Proces fotosyntezy niezbędny do powstania życia na Ziemi nie jest prosty ważny i, można by rzec, decydujące. Bez tego procesu jest mało prawdopodobne, aby życie na Ziemi mogło ewoluować poza bakteriami. Do przeprowadzenia dowolnego procesu w przyrodzie potrzebna jest energia. Na Ziemi jest pobierany ze Słońca. Światło słoneczne jest wychwytywane przez rośliny i przekształcane w energię wiązania chemiczne związki organiczne. Ta przemiana to fotosynteza.
Inne organizmy na Ziemi (z wyjątkiem niektórych bakterii) wykorzystują materię organiczną z roślin do pozyskiwania energii niezbędnej do życia. Nie oznacza to, że wszystkie organizmy jedzą rośliny. Na przykład mięsożercy jedzą zwierzęta roślinożerne, a nie rośliny. Natomiast energię zmagazynowaną u roślinożerców pozyskują oni z roślin.
Oprócz magazynowania energii i karmienia prawie całego życia na Ziemi, fotosynteza jest ważna z innych powodów.
Podczas fotosyntezy uwalniany jest tlen. Tlen jest niezbędny do procesu oddychania. Podczas oddychania zachodzi odwrotny proces fotosyntezy. Substancje organiczne ulegają utlenieniu, zniszczeniu i uwolnieniu energii, która może zostać wykorzystana do różnych procesów życiowych (chodzenie, myślenie, wzrost itp.). Kiedy na Ziemi nie było jeszcze roślin, w powietrzu nie było prawie tlenu. Prymitywne organizmy żywe, które żyły w tamtych czasach, utleniały substancje organiczne w inny sposób, a nie za pomocą tlenu. To nie było skuteczne. Dzięki oddychaniu tlenem świat żywy mógł się szeroko i kompleksowo rozwijać. A tlen w atmosferze pojawił się dzięki roślinom i procesowi fotosyntezy.
W stratosferze (powyżej troposfery - najniższej warstwy atmosfery) tlen pod wpływem promieniowania słonecznego przekształca się w ozon. Ozon chroni życie na Ziemi przed niebezpiecznym promieniowaniem ultrafioletowym ze słońca. Bez warstwy ozonowej życie nie mogłoby ewoluować z morza na ląd.
Podczas fotosyntezy dwutlenek węgla jest pochłaniany z atmosfery. Podczas oddychania uwalniany jest dwutlenek węgla. Gdyby nie został wchłonięty, kumulowałby się w atmosferze i wraz z innymi gazami powodowałby zwiększenie tzw. efektu cieplarnianego. Efekt cieplarniany polega na wzroście temperatury w dolnych warstwach atmosfery. Jednocześnie klimat może zacząć się zmieniać, lodowce zaczną się topić, podniesie się poziom oceanów, w wyniku czego tereny przybrzeżne mogą zostać zalane i pojawią się inne negatywne konsekwencje.
Wszystkie substancje organiczne zawierają pierwiastek chemiczny węgiel. To rośliny wiążą ją w substancje organiczne (glukozę), pozyskując ją z substancji nieorganicznych (dwutlenek węgla). Robią to poprzez proces fotosyntezy. Następnie „podróżując” przez łańcuchy pokarmowe, węgiel przemieszcza się z jednego związku organicznego do drugiego. Ostatecznie wraz ze śmiercią organizmów i ich rozkładem węgiel ponownie zamienia się w substancje nieorganiczne.
Fotosynteza jest również ważna dla ludzkości. Węgiel, torf, ropa naftowa, gaz ziemny to pozostałości roślin i innych żywych organizmów, które gromadziły się przez setki milionów lat. Stanowią dla nas źródło dodatkowej energii, która pozwala na rozwój cywilizacji.
Znaczenie fotosyntezy w przyrodzie. Zwróćmy uwagę na konsekwencje fotosyntezy istotne dla istnienia życia na Ziemi i dla człowieka: „ochrona” energii słonecznej; tworzenie wolnego tlenu; tworzenie różnych związków organicznych; ekstrakcja dwutlenku węgla z atmosfery.
Promień słońca - „przelotny gość naszej planety” (V.L. Komarov) - wykonuje pewną pracę dopiero w momencie upadku, a następnie rozprasza się bez śladu i jest bezużyteczny dla żywych istot. Jednak część energii promienia słonecznego padającego na zieloną roślinę jest pochłaniana przez chlorofil i wykorzystywana w procesie fotosyntezy. W tym przypadku energia świetlna jest przekształcana w potencjalną energię chemiczną materia organiczna- produkty fotosyntezy. Ta forma energii jest stabilna i stosunkowo nieruchoma. Utrzymuje się aż do rozpadu związków organicznych, czyli przez czas nieokreślony. Przy całkowitym utlenieniu jednego grama glukozy uwalniana jest taka sama ilość energii, jaka została pochłonięta podczas jej powstawania - 690 kcal. Zatem rośliny zielone, wykorzystując w procesie fotosyntezy energię słoneczną, magazynują ją „do wykorzystania w przyszłości”. Istotę tego zjawiska dobrze oddaje przenośne wyrażenie K.A. Timiryazev, który nazwał rośliny „konserwą” promienie słoneczne».
Substancje organiczne zachowują się w pewnych warunkach przez bardzo długi czas, czasami przez wiele milionów lat. Podczas ich utleniania uwalniana jest energia promieni słonecznych, które w dawnych czasach padały na Ziemię i można ją było wykorzystać. Energia cieplna powstająca podczas spalania ropy naftowej, węgla, torfu, drewna – to wszystko jest energią słońca, pochłoniętą i przetworzoną przez rośliny zielone.
