Fotosüntees on protsess, mida kasutavad taimed, vetikad ja mõned bakterid, et kasutada päikesevalguse energiat ja muuta see keemiliseks energiaks. Selles artiklis kirjeldatakse fotosünteesi üldpõhimõtteid ja fotosünteesi rakendamist puhaste kütuste ja taastuvate energiaallikate arendamiseks.
Fotosünteesi protsesse on kahte tüüpi: hapnikurikas fotosüntees ja anoksügeenne fotosüntees... Anoksü- ja hapniku fotosünteesi üldpõhimõtted on väga sarnased, kuid kõige tavalisem on hapniku fotosüntees, mida täheldatakse taimedes, vetikates ja tsüanobakterites.
Hapniku fotosünteesi ajal hõlbustab valgusenergia elektronide ülekandmist veest (H 2 O) süsinikdioksiidiks (CO 2). Reaktsiooni käigus tekib hapnik ja süsivesinikud.
Hapniku fotosüntees võib nimetada hingamisele vastupidiseks protsessiks, mille käigus imendub kõigi hingavate organismide poolt toodetud süsinikdioksiid ja eraldub atmosfääri hapnik.
Teisest küljest ei kasutata vett elektronide doonorina anoksügeenses fotosünteesis. Seda protsessi täheldatakse tavaliselt sellistes bakterites nagu purpursed bakterid ja rohelised väävlibakterid, mida leidub peamiselt erinevates veekeskkondades.
Anoksügeense fotosünteesi korral hapnikku ei toodeta, sellest ka nimi. Reaktsiooni tulemus sõltub elektronidoonorist. Näiteks kasutavad paljud bakterid doonorina vesiniksulfiidi ja selle fotosünteesi tulemusena tekib tahke väävel.
Kuigi mõlemad fotosünteesi tüübid on keerulised ja mitmeastmelised protsessid, saab neid ligikaudselt esitada allpool toodud keemiliste võrrandite kujul.
Hapniku fotosüntees on kirjutatud järgmiselt:
6CO 2 + 12H 2 O + Valgusenergia → C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + 6H 2 O
Siin ühendavad valgusenergiat kuus süsinikdioksiidi (CO2) ja 12 vee (H2O) molekuli. Reaktsiooni tulemusena moodustub üks süsivesikute molekul (C6H12O6 ehk glükoos), kuus hapniku- ja kuus veemolekuli.
Samamoodi erinevad reaktsioonid anoksügeenne fotosüntees võib esitada ühe üldistatud valemi kujul:
CO 2 + 2H 2 A + Valgusenergia → + 2A + H 2 O
Võrrandi täht A on muutuja ja H 2 A tähistab potentsiaalset elektronidoonorit. Näiteks võib A olla väävel vesiniksulfiidis (H 2 S).
Fotosünteetiline aparaat
Allpool on fotosünteesiks vajalikud rakukomponendid.
Pigmendid
Pigmendid Need on molekulid, mis annavad taimedele, vetikatele ja bakteritele värvi, kuid vastutavad ka päikesevalguse tõhusa püüdmise eest. Eri värvi pigmendid neelavad erinevat lainepikkust valgust. Allpool on toodud kolm peamist rühma.
- Klorofüllid Kas rohelised pigmendid suudavad sinist ja punast valgust kinni püüda. Klorofüllidel on kolm alatüüpi, mida nimetatakse klorofülliks a, klorofülliks b ja klorofülliks c. Klorofülli a leidub kõigis fotosünteetilistes taimedes. Samuti on olemas bakterivariant bakterioklorofüll, mis neelab infrapunavalgust. Seda pigmenti leidub peamiselt lillades ja rohelistes väävlibakterites, mis teostavad anoksügeenset fotosünteesi.
- Karotenoidid Kas punased, oranžid või kollased pigmendid, mis neelavad sinakasrohelist valgust. Karotenoidide näited on ksantofüll (kollane) ja karoteen (oranž), mis annavad porganditele värvi.
- Fükobiliinid Kas punased või sinised pigmendid neelavad pikki valguse lainepikkusi, mida klorofüllid ja karotenoidid nii hästi ei ima. Neid võib näha tsüanobakterites ja punavetikates.
