A fotoszintézis a növényekben történik. A fotoszintézis fogalma és általános jellemzői, a fotoszintézis jelentése

Tudtad, hogy minden zöld levél egy miniatűr "gyár" tápanyagokés oxigén, amely nemcsak az állatok, hanem az emberek normális életéhez is szükséges. A fotoszintézis az a folyamat, amikor ezeket az anyagokat vízből és a légkörből származó szén-dioxidot állítják elő. Ez egy nagyon összetett kémiai folyamat, amely fény részvételével megy végbe. Kétségtelenül mindenkit érdekel, hogyan megy végbe a fotoszintézis folyamata. A folyamat két szakaszból áll: az első szakasz a fénykvantumok elnyelése, a második szakasz pedig az energiájuk felhasználása különböző kémiai reakciókban.

Hogyan zajlik a fotoszintézis folyamata?
A növények a fényt egy zöld anyag, az úgynevezett klorofill segítségével veszik fel. A klorofill a kloroplasztiszokban található, amelyek a gyümölcsökben és a szárban találhatók. De különösen nagy számban találhatók belőlük a szórólapok, mivel egy szórólap meglehetősen egyszerű szerkezete miatt nagy mennyiségű fényt képes vonzani, és ennek megfelelően sokkal több energiát kap a fotoszintézis folyamatához.
A klorofill abszorpció után gerjesztett állapotban van, és energiát ad át a növényi szervezet más molekuláinak, különösen azok kapják meg, amelyek közvetlenül részt vesznek a fotoszintézisben. A fotoszintézis folyamatának második szakasza a fény kötelező részvétele nélkül történik, és kémiai kötés létrehozásából áll szén-dioxid részvételével, amelyet vízből és levegőből nyernek. Ebben a szakaszban megtörténik az élet számára nagyon hasznos anyagok, például a glükóz és a keményítő szintézise.

A növények maguk is használják ezeket a szerves anyagokat különböző részeinek táplálására, valamint a normális élet fenntartására. Ezenkívül ezeket az anyagokat olyan állatok is nyerik, amelyek növényekkel táplálkoznak. Az ember ezeket az anyagokat növényi és állati eredetű termékek fogyasztásával kapja meg.

Fotoszintézis feltételei
A fotoszintézis folyamata nemcsak mesterséges fény, hanem napfény hatására is végbemehet. A természetben a növények általában a tavaszi-nyári időszakban intenzíven végzik tevékenységüket, vagyis olyan időszakban, amikor sok napfényre van szükség. Az őszi időszakban kevesebb a fény, a nappal lerövidül, a levelek sárgulnak, majd lehullanak. De amint feltűnik a meleg tavaszi nap, felébred a zöld lomb, és a zöld „gyárak” ismét folytatják munkájukat, hogy az élethez oly szükséges nagy mennyiségű tápanyagot és oxigént biztosítsanak.

Hol zajlik a fotoszintézis folyamata?
A fotoszintézis főleg a növények leveleiben játszódik le, amint azt fentebb említettük, ha emlékszel, azért, mert ezek képesek nagy mennyiségű fényt felvenni, ami annyira szükséges a fotoszintézis folyamatához.

Összefoglalva elmondhatjuk, hogy egy ilyen folyamat, mint a fotoszintézis, a növényi élet szerves része. Reméljük, hogy cikkünk sokaknak segített megérteni, mi is az a fotoszintézis, és miért van rá szükség.

Egy csodálatos és olyan életbevágóan fontos jelenség, mint a fotoszintézis felfedezésének története mélyen a múltban gyökerezik. Több mint négy évszázaddal ezelőtt, 1600-ban Jan Van - Helmont belga tudós egyszerű kísérletet állított fel. Egy fűzfaágat tett egy zacskóba, amelyben 80 kg föld volt. A tudós feljegyezte a fűz kezdeti súlyát, majd öt évig kizárólag esővízzel öntötte a növényt. Mi volt Jan Van - Helmont meglepetése, amikor újra lemérte a fűzfát. A növény tömege 65 kg-mal nőtt, a föld tömege pedig mindössze 50 grammal csökkent! Honnan jutott a növény 64 kg 950 g tápanyag a tudós számára rejtély maradt!

A következő jelentős kísérlet a fotoszintézis felfedezéséhez vezető úton Joseph Priestley angol kémikusé volt. A tudós egy egeret tett a sapka alá, és öt óra múlva a rágcsáló elpusztult. Amikor Priestley mentaszálat helyezett az egérrel, és a rágcsálót is letakarta sapkával, az egér életben maradt. Ez a kísérlet arra a gondolatra vezette a tudóst, hogy létezik a légzéssel ellentétes folyamat. Jan Ingenhaus 1779-ben megállapította, hogy csak a növények zöld részei képesek oxigén felszabadítására. Három évvel később Jean Senebier svájci tudós bebizonyította, hogy a szén-dioxid a napfény hatására lebomlik a növények zöld organellumában. Alig öt évvel később Jacques Bussingault francia tudós, laboratóriumi kutatásokat végzett, felfedezte, hogy a növények vízfelvétele szerves anyagok szintézise során is megtörténik. 1864-ben mérföldkőnek számító felfedezést tett Julius Sachs német botanikus. Be tudta bizonyítani, hogy az elfogyasztott szén-dioxid és a felszabaduló oxigén térfogata 1:1 arányban fordul elő.

A fotoszintézis az egyik legfontosabb biológiai folyamat

Tudományos kifejezéssel a fotoszintézis (ógörögül φῶς - fény és σύνθεσις - kapcsolódás, kötés) egy olyan folyamat, amelynek során szén-dioxidból és vízből szerves anyagok képződnek a fény hatására. Ebben a folyamatban a főszerep a fotoszintetikus szegmenseké.

