Unde are loc fotosinteza. Cum produc plantele oxigen

Inapoi inainte

Atenţie! Previzualizarea slide-ului are doar scop informativ și este posibil să nu reprezinte întreaga amploare a prezentării. Dacă sunteți interesat de această lucrare, vă rugăm să descărcați versiunea completă.

Sarcini: Să formeze cunoștințe despre reacțiile schimburilor plastice și energetice și relația lor; reamintiți caracteristicile structurale ale cloroplastelor. Descrieți fazele luminoase și întunecate ale fotosintezei. Arătați importanța fotosintezei ca proces care asigură sinteza substanțelor organice, absorbția dioxidului de carbon și eliberarea oxigenului în atmosferă.

Tip de lecție: lectura.

Echipament:

1. Ajutoare vizuale: tabele de biologie generală;
2. TCO: computer; proiector multimedia.

Planul cursului:

1. Istoria studiului procesului.
2. Experimente de fotosinteză.
3. Fotosinteza ca proces anabolic.
4. Clorofila și proprietățile ei.
5. Fotosisteme.
6. Faza ușoară a fotosintezei.
7. Faza întunecată a fotosintezei.
8. Factori limitatori ai fotosintezei.

Progresul prelegerii

Istoria studiului fotosintezei

1630 anul începerii studiului fotosintezei . Van Helmont a demonstrat că plantele formează substanțe organice și nu le primesc din sol. Cântărind ghiveciul cu pământ și salcie și separat arborele însuși, a arătat că după 5 ani masa arborelui a crescut cu 74 kg, în timp ce solul a pierdut doar 57 g. A decis că arborele primește hrană din apă. Acum știm că se folosește dioxid de carbon.

LA 1804 Saussure a constatat că apa joacă un rol important în procesul de fotosinteză.

LA 1887 bacterii chemosintetice descoperite.

LA 1905 Blackman a stabilit că fotosinteza constă din două faze: rapidă - lumină și o serie de reacții lente succesive ale fazei întunecate.

Experimente de fotosinteză

1 experiență demonstrează importanța luminii solare (Fig. 1.)	2 experiența demonstrează importanța dioxidului de carbon pentru fotosinteză (Fig. 2.)
3 experiența demonstrează importanța fotosintezei (Fig. 3.)

Fotosinteza ca proces anabolic

1. În fiecare an, ca urmare a fotosintezei, se formează 150 de miliarde de tone de materie organică și 200 de miliarde de tone de oxigen liber.
2. Ciclul oxigenului, carbonului și altor elemente implicate în fotosinteză. Mentine compozitia moderna a atmosferei, necesara existentei formelor de viata moderne.
3. Fotosinteza previne creșterea concentrației de dioxid de carbon, împiedicând supraîncălzirea Pământului din cauza efectului de seră.
4. Fotosinteza este baza tuturor lanțurilor trofice de pe Pământ.
5. Energia stocată în produse este principala sursă de energie pentru omenire.

Esența fotosintezei constă în transformarea energiei luminoase a fasciculului solar în energie chimică sub formă de ATP și NADP·H 2.

Ecuația generală a fotosintezei este:

6C02 + 6H2O→C6H12O6 + 6O2

Există două tipuri principale de fotosinteză:

Clorofila și proprietățile ei

Tipuri de clorofilă

Clorofila are modificări a, b, c, d. Ele diferă prin structura structurală și spectrul de absorbție a luminii. De exemplu: clorofila b conține un atom de oxigen mai mult și doi atomi de hidrogen mai puțin decât clorofila a.

Toate plantele și oxifotobacteriile au clorofila a galben-verzuie ca pigment principal și clorofila b ca pigment suplimentar.

Alți pigmenți vegetali

Unii alți pigmenți sunt capabili să absoarbă energia solară și să o transfere în clorofilă, implicând-o astfel în fotosinteză.

Majoritatea plantelor au un pigment portocaliu închis - caroten, care în organismul animal se transformă în vitamina A și un pigment galben - xantofila.

Ficocianinași ficoeritrina- conțin alge roșii și albastre-verzi. La algele roșii, acești pigmenți sunt implicați mai activ în procesul de fotosinteză decât clorofila.

Clorofila absoarbe minim lumina în partea albastru-verde a spectrului. Clorofila a, b - în regiunea violetă a spectrului, unde lungimea de undă este de 440 nm. Funcția unică a clorofilei consta in faptul ca absoarbe intens energia solara si o transfera catre alte molecule.

Pigmenții absorb o anumită lungime de undă, părțile neabsorbite ale spectrului solar sunt reflectate, ceea ce oferă culoarea pigmentului. Lumina verde nu este absorbită, deci clorofila este verde.

Pigmenti sunt compuși chimici care absorb lumina vizibilă, determinând electronii să devină excitați. Cu cât lungimea de undă este mai mică, cu atât energia luminii este mai mare și capacitatea acesteia de a transfera electroni într-o stare excitată este mai mare. Această stare este instabilă și în curând întreaga moleculă revine la starea obișnuită de energie scăzută, pierzând energia de excitație. Această energie poate fi folosită pentru fluorescență.

Fotosisteme

Pigmenții vegetali implicați în fotosinteză sunt „ambalați” în tilacoizi de cloroplast sub formă de unități fotosintetice funcționale – sisteme fotosintetice: fotosistemul I și fotosistemul II.