Źródłem energii w organizmie zwierzęcia jest żywność, która zawiera także „konserwowaną” energię ze Słońca. Życie na Ziemi pochodzi wyłącznie od Słońca. A rośliny są „kanałami, którymi wpływa energia Słońca organiczny świat Ziemia” (K. A, Timiryazev).
W badaniu fotosyntezy, a mianowicie jej strony energetycznej, ogromną rolę odegrał wybitny rosyjski naukowiec K.A. Timiryazev (1843-1920). Jako pierwszy wykazał, że prawo zachowania energii obowiązuje także w świecie organicznym. W tamtych czasach stwierdzenie to miało ogromne znaczenie filozoficzne i praktyczne. Timiryazev jest właścicielem najlepszej w literaturze światowej popularnej prezentacji kwestii kosmicznej roli roślin zielonych.
Jednym z produktów fotosyntezy jest wolny tlen, niezbędny do oddychania prawie wszystkich żywych istot. W przyrodzie istnieje również oddychanie beztlenowe (beztlenowe), ale jest ono znacznie mniej produktywne: przy użyciu równych ilości dróg oddechowych. materiał, darmowa energia jest uzyskiwana kilka razy mniej, ponieważ materia organiczna nie utlenia się całkowicie. Wiadomo zatem, że oddychanie tlenowe (tlenowe) zapewnia wyższy standard życia, szybki wzrost, intensywna reprodukcja, szerokie rozmieszczenie gatunku, czyli wszystkie te zjawiska, które charakteryzują postęp biologiczny.
Zakłada się, że prawie cały tlen w atmosferze ma pochodzenie biologiczne. W wczesne okresy istnienia Ziemi, atmosfera planety nabrała przywróconego charakteru. Składał się z wodoru, siarkowodoru, amoniaku i metanu. Wraz z pojawieniem się roślin, a co za tym idzie tlenu i oddychania tlenowego, świat organiczny wzniósł się na nowy, wyższy poziom, a jego ewolucja przebiegała znacznie szybciej. Dlatego zielone rośliny mają więcej niż tylko chwilowe znaczenie: uwalniając tlen, podtrzymują życie. W pewnym stopniu determinowały one naturę ewolucji świata organicznego.
Ważną konsekwencją fotosyntezy jest powstawanie związków organicznych. Rośliny syntetyzują węglowodany, białka i tłuszcze w ogromnej różnorodności typów. Substancje te służą jako żywność dla ludzi i zwierząt oraz surowce dla przemysłu. Rośliny wytwarzają gumę, gutaperkę, olejki eteryczne, żywice, garbniki, alkaloidy itp. Produkty przetwarzania surowców roślinnych to tkaniny, papier, barwniki, materiały lecznicze i wybuchowe, włókno sztuczne, materiały budowlane i wiele innych.
Skala fotosyntezy jest ogromna. Co roku rośliny pochłaniają 15,6-10 10 ton dwutlenku węgla (1/16 światowych zasobów) i 220 miliardów ton wody. Ilość materii organicznej na Ziemi wynosi 10 14 ton, a masa roślin odnosi się do masy zwierząt jako 2200:1. W tym sensie (jako twórcy materii organicznej) ważne są także rośliny wodne i glony zamieszkujące ocean, których produkcja organiczna jest kilkadziesiąt razy większa niż roślin lądowych.
Historia fotosyntezy. Przez tysiące lat ludzie wierzyli, że roślina odżywia się wyłącznie poprzez korzenie, za ich pomocą pobierając z gleby wszystkie niezbędne substancje. Postanowiłem sprawdzić ten punkt widzenia początek XIX V. Holenderski przyrodnik Jan Van Helmont. Zważył ziemię w doniczce i zasadził w niej pęd wierzby. Podlewał drzewo przez pięć lat, następnie wysuszył ziemię, zważył ją i roślinę. Wierzba ważyła siedemdziesiąt pięć kilogramów, a masa ziemi zmieniła się zaledwie o kilkaset gramów. Naukowiec doszedł do wniosku, że rośliny dostają składniki odżywcze przede wszystkim nie z gleby, ale z wody.
Przez dwa stulecia w nauce ugruntowała się teoria odżywiania roślin wodą. Liście, zgodnie z tą teorią, jedynie pomogły roślinie odparować nadmiar wilgoci.
Do najbardziej nieoczekiwanego, ale słusznego założenia dotyczącego odżywiania się roślin w powietrzu naukowcy doszli dopiero na początku XIX wieku. Ważną rolę w zrozumieniu tego procesu odegrało odkrycie dokonane przez angielskiego chemika Josepha Priestleya w 1771 roku. Przeprowadził on eksperyment, w wyniku którego doszedł do wniosku: rośliny oczyszczają powietrze i sprawiają, że nadaje się ono do oddychania. Później okazało się, że aby roślina mogła oczyścić powietrze, potrzebne jest światło.
Dziesięć lat później naukowcy zdali sobie sprawę, że roślina nie tylko przekształca dwutlenek węgla w tlen. Dwutlenek węgla jest niezbędny roślinom do życia, stanowi ich prawdziwy pokarm (wraz z wodą i solami mineralnymi).
Odżywianie roślin z powietrza nazywa się fotosyntezą. Tlen jest uwalniany jako niezwykły produkt podczas fotosyntezy.
Miliardy lat temu na Ziemi nie było wolnego tlenu. Cały tlen, którym oddychają prawie wszystkie żywe stworzenia na naszej planecie, jest uwalniany przez rośliny w procesie fotosyntezy. Fotosyntezie udało się zmienić cały wygląd naszej planety.
Od lat 70. ubiegłego wieku w Rosji osiągnięto znaczny postęp w dziedzinie fotosyntezy. Prace rosyjskich naukowców Purievicha, Iwanowskiego, Ricktera, Iwanowa, Kostychowa badały wiele aspektów tego procesu.