Plastid
Fotosünteetilised eukarüootsed organismid sisaldavad tselloplasmas organelle, mida nimetatakse plastiidid... Kahe membraaniga plastiide taimedes ja vetikates peetakse esmasteks plastiidideks ning planktonis leiduva mitme membraaniga plastiide nimetatakse sekundaarseteks plastiidideks, selgub New Jersey osariigi Rutgersi ülikooli teadlaste Chong Xin Chan ja Debashish Bhattacharya Nature Education artiklist.
Plastid sisaldavad tavaliselt pigmente või võivad toitaineid talletada. Värvitud ja pigmenteerimata leukoplastid talletavad rasvu ja tärklist, kromoplastid aga karotenoide ja kloroplastid klorofülli.
Fotosüntees toimub kloroplastides; eriti grana ja strooma piirkondades. Grana on virnastatud lamedad vesiikulid või membraanid, mida nimetatakse tülakoidideks. Kõik fotosünteesivad struktuurid leiduvad terades. Siin toimub elektronide ülekanne. Tühjad tühikud grana veergude vahel moodustavad strooma.
Kloroplastid on nagu mitokondrid, rakkude energiakeskused, kuna neil on oma genoom või tsüklilises DNA -s sisalduv geenide kogum. Need geenid kodeerivad valke, mis on vajalikud organellide ja fotosünteesi jaoks. Nagu mitokondrid, arvatakse, et kloroplastid on arenenud primitiivsetest bakterirakkudest endosümbioosi kaudu.
Antennid
Pigmendimolekulid seonduvad valkudega, mis võimaldavad neil liikuda valguse suunas ja üksteise poole. Arizona osariigi ülikooli professori Wim Vermaasi väljaande kohaselt on 100–5000 pigmendimolekuli komplekt „ antennid". Need struktuurid püüavad footonite kujul päikeselt saadavat valgusenergiat.
Lõppkokkuvõttes tuleb valgusenergia üle kanda pigmendi-valgu kompleksi, mis võib selle muuta elektronide kujul keemiliseks energiaks. Näiteks taimedes kandub valgusenergia üle klorofülli pigmentidele. Üleminek keemilisele energiale toimub siis, kui klorofülli pigment nihutab elektroni välja, mis võib seejärel sobivale vastuvõtjale üle minna.
Reaktsioonikeskused
Pigmendid ja valgud, mis muudavad valgusenergia keemiliseks energiaks ja käivitavad elektronide ülekandeprotsessi, on tuntud kui reaktsioonikeskused.
Fotosünteesi protsess
Taimede fotosünteesi reaktsioonid jagunevad reaktsioonideks, mis nõuavad päikesevalgust ja mitte. Mõlemat tüüpi reaktsioone esineb kloroplastides: valgusest sõltuvad reaktsioonid tülakoidides ja valgusest sõltumatud reaktsioonid stroomas.
Valgust sõltuvad reaktsioonid (valgusreaktsioonid) kui valguse footon tabab reaktsioonikeskust ja pigmendimolekul nagu klorofüll vabastab elektroni. Sellisel juhul ei tohiks elektron tagasi oma algasendisse naasta ja seda pole lihtne vältida, kuna nüüd on klorofüllil "elektronauk", mis meelitab ligi lähedalasuvaid elektrone.
Vabanenud elektronil õnnestub "põgeneda", liikudes mööda elektroonilist transpordiahelat, mis toodab energiat, mis on vajalik ATP (adenosiintrifosfaat, rakkude keemilise energia allikas) ja NADP saamiseks. Algse klorofülli pigmendi "elektronide auk" on täidetud veest elektronidega. Selle tulemusena vabaneb hapnik atmosfääri.
Tumedad reaktsioonid(mis ei sõltu valguse olemasolust ja on tuntud ka kui Calvini tsükkel). Pimedate reaktsioonide ajal toodetakse ATP ja NADP, mis on energiaallikad. Calvini tsükkel koosneb kolmest keemilise reaktsiooni etapist: süsiniku fikseerimine, redutseerimine ja regenereerimine. Need reaktsioonid kasutavad vett ja katalüsaatoreid. Süsinikdioksiidi süsinikuaatomid on “fikseeritud”, kui need on ühendatud orgaanilistesse molekulidesse, mis lõpuks moodustavad kolme süsiniku süsivesikuid (kerged suhkrud). Neid suhkruid kasutatakse seejärel glükoosi valmistamiseks või taaskasutatakse Calvini tsükli taasalustamiseks.