Fiecare sistem constă dintr-un set de pigmenți auxiliari (de la 250 la 400 de molecule) care transferă energie către o moleculă a pigmentului principal și se numește centru de reacție. Folosește energia solară pentru reacții fotochimice.

Faza luminii merge neapărat cu participarea luminii, faza întunecată atât în ​​lumină, cât și în întuneric. Procesul luminos are loc în tilacoizii cloroplastelor, procesul întunecat are loc în stromă, adică. aceste procese sunt separate spațial.

Faza ușoară a fotosintezei

LA 1958 Arnon iar colaboratorii săi au studiat faza luminoasă a fotosintezei. Ei au descoperit că lumina este sursa de energie în timpul fotosintezei, iar din moment ce în lumină în sinteza clorofilei din ADP + F.c. → ATP, atunci acest proces este numit fosforilare. Este asociat cu transferul de electroni în membrane.

Rolul reacțiilor luminii: 1. Sinteza ATP - fosforilare. 2. Sinteza NADP.H 2 .

Calea de transport de electroni se numește Schema Z.

Schema Z. Fotofosforilarea aciclică și ciclică(Fig. 6.)

În cursul transportului ciclic de electroni, nu are loc formarea NADP.H 2 și fotodescompunerea H 2 O, deci eliberarea de O 2. Această cale este utilizată atunci când există un exces de NADP.H 2 în celulă, dar este necesar ATP suplimentar.

Toate aceste procese aparțin fazei luminoase a fotosintezei. În viitor, energia ATP și NADP.H 2 este folosită pentru a sintetiza glucoza. Acest proces nu necesită lumină. Acestea sunt reacții ale fazei întunecate a fotosintezei.

Faza întunecată a fotosintezei sau ciclul Calvin

Sinteza glucozei are loc în timpul unui proces ciclic, care a fost numit după omul de știință Melvin Calvin, care a descoperit-o și a primit Premiul Nobel.

Orez. 8. Ciclul Calvin

Fiecare reacție a ciclului Calvin este realizată de propria sa enzimă. Pentru formarea glucozei se folosesc: CO 2 , protoni și electroni din NADP.H 2 , energia ATP și NADP.H 2 . Procesul are loc în stroma cloroplastei. Compusul inițial și final al ciclului Calvin, la care, cu ajutorul unei enzime ribuloz difosfat carboxilază CO2 se unește, este un zahăr cu cinci atomi de carbon - ribuloză bifosfat conţinând două grupe fosfat. Ca rezultat, se formează un compus cu șase atomi de carbon, care se descompune imediat în două molecule cu trei atomi de carbon. acid fosfogliceric, care sunt apoi restaurate la fosfogliceraldehidă. În același timp, o parte din fosfogliceraldehida rezultată este folosită pentru a regenera ribuloză bifosfat și, astfel, ciclul este reînnoit (5C 3 → 3C 5), iar o parte este folosită pentru a sintetiza glucoza și alți compuși organici (2C 3 → C 6 → C6H12O6).

Pentru formarea unei molecule de glucoză, sunt necesare 6 rotații de ciclu și sunt necesare 12NADP.H 2 și 18 ATP. Din ecuația generală a reacției rezultă:

6CO 2 + 6H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 6O 2

Din ecuația de mai sus se poate observa că atomii de C și O au intrat în glucoză din CO 2, iar atomii de hidrogen din H 2 O. Glucoza poate fi folosită ulterior atât pentru sinteza carbohidraților complecși (celuloză, amidon), cât și pentru formarea proteinelor. si lipide.

(C 4 - fotosinteză. În 1965, s-a dovedit că în trestia de zahăr, primii produși ai fotosintezei sunt acizii care conțin patru atomi de carbon (malic, oxaloacetic, aspartic). Porumbul, sorgul, meiul aparțin plantelor C 4).

Factori limitatori ai fotosintezei

Viteza de fotosinteză este cel mai important factor care influențează randamentul culturilor agricole. Deci, pentru fazele întunecate ale fotosintezei, sunt necesare NADP.H 2 și ATP și, prin urmare, viteza reacțiilor întunecate depinde de reacțiile luminoase. La lumină slabă, rata de formare a materiei organice va fi scăzută. Deci lumina este factorul limitativ.

Dintre toți factorii care afectează simultan procesul de fotosinteză limitare va fi cel care se apropie mai mult de nivelul minim. S-a instalat Blackman în 1905. Diferiți factori pot fi limitativi, dar unul dintre ei este principalul.

Rolul spațial al plantelor(descris K. A. Timiryazev) constă în faptul că plantele sunt singurele organisme care absorb energia solară și o acumulează sub formă de energie chimică potențială a compușilor organici. O 2 eliberat susține activitatea vitală a tuturor organismelor aerobe. Din oxigen se formează ozonul, care protejează toate viețuitoarele de razele ultraviolete. Plantele au folosit o cantitate imensă de CO 2 din atmosferă, al cărui exces a creat un „efect de seră”, iar temperatura planetei a scăzut la valorile actuale.

Odată cu formarea O 2 este cel mai important eveniment din. , care a făcut din lumina Soarelui principala sursă-svob. energie, dar - o sursă practic nelimitată pentru sinteza vieții în interior. Drept urmare, modernul compoziție, O 2 a devenit disponibil pentru hrană (vezi), iar acest lucru a dus la apariția organismelor înalte. heterotrof (folosit ca sursă de org. exogene in-va).