Znaczenie fotosyntezy zdano sobie sprawę dopiero stosunkowo niedawno. Arystoteles i inni greccy naukowcy obserwując, że procesy życiowe zwierząt zależą od spożycia pokarmu, wierzyli, że rośliny czerpią „pożywienie” z gleby.
Nieco ponad trzysta lat temu, w jednym z pierwszych starannie zaprojektowanych eksperymentów biologicznych, holenderski lekarz Jan Van Helmont dostarczył dowodów na to, że gleba nie jest jedynym pożywieniem rośliny. Van Helmont wyhodował małą wierzbę w glinianym garnku, dodając do niej jedynie wodę.
Po pięciu latach masa igieł wzrosła o 74,4 kg, a masa gleby zmniejszyła się zaledwie o 57 g.
Pod koniec XVIII wieku angielski naukowiec Joseph Priestley doniósł, że „przypadkowo odkrył metodę naprawiania powietrza zanieczyszczonego paleniem świec”. 17 sierpnia 1771 Priestley „... umieścił żywą gałązkę mięty w zamkniętym naczyniu, w którym się paliła świeca woskowa„, a 21 tego samego miesiąca odkrył, że „...w tym samym naczyniu może ponownie zapalić się kolejna świeca”. „Zasadą naprawczą, którą natura wykorzystuje do tych celów” – sądził Priestley – „była roślina”. Rozszerzył swoje obserwacje i wkrótce wykazał, że powietrze „korygowane” przez roślinę nie jest „wcale nieodpowiednie dla myszy”.
Eksperymenty Priestleya po raz pierwszy pozwoliły wyjaśnić, dlaczego powietrze na Ziemi pozostaje „czyste” i może podtrzymywać życie pomimo płonących niezliczonych pożarów i oddychania wielu żywych organizmów. Powiedział: „Dzięki tym odkryciom mamy pewność, że rośliny nie rosną na próżno, ale oczyszczają i uszlachetniają naszą atmosferę”.
Później holenderski lekarz Jan Ingenhouse (1730-1799) potwierdził pracę Priestleya i wykazał, że powietrze „koryguje się” tylko światłem słonecznym i tylko zielonymi częściami rośliny. W 1796 Ingenhouse zasugerował, że podczas fotosyntezy dwutlenek węgla rozkłada się na C i O 2, a O 2 jest uwalniany w postaci gazu. Następnie odkryto, że stosunek atomów węgla, wodoru i tlenu w cukrach i skrobi jest taki, że na cząsteczkę wody przypada jeden atom węgla, na co wskazuje słowo „węglowodany”. Powszechnie przyjęto, że węglowodany powstają z C i H 2 O, a O 2 uwalnia się z dwutlenku węgla. Ta całkiem rozsądna hipoteza została powszechnie przyjęta, jednak jak się później okazało, była całkowicie błędna.
Badaczem, który obalił tę ogólnie przyjętą teorię, był Cornelius van Niel z Uniwersytetu w Stamford, gdy jako student badał metabolizm różnych bakterii fotosyntetyzujących. Jedna grupa takich bakterii, a mianowicie purpurowe bakterie siarkowe, redukuje C do węglowodanów, ale nie uwalnia O2. Fioletowe bakterie siarkowe wymagają siarkowodoru do fotosyntezy. W wyniku fotosyntezy cząsteczki siarki gromadzą się wewnątrz komórek bakteryjnych. Van Niel odkrył, że dla tych bakterii równanie fotosyntezy można zapisać jako:
CO2 + 2H2S (CH2O) + H2O + 2S.
Fakt ten nie przykuł uwagi badaczy, dopóki van Niel nie ogłosił odważnie i nie zaproponował następującego podsumowującego równania fotosyntezy:
CO 2 + 2H 2 A (CH 2 O) + H 2 O + 2A.
W tym równaniu H2A oznacza albo wodę, albo inną substancję ulegającą utlenieniu, taką jak siarkowodór lub wolny H2. W roślinach zielonych i glonach H 2 A = H 2 O. Oznacza to, że van Niel zasugerował, że podczas fotosyntezy rozkłada się H 2 O, a nie dwutlenek węgla. Ten genialny pomysł, wysunięty w latach trzydziestych, został później udowodniony eksperymentalnie, gdy badacze, używając ciężkiego izotopu O 2 (18 O 2), prześledzili drogę tlenu z wody do stanu gazowego:
CO 2 + 2H 2 18 O 2 (CH 2 O) + H 2 O + 18 O 2.
Zatem dla alg lub roślin zielonych, w których woda służy jako donor elektronów, ogólne równanie fotosyntezy zapisuje się w następujący sposób:
6CO 2 + 12H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + 6H 2 O.
Procesy zachodzące w liściu. Liść przeprowadza trzy ważne procesy - fotosyntezę, parowanie wody i wymianę gazową. W procesie fotosyntezy w liściach pod wpływem światła słonecznego powstają substancje organiczne z wody i dwutlenku węgla. W ciągu dnia w wyniku fotosyntezy i oddychania roślina uwalnia tlen i dwutlenek węgla, a nocą tylko dwutlenek węgla powstający podczas oddychania.
Większość roślin jest w stanie syntetyzować chlorofil przy słabym świetle. W bezpośrednim świetle słonecznym chlorofil syntetyzuje się szybciej.
Energia świetlna potrzebna do fotosyntezy, w pewnych granicach, jest pochłaniana tym bardziej, im mniej przyciemniony jest liść. Dlatego w procesie ewolucji rośliny rozwinęły umiejętność obracania blaszki liściowej w stronę światła, dzięki czemu pada na nią więcej światła słonecznego. Liście na roślinie są ułożone tak, aby się nie stłoczyć.
Timiryazev udowodnił, że źródłem energii do fotosyntezy są głównie czerwone promienie widma. Wskazuje na to widmo absorpcji chlorofilu, gdzie najbardziej intensywne pasmo absorpcji obserwuje się w części czerwonej, a mniej intensywne w części niebiesko-fioletowej.
