Skogar betraktas som ”gröna lungorna på planeten” inte förgäves. Vad är fotosyntes och hur denna process sker kommer vi att överväga i detalj.

Vad är fotosyntes?

Fotosyntes - En biokemisk process under vilken organiska processer uppstår med hjälp av speciella växtpigment och ljusenergi från oorganiska ämnen (koldioxid, vatten). Detta är en av de viktigaste processerna som de flesta organismer dök upp och fortsätter att existera på planeten.

Intressant fakta: Jordväxter, såväl som grönalger, kan fotosyntes. I detta fall producerar alger (fytoplankton) 80% syre.

Betydelsen av fotosyntes för livet på jorden

Utan fotosyntes, i stället för många levande organismer, skulle det bara finnas bakterier på vår planet. Det är den energi som erhålls som ett resultat av denna kemiska process som gjorde det möjligt för bakterier att utvecklas.

Alla naturliga processer behöver energi. Hon kommer från solen. Men solljus tar form bara efter att ha blivit transformerad av växter.

Växter använder bara en del av energin och resten samlar de i sig själva. De äter växtätare, som är mat för rovdjur. Under kedjan får varje länk nödvändiga värdefulla ämnen och energi.

Syre som produceras under reaktionen är nödvändigt för att alla varelser ska andas. Andning är motsatsen till fotosyntesen. I detta fall oxideras organiskt material, förstörs. Den resulterande energin används av organismer för att utföra olika viktiga uppgifter.

Under planetens existens, när det fanns få växter, var syre praktiskt taget frånvarande. Primitiva livsformer fick ett minimum av energi på andra sätt. Det var för lite för utveckling. Därför har andning på grund av syre öppnat fler möjligheter.

En annan funktion av fotosyntesen är skyddet av organismer från exponering för ultraviolett ljus. Vi pratar om ozonskiktet som ligger i stratosfären på en höjd av cirka 20-25 km. Det bildas på grund av syre, som förvandlas till ozon under inverkan av solljus. Utan detta skydd skulle livet på jorden endast begränsas till undervattensorganismer.

Organismer släpper ut koldioxid under andning. Det är ett väsentligt element i fotosyntesen. Annars skulle koldioxid helt enkelt samlas i den övre atmosfären och kraftigt öka växthuseffekten.

Detta är ett allvarligt miljöproblem, vars kärna är att öka temperaturen i atmosfären med negativa konsekvenser. Dessa inkluderar klimatförändringar (global uppvärmning), smältande glaciärer, stigande havsnivå etc.

Fotosyntesfunktioner:

• syreutveckling;
• energibildning;
• näringsämnesbildning;
• skapandet av ozonskiktet.

Definition och formel för fotosyntes

Termen "fotosyntes" kommer från en kombination av två ord: foto och syntes. Översatt från antika grekiska betyder de "ljus" respektive "anslutning". Således omvandlas ljusets energi till energin från bindningar av organiska ämnen.

Schema:

Koldioxid + vatten + ljus = kolhydrat + syre.

Den vetenskapliga formeln för fotosyntes:

6CO₂ + 6H₂O → C₆N₁₂HANDLA OM₆ + 6O_2.

Fotosyntes sker så att direkt kontakt med vatten och CO₂ inte synlig.

Betydelsen av fotosyntes för växter

Växter kräver organiskt material, energi för tillväxt och utveckling. Tack vare fotosyntesen förser de sig med dessa komponenter. Skapandet av organiska ämnen är det främsta målet för fotosyntes för växter, och frigörandet av syre anses vara en sidoreaktion.

Intressant fakta: Växter är unika eftersom de inte behöver andra organismer för att få energi.Därför bildar de en separat grupp - autotrofer (översatt från det antika grekiska språket ”Jag äter själv”).

Hur inträffar fotosyntes?

Fotosyntes sker direkt i de gröna delarna av växter - kloroplaster. De är en del av växtceller. Klorplaster innehåller ett ämne - klorofyll. Detta är det främsta fotosyntetiska pigmentet, tack vare det hela reaktionen inträffar. Klorofyll bestämmer dessutom vegetationens gröna färg.

Detta pigment kännetecknas av förmågan att absorbera ljus. Och i växtens celler lanseras ett verkligt biokemiskt "laboratorium", där vatten och CO₂ förvandlas till syre, kolhydrater.