BINE. 7% org. Omul folosește produsele fotosintezei pentru hrană, ca hrană pentru animale, precum și sub formă și construiește. material. O fosilă este, de asemenea, un produs al fotosintezei. Consumul său în con. Secolului 20 aproximativ egală cu creșterea biomasei.

Stocarea totală a energiei radiațiilor solare sub formă de produse de fotosinteză este de cca. 1,6 10 21 kJ pe an, ceea ce este de aproximativ 10 ori mai mare decât cel actual. energic. consumul uman. Aproximativ jumătate din energia radiației solare cade în regiunea vizibilă a spectrului (lungimea de undă l de la 400 la 700 nm), care este utilizată pentru fotosinteză (radiație activă fiziologic sau PAR). Radiația IR nu este potrivită pentru fotosinteza producătoare de oxigen (plante superioare și alge), dar este folosită de anumite bacterii fotosintetice.

Datorită faptului că alcătuiesc principalul masa de produse biosintetice. activități din plante, chimie. Rata de fotosinteză este de obicei scrisă astfel:

Pentru această p-țiune 469,3 kJ / , o scădere de 30,3 J / (K mol), -479 kJ / . Consumul cuantic al fotosintezei pentru algele unicelulare în laborator. condiţiile este de 8-12 cuante per CO 2 . Utilizarea în timpul fotosintezei a energiei radiației solare care ajunge la suprafața pământului nu depășește 0,1% din PAR total. Naib. Plantele productive (de exemplu trestia de zahăr) absorb cca. 2% din energia radiației incidente, iar culturile - până la 1%. De obicei, productivitatea totală a fotosintezei este limitată de conținutul de CO 2 în (0,03-0,04% în volum), intensitatea luminii și t-swarm. Frunzele mature de spanac într-o compoziție normală la 25 0 C în lumina intensității saturante (sub lumina soarelui) dau mai multe. litri de O 2 pe oră pe gram sau pe kilogram uscat. Pentru algele Chlorella pyrenoidosa la 35 0 C, o creștere a CO 2 de la 0,03 la 3% permite o creștere a producției de O 2 de 5 ori, astfel de activare este limita.

Fotosinteza bacteriană și viteza totală de fotosinteză. Odată cu fotosinteza plantelor și algelor superioare, însoțită de eliberarea de O 2, fotosinteza bacteriană se realizează în natură, în Krom nu este oxidată, ci alți compuși cu restaurează mai pronunțat. Sf. tu, de exemplu. H2S, SO2. în timpul fotosintezei bacteriene nu este eliberată, de exemplu:

Bacteriile fotosintetice sunt capabile să utilizeze nu numai radiația vizibilă, ci și aproape IR (până la 1000 nm) în conformitate cu spectrele de absorbție ale bacterioclorofilelor care predomină în ele. Fotosinteza bacteriană nu este esențială pentru stocarea globală a energiei solare, dar este importantă pentru înțelegerea mecanismelor generale ale fotosintezei. În plus, fotosinteza anoxică locală poate avea o contribuție semnificativă la productivitatea totală a planctonului. Deci, în Marea Neagră, numărul de bacterioclorofile din coloană într-un număr de locuri este aproximativ același.

Luând în considerare datele despre fotosinteza plantelor superioare, algelor și bacteriilor fotosintetice, ecuația generalizată a fotosintezei poate fi scrisă astfel:

F Otosinteza este împărțită spațial și temporal în două procese relativ separate: stadiul de lumină și stadiul de întuneric al CO2 (Fig. 1). Ambele etape se desfășoară la plante superioare și la alge în specialitate. organele - . Excepție fac algele albastre-verzi (cianobacteriile), care nu au un aparat de fotosinteză separat de citoplasmă. .

În reacție. centrul fotosintezei, unde excitația este transferată cu aproape 100% probabilitate, are loc o p-țiune primară între a fotochimic activ (bacterioclorofila în bacterii) și acceptorul primar (PA). Alte districte din tilacoizi apar între în DOS lor. stări și nu necesită excitare prin lumină. Aceste districte sunt organizate într-un lanț de transport de electroni - o secvență de purtători fiși. Lanțul de transport de electroni al plantelor superioare și al algelor conține două fotochimie. centrii (fotosisteme) care acţionează secvenţial (Fig. 2), în lanţul de transport de electroni bacterian - unu (Fig. 3).

În fotosistemul II al plantelor și algelor superioare, singletul excitat a în centrul lui P680 (numărul 680 indică faptul că modificările spectrale maxime ale sistemului la excitarea luminii sunt aproape de 680 nm) dă printr-un acceptor intermediar feofitinei (PHEO, un analog fără magneziu), formând. Anionul radical al feofitinei reduse servește în plus pentru plastochinona legată (HRP*; diferă de substituenții din inelul chinoid) coordonată cu Fe3+ (există un complex similar Fe3+-ubichinonă în bacterii). Apoi este transferat de-a lungul lanțului, inclusiv plastochinona liberă (HRP), care este prezentă în exces față de restul componentelor lanțului, apoi (C) b 6 și f, care formează un complex cu un centru fier-sulf, printr-un care contine cupruplastocianina (PC; mol. w. 10400) la centrul de reacție al fotosistemului I.

