua kumpulan: tindak balas fasa cahaya dan tindak balas fasa gelap.
Fasa cahaya
Fasa ini berlaku hanya dengan kehadiran cahaya dalam membran tilakoid dengan penyertaan klorofil, protein pengangkutan elektron dan enzim ATP sintetase. Di bawah pengaruh kuantum cahaya, elektron klorofil teruja, meninggalkan molekul dan memasuki bahagian luar membran tilakoid, yang akhirnya menjadi bercas negatif. Molekul klorofil teroksida dikurangkan, mengambil elektron daripada air yang terletak di ruang intrathylakoid. Ini membawa kepada pecahan atau fotolisis air:
H 2 O + Q cahaya → H + + OH - .
Ion hidroksil melepaskan elektronnya, menjadi radikal reaktif.OH:
OH - → .OH + e - .
Radikal OH bergabung membentuk air dan oksigen bebas:
4NO. → 2H 2 O + O 2.
Oksigen dikeluarkan masuk persekitaran luaran, dan proton terkumpul di dalam tilakoid dalam "takungan proton." Akibatnya, membran tilakoid, di satu pihak, dicas secara positif kerana H +, dan di pihak yang lain, disebabkan oleh elektron, ia dicas secara negatif. Apabila beza keupayaan antara luar dan sisi dalaman membran tilakoid mencapai 200 mV, proton ditolak melalui saluran sintetase ATP dan ADP difosforilasi kepada ATP; Hidrogen atom digunakan untuk memulihkan pembawa spesifik NADP + (nicotinamide adenine dinucleotide phosphate) kepada NADPH 2:
2H + + 2e - + NADP → NADPH 2.
Oleh itu, dalam fasa cahaya, fotolisis air berlaku, yang disertai dengan tiga proses penting: 1) Sintesis ATP; 2) pembentukan NADPH 2; 3) pembentukan oksigen. Oksigen meresap ke atmosfera, ATP dan NADPH 2 diangkut ke dalam stroma kloroplas dan mengambil bahagian dalam proses fasa gelap.
1 - stroma kloroplas; 2 - grana tilakoid.
Fasa gelap
Fasa ini berlaku dalam stroma kloroplas. Tindak balasnya tidak memerlukan tenaga cahaya, jadi ia berlaku bukan sahaja dalam cahaya, tetapi juga dalam gelap. Tindak balas fasa gelap ialah rantaian transformasi berturut-turut karbon dioksida (datang dari udara), yang membawa kepada pembentukan glukosa dan bahan organik lain.
Tindak balas pertama dalam rantai ini ialah penetapan karbon dioksida; Penerima karbon dioksida ialah gula lima karbon. ribulosa bifosfat(RiBF); enzim memangkinkan tindak balas Ribulosa bifosfat karboksilase(RiBP karboksilase). Hasil daripada karboksilasi ribulosa bifosfat, sebatian enam karbon yang tidak stabil terbentuk, yang serta-merta terurai kepada dua molekul. asid fosfogliserik(FGK). Satu kitaran tindak balas kemudian berlaku di mana asid fosfogliserik ditukar melalui satu siri perantaraan kepada glukosa. Tindak balas ini menggunakan tenaga ATP dan NADPH 2 yang terbentuk dalam fasa cahaya; Kitaran tindak balas ini dipanggil "kitaran Calvin":
6CO 2 + 24H + + ATP → C 6 H 12 O 6 + 6H 2 O.
Sebagai tambahan kepada glukosa, monomer lain sebatian organik kompleks terbentuk semasa fotosintesis - asid amino, gliserol dan asid lemak, nukleotida. Pada masa ini, terdapat dua jenis fotosintesis: C 3 - dan C 4 fotosintesis.
C 3-fotosintesis
Ini adalah sejenis fotosintesis di mana produk pertama ialah sebatian tiga karbon (C3). Fotosintesis C 3 ditemui sebelum fotosintesis C 4 (M. Calvin). Ia adalah fotosintesis C 3 yang diterangkan di atas di bawah tajuk "Fasa gelap". Ciri-ciri C 3-fotosintesis: 1) penerima karbon dioksida ialah RiBP, 2) tindak balas karboksilasi RiBP dimangkinkan oleh RiBP karboksilase, 3) hasil daripada karboksilasi RiBP, sebatian enam karbon terbentuk, yang terurai kepada dua PGA. . FGK dipulihkan kepada triosa fosfat(TF). Sebahagian daripada TF digunakan untuk penjanaan semula RiBP, dan sebahagiannya ditukar kepada glukosa.
1 - kloroplas; 2 - peroksisom; 3 - mitokondria.
Ini adalah penyerapan oksigen dan pembebasan karbon dioksida yang bergantung kepada cahaya. Pada awal abad yang lalu, telah ditubuhkan bahawa oksigen menyekat fotosintesis. Ternyata, untuk RiBP carboxylase substrat boleh bukan sahaja karbon dioksida, tetapi juga oksigen:
O 2 + RiBP → phosphoglycolate (2C) + PGA (3C).