Fotosüntees tulevikus. Fotosünteesi kasutamine
Fotosünteesivad organismid on potentsiaalne vahend puhta kütuse, näiteks vesiniku või isegi metaani tootmiseks. Hiljuti rakendas Soomes Turu ülikooli uurimisrühm rohevetikate võimet toota vesinikku. Rohevetikad võivad toota vesinikku mõne sekundi jooksul, kui nad puutuvad esmalt kokku valguse ja hapniku puudumisega ning seejärel valgusega. Meeskond on välja töötanud viisi vetikate vesiniku tootmise pikendamiseks kuni kolme päeva võrra, nagu on teatatud 2018. aasta ajakirjas Energy & Environmental Science avaldatud väljaandes.
Teadlased on teinud edusamme ka kunstlikus fotosünteesis. Näiteks on Berkeley California ülikooli teadlaste rühm välja töötanud kunstliku süsteemi süsinikdioksiidi kogumiseks, kasutades pooljuhtide nanojuhtmeid ja baktereid. Bioloogiliselt ühilduvate valgust absorbeerivate nanojuhtmete komplekti kombinatsioon konkreetse bakteripopulatsiooniga, kasutades päikesevalguse energiat, muudab süsinikdioksiidi kütuseks või polümeeriks. Teadlaste meeskond avaldas oma projekti 2015. aastal ajakirjas Nano Letters.
2016. aastal avaldasid sama grupi teadlased ajakirjas Science uuringu, milles kirjeldati teist kunstlikku fotosünteesi süsteemi, milles spetsiaalselt loodud baktereid kasutati vedelkütuste tootmiseks päikesevalguse, vee ja süsinikdioksiidi abil. Üldiselt saavad taimed kasutada ainult 1% päikese energiast ja kasutada seda fotosünteesi ajal orgaaniliste ühendite tootmiseks. Seevastu kunstlik fotosünteesisüsteem suutis orgaaniliste ühendite tootmiseks kasutada 10% päikeseenergiast.
Looduslike protsesside, näiteks fotosünteesi uurimine aitab teadlastel välja töötada uusi viise erinevate taastuvate energiaallikate kasutamiseks. Taimed ja bakterid kasutavad fotosünteesis päikesevalgust laialdaselt, seega on kunstlik fotosüntees loogiline samm keskkonnasõbralike kütuste loomiseks.
Artiklis kasutati livescience.com materjale
(Vaadatud1663 | Vaadatud täna 1)
Parimad toataimed, mis puhastavad õhku
Fotosüntees on orgaaniliste ainete sünteesiprotsess anorgaanilistest valguse energia mõjul. Valdaval enamikul juhtudel viivad fotosünteesi läbi taimed, kasutades selliseid rakuorganelle, nagu kloroplastid sisaldab rohelist pigmenti klorofüll.
Kui taimed poleks võimelised sünteesima orgaanilisi aineid, poleks peaaegu kõigil teistel Maa organismidel midagi toita, kuna loomad, seened ja paljud bakterid ei suuda orgaanilisi aineid anorgaanilistest sünteesida. Nad imavad ainult valmis, jagavad need lihtsamaks, millest nad koguvad taas keerukaid, kuid juba nende kehale iseloomulikke.
Seda juhul, kui räägime fotosünteesist ja selle rollist väga lühidalt. Fotosünteesi mõistmiseks peate ütlema rohkem: milliseid konkreetseid anorgaanilisi aineid kasutatakse, kuidas toimub süntees?
Fotosünteesiks on vaja kahte anorgaanilist ainet - süsinikdioksiidi (CO 2) ja vett (H 2 O). Esimene imendub õhust taimede osade kaudu peamiselt stomata kaudu. Vesi - pinnasest, kust see taime juhtimissüsteemi kaudu fotosünteetilistesse rakkudesse toimetatakse. Samuti nõuab fotosüntees footonite energiat (hν), kuid neid ei saa ainele omistada.