Centrele sunt restaurate rapid, cu o serie de intervale. transportatorii din . Formarea O 2 necesită succesiune. excitare cvadrupla a centrului de reactie al fotosistemului P si este catalizata de un complex membranar ce contine Mn.

Fotosistemul I poate acționa autonom fără contact cu sistemul II. În acest caz, ciclic transferul (indicat în linie punctată în diagramă) este însoțit de NADPH, nu de NADPH. Format în stadiul de lumină

NADPH și sunt utilizate în stadiul întunecat al fotosintezei, în timpul căreia NADP și se formează din nou.

Lanțurile de transport de electroni ale bacteriilor fotosintetice sunt în principalele lor caracteristici similare cu fragmentele individuale ale celor din clorofilele plantelor superioare. Pe fig. 3 prezintă lanțul de transport de electroni al bacteriilor violete.

Etapa întunecată a fotosintezei. Toate fotosintetice, producând O 2, precum și unele bacterii fotosintetice, mai întâi reduc CO 2 la așa-numitul. ciclul Calvin. În bacteriile fotosintetice, aparent, apar și alte mecanisme. Cea mai mare parte a ciclului Calvin se găsește în stare solubilă în stromă.

O diagramă ciclului simplificată este prezentată în fig. 4. Prima etapă - ribuloză-1,5-difosfat și hidroliza produsului cu formarea a doi 3-fosfoglicerol pentru tine. Acest acid C3 este fosforilat pentru a forma 3-fosfogliceroilfosfat, care este apoi redus de NADPH la gliceraldehidă-3-fosfat. Trioza fosfat rezultată intră apoi într-o serie de p-tions și rearanjamente, dând 3 ribuloză-5-fosfat. Acesta din urmă este fosforilat cu participarea cu formarea de rio-loso-1,5-difosfat și, astfel, ciclul se închide. Unul dintre cei 6 gliceraldehide-3-fosfat formați este transformat în glucoză-6-fosfat și apoi folosit pentru sinteza sau eliberat din. Gliceraldehida-3-fosfatul poate fi, de asemenea, transformat în 3-glicerofosfat și apoi în. Trioso, provenind din , sunt convertite în main. c, marginile sunt transferate de la frunză în alte părți ale plantei.

Într-o tură completă a ciclului Calvin, 9 și 6 NADPH sunt consumate pentru a forma un acid 3-fosfoglicerol. Energie eficiența ciclului (raportul dintre energia fotonică necesară pentru fotosinteză și formarea NADPH-ului DG 0 din CO 2 ), luând în considerare cei activi în stromă, este de 83%. Nu există substanțe fotochimice în ciclul Calvin în sine. stadii, dar stadiile de lumină îl pot afecta indirect (inclusiv raioanele care nu necesită sau NADPH) prin modificări ale Mg 2+ și H +, precum și ale nivelului de reducere.

Unele plante superioare care s-au adaptat la o intensitate ridicată a luminii și la climate calde (de exemplu trestia de zahăr, porumb) sunt capabile să prefixeze CO 2 în plus. C 4 cicluri. În același timp, CO 2 este mai întâi inclus în schimbul de acizi dicarboxilici cu patru atomi de carbon, care sunt apoi decarboxilați acolo unde este localizat ciclul Calvin. C 4 -Ciclul este caracteristic plantelor cu un aspect anatomic deosebit. Structura frunzelor și împărțirea funcțiilor între două tipuri de cactusi, lapte și alte plante rezistente la secetă, este caracteristică o separare parțială a fixării CO 2 și fotosintezei în timp (schimb CAM sau schimb de tip Crassulaceae; CAM prescurtat din limba engleză Crassulaceae metabolism acid. ). În timpul zilei, stomatele (canale prin care se realizează schimbul de gaze) sunt închise pentru a se reduce. În același timp, aprovizionarea cu CO 2 este și dificilă. Noaptea, stomatele se deschid, CO2 este fixat sub formă de acid fosfoenol-piruvic pentru a forma acizi C4, care sunt decarboxilați în timpul zilei, iar CO2 eliberat în același timp este inclus în ciclul Calvin (Fig. 6).

Fotosinteza halobacteriilor. Singura modalitate non-clorofilă de stocare a energiei luminoase cunoscută în natură este realizată de bacteria Halobacterium halobium. Ha lumină puternică cu o concentrație redusă de clorofilă. Acest lucru a fost în cele din urmă dovedit prin spectrometrie de masă. metoda (S. Ruben, M. Kamen, precum și A.P. Vinogradov și R.V. Teis, 1941).

În 1935-41, K. Van Niel a rezumat datele despre fotosinteza plantelor și bacteriilor superioare și a propus o ecuație generală care să acopere toate tipurile de fotosinteză.X. Gaffron și K. Wohl, precum și L. Duysens în 1936-52 pe baza cantităților. măsurătorile randamentului produselor de fotosinteză a luminii absorbite și a conținutului au formulat conceptul de „unitate fotosintetică” - un ansamblu care realizează colectarea luminii și servește fotochimiei. Centru.