Chloroplasty zawierają pigmenty karoten i ksantofil wraz z chlorofilem. Obydwa te pigmenty pochłaniają promienie niebieskie i częściowo zielone, a przepuszczają promienie czerwone i żółte. Niektórzy naukowcy przypisują karotenu i ksantofilowi rolę ekranów chroniących chlorofil przed niszczycielskim działaniem promieni niebieskich.
Proces fotosyntezy składa się z szeregu następujących po sobie reakcji, z których część zachodzi przy absorpcji energii świetlnej, a część w ciemności. Stabilnymi produktami końcowymi fotosyntezy są węglowodany (cukier, a następnie skrobia), kwasy organiczne, aminokwasy, białka.
Fotosynteza zachodzi z różną szybkością w różnych warunkach.
Intensywność fotosyntezy zależy również od fazy rozwoju rośliny. Maksymalną intensywność fotosyntezy obserwuje się w fazie kwitnienia.
Normalna zawartość dwutlenku węgla w powietrzu wynosi 0,03% objętościowych. Zmniejszenie zawartości dwutlenku węgla w powietrzu zmniejsza intensywność fotosyntezy. Zwiększenie zawartości dwutlenku węgla do 0,5% zwiększa tempo fotosyntezy niemal proporcjonalnie. Jednak wraz z dalszym wzrostem zawartości dwutlenku węgla intensywność fotosyntezy nie wzrasta, a przy 1% roślina cierpi.
Rośliny odparowują, czyli transperują, bardzo duże ilości wody. Parowanie wody jest jedną z przyczyn prądu wznoszącego. W wyniku parowania wody przez roślinę gromadzą się w niej minerały, a podczas ogrzewania słonecznego następuje korzystny dla rośliny spadek temperatury. Czasami transperacja obniża temperaturę rośliny o 6 o C.
Roślina reguluje proces parowania wody poprzez pracę aparatów szparkowych. Odkładanie się naskórka, czyli nalotu woskowego na naskórku, powstawanie włosków i inne adaptacje mają na celu ograniczenie nieuregulowanej transperacji.
Proces fotosyntezy i ciągłe oddychanie żywych komórek liści wymaga wymiany gazowej pomiędzy wewnętrznymi tkankami liścia a atmosferą. Podczas fotosyntezy zasymilowany dwutlenek węgla jest absorbowany z atmosfery i powraca do atmosfery w postaci tlenu.
Zastosowanie metody analizy izotopowej wykazało, że tlen powracający do atmosfery (16 O) należy do wody, a nie do dwutlenku węgla zawartego w powietrzu, w którym podczas oddychania żywych komórek przeważa jego inny izotop, 15 O (utlenianie substancji organicznych wewnątrz komórki przez wolny tlen do gazowego dwutlenku węgla i wody), konieczne jest dostarczanie tlenu z atmosfery i oddawanie dwutlenku węgla. Ta wymiana gazowa odbywa się również głównie przez aparat szparkowy.
Współczesne poglądy na temat fotosyntezy. Obecnie wiadomo, że fotosynteza przechodzi przez dwa etapy, ale tylko jeden z nich zachodzi w świetle. Dowody na dwuetapowy proces po raz pierwszy uzyskał w 1905 roku angielski fizjolog roślin F.F. Blacklina, który badał wpływ światła i temperatury na intensywność fotosyntezy.
Na podstawie eksperymentów Blacklin wyciągnął następujące wnioski.
1. Istnieje grupa reakcji zależnych od światła, które nie zależą od temperatury. Wielkość tych reakcji w zakresie słabego oświetlenia może wzrastać wraz ze wzrostem oświetlenia, ale nie wraz ze wzrostem temperatury.
2. Istnieje druga grupa reakcji zależnych od temperatury, a nie światła. Okazało się, że do fotosyntezy potrzebne są obie grupy reakcji. Zwiększanie objętości tylko jednej grupy reakcji zwiększa objętość całego procesu, ale tylko do momentu, gdy druga grupa reakcji zacznie obejmować pierwszą. Następnie należy przyspieszyć drugą grupę reakcji, aby pierwsze mogły przebiegać bez ograniczeń.
Wykazano zatem, że oba etapy są zależne od światła: „jasny i ciemny”. Należy pamiętać, że ciemne reakcje zachodzą normalnie w świetle i wymagają produktów z fazy jasnej. Wyrażenie „ciemne reakcje” oznacza po prostu, że światło jako takie nie bierze w nich udziału.
Objętość ciemnych reakcji wzrasta wraz ze wzrostem temperatury, ale tylko do 30 o, a następnie zaczyna spadać. Na tej podstawie przyjęto, że reakcje ciemne są katalizowane przez enzymy, gdyż wymiana reakcji enzymatycznych jest zatem zależna od temperatury. Jak się później okazało, wniosek ten został wyciągnięty błędnie.
W pierwszym etapie fotosyntezy (reakcje świetlne) energia świetlna wykorzystywana jest do tworzenia ATP (cząsteczki trifosforanu adenozyny) i wysokoenergetycznych nośników elektronów. Podczas drugiego etapu fotosyntezy (reakcje ciemne) produkty energetyczne powstające w reakcjach lekkich, służą do redukcji CO 2 do cukru prostego (glukozy).
Proces fotosyntezy coraz bardziej przyciąga uwagę naukowców. Nauka jest bliska rozwiązania najważniejsza kwestia– sztuczna kreacja wykorzystująca energię świetlną cennych substancji organicznych z szeroko rozpowszechnionych źródeł substancje nieorganiczne. Problem fotosyntezy jest intensywnie badany przez botaników, chemików, fizyków i innych specjalistów.