Képletesen szólva egy növény levele egy laboratóriumhoz hasonlítható, amelynek ablakai a napos oldalra néznek. Ebben fordul elő szerves anyagok képződése. Ez a folyamat az alapja minden élet létezésének a Földön.

Sokan jogosan teszik fel a kérdést: mit lélegeznek az emberek, akik a városban élnek, ahol nem csak fák vannak, és napközben nem talál fűszálakat tűzzel. A válasz nagyon egyszerű. A helyzet az, hogy a szárazföldi növények a növények által felszabaduló oxigénnek csak 20%-át teszik ki. Az algák fontos szerepet játszanak a légköri oxigéntermelésben. Ezek adják a termelt oxigén 80%-át. A számok nyelvén a növények és az algák egyaránt 145 milliárd tonna (!) oxigént juttatnak a légkörbe évente! Nem csoda, hogy a világ óceánjait "a bolygó tüdejének" nevezik.

Általános képlet a fotoszintézis így néz ki:

Víz + Szén-dioxid + Fény → Szénhidrátok + Oxigén

Miért van szükségük a növényeknek fotoszintézisre?

Mint láttuk, a fotoszintézis az szükséges feltétel emberi létezés a földön. Azonban nem ez az egyetlen oka annak, hogy a fotoszintetikus szervezetek aktívan termelnek oxigént a légkörbe. Az a helyzet, hogy az algák és a növények is évente több mint 100 milliárd szerves anyagot (!) képeznek, amelyek élettevékenységük alapját képezik. Emlékezve Jan Van Helmont kísérletére, megértjük, hogy a fotoszintézis a növényi táplálkozás alapja. Tudományosan bizonyított, hogy a termés 95% -át a növény által a fotoszintézis során nyert szerves anyagok határozzák meg, és 5% -át - azok az ásványi műtrágyák, amelyeket a kertész a talajba visz.

A modern nyári lakosok a növények talajtáplálására összpontosítanak, megfeledkezve a levegő táplálkozásáról. Nem ismert, hogy a kertészek milyen termést kaphatnának, ha odafigyelnének a fotoszintézis folyamatára.

Azonban sem a növények, sem az algák nem tudnának ilyen aktívan oxigént és szénhidrátot előállítani, ha nem lenne elképesztő zöld pigmentjük - klorofill.

A zöld pigment titka

A fő különbség a növényi sejtek és más élő szervezetek sejtjei között a klorofill jelenléte. Egyébként ő a bűnös azért, hogy a növények levelei pontosan be vannak festve zöld szín. Ennek az összetett szerves vegyületnek van egy csodálatos tulajdonsága: képes elnyelni a napfényt! A klorofillnak köszönhetően lehetővé válik a fotoszintézis folyamata.

A fotoszintézis két szakasza

Leegyszerűsítve a fotoszintézis egy olyan folyamat, amelyben a növény által a fényben klorofill segítségével felvett víz és szén-dioxid cukrot és oxigént képez. Így a szervetlen anyagok csodával határos módon szerves anyagokká alakulnak. A keletkező cukor a növények energiaforrása.

A fotoszintézisnek két szakasza van: világos és sötét.

A fotoszintézis könnyű fázisa

A tilakoid membránokon fordul elő.

A tilakoid membránnal határolt struktúrák. A kloroplasztisz strómájában helyezkednek el.

A fotoszintézis fényszakaszának eseménysora:

1. Fény éri a klorofill molekulát, amelyet aztán a zöld pigment elnyel, és gerjesztett állapotba hozza. A molekulában lévő elektron magasabb szintre kerül, részt vesz a szintézis folyamatában.
2. Van egy vízhasadás, melynek során az elektronok hatására a protonok hidrogénatomokká alakulnak. Ezt követően szénhidrátok szintézisére fordítják.
3. A könnyű szakasz utolsó szakaszában az ATP (adenozin-trifoszfát) szintetizálódik. Ez egy szerves anyag, amely a biológiai rendszerekben univerzális energiaakkumulátor szerepét tölti be.

A fotoszintézis sötét fázisa

A sötét fázis helye a kloroplasztiszok stromája. A sötét fázisban oxigén szabadul fel, és glükóz szintetizálódik. Sokan azt gondolják, hogy ez a szakasz azért kapott ilyen nevet, mert a szakasz keretein belül zajló folyamatok kizárólag éjszaka zajlanak. Valójában ez nem teljesen igaz. A glükóz szintézis éjjel-nappal történik. A tény az, hogy ebben a szakaszban már nem fogyasztják a fényenergiát, ami azt jelenti, hogy egyszerűen nincs rá szükség.

A fotoszintézis jelentősége a növények számára

Azt már megállapítottuk, hogy a növényeknek nem kevésbé van szükségük a fotoszintézisre, mint nekünk. A fotoszintézis skálájáról nagyon könnyű a számok nyelvén beszélni. A tudósok számításai szerint csak a szárazföldi növények tárolnak annyi napenergiát, amennyit 100 megaváros 100 év alatt el tud használni!

A növényi légzés a fotoszintézissel ellentétes folyamat. A növényi légzés lényege, hogy a fotoszintézis folyamatában energiát szabadít fel és a növények szükségleteire irányítja. Egyszerűen fogalmazva, a betakarítás a különbség a fotoszintézis és a légzés között. Minél több a fotoszintézis és minél alacsonyabb a légzés, annál nagyobb a termés, és fordítva!

A fotoszintézis az a csodálatos folyamat, amely lehetővé teszi az életet a Földön!

A fotoszintézis révén a szárazföldi növények kb. 1,8·10 11 tonna száraz biomassza évente; megközelítőleg ugyanannyi növényi biomassza képződik évente az óceánokban. tropikus az erdő a teljes szárazföldi fotoszintézis termelés 29%-át teszi ki, és az összes erdőtípus 68%-át teszi ki. A magasabb rendű növények és algák fotoszintézise az egyetlen atm forrás. O 2 .