În anii 40-50. M. Calvin, folosind 14 C, a dezvăluit mecanismul fixării CO 2 . D. Arnon (1954) a descoperit fotofosforilarea (iniţiată de lumina din şi H 3 PO 4) şi a formulat conceptul de transport de electroni în . P. Emerson și Ch.M. Lewis (1942-43) a constatat o scădere bruscă a eficienței fotosintezei la 700 nm (cădere roșie sau primul efect Emerson), iar în 1957 Emerson a observat o creștere non-aditivă a fotosintezei atunci când s-a adăugat lumină de intensitate scăzută cu650 nm până la lumină roșie îndepărtată (efect de amplificare sau al doilea efect Emerson). Despre asta în anii 60. a formulat ideea de a acționa consecventfotosisteme din lanțul de transport de electroni al fotosintezei cu maxime în spectrele de acțiune aproape de 680 și 700 HM.

Principal legile de formare a O 2 at în fotosinteză au fost stabilite în lucrările lui B. Kok și P. Joliot (1969-70). Clarificarea debarcaderului este aproape de finalizare. organizarea complexului membranar care catalizează acest proces. În anii 80. structura componentelor individuale ale fotosintetice a fost studiată în detaliu prin metoda. aparate, inclusiv centre de reacție și complexe de recoltare a luminii (I. Deizenhofer, X. Michel, P. Huber).

Lit.: Clayton R., Photosyntech. Mecanisme fizice și modele chimice, trad. din engleză, M., 1984; „J. All-Russian Chemical Society numit după D.I. Mendeleev”, 1986, v. 31, No. 6; Fotosinteza, ed. Govinji, trad. din engleză, vol. 1-2, M., 1987; Rezultatele științei și tehnologiei, . Biofizica, vol. 20-22, M., 1987. M.G. Goldfeld.

Viața umană, ca toate ființele vii de pe Pământ, este imposibilă fără respirație. Respirăm oxigen din aer și expirăm dioxid de carbon. De ce nu se epuizează oxigenul? Se pare că aerul din atmosferă este alimentat continuu cu oxigen. Și această saturație are loc tocmai datorită fotosintezei.

Fotosinteza - simplă și clară!

Toată lumea trebuie să înțeleagă ce este fotosinteza. Pentru a face acest lucru, nu trebuie să scrieți deloc formule complexe, este suficient să înțelegeți importanța și magia acestui proces.

Rolul principal în procesul de fotosinteză este jucat de plante - iarbă, copaci, arbuști. În frunzele plantelor de milioane de ani are loc o transformare uimitoare a dioxidului de carbon în oxigen, care este atât de necesară vieții pentru ca iubitorii să respire. Să încercăm să dezasamblam întregul proces de fotosinteză în ordine.

1. Plantele preiau apă din sol cu ​​minerale dizolvate în el - azot, fosfor, mangan, potasiu, diverse săruri - peste 50 de elemente chimice diferite în total. Plantele au nevoie de el pentru nutriție. Dar plantele primesc doar 1/5 din substanțele necesare de pe pământ. Celelalte 4/5 ies din aer!

2. Plantele absorb dioxidul de carbon din aer. Același dioxid de carbon pe care îl expirăm în fiecare secundă. Plantele respiră dioxid de carbon, la fel cum respirăm noi oxigen. Dar nici asta nu este suficient.

3. O componentă indispensabilă într-un laborator natural este lumina soarelui. Razele soarelui din frunzele plantelor trezesc o reacție chimică extraordinară. Cum se întâmplă?

4. Există o substanță uimitoare în frunzele plantelor - clorofilă. Clorofila este capabilă să capteze fluxul de lumină solară și să proceseze neobosit apa primită, microelementele, dioxidul de carbon în substanțe organice necesare oricărei creaturi vii de pe planeta noastră. În acest moment, plantele eliberează oxigen în atmosferă! Această lucrare a clorofilei este pe care oamenii de știință o numesc un cuvânt compus - fotosinteză.

O prezentare pe tema Fotosinteza poate fi descărcată de pe portalul educațional

Deci de ce este iarba verde?

Acum că știm că celulele vegetale conțin clorofilă, la această întrebare este foarte ușor de răspuns. Nu fără motiv, din limba greacă veche, clorofila este tradusă ca „frunză verde”. Pentru fotosinteză, clorofila folosește toate razele de soare, cu excepția verdelui. Vedem iarbă, frunzele plantelor sunt verzi tocmai pentru că clorofila este verde.

Sensul fotosintezei.

Importanța fotosintezei nu poate fi supraestimată - fără fotosinteză, prea mult dioxid de carbon s-ar acumula în atmosfera planetei noastre, majoritatea organismelor vii pur și simplu nu ar putea respira și ar muri. Pământul nostru s-ar transforma într-o planetă fără viață. Pentru a preveni acest lucru, fiecare persoană de pe planeta Pământ trebuie să-și amintească că suntem foarte datori plantelor.

De aceea este atât de important să facem cât mai multe parcuri și spații verzi în orașe. Protejați taiga și jungla de distrugere. Sau doar plantează un copac lângă casă. Sau rupe ramuri. Doar participarea fiecărei persoane de pe planeta Pământ va ajuta la salvarea vieții pe planeta lor natală.

Dar importanța fotosintezei nu se limitează la conversia dioxidului de carbon în oxigen. În urma fotosintezei, s-a format stratul de ozon în atmosferă, protejând planeta de razele ultraviolete dăunătoare. Plantele sunt hrana pentru majoritatea viețuitoarelor de pe Pământ. Mâncarea este necesară și utilă. Nutriția plantelor este, de asemenea, un merit al fotosintezei.