W ostatnio Udało się już sztucznie uzyskać syntezę formaldehydu i substancji cukrowych roztwory wodne kwas węglanowy; w tym przypadku rolę pochłaniacza energii świetlnej zamiast chlorofilu pełniły węglany kobaltu i niklu. Niedawno zsyntetyzowana cząsteczka chlorofilu.
Sukcesy nauki w dziedzinie syntezy substancji organicznych zadają miażdżący cios idealistycznej nauce - witalizmowi, który twierdził, że powstawanie substancji organicznych z substancji nieorganicznych wymaga specjalnej „siły życiowej” i że człowiek nie będzie w stanie syntetyzować złożone substancje organiczne.
Fotosynteza u roślin zachodzi w chloroplastach. Obejmuje: przemianę energii (proces światła), przemianę materii (proces ciemności). Proces jasny zachodzi w gylakoidach, proces ciemny w zrębie chloroplastów. Uogólniony obieg fotosyntezy jest następujący:
6CO 2 + 12H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6H 2 O + 6O 2.
Obydwa procesy fotosyntezy wyrażają się za pomocą oddzielnych równań:
12H 2 O 12H 2 + 6O 2 + energia ATP;
(lekki proces)
12H 2 + 6O 2 + energia ATP C 6 H 12 O 6 + H 2 O.
(ciemny proces)
Znaczenie fotosyntezy w przyrodzie. Fotosynteza jest jedynym procesem zachodzącym w biosferze, który prowadzi do wzrostu jej darmowej energii pod wpływem zewnętrznego źródła. Energia zmagazynowana w produktach fotosyntezy jest głównym źródłem energii dla ludzkości.
Każdego roku w wyniku fotosyntezy na Ziemi powstaje 150 miliardów ton materii organicznej i uwalnia się około 200 milionów ton wolnego tlenu.
Cykl tlenu, węgla i innych pierwiastków biorących udział w fotosyntezie zostaje zachowany nowoczesna kompozycja atmosfera niezbędna do życia na Ziemi. Fotosynteza zapobiega wzrostowi stężenia CO 2, zapobiegając przegrzaniu Ziemi na skutek tzw. „efektu cieplarnianego”.
Ponieważ rośliny zielone stanowią bezpośrednią lub pośrednią bazę żywieniową wszystkich innych organizmów heterotroficznych, fotosynteza zaspokaja potrzeby żywieniowe wszystkich żywych istot na naszej planecie. Jest najważniejszą podstawą rolnictwa i leśnictwa. Choć możliwości oddziaływania na nią są wciąż niewielkie, to jednak w pewnym stopniu są one wykorzystywane. Zwiększając stężenie dwutlenku węgla w powietrzu do 0,1% (w porównaniu do 0,3% w atmosferze naturalnej), możliwe było m.in. potrojenie plonów ogórków i pomidorów.
Metr kwadratowy powierzchni liścia wytwarza około jednego grama cukru w ciągu godziny; Oznacza to, że wszystkie rośliny, według przybliżonych szacunków, usuwają z atmosfery od 100 do 200 miliardów ton C rocznie. Około 60% tej ilości pochłaniają lasy, zajmując 30% niezalodzonej powierzchni lądu, 32% grunty uprawne, a pozostałe 8% roślinność terenów stepowych i pustynnych oraz miast i miasteczek.
Zielona roślina jest w stanie nie tylko wykorzystywać dwutlenek węgla i wytwarzać cukier, ale także przekształcać związki azotu i siarki w substancje tworzące jej organizm. Poprzez system korzeniowy roślina otrzymuje rozpuszczone w wodzie glebowej jony azotanowe i przetwarza je w swoich komórkach na aminokwasy – główne składniki wszystkich związków białkowych. Składniki tłuszczów powstają także ze związków powstających w procesach metabolicznych i energetycznych. Kwasy tłuszczowe i glicerol wytwarzają tłuszcze i oleje, które służą głównie jako substancje rezerwowe dla rośliny. Nasiona około 80% wszystkich roślin zawierają tłuszcze jako bogatą w energię substancję rezerwową. Zdobywanie nasion, tłuszczów i olejów jest zabawą ważną rolę w branży rolno-spożywczej.
Proces fotosyntezy jest jednym z najważniejszych procesów biologicznych zachodzących w przyrodzie, ponieważ to dzięki niemu z dwutlenku węgla i wody pod wpływem światła powstają substancje organiczne, a zjawisko to nazywa się fotosyntezą. A co najważniejsze, podczas procesu fotosyntezy następuje uwolnienie, które jest niezbędne do istnienia życia na naszej niesamowitej planecie.
Historia odkrycia fotosyntezy
Historia odkrycia zjawiska fotosyntezy sięga czterech wieków wstecz, kiedy to w 1600 roku pewien belgijski naukowiec Jan Van Helmont przeprowadził proste doświadczenie. Gałązkę wierzby umieścił (po zarejestrowaniu jej początkowej masy) w worku, w którym znajdowało się także 80 kg ziemi. A potem przez pięć lat roślinę podlewano wyłącznie wodą. Jakie było zdziwienie naukowca, gdy po pięciu latach masa rośliny wzrosła o 60 kg, mimo że masa ziemi spadła zaledwie o 50 gramów, skąd wziął się tak imponujący wzrost masy, pozostawała dla naukowców tajemnicą naukowiec.