Földi származás kb. 2,8 milliárd évvel ezelőtt a víz oxidációjának mechanizmusa az O 2 képződésével a legfontosabb esemény a biol. evolúció, amely a Nap fényét tette a szabadság fő forrásává. a bioszféra energiája és a víz - szinte korlátlan hidrogénforrás szintézis be-beélő szervezetekben. Ennek eredményeként a modern légkör összetétele, az O 2 elérhetővé vált az élelmiszerek oxidációjához (lásd: Légzés), és ez a magas élőlények megjelenéséhez vezetett. heterotróf szervezetek (exogén szerves anyagokat használnak szénforrásként).

RENDBEN. 7% org. Az ember a fotoszintézis termékeit élelmiszerként, állati takarmányként, valamint üzemanyagként és építkezésként használja fel. anyag. A fosszilis tüzelőanyagok szintén a fotoszintézis termékei. Fogyasztása kon. 20. század megközelítőleg megegyezik a biomassza növekedésével.

A napsugárzási energia teljes tárolása fotoszintézis termékek formájában kb. évi 1,6 10 21 kJ, ami körülbelül 10-szerese a jelenleginek. energikus. emberi fogyasztás. A napsugárzás energiájának körülbelül a fele esik a spektrum látható tartományára (l hullámhossz 400-700 nm), amelyet a fotoszintézishez (fiziológiailag aktív sugárzás, vagy PAR) használnak. Az infravörös sugárzás nem alkalmas oxigéntermelő szervezetek (magasabbrendű növények és algák) fotoszintézisére, de bizonyos fotoszintetikus baktériumok felhasználják.

Annak a ténynek köszönhetően, hogy a szénhidrátok bioszintetikus termékek tömege. üzemi tevékenységek, kém. A fotoszintézis sebességét általában a következőképpen írják fel:

Ennél a 469,3 kJ/mol p-ionnál az entrópia csökkenése 30,3 J/(K mol), -479 kJ/mol. Az egysejtű algák fotoszintézisének kvantumfogyasztása a laboratóriumban. körülmények között 8-12 kvantum CO 2 molekulánként. A földfelszínt érő napsugárzás energiájának hasznosítása a fotoszintézis során nem haladja meg a teljes PAR 0,1%-át. Naib. termelő növények (pl. cukornád) kb. A beeső sugárzás energiájának 2% -a, és a növények - legfeljebb 1%. A fotoszintézis teljes termelékenységét általában a légkör CO 2 tartalma (0,03-0,04 térfogat%), a fényintenzitás és a t-raj korlátozza. Az érett spenótlevelek normál összetételű légkörben 25 0 C-on telítési intenzitás fényében (napfény alatt) adnak több. liter O 2 óránként klorofill grammonként vagy száraz tömeg kilogrammonként. A Chlorella pyrenoidosa algák esetében 35 0 C-on a CO 2 koncentrációjának 0,03-ról 3%-ra történő növelése lehetővé teszi az O 2 hozamának ötszörösére való növelését, ez az aktiválás a határ.

Bakteriális fotoszintézis és a fotoszintézis teljes sebessége. A magasabb rendű növények és algák O 2 felszabadulásával járó fotoszintézisével együtt a természetben bakteriális fotoszintézis is zajlik, amelyben az oxidált szubsztrát nem víz, hanem más, kifejezettebb helyreállító vegyületek. St. te például. H2S, SO2. A bakteriális fotoszintézis során nem szabadul fel oxigén, például:

A fotoszintetikus baktériumok a bennük uralkodó pigmentek - bakterioklorofillok - abszorpciós spektrumának megfelelően nem csak látható, hanem közel IR sugárzást is képesek felhasználni (1000 nm-ig). A bakteriális fotoszintézis nem elengedhetetlen a napenergia globális tárolásához, de fontos a fotoszintézis általános mechanizmusainak megértéséhez. Emellett a lokális anoxikus fotoszintézis jelentős mértékben hozzájárulhat a plankton teljes termelékenységéhez. Tehát a Fekete-tengeren a klorofill és a bakterioklorofill mennyisége a vízoszlopban számos helyen megközelítőleg azonos.

Figyelembe véve a magasabb rendű növények, algák és fotoszintetikus baktériumok fotoszintézisére vonatkozó adatokat, a fotoszintézis általánosított ur-ciója a következőképpen írható fel:

F Az otoszintézis térben és időben két viszonylag különálló folyamatra oszlik: a víz oxidációjának világos szakaszára és a CO2 redukciójának sötét szakaszára (1. ábra). Mindkét szakaszt magasabb növényekben és algákban hajtják végre a speciális. sejtszervecskék - kloroplasztiszok. Kivételt képeznek a kék-zöld algák (cianobaktériumok), amelyek nem rendelkeznek a citoplazmától elkülönülő fotoszintézis-készülékkel. membránok.

A reakcióban. a fotoszintézis központja, ahol közel 100%-os valószínűséggel átadódik a gerjesztés, a klorofill a fotokémiailag aktív molekulája (bakterioklorofill baktériumokban) és az elsődleges elektronakceptor (PA) között primer p-ció lép fel. A tilakoid membránokban további körzetek találhatók a fő molekulák között. állapotok, és nem igényelnek fénnyel való gerjesztést. Ezek a körzetek elektrontranszport láncba szerveződnek – a membránban rögzített elektronhordozók sorozatába. A magasabb rendű növények és algák elektrontranszport lánca két fotokémiai anyagot tartalmaz. szekvenciálisan ható centrumok (fotorendszerek) (2. ábra), a bakteriális elektrontranszport láncban - egy (3. ábra).