Recent, clorofila a fost utilizată activ în medicină. Oamenii știu de mult că animalele bolnave mănâncă instinctiv frunze verzi pentru a se vindeca. Oamenii de știință au descoperit că clorofila este similară cu substanța din celulele sanguine umane și poate face adevărate minuni.

Fotosinteza este biosinteza, constand in conversia energiei luminoase in compusi organici. Lumina sub formă de fotoni este captată de un pigment colorat asociat cu un donor de electroni anorganici sau organici și permite ca materialul mineral să fie utilizat pentru sinteza (producția) compușilor organici.

Cu alte cuvinte, ce este fotosinteza - acesta este procesul de sinteză a materiei organice (zahăr) din lumina soarelui. Această reacție are loc la nivelul cloroplastelor, care sunt organite celulare specializate care permit consumarea dioxidului de carbon și a apei pentru a produce dioxigen și molecule organice precum glucoza.

Se desfășoară în două faze:

Faza de lumină (fotofosforilare) - este un set de reacții fotochimice dependente de lumină (adică de captare a luminii) în care electronii sunt transportați prin ambele fotosisteme (PSI și PSII) pentru a produce ATP (moleculă bogată în energie) și NADPHH (potențial de reducere) .

Astfel, faza luminoasă a fotosintezei permite conversia directă a energiei luminoase în energie chimică. Prin acest proces, planeta noastră are acum o atmosferă bogată în oxigen. Drept urmare, plantele superioare au reușit să domine suprafața Pământului, oferind hrană pentru multe alte organisme care se hrănesc sau își găsesc adăpost prin el. Atmosfera originală conținea gaze precum amoniu, azot și dioxid de carbon, dar foarte puțin oxigen. Plantele au găsit o modalitate de a transforma acest CO2 atât de abundent în hrană folosind lumina soarelui.

Faza întunecată corespunde ciclului Calvin complet enzimatic și independent de lumină, în care adenozin trifosfat (ATP) și NADPH+H+ (nicotină amidă adenin dinucleotidă fosfat) sunt folosite pentru a transforma dioxidul de carbon și apa în carbohidrați. Această a doua fază permite absorbția dioxidului de carbon.

Adică în această fază a fotosintezei, la aproximativ cincisprezece secunde după absorbția CO, are loc o reacție de sinteză și apar primii produși ai fotosintezei - zaharuri: trioze, pentoze, hexoze, heptoze. Din anumite hexoze se formează zaharoza și amidonul. Pe lângă carbohidrați, aceștia se pot transforma și în lipide și proteine ​​prin legarea de o moleculă de azot.

Acest ciclu există în alge, plante temperate și toți copacii; aceste plante se numesc „plante C3”, cele mai importante corpuri intermediare ale ciclului biochimic, având o moleculă de trei atomi de carbon (C3).

În această fază, clorofila, după absorbția unui foton, are o energie de 41 kcal pe mol, dintre care o parte este transformată în căldură sau fluorescență. Utilizarea markerilor izotopici (18O) a arătat că oxigenul eliberat în timpul acestui proces provine din apa descompusă și nu din dioxidul de carbon absorbit.

Fotosinteza are loc în principal în frunzele plantelor și rar (niciodată) în tulpini etc. Părțile unei frunze tipice includ: epiderma superioară și inferioară;

• mezofila;
• fascicul vascular (vene);
• stomate.

Dacă celulele epidermei superioare și inferioare nu sunt cloroplaste, fotosinteza nu are loc. De fapt, ele servesc în primul rând ca protecție pentru restul frunzei.

Stomatele sunt găuri care se găsesc în principal în epiderma inferioară și permit schimbul de aer (CO și O2). Mănunchiurile vasculare (sau venele) din frunză fac parte din sistemul de transport al plantei, mișcând apa și nutrienții în jurul plantei după cum este necesar. Celulele mezofile au cloroplaste, acesta este locul fotosintezei.

Mecanismul fotosintezei este foarte complex.. Cu toate acestea, aceste procese în biologie sunt de o importanță deosebită. Când sunt expuse la lumină puternică, cloroplastele (părțile unei celule vegetale care conțin clorofilă), intrând într-o reacție de fotosinteză, combină dioxidul de carbon (CO) cu apa dulce pentru a forma zaharuri C6H12O6.

Ele sunt transformate în amidon C6H12O5 în timpul reacției, pentru un decimetru pătrat de suprafață a frunzei, în medie 0,2 g de amidon pe zi. Întreaga operațiune este însoțită de o eliberare puternică de oxigen.

De fapt, procesul de fotosinteză constă în principal din fotoliza unei molecule de apă.

Formula pentru acest proces este:

6 H 2 O + 6 CO 2 + lumină \u003d 6 O 2 + C 6 H 12 O 6

Apa + dioxid de carbon + lumina = oxigen + glucoza

• H2O = apă
• CO 2 = dioxid de carbon
• O 2 = Oxigen
• C 6 H 12 O 6 \u003d glucoză

În traducere, acest proces înseamnă: o plantă are nevoie de șase molecule de apă + șase molecule de dioxid de carbon și lumină pentru a intra într-o reacție. Acest lucru are ca rezultat formarea a șase molecule de oxigen și glucoză într-un proces chimic. Glucoza este glucoză, pe care planta îl folosește ca materie primă pentru sinteza grăsimilor și proteinelor. Șase molecule de oxigen sunt doar un „rău necesar” pentru plantă, pe care îl livrează mediului prin celulele care se închid.