Kokku toodab fotosüntees orgaanilist ainet ja hapnikku (O 2). Tavaliselt nimetatakse orgaanilist ainet tavaliselt glükoosiks (C 6 H 12 O 6).
Orgaanilised ühendid koosnevad enamasti süsiniku, vesiniku ja hapniku aatomitest. Neid leidub süsinikdioksiidis ja vees. Fotosünteesi käigus vabaneb aga hapnik. Selle aatomid võetakse veest.
Lühidalt ja üldiselt kirjutatakse fotosünteesi reaktsiooni võrrand tavaliselt järgmiselt:
6CO 2 + 6H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 6O 2
Kuid see võrrand ei kajasta fotosünteesi olemust ega muuda seda arusaadavaks. Vaata, kuigi võrrand on tasakaalus, sisaldab see vabas hapnikus kokku 12 aatomit, kuid me ütlesime, et need pärinevad veest ja neid on ainult 6.
Tegelikult toimub fotosüntees kahes etapis. Esimest nimetatakse valgus, teine on tume... Sellised nimed on tingitud asjaolust, et valgust on vaja ainult heleda faasi jaoks, tume faas ei sõltu selle olemasolust, kuid see ei tähenda, et see läheb pimedas. Hele faas esineb kloroplasti tülakoidmembraanidel, tume faas - kloroplasti stroomas.
Valgusfaasis CO 2 seondumist ei toimu. On ainult päikeseenergia kogumine klorofüllikomplekside abil, selle salvestamine ATP -sse, energia kasutamine NADP vähendamiseks NADP * H 2 -ks. Valgust ergastatud klorofülli energiavoolu tagavad elektronid, mis edastatakse mööda tülakoidmembraanidesse ehitatud ensüümide elektronide transpordiahelat.
Vesinik NADP jaoks võetakse veest, mis päikesevalguse mõjul laguneb hapniku aatomiteks, vesiniku prootoniteks ja elektronideks. Seda protsessi nimetatakse fotolüüs... Fotosünteesiks pole veest hapnikku vaja. Kahe veemolekuli hapniku aatomid ühinevad, moodustades molekulaarse hapniku. Fotosünteesi valgusfaasi reaktsioonivõrrand on lühidalt järgmine:
H 2 O + (ADP + F) + NADP → ATP + NADP * H 2 + ½ O 2
Seega vabaneb hapnik fotosünteesi valgusfaasis. ADP -st ja fosforhappest sünteesitud ATP molekulide arv ühe veemolekuli fotolüüsi kohta võib olla erinev: üks või kaks.
Niisiis, ATP ja NADP * H 2 sisenevad heledast faasist pimedasse faasi. Siin kulutatakse esimese energia ja teise redutseeriv jõud süsinikdioksiidi sidumiseks. Seda fotosünteesi etappi ei saa lihtsalt ja lühidalt seletada, sest see ei toimu nii, et kuus CO 2 molekuli ühinevad NADP * H 2 molekulidest vabaneva vesinikuga, moodustades glükoosi:
6CO 2 + 6NADP * H 2 → C 6 H 12 O 6 + 6NADP
(reaktsioon toimub energia kulutamisega ATP, mis laguneb ADP -ks ja fosforhappeks).
Ülaltoodud reaktsioon on arusaamise hõlbustamiseks vaid lihtsustamine. Tegelikult seonduvad süsinikdioksiidi molekulid ükshaaval, kinnituvad valmis viiest süsinikust koosneva orgaanilise aine külge. Moodustub ebastabiilne kuue süsiniku orgaaniline aine, mis laguneb kolme süsiniku süsivesikute molekulideks. Mõnda neist molekulidest kasutatakse esialgse viiest süsinikust koosneva aine uuesti sünteesimiseks CO 2 sidumiseks. Selline uuesti süntees on ette nähtud Calvini tsükkel... Vähemus kolme süsiniku süsivesikute molekulidest lahkub tsüklist. Kõik muud orgaanilised ained (süsivesikud, rasvad, valgud) sünteesitakse neist ja muudest ainetest.