Kolejny ważny i ciekawy eksperyment, który stał się preludium do odkrycia fotosyntezy, przeprowadził angielski naukowiec Joseph Priestley w 1771 r. (ciekawe, że ze względu na swój zawód pan Priestley był księdzem Kościoła anglikańskiego , ale przeszedł do historii jako wybitny naukowiec). Co zrobił pan Priestley? Umieścił mysz pod kapturem i pięć dni później zdechła. Następnie ponownie umieścił pod maską kolejną mysz, ale tym razem pod maską wraz z myszą znajdowała się gałązka mięty i w rezultacie mysz pozostała przy życiu. Uzyskany wynik doprowadził naukowca do wniosku, że istnieje pewien proces przeciwny oddychaniu. Kolejnym ważnym wnioskiem z tego eksperymentu było odkrycie tlenu niezbędnego dla wszystkich istot żywych (pierwsza mysz zdechła z powodu jego braku, druga przeżyła dzięki gałązce mięty, która w procesie fotosyntezy wytwarzała tlen).
W ten sposób ustalono, że zielone części roślin są zdolne do uwalniania tlenu. Następnie w 1782 roku szwajcarski naukowiec Jean Senebier udowodnił, że pod wpływem światła dwutlenek węgla rozkłada się na rośliny zielone – w istocie odkryto inną stronę fotosyntezy. Następnie, kolejne 5 lat później, francuski naukowiec Jacques Boussengo odkrył, że rośliny absorbują wodę podczas syntezy substancji organicznych.
A ostatnim akordem w szeregu odkryć naukowych związanych ze zjawiskiem fotosyntezy było odkrycie niemieckiego botanika Juliusa Sachsa, któremu w 1864 roku udało się udowodnić, że objętość zużywanego dwutlenku węgla i uwalnianego tlenu występuje w stosunku 1:1.
Znaczenie fotosyntezy w życiu człowieka
Jeśli wyobrażasz sobie w przenośni, liść dowolnej rośliny można porównać do małego laboratorium, którego okna wychodzą na słoneczną stronę. To właśnie w tym laboratorium zachodzi powstawanie substancji organicznych i tlenu, co jest podstawą istnienia życia organicznego na Ziemi. Przecież bez tlenu i fotosyntezy życie na Ziemi po prostu by nie istniało.
Ale jeśli fotosynteza jest tak ważna dla życia i uwalniania tlenu, to jak ludzie (i nie tylko ludzie) żyją na przykład na pustyni, gdzie jest minimum roślin zielonych, lub na przykład w środowisku przemysłowym miasto, w którym drzewa są rzadkie. Faktem jest, że rośliny lądowe wytwarzają zaledwie 20% tlenu uwalnianego do atmosfery, pozostałe 80% wydzielają glony morskie i oceaniczne; nie bez powodu oceany świata nazywane są czasami „płucami naszej planety”. .”
Formuła fotosyntezy
Ogólny wzór na fotosyntezę można zapisać w następujący sposób:
Woda + Dwutlenek węgla + Światło > Węglowodany + Tlen
A tak wygląda formuła: reakcja chemiczna fotosynteza
6CO2 + 6H2O = C6H12O6 + 6O2
Znaczenie fotosyntezy dla roślin
Spróbujmy teraz odpowiedzieć na pytanie, dlaczego rośliny potrzebują fotosyntezy. W rzeczywistości dostarczanie tlenu do atmosfery naszej planety nie jest jedyną przyczyną fotosyntezy, to proces biologiczny Jest to istotne nie tylko dla ludzi i zwierząt, ale także dla samych roślin, gdyż podstawą życia roślin są substancje organiczne powstające w procesie fotosyntezy.
Jak zachodzi fotosynteza?
Głównym motorem fotosyntezy jest chlorofil – specjalny pigment zawarty w komórkach roślinnych, który między innymi odpowiada za zieloną barwę liści drzew i innych roślin. Chlorofil to złożony związek organiczny, który również ma ważna własność– zdolność wchłaniania światło słoneczne. Absorbując go, to chlorofil aktywuje to małe laboratorium biochemiczne zawarte w każdym małym liściu, w każdym źdźble trawy i w każdej aldze. Następnie następuje fotosynteza (patrz wzór powyżej), podczas której woda i dwutlenek węgla przekształcają się w węglowodany niezbędne roślinom i tlen niezbędny wszystkim żywym istotom. Mechanizmy fotosyntezy są genialnym tworem natury.
Fazy fotosyntezy
Ponadto proces fotosyntezy składa się z dwóch etapów: jasnego i ciemnego. A poniżej napiszemy szczegółowo o każdym z nich.
Faza jasna fotosyntezy
Faza ta jest prowadzona przez tylakoidy. Co to są te tialakoidy? Tylakoidy to struktury znajdujące się wewnątrz chloroplastów i ograniczone błoną.
Kolejność procesów w fazie lekkiej fotosyntezy wygląda następująco:
- Światło uderza w cząsteczkę chlorofilu i jest pochłaniane przez zielony pigment, powodując jego wzbudzenie. Elektron, który wchodzi do tej cząsteczki, trafia do większej wysoki poziom i bierze udział w procesie syntezy.
- Woda ulega rozszczepieniu, podczas którego protony pod wpływem elektronów przekształcają się w atomy wodoru, które następnie wykorzystywane są do syntezy węglowodanów.
- Na ostatnim etapie lekkiej fazy fotosyntezy syntetyzowany jest ATP (trifosforan adenozyny). ATP jest substancją organiczną, która pełni rolę swego rodzaju akumulatora energii w procesach biologicznych.
Ciemna faza fotosyntezy
Ta faza fotosyntezy zachodzi w zrębie chloroplastów. To właśnie podczas tego procesu uwalniany jest tlen i syntetyzowana jest glukoza. Na podstawie nazwy można by pomyśleć, że ciemna faza fotosyntezy zachodzi wyłącznie w ciemności. W rzeczywistości tak nie jest, synteza glukozy zachodzi przez całą dobę, po prostu na tym etapie energia świetlna nie jest już zużywana i po prostu nie jest potrzebna.
Fotosynteza, wideo
I na koniec ciekawy film edukacyjny na temat fotosyntezy.