Vatten kommer in genom växtens rotsystem och gas tränger direkt in i bladen. Ljus fungerar som en energikälla. När en lätt partikel verkar på en klorofyllmolekyl sker dess aktivering. I vattenmolekylen H₂O syre (O) förblir osäkrat. Således blir det en biprodukt för växter, men så viktig för oss, en reaktionsprodukt.

Fotosyntesfaser

Fotosyntesen är indelad i två stadier: ljus och mörk. De förekommer samtidigt, men i olika delar av kloroplasten. Namnet på varje fas talar för sig själv. Den ljusa eller ljusberoende fasen inträffar endast med deltagande av ljuspartiklar. I den mörka eller icke-flyktiga fasen krävs inte ljus.

Innan man undersöker varje fas mer detaljerat är det värt att förstå strukturen för kloroplasten, eftersom det bestämmer essensen och platsen för stadierna. Chloroplast är en mängd olika plastider och är placerad inuti cellen separat från dess andra komponenter. Det har formen av ett frö.

Kloroplastbeståndsdelar involverade i fotosyntes:

• 2 membran;
• stroma (inre vätska);
• tylakoider;
• lumen (mellanrum i tylakoiderna).

Lätt fas av fotosyntesen

Det flödar på tylakoider, mer exakt, deras membran. När ljuset träffar dem frigörs och ackumuleras negativt laddade elektroner. Således förlorar fotosyntetiska pigment alla elektroner, varefter det är vattnet i molekylerna att ruttna:

H₂O → H + + OH-

I detta fall har de bildade väteprotonerna en positiv laddning och ackumuleras på det inre tylakoidmembranet. Som ett resultat separeras protoner med en laddning plus och elektroner med en laddning minus endast med ett membran.

Syre produceras som en biprodukt:

4OH → O₂ + 2H₂O

Vid ett visst ögonblick blir faserna av elektroner och protoner av väte för många. Sedan kommer enzymet ATP-syntas in i arbetet. Dess uppgift är att överföra väteprotoner från thylakoidmembranet till kloroplastvätskemediet - stroma.

I detta skede står väte till förfogande för en annan bärare - NADP (förkortning för nikotinamidin-nukleotidfosfat). Det är också en typ av enzym som påskyndar oxidativa reaktioner i celler. I detta fall är hans jobb att transportera väteprotoner i en kolhydratreaktion.

I detta skede inträffar processen för fotofosfolering, under vilken en enorm mängd energi genereras. Källan är ATP - trifosforsyra av adenosin.

Kort sammanfattning:

1. Hit av ett kvantitet av ljus på klorofyll.
2. Valet av elektroner.
3. Utvecklingen av syre.
4. Bildningen av NADPH-oxidas.
5. ATP energiproduktion.

Intressant fakta: Det finns en reliktväxt som heter Velvichia som växer på den afrikanska kusten av Atlanten. Detta är den enda representanten av ett slag med ett minimum av blad som kan fotosyntes. Men Velvichs ålder når ungefär 2000 år.

Den mörka fasen av fotosyntesen

Den ljusoberoende fasen inträffar direkt i stroma. Det representerar en serie enzymatiska reaktioner. Koldioxid som absorberas i det lilla stadiet upplöst i vatten, och på detta stadium reduceras det till glukos. Komplexa organiska ämnen produceras också.

Reaktionerna från den mörka fasen är indelade i tre huvudtyper och beror på typen av växter (mer exakt deras metabolism), i cellerna där fotosyntesen inträffar:

• MED₃-plants;
• MED₄-plants;
• CAM-växter.

K C₃- Växter inkluderar de flesta jordbruksgrödor som växer i tempererat klimat. Under fotosyntes blir koldioxid fosfoglycerinsyra.

Subtropiska och tropiska arter, främst ogräs, tillhör C4-växter. De kännetecknas av omvandlingen av koldioxid till oxaloacetat. CAM-växter är en kategori av växter som saknar fukt. De skiljer sig åt i en speciell typ av fotosyntes - CAM.

MED3-fotosyntes

Det vanligaste är C₃-fotosyntes, som också kallas Calvin-cykeln - för att hedra den amerikanska forskaren Melvin Calvin, som gjorde ett stort bidrag till studien av dessa reaktioner och fick Nobelpriset för detta.

Växter kallas C₃ på grund av det faktum att under reaktionerna av den mörka fasen bildas 3-kolmolekyler av 3-fosfoglycerinsyra - 3-PGA. Olika enzymer är direkt involverade.