See tähendab, et tegelikult vabanevad fotosünteesi pimedast faasist kolme süsinikuga suhkrud, mitte glükoos.
Inimese elu, nagu kogu elu Maal, on võimatu ilma hingamiseta. Me hingame õhust sisse hapnikku ja hingame välja süsinikdioksiidi. Aga miks hapnik otsa ei saa? Selgub, et atmosfääri õhku toidetakse pidevalt hapnikuga. Ja see küllastumine toimub täpselt fotosünteesi tõttu.
Fotosüntees on lihtne ja arusaadav!
Igaüks on kohustatud mõistma, mis on fotosüntees. Selleks ei pea te üldse keerulisi valemeid kirjutama, piisab selle protsessi olulisuse ja võlu mõistmisest.
Taimed mängivad fotosünteesi protsessis peamist rolli - rohi, puud, põõsad. Just taimede lehtedes on miljoneid aastaid toimunud hämmastav süsinikdioksiidi muundumine hapnikuks, mis on eluks vajalik neile, kellele meeldib hingata. Proovime kogu fotosünteesi protsessi järjekorras lahti võtta.
1. Taimed võtavad mullast vett koos selles lahustunud mineraalidega - lämmastik, fosfor, mangaan, kaalium, erinevad soolad - kokku üle 50 erineva keemilise elemendi. Taimed vajavad seda toitumiseks. Kuid maapinnast saavad taimed ainult 1/5 vajalikest ainetest. Ülejäänud 4/5 saavad nad õhust välja!
2. Taimed imavad õhust süsinikdioksiidi. Sama süsinikdioksiid, mida me iga sekund välja hingame. Taimed hingavad süsinikdioksiidi nagu teie ja mina hingame hapnikku. Sellest aga ei piisa.
3. Looduslabori asendamatu komponent on päikesevalgus. Päikesekiired taimede lehtedes kutsuvad esile erakordse keemilise reaktsiooni. Kuidas see juhtub?
4. Taimede lehtedes on hämmastav aine - klorofüll... Klorofüll on võimeline püüdma päikesevalgust ja muutma väsimatult saadud vee, mikroelemendid, süsinikdioksiidi orgaaniliseks aineks, mis on vajalik igale meie planeedi elusolendile. Praegu vabastavad taimed atmosfääri hapnikku! Just seda klorofülli tööd nimetavad teadlased keeruliseks sõnaks - fotosüntees.
Ettekande teemal fotosüntees saab alla laadida haridusportaalist
Miks on siis rohi roheline?
Nüüd, kui me teame, et taimerakud sisaldavad klorofülli, on sellele küsimusele väga lihtne vastata. Mitte ilma põhjuseta tõlgitakse klorofüll vanakreeka keelest kui "roheline leht". Fotosünteesiks kasutab klorofüll kõiki päikesevalguse kiiri, välja arvatud roheline. Me näeme rohtu, taimede lehti rohelisena just seetõttu, et klorofüll osutub roheliseks.
Fotosünteesi tähtsus.
Fotosünteesi tähtsust ei saa üle hinnata - ilma fotosünteesita koguneks meie planeedi atmosfääri liiga palju süsinikdioksiidi, enamik elusorganisme lihtsalt ei saaks hingata ja surra. Meie Maa muutuks elutuks planeediks. Selle vältimiseks peab iga inimene planeedil Maa meeles pidama, et oleme taimedele väga võlgu.
Sellepärast on nii oluline luua linnadesse võimalikult palju parke ja haljasalasid. Kaitske taigat ja džunglit hävitamise eest. Või lihtsalt istuta puu oma maja kõrvale. Või mitte oksi murda. Ainult iga inimese osalemine planeedil Maa aitab säilitada elu oma koduplaneedil.
Kuid fotosünteesi tähtsus ei piirdu ainult süsinikdioksiidi muundamisega hapnikuks. Fotosünteesi tulemusena tekkis atmosfääri osoonikiht, mis kaitseb planeeti ultraviolettkiirguse kahjulike kiirte eest. Taimed on toiduks enamikule Maa elusolenditele. Vajalik ja täisväärtuslik toit. Taimede toiteväärtus on samuti fotosünteesi eelis.