După cum sa menționat deja, carbohidrații sunt cel mai important produs organic direct al fotosintezei în majoritatea plantelor verzi. În plante se formează puțină glucoză liberă; în schimb, unitățile de glucoză sunt legate pentru a forma amidon sau combinate cu fructoză, un alt zahăr, pentru a forma zaharoză.

Fotosinteza produce mai mult decât carbohidrați., așa cum se credea cândva, dar și:

• aminoacizi;
• proteine;
• lipide (sau grăsimi);
• pigmenți și alte componente organice ale țesuturilor verzi.

Mineralele furnizează elementele (de exemplu, azot, N; fosfor, P; sulf, S) necesare formării acestor compuși.

Legăturile chimice sunt rupte între oxigen (O) și carbon (C), hidrogen (H), azot și sulf și se formează noi compuși în produse care includ oxigen gazos (O 2 ) și compuși organici. Pentru a rupe legăturile dintre oxigenși alte elemente (cum ar fi apa, nitratul și sulfatul) necesită mai multă energie decât este eliberată atunci când se formează noi legături în produse. Această diferență în energia de legare explică o mare parte din energia luminoasă stocată ca energie chimică în produsele organice produse prin fotosinteză. Energia suplimentară este stocată atunci când se creează molecule complexe din cele simple.

Factorii care afectează viteza fotosintezei

Viteza de fotosinteză este determinată în funcție de rata de producție de oxigen fie pe unitate de masă (sau suprafață) a țesuturilor plantelor verzi, fie pe unitate de greutate a clorofilei totale.

Cantitatea de lumină, furnizarea de dioxid de carbon, temperatura, alimentarea cu apă și disponibilitatea mineralelor sunt cei mai importanți factori de mediu care afectează rata reacției de fotosinteză la plantele de pe uscat. Viteza sa este determinată și de specia de plante și de starea sa fiziologică, cum ar fi sănătatea, maturitatea și înflorirea.

Fotosinteza are loc exclusiv în cloroplastele (clorul grecesc = verde, ca foaie) ale plantei. Cloroplastele se găsesc preponderent în palisade, dar și în țesutul spongios. Pe partea inferioară a frunzei se află celule de blocare care coordonează schimbul de gaze. CO 2 curge în celulele intercelulare din exterior.

Apa necesară pentru fotosinteză, transportă planta din interior prin xilem în celule. Clorofila verde asigură absorbția luminii solare. După ce dioxidul de carbon și apa sunt transformate în oxigen și glucoză, celulele care se închid se deschid și eliberează oxigen în mediu. Glucoza rămâne în celulă și este transformată de plantă, printre altele, în amidon. Rezistența este comparată cu polizaharida de glucoză și este doar puțin solubilă, deci chiar și în pierderi mari de apă în rezistența reziduurilor vegetale.

Importanța fotosintezei în biologie

Din lumina primită de foaie, 20% este reflectată, 10% este transmisă și 70% este efectiv absorbită, din care 20% este disipată în căldură, 48% se pierde în fluorescență. Aproximativ 2% rămân pentru fotosinteză.

Prin acest proces, plantele joacă un rol indispensabil pe suprafața Pământului; de fapt, plantele verzi cu unele grupe de bacterii sunt singurele ființe vii capabile să producă substanțe organice din elemente minerale. Se estimează că în fiecare an 20 de miliarde de tone de carbon sunt fixate de plantele terestre din dioxidul de carbon din atmosferă și 15 miliarde de alge.

Plantele verzi sunt principalii producători primari, prima verigă a lanțului alimentar; plantele non-clorofile și erbivore și carnivore (inclusiv oameni) sunt complet dependente de reacția de fotosinteză.

Definiție simplificată a fotosintezei este de a transforma energia luminoasă de la soare în energie chimică. Această biosinteză de carbohidrați fotonici este produsă din dioxid de carbon CO2 folosind energia luminii.

Adică, fotosinteza este rezultatul activității chimice (sintezei) plantelor cu clorofilă, care produc principalele substanțe organice biochimice din apă și săruri minerale datorită capacității cloroplastelor de a capta o parte din energia solară.

Fotosinteza este un set de procese pentru formarea energiei luminoase în energia legăturilor chimice ale substanțelor organice cu participarea coloranților fotosintetici.

Acest tip de nutriție este tipic pentru plante, procariote și unele tipuri de eucariote unicelulare.

În sinteza naturală, carbonul și apa, în interacțiune cu lumina, sunt transformate în glucoză și oxigen liber:

6CO2 + 6H2O + energie luminoasă → C6H12O6 + 6O2

Fiziologia modernă a plantelor sub conceptul de fotosinteză înțelege funcția fotoautotrofă, care este un set de procese de absorbție, transformare și utilizare a cuantelor de energie luminoasă în diferite reacții nespontane, inclusiv conversia dioxidului de carbon în materie organică.

faze

Fotosinteza la plante apare în frunze prin intermediul cloroplastelor- organite semiautonome cu două membrane aparținând clasei plastidelor. Cu o formă plată a plăcilor din tablă, sunt asigurate absorbția de înaltă calitate și utilizarea deplină a energiei luminoase și a dioxidului de carbon. Apa necesară pentru sinteza naturală provine de la rădăcini prin țesutul conducător de apă. Schimbul de gaze are loc prin difuzie prin stomate și parțial prin cuticulă.