A magasabb rendű növények és algák II. fotorendszerében a szingulett gerjesztett klorofill a P680 közepén (a 680-as szám azt jelzi, hogy a rendszer maximális spektrális változása fénnyel gerjesztve közel 680 nm) egy köztes akceptoron keresztül elektront adományoz a feofitinnek ( PHEO, a klorofill magnéziummentes analógja), kationgyököt képezve. A redukált feofitin gyökös anionja továbbá elektrondonorként szolgál a megkötött plasztokinonhoz (HP*; az ubikinonoktól a kinoid gyűrűben lévő szubsztituensekkel különbözik), a Fe 3+ ionhoz koordinálva (hasonló Fe 3+ -ubikinon komplex van a baktériumokban) . Ezen túlmenően az elektron átkerül a lánc mentén, amely szabad plasztokinont (HRP) tartalmaz, amely feleslegben van jelen a lánc többi komponenséhez képest, majd citokrómokat (C) b 6 és f, amelyek komplexet alkotnak a vassal. -kénközpont, a réz tartalmúfehérje plasztocianin (PC; mol. m. 10400) az I. fotorendszer reakcióközpontjába.

A központok gyorsan helyreállnak, és egy sor résen keresztül fogadnak be egy elektront. hordozók a vízből. Az O 2 képződése szukcessziót igényel. A P fotorendszer reakcióközpontjának négyszeres gerjesztése, és egy Mn-t tartalmazó membránkomplex katalizálja.

Az I. Photosystem autonóm módon, a II. rendszerrel való érintkezés nélkül képes működni. Ebben az esetben ciklikus Az elektrontranszfert (a diagramon szaggatott vonal jelzi) az ATP szintézise kíséri, és nem a NADPH. Könnyű fázisú koenzimben képződik

A NADPH-t és az ATP-t a fotoszintézis sötét szakaszában használják, amely során ismét NADP és ADP képződik.

A fotoszintetikus baktériumok elektrontranszport láncai fő jellemzőikben hasonlóak a magasabb rendű növények klorofilljainak egyes fragmentumaihoz. ábrán A 3. ábra a lila baktériumok elektrontranszport láncát mutatja.

A fotoszintézis sötét szakasza. Minden O 2 -t termelő fotoszintetikus organizmus, valamint egyes fotoszintetikus baktériumok először a CO 2 -t cukorfoszfáttá redukálják az ún. Calvin ciklus. A fotoszintetikus baktériumokban nyilvánvalóan más mechanizmusok is előfordulnak. A Calvin-ciklus enzimek többsége oldható állapotban a kloroplasztisz stromában található.

ábrán egy egyszerűsített ciklusdiagram látható. 4. Az első szakasz - ribulóz-1,5-difoszfát és hidrokarboxilezésa termék lízise két 3-foszfoglicerin molekula képződésével. Ezt a C3-savat ATP foszforilezi 3-foszfogliceril-foszfát képződésével, amelyet azután NADPH redukál glicerinaldehid-3-foszfáttá. A kapott trióz-foszfát ezután izomerizáció, kondenzáció és átrendeződések sorozatába megy át, így 3 molekula ribulóz-5-foszfát keletkezik. Ez utóbbi ATP részvételével foszforilálódik, rio-loso-1,5-difoszfát képződésével, és így a ciklus bezárul. A 6 glicerinaldehid-3-foszfát molekula egyike glükóz-6-foszfáttá alakul, majd keményítő szintetizálására használják fel, vagy a kloroplasztiszból felszabadul a citoplazmába. A gliceraldehid-3-foszfát 3-glicerofoszfáttá, majd lipidekké alakítható. Triosoa kloroplasztiszból származó foszfátok bázikussá alakulnak. szacharózba, amely a levélről átkerül a növény más részeire.

A Calvin-ciklus egy teljes fordulata során 9 ATP-molekula és 6 NADPH-molekula fogy, hogy egy-egy 3-foszfoglicerin-molekulát képezzenek. Energia ciklus hatásfoka (az ATP és NADPH fotoszintézishez szükséges fotonenergia aránya a CO 2-ből történő szénhidrátképződés DG 0-hoz viszonyítva), a kloroplasztisz stromában ható szubsztrátkoncentrációkat figyelembe véve 83%. Magában a Calvin-ciklusban nincsenek fotokémiai anyagok. stádiumban, de a fénystádiumok közvetetten befolyásolhatják azt (azokat is, amelyek nem igényelnek ATP-t vagy NADPH-t) a Mg 2+ és H + ionok koncentrációjának, valamint a ferredoxin redukciós szintjének változásán keresztül.

Egyes magasabbrendű növények, amelyek alkalmazkodtak a nagy fényintenzitáshoz és a meleg éghajlathoz (pl. cukornád, kukorica), képesek ezen felül CO 2 -t előfixálni. C 4-ciklusú. Ugyanakkor a CO 2 először bekerül a négy szénatomos dikarbonsavak cseréjébe, amelyek aztán dekarboxileződnek ott, ahol a Calvin-ciklus lokalizálódik. A C 4 -Cycle a speciális anatómiával rendelkező növényekre jellemző. a levél szerkezetére és a két típus, a selyemkóró és más szárazságtűrő növények közötti funkciómegosztásra a CO 2-kötés és a fotoszintézis időbeni részleges szétválása (CAM-csere, vagy Crassulaceae-típusú csere; CAM rövidítés) jellemző. az angol Crassulaceae sav metabolizmusából). A nap folyamán sztómák (csatornák, amelyeken keresztül a gázcsere az elektron tömegmaradásának törvénye alapján történik. Így megerősítést nyert az O 2 víz oxidációjával történő képződésével kapcsolatos elképzelés. Ezt végül a tömegspektrometriás módszer (S. Ruben, M. Kamen, valamint A. P. Vinogradov és R. V. Teis, 1941).