Hiljuti on klorofülli meditsiinis aktiivselt kasutatud. Inimesed on juba ammu teadnud, et haiged loomad söövad paranemiseks vaistlikult rohelisi lehti. Teadlased on leidnud, et klorofüll sarnaneb inimese vererakkudes oleva ainega ja on võimeline imesid tegema.
Taimed saavad keskkonnast kõik, mida nad vajavad kasvamiseks ja arenguks. Nii erinevad nad teistest elusorganismidest. Selleks, et need hästi areneksid, vajate viljakat mulda, looduslikku või kunstlikku niisutust ja head valgustust. Pimedas ei kasva midagi.
Muld on vee ja toitainete orgaaniliste ühendite, mikroelementide allikas. Kuid puud, lilled, kõrrelised vajavad ka päikeseenergiat. Päikesevalguse mõjul tekivad teatud reaktsioonid, mille tagajärjel muutub õhust imendunud süsinikdioksiid hapnikuks. Seda protsessi nimetatakse fotosünteesiks. Päikesevalguse toimel tekkiv keemiline reaktsioon tekitab ka glükoosi ja vett. Need ained on taime arenguks üliolulised.
Keemikute keeles näeb reaktsioon välja selline: 6CO2 + 12H2O + valgus = C6H12O6 + 6O2 + 6H2O. Võrrandi lihtsustatud vorm: süsinikdioksiid + vesi + valgus = glükoos + hapnik + vesi.
Sõna otseses mõttes on "fotosüntees" tõlgitud kui "koos valgusega". See sõna koosneb kahest lihtsast sõnast "foto" ja "süntees". Päike on väga võimas energiaallikas. Inimesed kasutavad seda elektri tootmiseks, maja soojustamiseks ja vee soojendamiseks. Samuti vajavad taimed elu säilitamiseks päikeseenergiat. Fotosünteesist saadud glükoos on lihtne suhkur, mis on üks olulisemaid toitaineid. Taimed kasutavad seda kasvuks ja arenguks ning ülejääk ladestub lehtedesse, seemnetesse, viljadesse. Taimede ja puuviljade rohelistes osades ei jää kogu glükoos muutumatuks. Lihtsad suhkrud muutuvad keerukamaks, sealhulgas tärklis. Selliseid taimede varusid tarbitakse toitainete puudumise perioodidel. Just nemad määravad ürtide, puuviljade, lillede, lehtede toiteväärtuse loomadele ja inimestele, kes söövad taimset toitu.
Kuidas taimed valgust neelavad
Fotosünteesi protsess on üsna keeruline, kuid seda saab lühidalt kirjeldada nii, et see oleks arusaadav isegi kooliealistele lastele. Üks levinumaid küsimusi puudutab valguse neeldumise mehhanismi. Kuidas jõuab valgusenergia taimedesse? Fotosünteesi protsess toimub lehtedes. Kõigi taimede lehtedes on rohelisi rakke - kloroplaste. Need sisaldavad ainet nimega klorofüll. Klorofüll on pigment, mis annab lehtedele rohelise värvuse ja vastutab valgusenergia neeldumise eest. Paljud inimesed pole mõelnud, miks enamiku taimede lehed on laiad ja lamedad. Tuleb välja, et loodus andis selle põhjuseks. Lai pind võimaldab neelata rohkem päikesevalgust. Samal põhjusel on päikesepaneelid laiad ja tasased.
Lehtede ülemist osa kaitseb vahajas kiht (küünenahk) veekadude ja ilmastiku, kahjurite kahjulike mõjude eest. Seda nimetatakse palisaadiks. Kui vaatate lehte tähelepanelikult, näete, et ülemine külg on heledam ja siledam. Rikkalik värv saadakse tänu sellele, et selles osas on rohkem kloroplaste. Liigne valgus võib vähendada taime võimet toota hapnikku ja glükoosi. Ereda päikese käes kahjustatakse klorofülli ja see aeglustab fotosünteesi. Aeglustumine toimub ka sügise saabudes, kui valgust väheneb ja lehed hakkavad kollaseks muutuma, kuna neis on kloroplaste.