Enzim itu dipanggil RiBP oxygenase. Oksigen adalah perencat kompetitif penetapan karbon dioksida. Kumpulan fosfat dipisahkan dan fosfoglikolat menjadi glikolat, yang mesti digunakan oleh tumbuhan. Ia memasuki peroksisom, di mana ia teroksida kepada glisin. Glycine memasuki mitokondria, di mana ia dioksidakan kepada serin, dengan kehilangan karbon tetap dalam bentuk CO 2. Akibatnya, dua molekul glikolat (2C + 2C) ditukar kepada satu PGA (3C) dan CO 2. Fotorespirasi membawa kepada penurunan hasil tumbuhan C3 sebanyak 30-40% ( Dengan 3 tumbuhan- tumbuhan bercirikan C 3 fotosintesis).
Fotosintesis C 4 ialah fotosintesis di mana hasil pertama ialah sebatian empat karbon (C 4). Pada tahun 1965, didapati bahawa dalam beberapa tumbuhan (tebu, jagung, sorghum, millet) hasil pertama fotosintesis adalah asid empat karbon. Tumbuhan ini dipanggil Dengan 4 tumbuhan. Pada tahun 1966, saintis Australia Hatch dan Slack menunjukkan bahawa tumbuhan C4 hampir tidak mempunyai fotorespirasi dan menyerap karbon dioksida dengan lebih cekap. Laluan transformasi karbon dalam tumbuhan C 4 mula dipanggil oleh Hatch-Slack.
C 4 tumbuhan dicirikan oleh yang istimewa struktur anatomi daun. Semua berkas vaskular dikelilingi oleh lapisan dua sel: lapisan luar adalah sel mesofil, lapisan dalam adalah sel sarung. Karbon dioksida ditetapkan dalam sitoplasma sel mesofil, penerima adalah fosfoenolpiruvat(PEP, 3C), hasil daripada karboksilasi PEP, oksaloasetat (4C) terbentuk. Proses ini dimangkinkan PEP karboksilase. Tidak seperti RiBP carboxylase, PEP carboxylase mempunyai pertalian yang lebih besar untuk CO 2 dan, yang paling penting, tidak berinteraksi dengan O 2 . Kloroplas mesofil mempunyai banyak butiran di mana tindak balas fasa cahaya secara aktif berlaku. Tindak balas fasa gelap berlaku dalam kloroplas sel sarung.
Oksaloasetat (4C) ditukar kepada malat, yang diangkut melalui plasmodesmata ke dalam sel sarung. Di sini ia didekarboksilasi dan dihidrogenkan untuk membentuk piruvat, CO 2 dan NADPH 2 .
Piruvat kembali ke sel mesofil dan dijana semula menggunakan tenaga ATP dalam PEP. CO 2 sekali lagi ditetapkan oleh RiBP carboxylase untuk membentuk PGA. Penjanaan semula PEP memerlukan tenaga ATP, jadi ia memerlukan hampir dua kali lebih banyak tenaga berbanding fotosintesis C 3.
Maksud fotosintesis
Terima kasih kepada fotosintesis, berbilion tan karbon dioksida diserap dari atmosfera setiap tahun dan berbilion tan oksigen dibebaskan; fotosintesis adalah sumber utama pembentukan bahan organik. Ia terbentuk daripada oksigen lapisan ozon, melindungi organisma hidup daripada sinaran ultraungu gelombang pendek.
Semasa fotosintesis, daun hijau menggunakan hanya kira-kira 1% daripada tenaga suria yang jatuh di atasnya adalah kira-kira 1 g bahan organik setiap 1 m2 permukaan sejam.
Kemosintesis
Sintesis sebatian organik daripada karbon dioksida dan air, yang dijalankan bukan disebabkan oleh tenaga cahaya, tetapi disebabkan oleh tenaga pengoksidaan bahan bukan organik, dipanggil kemosintesis. Organisma kemosintetik termasuk beberapa jenis bakteria.
Bakteria nitrifikasi ammonia dioksidakan kepada nitrus dan kemudian kepada asid nitrik (NH 3 → HNO 2 → HNO 3).
Bakteria besi menukar besi ferus kepada besi oksida (Fe 2+ → Fe 3+).
Bakteria sulfur mengoksidakan hidrogen sulfida kepada sulfur atau asid sulfurik (H 2 S + ½O 2 → S + H 2 O, H 2 S + 2O 2 → H 2 SO 4).
Hasil daripada tindak balas pengoksidaan bahan bukan organik, tenaga dibebaskan, yang disimpan oleh bakteria dalam bentuk ikatan ATP bertenaga tinggi. ATP digunakan untuk sintesis bahan organik, yang berjalan sama dengan tindak balas fasa gelap fotosintesis.
Bakteria kemosintetik menyumbang kepada pengumpulan mineral dalam tanah, meningkatkan kesuburan tanah, menggalakkan rawatan air sisa, dsb.
Pergi ke kuliah No. 11“Konsep metabolisme. Biosintesis protein"
Pergi ke kuliah No. 13"Kaedah pembahagian sel eukariotik: mitosis, meiosis, amitosis"