1935-41-ben K. Van Niel összefoglalta a magasabb rendű növények és baktériumok fotoszintézisére vonatkozó adatokat, és egy általános egyenletet javasolt, amely a fotoszintézis minden típusára kiterjed.X. Gaffron és K. Wohl, valamint L. Duysens 1936-52-ben mennyiségek alapján. az elnyelt fény fotoszintézistermékeinek hozamának és a klorofilltartalomnak a mérése megfogalmazta a "fotoszintetikus egység" fogalmát - molekulák együttesét. 650 nm-től távoli vörös fényig (erősítő hatás vagy második Emerson-effektus). Ennek alapján az 1960-as években megfogalmazta a következetes cselekvés gondolatátfotorendszerek a fotoszintézis elektrontranszport láncában 680 és 700 HM közeli akcióspektrummal.

Fő a fotoszintézis során a víz oxidációja során kialakuló O 2 képződési mintázatát B. Kok és P. Joliot (1969-70) munkái határozták meg. A móló tisztázása a végéhez közeledik. a folyamatot katalizáló membránkomplex szerveződése. A 80-as években. a fotoszintetikus egyes komponenseinek szerkezetét röntgenszerkezeti elemzéssel részletesen tanulmányoztuk. berendezések, beleértve a reakcióközpontokat és fénygyűjtő komplexeket (I. Deizenhofer, X. Michel, P. Huber).

Irod.: Clayton R., Photosyntech. Fizikai mechanizmusok és kémiai modellek, ford. angolból, M., 1984; "D.I. Mengyelejevről elnevezett J. All-Russian Chemical Society", 1986, 31. v., 6. szám; Fotoszintézis, szerk. Govinji, ford. angol nyelvből, 1-2. kötet, M., 1987; Tudományos és technológiai eredmények, ser. Biophysics, 20-22. kötet, M., 1987. M.G. Goldfeld.

Több

A fotoszintézis nagyon összetett biológiai folyamat. A biológia tudománya évek óta tanulmányozta, de amint azt a fotoszintézis tanulmányozásának története mutatja, egyes szakaszai még mindig érthetetlenek. A tudományos kézikönyvekben ennek a folyamatnak a következetes leírása több oldalt is igénybe vesz. Ennek a cikknek az a célja, hogy röviden és világosan leírjon egy ilyen jelenséget, mint a fotoszintézis, a gyermekek számára diagramok és magyarázatok formájában.

tudományos meghatározás

Először is fontos tudni, hogy mi a fotoszintézis. A biológiában a meghatározás így hangzik: ez az a folyamat, amelyben a kloroplasztiszokban fényenergia felhasználásával szerves anyagok (élelmiszer) keletkeznek szervetlen anyagokból (szén-dioxidból és vízből).

Ennek a definíciónak a megértéséhez a tökéletes gyárat úgy képzelhetjük el, mint bármely zöld növényt, amely fotoszintetikus. Ennek a gyárnak az "üzemanyaga" a napfény, a növények vizet, szén-dioxidot és ásványi anyagokat használnak felélelmiszert termelni szinte minden földi életforma számára. Ez a „gyár” azért tökéletes, mert más gyárakkal ellentétben nem okoz kárt, hanem éppen ellenkezőleg, oxigént bocsát ki a légkörbe és a gyártás során szén-dioxidot szív fel. Mint látható, a fotoszintézishez bizonyos feltételek szükségesek.

Ez az egyedi folyamat képletként vagy egyenletként ábrázolható:

nap + víz + szén-dioxid = glükóz + víz + oxigén

növényi levélszerkezet

A fotoszintézis folyamatának lényegének jellemzéséhez figyelembe kell venni a levél szerkezetét. Mikroszkóp alatt átlátszó sejteket láthat, amelyekben 50-100 zöld folt található. Ezek kloroplasztiszok, ahol a klorofill található - a fő fotoszintetikus pigment, és amelyekben a fotoszintézis megtörténik.

A kloroplaszt úgy néz ki, mint egy kis kézitáska, és benne a kézitáskák még kisebbek. Ezeket tilakoidoknak nevezik. A tilakoidok felszínén klorofill molekulák találhatókés fotorendszereknek nevezett csoportokba rendeződnek. A legtöbb növénynek kétféle fotorendszere (PS) van: az I. és a II. fotorendszer. Csak azok a sejtek képesek a fotoszintézisre, amelyekben kloroplaszt van.

A fényfázis leírása

Milyen reakciók játszódnak le a fotoszintézis fényfázisában? A PSII csoportban a napfény energiája a klorofill molekula elektronjaiba kerül, aminek következtében az elektron feltöltődik, azaz „annyira felizgatja”, hogy kiugrik a fotorendszer csoportból és „felveszi”. ” a tilakoid membránban lévő hordozó molekula által. Ez az elektron hordozóról hordozóra mozog, amíg kisüti. Ezután egy másik PSI-csoportban használható egy elektron helyettesítésére.

A Photosystem II csoportból hiányzik egy elektron, és most pozitív töltésűés új elektronra van szükség. De honnan lehet ilyen elektront szerezni? A csoport egy része, az oxigénfejlődési komplexum egy gondtalanul sétáló vízmolekulára vár.

Egy vízmolekula egy oxigénatomot és két hidrogénatomot tartalmaz. A PSII oxigénfelszabadító komplexe négy mangániont tartalmaz, amelyek elektronokat vesznek el a hidrogénatomoktól. Ennek eredményeként a vízmolekula két pozitív hidrogénionra, két elektronra és egy oxigénatomra bomlik. A vízmolekulák lebomlanak, és az oxigénatomok párokban oszlanak el, oxigén gázmolekulákat képezve, amelyek visszajuttatják a növényt a levegőbe. A tilakoid tasakban elkezdenek felhalmozódni a hidrogénionok, innentől kezdve a növény hasznosítani tudja őket, és az elektronok segítségével megoldódik a PSII komplex vesztesége, amely másodpercenként többször is kész megismételni ezt a ciklust.