Cloroplastele sunt umplute cu o stromă incoloră și impregnate cu lamele, care, atunci când sunt combinate între ele, formează tilacoizi. Aici are loc fotosinteza. Cianobacteriile în sine sunt cloroplaste, astfel încât aparatul pentru sinteza naturală din ele nu este izolat într-un organel separat.

Fotosinteza continuă cu participarea pigmenților care sunt de obicei clorofile. Unele organisme conțin un alt pigment - un carotenoid sau ficobilină. Procariotele posedă pigmentul bacterioclorofilă, iar aceste organisme nu eliberează oxigen după terminarea sintezei naturale.

Fotosinteza trece prin două faze - lumină și întuneric. Fiecare dintre ele se caracterizează prin anumite reacții și substanțe care interacționează. Să luăm în considerare mai detaliat procesul fazelor fotosintezei.

Luminos

Prima fază a fotosintezei caracterizat prin formarea de produse cu înaltă energie, care sunt ATP, o sursă celulară de energie și NADP, un agent reducător. La sfârșitul etapei, oxigenul se formează ca produs secundar. Etapa de lumină are loc în mod necesar cu lumina soarelui.

Procesul de fotosinteză are loc în membranele tilacoide cu participarea proteinelor purtătoare de electroni, ATP sintetaza și clorofila (sau alt pigment).

Funcționarea circuitelor electrochimice, prin care transferul de electroni și protoni parțial de hidrogen, se formează în complexe complexe formate din pigmenți și enzime.

Descrierea procesului fazei ușoare:

1. Când lumina soarelui lovește plăcile de frunze ale organismelor vegetale, electronii clorofilei sunt excitați în structura plăcilor;
2. În starea activă, particulele părăsesc molecula de pigment și intră în partea exterioară a tilacoidului, care este încărcat negativ. Aceasta are loc concomitent cu oxidarea și reducerea ulterioară a moleculelor de clorofilă, care preiau următorii electroni din apa care a intrat în frunze;
3. Apoi fotoliza apei are loc cu formarea de ioni care donează electroni și sunt transformați în radicali OH care pot participa la reacții în viitor;
4. Acești radicali se combină apoi pentru a forma molecule de apă și oxigen liber care scapă în atmosferă;
5. Membrana tilacoidă capătă, pe de o parte, o sarcină pozitivă datorită ionului de hidrogen, iar pe de altă parte, o sarcină negativă datorată electronilor;
6. Cu o diferență de 200 mV între părțile laterale ale membranei, protonii trec prin enzima ATP sintetaza, ceea ce duce la conversia ADP în ATP (proces de fosforilare);
7. Cu hidrogenul atomic eliberat din apă, NADP + este redus la NADP H2;

În timp ce oxigenul liber este eliberat în atmosferă în timpul reacțiilor, ATP și NADP H2 participă la faza întunecată a sintezei naturale.

Întuneric

O componentă obligatorie pentru această etapă este dioxidul de carbon., pe care plantele o absorb constant din mediul extern prin stomatele din frunze. Procesele fazei întunecate au loc în stroma cloroplastei. Deoarece în această etapă nu este necesară multă energie solară și va fi suficient ATP și NADP H2 obținut în timpul fazei de lumină, reacțiile în organisme pot avea loc atât ziua, cât și noaptea. Procesele în această etapă sunt mai rapide decât în ​​etapa anterioară.

Totalitatea tuturor proceselor care au loc în faza întunecată este prezentată ca un fel de lanț de transformări succesive ale dioxidului de carbon provenind din mediul extern:

1. Prima reacție dintr-un astfel de lanț este fixarea dioxidului de carbon. Prezența enzimei RiBP-carboxilază contribuie la curgerea rapidă și lină a reacției, care are ca rezultat formarea unui compus cu șase atomi de carbon, descompunându-se în 2 molecule de acid fosfogliceric;
2. Apoi are loc un ciclu destul de complex, care include un anumit număr de reacții, după care acidul fosfogliceric este transformat în zahăr natural - glucoză. Acest proces se numește ciclul Calvin;

Împreună cu zahărul are loc și formarea de acizi grași, aminoacizi, glicerol și nucleotide.

Esența fotosintezei

Din tabelul de comparații ale fazelor luminoase și întunecate ale sintezei naturale, se poate descrie pe scurt esența fiecăreia dintre ele. Faza de lumină are loc în boabele cloroplastei cu includerea obligatorie a energiei luminoase în reacții. Reacțiile implică componente precum proteinele purtătoare de electroni, ATP sintetaza și clorofila, care, atunci când interacționează cu apa, formează oxigen liber, ATP și NADP H2. Pentru faza întunecată care apare în stroma cloroplastului, lumina soarelui nu este esențială. ATP și NADP H2 obținute în ultima etapă, atunci când interacționează cu dioxidul de carbon, formează zahăr natural (glucoză).

După cum se poate observa din cele de mai sus, fotosinteza pare a fi un fenomen destul de complex și cu mai multe etape, incluzând multe reacții în care sunt implicate diferite substanțe. Ca urmare a sintezei naturale, se obține oxigenul, care este necesar pentru respirația organismelor vii și pentru protecția acestora de radiațiile ultraviolete prin formarea stratului de ozon.