För att en fullständig glukosmolekyl ska bildas måste 6 cykler av reaktioner i den ljusoberoende fasen passera. Kolhydrat är den viktigaste produkten av fotosyntes i Calvin-cykeln, men utöver den produceras fett- och aminosyror, såväl som glykolipider. C₃ växtfotosyntes sker uteslutande i mesofyllceller.

Den största nackdelen med C3fotosyntes

Grupp C-växter₃kännetecknas av en betydande nackdel. Om det inte finns tillräcklig fukt i miljön reduceras förmågan att fotosyntes betydligt. Detta beror på fotorespiration.

Faktum är att med en låg koncentration av koldioxid i kloroplaster (mindre än 50: 1 000 000) fixas syre istället för koldioxidfixering. Specialenzymer bromsar avsevärt och slösar bort solenergi.

Samtidigt bromsar växternas tillväxt och utveckling eftersom den saknar organisk substans. Det finns inte heller någon frisättning av syre i atmosfären.

Intressant fakta: Elysia chlorotica havssnigel är ett unikt djur som fotosyntetiserar som växter. Den matar på alger vars kloroplaster tränger igenom cellerna i matsmältningskanalen och fotosynteser där i månader. De producerade kolhydraterna serverar snigeln som mat.

C4-fotosyntes

Till skillnad från C₃-syntes, här utförs reaktionerna av koldioxidfixering i olika växtceller. Dessa typer av växter kan hantera problemet med fotorespiration, och de gör detta med en tvåstegscykel.

Å ena sidan upprätthålls en hög koldioxidnivå, och å andra sidan kontrolleras låga syrehalter i kloroplaster. Denna taktik gör det möjligt för C4-växter att undvika fotoandning och tillhörande svårigheter. Representanter för växter i denna grupp är sockerrör, majs, hirs etc.

Jämfört med växter C₃ de kan utföra fotosyntesprocesser mycket mer intensivt under förhållande till hög temperatur och brist på fukt. I det första steget fixeras koldioxid i mesofyllcellerna, där 4-kolsyra bildas. Sedan passerar syran in i skalet och sönderdelas där i en 3-kolförening och koldioxid.

I det andra steget börjar den resulterande koldioxiden att fungera i Calvin-cykeln, där glyceraldehyd-3-fosfat och kolhydrater produceras, vilket är nödvändigt för energimetabolismen.

På grund av den tvåstegiga fotosyntesen i C4-växter bildas en tillräcklig mängd koldioxid för Kelvin-cykeln. Därför fungerar enzymer med full kraft och slösar inte bort energi förgäves.

Men detta system har sina nackdelar. I synnerhet förbrukas en större mängd ATP-energi - det är nödvändigt för omvandlingen av 4-kol-syror till 3-kol-syror och i motsatt riktning. Så C₃-Fotosyntesen är alltid mer produktiv än C4 med rätt mängd vatten och ljus.

Vad påverkar frekvensen av fotosyntes?

Fotosyntes kan uppstå i olika hastigheter. Denna process beror på miljöförhållandena:

• vatten;
• ljusets våglängd;
• koldioxid;
• temperatur.

Vatten är en grundläggande faktor, så när det saknas saknar reaktionerna. För fotosyntes är de mest gynnsamma vågorna i det röda och blåvioletta spektrumet. En hög grad av belysning är också att föredra, men bara för ett visst värde - när det uppnås försvinner kopplingen mellan belysningen och reaktionshastigheten.

En hög koncentration av koldioxid ger snabba fotosyntetiska processer och vice versa. Vissa temperaturer är viktiga för enzymer som påskyndar reaktionerna. Idealiska förhållanden för dem är cirka 25-30 ℃.

Fototand

Alla levande saker behöver andas, och växter är inget undantag. Men denna process hos dem sker lite annorlunda än hos människor och djur, varför det kallas fotorespiration.

Rent generellt, andetag - en fysisk process under vilken en levande organism och dess miljö utbyter gaser. Som alla levande saker behöver växter syre för att andas. Men de konsumerar det mycket mindre än de producerar.

Under fotosyntes, som endast förekommer i solljus, skapar växter mat för sig själva. Under fotoandning, som utförs dygnet runt, absorberas dessa näringsämnen av dem för att stödja ämnesomsättningen i cellerna.