A hidrogénionok felhalmozódnak a tilakoid zsákban, és elkezdik keresni a kiutat. Két hidrogénion, amelyek mindig a vízmolekula bomlása során keletkeznek, messze nem minden: a PS II komplextől a PS I komplexig vezető utat áthaladva az elektronok más hidrogénionokat vonzanak a zsákba. Ezek az ionok azután felhalmozódnak a tilakoidban. Hogyan tudnak kijutni onnan?

Kiderült, hogy van egy "forgókapujuk" egy kijárattal - egy enzim, amelyet az ATP (adenozin-trifoszfát) nevű sejt "üzemanyag" előállításához használnak. A hidrogénionok ezen a „forgóajtón” áthaladva biztosítják a már használt ATP-molekulák feltöltéséhez szükséges energiát. Az ATP-molekulák a sejtes "akkumulátorok". Energiát biztosítanak a sejten belüli reakciókhoz.

A cukor betakarításakor még egy molekulára van szükség. NADP-nek (nikotinamidadenin-dinukleotid-foszfátnak) hívják. A NADP-molekulák „teherautók”, mindegyikük egy-egy hidrogénatomot szállít a cukormolekula enziméhez. A NADP képződése a PS I komplexben történik. Míg a fotorendszer (PS II) lebontja a vízmolekulákatés ATP-t hoz létre belőlük, a fotorendszer (PS I) elnyeli a fényt és elektronokat ad ki, amelyekre aztán szükség lesz a NADP képződésében. Az ATP- és NADP-molekulákat a stromában tárolják, majd cukorképzésre használják fel.

A fotoszintézis fényfázisának termékei:

• oxigén
• NADP*N 2

Éjszakai fázis séma

A világos fázis után a fotoszintézis sötét szakasza folytatódik. Ezt a fázist először Calvin fedezte fel. Később ezt a felfedezést c3 - fotoszintézisnek nevezték. Egyes növényfajokban a fotoszintézis egy fajtája figyelhető meg - c4.

A fotoszintézis során a világos fázis nem termel cukrot. A fény csak ATP-t és NADP-t termel. Az enzimeket a stromában (a tilakoidon kívüli térben) használják. cukor előállítására. A kloroplaszt egy olyan gyárhoz hasonlítható, ahol a tilakoidon belüli csapatok (PS I és PS II) teherautókat és akkumulátorokat (NADP és ATP) gyártanak a stroma harmadik csapatának (speciális enzimek) munkájához.

Ez a csapat hidrogénatomokat és szén-dioxid-molekulát ad hozzá kémiai reakciókkal, a stromában található enzimek segítségével. Mindhárom brigád nappal dolgozik, a "cukros" brigádok pedig éjjel-nappal dolgoznak, egészen addig, amíg a nappali műszak után megmaradt ATP és NADP el nem fogy.

A stromában számos atom és molekula kapcsolódik enzimek segítségével. Egyes enzimek olyan fehérjemolekulák, amelyek különleges alakúak, és ez lehetővé teszi számukra, hogy felvegyék azokat az atomokat vagy molekulákat, amelyek egy bizonyos reakcióhoz szükségesek. Után kapcsolat létrejön, az enzim felszabadulújonnan képződött molekula, és ez a folyamat folyamatosan ismétlődik. A stromában az enzimek működtetik az általuk összeállított cukormolekulákat, átrendezik, feltöltik ATP-vel, szén-dioxidot adnak hozzá, hidrogént adnak hozzá, majd a három szénatomos cukrot a sejt másik részébe küldik, ahol az átalakul glükózzá és sok más anyag.

Tehát a sötét fázist glükózmolekulák képződése jellemzi. A szénhidrátokat pedig glükózból szintetizálják.

A fotoszintézis világos és sötét fázisai (táblázat)

Szerep a természetben

Mi a fotoszintézis jelentősége a természetben? Nyugodtan kijelenthetjük, hogy a földi élet a fotoszintézistől függ.

• Segítségével a növények oxigént termelnek, amely annyira szükséges a légzéshez.
• Légzés közben szén-dioxid szabadul fel. Ha a növények nem szívják fel, akkor üvegházhatás lépne fel a légkörben. Az üvegházhatás megjelenésével az éghajlat megváltozhat, a gleccserek elolvadhatnak, és ennek következtében sok földterület kerülhet víz alá.
• A fotoszintézis folyamata elősegíti az összes élőlény táplálását, és üzemanyaggal is ellátja az emberiséget.
• A fotoszintézis során felszabaduló oxigénnek köszönhetően a légkör oxigén-ózon képernyőjeként minden élőlény védett az ultraibolya sugárzástól.

A legfontosabb szerves folyamat, amely nélkül bolygónkon minden élőlény léte kérdéses lenne, a fotoszintézis. Mi a fotoszintézis? mindenki ismeri az iskolából. Nagyjából ez a szerves anyagok szén-dioxidból és vízből történő képződésének folyamata, amely fényben megy végbe, és oxigén felszabadulással jár. Egy összetettebb meghatározás a következő: a fotoszintézis az a folyamat, amikor a fényenergiát szerves eredetű anyagok kémiai kötéseinek energiájává alakítják fotoszintetikus pigmentek részvételével. A modern gyakorlatban a fotoszintézist általában a fény abszorpciós, szintézise és felhasználási folyamatainak összességeként értelmezik számos endergonikus reakcióban, amelyek közül az egyik a szén-dioxid szerves anyagokká történő átalakulása. És most nézzük meg részletesebben, hogyan zajlik a fotoszintézis, és milyen fázisokra oszlik ez a folyamat!