- synteza substancji organicznych z dwutlenku węgla i wody przy obowiązkowym wykorzystaniu energii świetlnej:
6CO 2 + 6H 2 O + Q światło → C 6 H 12 O 6 + 6O 2.
U roślin wyższych narządem fotosyntezy jest liść, a organellami fotosyntezy są chloroplasty (budowa chloroplastów - wykład nr 7). Błony tylakoidów chloroplastowych zawierają pigmenty fotosyntetyczne: chlorofile i karotenoidy. Jest ich kilka różne typy chlorofil ( a, b, c, d), głównym jest chlorofil A. W cząsteczce chlorofilu można wyróżnić „głowę” porfiryny z atomem magnezu w środku i „ogon” fitolowy. „Główka” porfiryny ma płaską strukturę, jest hydrofilowa i dlatego leży na powierzchni skierowanej do niej membrany środowisko wodne zrąb. Fitolowy „ogon” jest hydrofobowy i dzięki temu zatrzymuje cząsteczkę chlorofilu w membranie.
Chlorofile pochłaniają światło czerwone i niebiesko-fioletowe, odbijają światło zielone i dlatego nadają roślinom charakterystyczny zielony kolor. Cząsteczki chlorofilu w błonach tylakoidów są zorganizowane w fotosystemy. Rośliny i sinice mają fotosystem-1 i fotosystem-2, podczas gdy bakterie fotosyntetyzujące mają fotosystem-1. Tylko fotosystem-2 może rozkładać wodę, uwalniając tlen i pobierając elektrony z wodoru zawartego w wodzie.
Fotosynteza jest złożonym, wieloetapowym procesem; Reakcje fotosyntezy dzielą się na dwie grupy: reakcje faza jasna i reakcje faza ciemna.
Faza jasna
Faza ta zachodzi jedynie w obecności światła w błonach tylakoidów przy udziale chlorofilu, białek przenoszących elektrony i enzymu syntetazy ATP. Pod wpływem kwantu światła elektrony chlorofilu są wzbudzane, opuszczają cząsteczkę i przedostają się na zewnętrzną stronę błony tylakoidów, która ostatecznie zostaje naładowana ujemnie. Utlenione cząsteczki chlorofilu ulegają redukcji, pobierając elektrony z wody znajdującej się w przestrzeni wewnątrztylakoidowej. Prowadzi to do rozkładu lub fotolizy wody:
H 2 O + Q światło → H + + OH - .
Jony hydroksylowe oddają swoje elektrony, stając się reaktywnymi rodnikami.OH:
OH - → .OH + mi - .
Rodniki OH łączą się, tworząc wodę i wolny tlen:
4NIE. → 2H 2O + O 2.
Tlen jest usuwany w środowisko zewnętrzne, a protony gromadzą się wewnątrz tylakoidu w „zbiorniku protonów”. W rezultacie błona tylakoidów z jednej strony jest naładowana dodatnio z powodu H +, a z drugiej strony z powodu elektronów jest naładowana ujemnie. Kiedy różnica potencjałów między zewnętrzem a strony wewnętrzne błona tylakoidów osiąga 200 mV, protony są wypychane przez kanały syntetazy ATP, a ADP ulega fosforylacji do ATP; Wodór atomowy służy do przywrócenia specyficznego nośnika NADP + (fosforanu dinukleotydu nikotynoamidoadeninowego) do NADPH 2:
2H + + 2e - + NADP → NADPH 2.
Zatem w fazie lekkiej zachodzi fotoliza wody, której towarzyszą trzy ważne procesy: 1) synteza ATP; 2) powstawanie NADPH 2; 3) powstawanie tlenu. Tlen dyfunduje do atmosfery, ATP i NADPH 2 transportowane są do zrębu chloroplastu i uczestniczą w procesach fazy ciemnej.
1 - zrąb chloroplastowy; 2 - tylakoid grana.
Faza ciemna
Faza ta zachodzi w zrębie chloroplastu. Jego reakcje nie wymagają energii świetlnej, dlatego zachodzą nie tylko w świetle, ale także w ciemności. Reakcje fazy ciemnej to łańcuch kolejnych przemian dwutlenku węgla (pochodzącego z powietrza), prowadzących do powstania glukozy i innych substancji organicznych.
Pierwszą reakcją w tym łańcuchu jest wiązanie dwutlenku węgla; Akceptorem dwutlenku węgla jest cukier pięciowęglowy. bifosforan rybulozy(RiBF); enzym katalizuje reakcję Karboksylaza rybulozobifosforanowa(karboksylaza RiBP). W wyniku karboksylacji bisfosforanu rybulozy powstaje niestabilny sześciowęglowy związek, który natychmiast rozpada się na dwie cząsteczki kwas fosfoglicerynowy(FGK). Następnie następuje cykl reakcji, w którym kwas fosfoglicerynowy przekształca się w glukozę poprzez szereg półproduktów. Reakcje te wykorzystują energię ATP i NADPH 2 utworzoną w fazie lekkiej; Cykl tych reakcji nazywany jest „cyklem Calvina”:
6CO 2 + 24H + + ATP → C 6H 12 O 6 + 6H 2 O.
Oprócz glukozy podczas fotosyntezy powstają inne monomery złożonych związków organicznych - aminokwasy, glicerol i kwasy tłuszczowe, nukleotydy. Obecnie istnieją dwa rodzaje fotosyntezy: fotosynteza C 3 i C 4.
C 3-fotosynteza
Jest to rodzaj fotosyntezy, w którym pierwszym produktem są związki trójwęglowe (C3). Fotosyntezę C 3 odkryto przed fotosyntezą C 4 (M. Calvin). Jest to fotosynteza C 3 opisana powyżej, pod nagłówkiem „Faza ciemna”. Cechy C 3-fotosynteza: 1) akceptorem dwutlenku węgla jest RiBP, 2) reakcja karboksylacji RiBP jest katalizowana przez karboksylazę RiBP, 3) w wyniku karboksylacji RiBP powstaje sześciowęglowy związek, który rozkłada się na dwa PGA . FGK zostaje przywrócony fosforany triozy(TF). Część TF jest wykorzystywana do regeneracji RiBP, a część przekształcana jest w glukozę.