Intressant fakta: Under en solig dag konsumerar en skogslott på 1 hektar 120 till 280 kg koldioxid och avger från 180 till 200 kg syre.

Syre (som koldioxid) penetrerar växtceller genom speciella öppningar - stomata. De finns längst ner på bladen. Cirka 1000 stomata kan finnas på ett ark.

Gasväxling av växter beroende på belysning

Gasväxlingsprocessen vid olika belysning presenteras enligt följande:

1. Starkt ljus. Koldioxid används under fotosyntesen. Växter producerar mer syre än de konsumerar. Dess överskott kommer in i atmosfären. Koldioxid förbrukas snabbare än frigörs genom andning. Oanvända kolhydrater lagras av anläggningen för framtida användning.
2. Svagt ljus. Gasutbyte med miljön inträffar inte eftersom anläggningen förbrukar allt syre som den producerar.
3. Ljusbrist. Endast andningsprocesser inträffar. Koldioxid frigörs och syre förbrukas.

Chemosynthesis

Vissa levande organismer kan också bilda monokarbonhydrater från vatten och koldioxid, medan de inte behöver solljus. Dessa inkluderar bakterier, och processen för energiomvandling kallas kemosyntes.

chemosynthesis Det är en process under vilken glukos syntetiseras, men kemikalier används istället för solenergi. Det flödar i områden med tillräckligt hög temperatur, lämpliga för drift av enzymer och i frånvaro av ljus. Det kan vara områden nära hydrotermiska källor, metanläckor vid havsdjup etc.

Historien om upptäckten av fotosyntes

Historien om upptäckten och studien av fotosyntes går tillbaka till 1600, då Jan Baptiste van Helmont beslutade att förstå den brådskande frågan vid den tiden: vad äter växter och var får de användbara ämnen från?

Vid den tiden trodde man att jorden var en källa till värdefulla element. Forskaren placerade en pilkvist i en behållare med jord, men uppmätt tidigare sin vikt. I 5 år tog han hand om trädet och bevattnade det, varefter han igen genomförde mätprocedurer.

Det visade sig att jordens vikt minskade med 56 g, men trädet blev 30 gånger tyngre. Denna upptäckt motgick uppfattningen att växter livnär sig på jord och gav upphov till en ny teori - vattennäring.

I framtiden försökte många forskare att motbevisa det.Till exempel trodde Lomonosov att delvis strukturella komponenter kommer in i växter genom blad. Han leddes av växter som framgångsrikt växer i torra områden. Det var dock inte möjligt att bevisa denna version.

Det närmaste till det verkliga tillståndet var Joseph Priestley, en kemikalier och deltidspräst. En gång upptäckte han en död mus i en upp och ned burk, och denna händelse tvingade honom att genomföra en serie experiment med gnagare, ljus och containrar på 1770-talet.

Priestley fann att ljuset alltid slocknar snabbt om du täcker det med en burk ovanpå. Dessutom kan en levande organisme inte överleva. Forskaren kom till slutsatsen att det finns vissa krafter som gör luft lämplig för livet och försökte koppla detta fenomen med växter.

Han fortsatte att sätta upp experiment, men den här gången försökte han lägga en kruka med växande mynta under en glasbehållare. Till stor överraskning fortsatte växten att utvecklas aktivt. Därefter placerade Priestley en växt och en mus under en burk, och bara ett djur under den andra. Resultatet är uppenbart - under den första tanken förblev gnagaren oskadd.

Uppnåendet av kemisten blev motivationen för andra forskare runt om i världen att upprepa experimentet. Men fångsten var att prästen genomförde experiment på dagen. Och till exempel farmaceut Karl Scheele - på natten, när det var ledig tid. Som ett resultat anklagade forskaren Priestley för bedrägeri, eftersom hans försökspersoner inte kunde stå emot experimentet med anläggningen.

En verklig vetenskaplig konfrontation utbröt mellan kemister, vilket gav betydande fördelar och gjorde det möjligt att göra en annan upptäckt - att växter behöver återställa luft, de behöver solljus.

Naturligtvis kallade ingen detta fenomen fotosyntes, och det fanns fortfarande många frågor. 1782 kunde botanikern Jean Senebier emellertid bevisa att i närvaro av solljus kan växter bryta ner koldioxid på cellnivå. Och 1864 såg slutligen experimentella bevis på att växter absorberar koldioxid och utsöndrar syre. Detta är meriterna av forskaren från Tyskland - Julius Sachs.