Általános tulajdonságok

A kloroplasztok, amelyek minden növényben megtalálhatók, felelősek a fotoszintézisért. Mik azok a kloroplasztiszok? Ezek ovális plasztidok, amelyek pigmentet, például klorofillt tartalmaznak. A klorofill határozza meg a növények zöld színét. Az algákban ez a pigment a kromatoforok - pigmenttartalmú fényvisszaverő sejtek - összetételében van jelen. különböző formák. A barna és vörös algák, amelyek jelentős mélységben élnek, ahol a napfény nem éri jól, eltérő pigmenttel rendelkeznek.

A fotoszintézisben részt vevő anyagok az autotrófok részét képezik - olyan szervezetek, amelyek képesek szerves anyagokat szervetlen anyagokból szintetizálni. Ezek a táplálékpiramis legalacsonyabb foka, ezért a Föld bolygó összes élő szervezetének étrendjében szerepelnek.

A fotoszintézis előnyei

Miért van szükség fotoszintézisre? A növényekből a fotoszintézis során felszabaduló oxigén a légkörbe kerül. Felső rétegeibe emelkedve ózont képez, amely megvédi a földfelszínt az erős napsugárzástól. Az ózonszűrőnek köszönhetően az élő szervezetek kényelmesen tartózkodhatnak a szárazföldön. Ezenkívül, mint tudják, oxigénre van szükség az élő szervezetek légzéséhez.

A folyamat előrehaladása

Minden azzal kezdődik, hogy a fény bejut a kloroplasztiszba. Hatása alatt az organellumok vizet vonnak ki a talajból, és hidrogénre és oxigénre is osztják. Így két folyamat megy végbe. A növények fotoszintézise abban a pillanatban kezdődik, amikor a levelek már felszívták a vizet és a szén-dioxidot. A fényenergia felhalmozódik a tilakoidokban - a kloroplasztok speciális rekeszeiben, és két komponensre osztja a vízmolekulát. Az oxigén egy része a növény légzéséhez, a többi pedig a légkörbe kerül.

Ezután a szén-dioxid belép a pirenoidokba - keményítővel körülvett fehérje granulátumokba. Itt jön be a hidrogén. Ezek az anyagok egymással keveredve cukrot képeznek. Ez a reakció is oxigén felszabadulásával megy végbe. Ha a cukrot (az egyszerű szénhidrátok általános neve) a talajból a növénybe kerülő nitrogénnel, kénnel és foszforral keverik, keményítő (egy összetett szénhidrát), fehérjék, zsírok, vitaminok és egyéb, a növényi élethez szükséges anyagok képződnek. Az esetek túlnyomó többségében a fotoszintézis természetes fényviszonyok között megy végbe. Ugyanakkor a mesterséges világítás is részt vehet benne.

A huszadik század 60-as éveiig a tudomány tisztában volt a szén-dioxid csökkentésének egyik mechanizmusával - a C 3 -pentóz-foszfát útvonalon. Nemrég ausztrál tudósok kimutatták, hogy egyes növényfajokban ez a folyamat a C 4 -dikarbonsav cikluson keresztül mehet végbe.

Azok a növények, amelyek a C3 útvonalon keresztül csökkentik a szén-dioxid-kibocsátást, mérsékelt hőmérsékleten és gyenge fényviszonyok között, erdőkben vagy sötét helyeken teljesítenek a legjobban. Ezek közé a növények közé tartozik a kultúrnövények oroszlánrésze és szinte minden zöldség, amely étrendünk alapját képezi.

A növények második osztályában a fotoszintézis a legaktívabban magas hőmérséklet és erős megvilágítás mellett megy végbe. Ebbe a csoportba tartoznak a trópusi és meleg éghajlaton termő növények, mint például a kukorica, cukornád, cirok stb.

A növényi anyagcserét egyébként egészen nemrég fedezték fel. A tudósoknak sikerült kideríteniük, hogy egyes növényeknek speciális szövetei vannak a víztartalékok megőrzéséhez. A szén-dioxid szerves savak formájában halmozódik fel bennük, és csak 24 óra múlva megy át szénhidrátokká. Ez a mechanizmus lehetőséget ad a növényeknek a víz megőrzésére.

Hogyan zajlik a folyamat?

Általánosságban már tudjuk, hogyan zajlik a fotoszintézis folyamata és milyen fotoszintézis történik, most ismerjük meg mélyebben.

Minden azzal kezdődik, hogy a növény elnyeli a fényt. Ebben segít neki a klorofill, amely kloroplasztiszok formájában a növény leveleiben, szárában és termésében található. Ennek az anyagnak a fő mennyisége a levelekben koncentrálódik. A helyzet az, hogy lapos szerkezetének köszönhetően a lap sok fényt vonz. És minél több fény, annál több energia jut a fotoszintézishez. Így a növény levelei egyfajta lokátorként működnek, amelyek rögzítik a fényt.

Amikor a fény elnyelődik, a klorofill gerjesztett állapotban van. Energiát ad át más növényi szerveknek, amelyek részt vesznek a fotoszintézis következő szakaszában. A folyamat második szakasza fény részvétele nélkül megy végbe, és kémiai reakcióból áll a talajból nyert víz és a levegőből nyert szén-dioxid részvételével. Ebben a szakaszban szénhidrátok szintetizálódnak, amelyek nélkülözhetetlenek bármely szervezet életéhez. Ebben az esetben nemcsak magát a növényt etetik, hanem átadják az állatoknak is, amelyek megeszik. Az emberek növényi vagy állati termékek fogyasztásával is hozzájutnak ezekhez az anyagokhoz.