1 - chloroplast; 2 - peroksysom; 3 - mitochondria.
Jest to zależna od światła absorpcja tlenu i uwalnianie dwutlenku węgla. Na początku ubiegłego wieku ustalono, że tlen hamuje fotosyntezę. Jak się okazało, dla karboksylazy RiBP substratem może być nie tylko dwutlenek węgla, ale także tlen:
O 2 + RiBP → fosfoglikolan (2C) + PGA (3C).
Enzym nazywa się oksygenazą RiBP. Tlen jest konkurencyjnym inhibitorem wiązania dwutlenku węgla. Grupa fosforanowa zostaje oddzielona, a fosfoglikolan staje się glikolanem, który roślina musi wykorzystać. Przedostaje się do peroksysomów, gdzie ulega utlenieniu do glicyny. Glicyna dostaje się do mitochondriów, gdzie ulega utlenieniu do seryny, z utratą już związanego węgla w postaci CO2. W rezultacie dwie cząsteczki glikolanu (2C + 2C) przekształcają się w jedną PGA (3C) i CO2. Fotooddychanie prowadzi do zmniejszenia plonu roślin C3 o 30-40% ( Z 3 roślinami- rośliny charakteryzujące się fotosyntezą C 3).
Fotosynteza C 4 to fotosynteza, w której pierwszym produktem są związki czterowęglowe (C 4). W 1965 roku stwierdzono, że u niektórych roślin (trzcina cukrowa, kukurydza, sorgo, proso) pierwszymi produktami fotosyntezy są kwasy czterowęglowe. Rośliny te nazwano Z 4 roślinami. W 1966 roku australijscy naukowcy Hatch i Slack wykazali, że rośliny C4 praktycznie nie mają fotooddychania i znacznie efektywniej absorbują dwutlenek węgla. Zaczęto nazywać szlak przemian węgla w roślinach C 4 przez Hatch-Slacka.
Rośliny C 4 charakteryzują się szczególną cechą budowa anatomiczna liść. Wszystkie wiązki naczyniowe otoczone są podwójną warstwą komórek: warstwa zewnętrzna to komórki mezofilowe, warstwa wewnętrzna to komórki osłonki. Dwutlenek węgla jest związany w cytoplazmie komórek mezofilu, jest akceptorem fosfoenolopirogronian(PEP, 3C), w wyniku karboksylacji PEP powstaje szczawiooctan (4C). Proces jest katalizowany Karboksylaza PEP. W przeciwieństwie do karboksylazy RiBP, karboksylaza PEP ma większe powinowactwo do CO 2 i, co najważniejsze, nie oddziałuje z O 2 . Chloroplasty mezofilu mają wiele ziaren, w których aktywnie zachodzą reakcje fazy lekkiej. Reakcje fazy ciemnej zachodzą w chloroplastach komórek osłonki.
Szczawiooctan (4C) przekształca się w jabłczan, który jest transportowany przez plazmodesmy do komórek osłonki. Tutaj ulega dekarboksylacji i odwodornieniu, tworząc pirogronian, CO2 i NADPH2.
Pirogronian powraca do komórek mezofilu i jest regenerowany przy użyciu energii ATP w PEP. CO2 jest ponownie wiązany przez karboksylazę RiBP, tworząc PGA. Regeneracja PEP wymaga energii ATP, a więc wymaga prawie dwukrotnie więcej energii niż fotosynteza C3.
Znaczenie fotosyntezy
Dzięki fotosyntezie co roku z atmosfery pochłaniane są miliardy ton dwutlenku węgla i uwalniane są miliardy ton tlenu; fotosynteza jest głównym źródłem powstawania substancji organicznych. Powstaje z tlenu warstwa ozonowa, chroniąc organizmy żywe przed krótkofalowym promieniowaniem ultrafioletowym.
Podczas fotosyntezy zielony liść zużywa tylko około 1% padającej na niego energii słonecznej; produktywność wynosi około 1 g materii organicznej na 1 m2 powierzchni na godzinę.
Chemosynteza
Synteza związków organicznych z dwutlenku węgla i wody, prowadzona nie dzięki energii światła, ale dzięki energii utleniania substancji nieorganicznych, nazywa się chemosynteza. Organizmy chemosyntetyczne obejmują niektóre typy bakterii.
Bakterie nitryfikacyjne amoniak utlenia się do azotu, a następnie do kwasu azotowego (NH 3 → HNO 2 → HNO 3).
Bakterie żelazne przekształcić żelazo żelazne w żelazo tlenkowe (Fe 2+ → Fe 3+).
Bakterie siarkowe utleniać siarkowodór do siarki lub kwasu siarkowego (H 2 S + ½ O 2 → S + H 2 O, H 2 S + 2O 2 → H 2 SO 4).
W wyniku reakcji utleniania substancji nieorganicznych uwalniana jest energia, która jest magazynowana przez bakterie w postaci wysokoenergetycznych wiązań ATP. ATP wykorzystywany jest do syntezy substancji organicznych, która przebiega podobnie do reakcji ciemnej fazy fotosyntezy.
Bakterie chemosyntetyczne przyczyniają się do akumulacji minerałów w glebie, poprawiają żyzność gleby, wspomagają oczyszczanie ścieków itp.
Idź do wykłady nr 11„Pojęcie metabolizmu. Biosynteza białek”
Idź do wykłady nr 13„Sposoby podziału komórek eukariotycznych: mitoza, mejoza, amitoza”