A folyamat fázisai

Mivel meglehetősen összetett folyamat, a fotoszintézis két fázisra oszlik: világos és sötét. Ahogy a neve is sugallja, az első fázishoz napsugárzás szükséges, míg a másodikhoz nem. A fényfázisban a klorofill egy kvantum fényt nyel el, ATP és NADH molekulákat képezve, amelyek nélkül a fotoszintézis lehetetlen. Mi az ATP és NADH?

Az ATP (adenozitrifoszfát) egy nukleinsav koenzim, amely nagy energiájú kötéseket tartalmaz, és energiaforrásként szolgál minden szerves átalakulásban. A kötőszót gyakran energiavolutának nevezik.

A NADH (nikotinamidadenin-dinukleotid) egy hidrogénforrás, amelyet szénhidrátok szintetizálására használnak szén-dioxid részvételével egy folyamat, például a fotoszintézis második fázisában.

világos fázis

A kloroplasztiszok sok klorofill molekulát tartalmaznak, amelyek mindegyike elnyeli a fényt. Más pigmentek is felszívják, de nem képesek a fotoszintézisre. A folyamat csak a klorofillmolekulák egy részében megy végbe. A fennmaradó molekulák antenna- és fénygyűjtő komplexeket (LSC) alkotnak. Fénykvantumokat halmoznak fel, és reakcióközpontokba továbbítják, amelyeket csapdáknak is neveznek. A reakcióközpontok fotorendszerekben helyezkednek el, amelyek közül kettő van egy fotoszintetikus üzemben. Az első egy klorofill molekulát tartalmaz, amely képes elnyelni a fényt 700 nm hullámhosszon, a második pedig 680 nm.

Tehát kétféle klorofillmolekula nyeli el a fényt és gerjeszti, ami hozzájárul az elektronok magasabb energiaszintre való átmenetéhez. A gerjesztett elektronok, amelyek nagy energiájúak, letörnek és belépnek a tilakoid membránokban (a kloroplasztiszok belső szerkezetei) található hordozóláncba.

Elektronátmenet

Az első fotorendszerből származó elektron a klorofill P680-ból a plasztokinonba, a második rendszerből pedig a ferredoxinba kerül. Ugyanakkor a klorofill molekulában az elektronok leválásának helyén szabad hely képződik.

A hiány pótlására a P680 klorofill molekula elektronokat fogad el a vízből, hidrogénionokat képezve. A második klorofillmolekula pedig az első fotorendszer hordozórendszerén keresztül pótolja a hiányt.

Így megy végbe a fotoszintézis fényfázisa, melynek lényege az elektronok átvitele. Az elektrontranszporttal párhuzamosan a hidrogénionok mozgása megy végbe a membránon keresztül. Ez a tilakoidon belüli felhalmozódásához vezet. Nagy mennyiségben felhalmozódva egy konjugáló faktor segítségével szabadulnak ki a szabadba. Az elektrontranszport eredménye a NADH vegyület képződése. A hidrogénion átvitele pedig az ATP energiavaluta kialakulásához vezet.

A fényfázis végén az oxigén belép a légkörbe, a szirom belsejében ATP és NADH képződik. Ezután kezdődik a fotoszintézis sötét fázisa.

sötét fázis

A fotoszintézis ezen fázisa szén-dioxidot igényel. A növény folyamatosan felszívja a levegőből. Ebből a célból a levél felületén sztómák vannak - olyan speciális szerkezetek, amelyek kinyitva felszívják a szén-dioxidot. A levél belsejébe kerülve vízben oldódik és részt vesz a fényfázis folyamataiban.

A legtöbb növényben a könnyű fázisban a szén-dioxid egy 5 szénatomos szerves vegyülethez kötődik. Ennek eredményeként egy három szénatomos vegyület molekulapárja képződik, az úgynevezett 3-foszfoglicerinsav. Mivel ez a vegyület a folyamat elsődleges eredménye, az ilyen típusú fotoszintézissel rendelkező növényeket C 3 növényeknek nevezik.

A kloroplasztiszokban végbemenő további folyamatok a tapasztalatlan laikusok számára igen nehézkesek. A végeredmény egy hat szénatomos vegyület, amely egyszerű vagy összetett szénhidrátokat szintetizál. A növény szénhidrátok formájában tárolja az energiát. Az anyagok egy kis része a levélben marad, és kielégíti a szükségleteit. A fennmaradó szénhidrátok az egész növényben keringenek, és oda kerülnek, ahol a legnagyobb szükség van rájuk.

Fotoszintézis télen

Sokan legalább egyszer életükben elgondolkodtak azon, honnan származik az oxigén a hideg évszakban. Először is, az oxigént nemcsak lombhullató növények, hanem tűlevelűek és tengeri növények is termelik. És ha a lombhullató növények télen lefagynak, akkor a tűlevelűek továbbra is lélegeznek, bár kevésbé intenzíven. Másodszor, a légkör oxigéntartalma nem attól függ, hogy a fák lehullatták-e a leveleiket. Az oxigén a légkör 21%-át foglalja el, bolygónkon bárhol, az év bármely szakában. Ez az érték nem változik, hiszen a légtömegek nagyon gyorsan mozognak, és nem minden országban egyszerre érkezik a tél. És harmadszor, télen a belélegzett levegő alsóbb rétegeiben az oxigéntartalom még nagyobb, mint nyáron. Ennek a jelenségnek az oka az alacsony hőmérséklet, ami miatt az oxigén sűrűbbé válik.

Következtetés

Ma megemlékeztünk arról, hogy mi a fotoszintézis, mi a klorofill, és hogyan adják le a növények oxigént a szén-dioxid elnyelésével. Természetesen a fotoszintézis a legfontosabb folyamat az életünkben. Emlékeztet bennünket a szükségességre óvatos hozzáállás a természethez.