Vee rolli fotosünteesis ja taimede elus ei saa alahinnata. Vett on vaja:
- taimede varustamine selles lahustunud mineraalidega;
- tooni säilitamine;
- jahutamine;
- keemiliste ja füüsikaliste reaktsioonide võimalus.
Puud, põõsad, lilled imavad juurte kaudu mullast vett ja seejärel tõuseb niiskus piki varre, läheb lehtedesse piki veene, mis on nähtavad isegi palja silmaga.
Süsinikdioksiid siseneb lehe alumises osas olevate väikeste aukude - stomata - kaudu. Lehe alumises osas on rakud paigutatud nii, et süsinikdioksiid saaks sügavamalt tungida. Samuti võimaldab see fotosünteesi käigus tekkivat hapnikku hõlpsalt lehest lahkuda. Nagu kõik elusorganismid, on ka taimedel hingamisvõime. Pealegi imavad nad erinevalt loomadest ja inimestest süsinikdioksiidi ja eraldavad hapnikku, mitte vastupidi. Seal, kus on palju taimi, on õhk väga puhas ja värske. Sellepärast on nii tähtis hoolitseda puude, põõsaste eest, paigutada väljakuid ja parke suurtesse linnadesse.
Fotosünteesi heledad ja tumedad faasid
Fotosünteesi protsess on keeruline ja koosneb kahest faasist - hele ja tume. Valgusfaas on võimalik ainult päikesevalguse juuresolekul. Valguse mõjul ioniseeruvad klorofülli molekulid, mille tulemusena moodustub energia, mis toimib keemilise reaktsiooni katalüsaatorina. Sündmuste järjekord selles faasis näeb välja selline:
- valgus tabab klorofülli molekuli, mille roheline pigment neelab ja muudab selle ergastatud olekusse;
- toimub vee jagunemine;
- Sünteesitakse ATP, mis on energiaakumulaator.
Fotosünteesi tume faas toimub ilma valgusenergia osaluseta. Selles etapis moodustub glükoos ja hapnik. Oluline on mõista, et glükoosi ja hapniku moodustumine toimub ööpäevaringselt ja mitte ainult öösel. Tume faasi nimetatakse seetõttu, et valguse olemasolu ei ole selle voolamiseks enam vajalik. Katalüsaatoriks on ATP, mis sünteesiti varem.
Fotosünteesi tähtsus looduses
Fotosüntees on üks olulisemaid looduslikke protsesse. See on vajalik mitte ainult taimede, vaid ka kogu planeedi elu toetamiseks. Fotosünteesi on vaja:
- loomade ja inimeste toiduga varustamine;
- süsinikdioksiidi eemaldamine ja õhu hapnikuga varustamine;
- toitainete tsükli säilitamine.
Kõik taimed sõltuvad fotosünteesi kiirusest. Päikeseenergiat võib vaadelda kui tegurit, mis provotseerib või pärsib kasvu. Näiteks päikese lõunapoolsetes piirkondades ja piirkondades on palju ja taimed võivad kasvada üsna kõrgeks. Kui mõelda sellele, kuidas protsess toimub veeökosüsteemides, merede, ookeanide pinnal, siis ei puudu päikesevalgus ja nendes kihtides on täheldatud rikkalikku vetikate kasvu. Sügavamates veekihtides napib päikeseenergiat, mis mõjutab veetaimestiku kasvukiirust.
Fotosünteesi protsess aitab kaasa atmosfääri osoonikihi moodustumisele. See on väga oluline, kuna see aitab kaitsta kogu planeedi elu ultraviolettkiirte kahjulike mõjude eest.
Fotosüntees on orgaaniliste ühendite süntees roheliste taimede lehtedes veest ja atmosfääri süsinikdioksiidist, kasutades klorofülli poolt kloroplastides adsorbeeritud päikese (valgus) energiat.
Tänu fotosünteesile haaratakse nähtava valguse energia ja muudetakse see keemiliseks energiaks, salvestatakse (salvestatakse) fotosünteesi käigus tekkinud orgaanilistes ainetes.
Fotosünteesi protsessi avastamise kuupäevaks võib lugeda 1771. Inglise teadlane J. Priestley juhtis tähelepanu õhu koostise muutumisele loomade elulise aktiivsuse tõttu. Roheliste taimede juuresolekul muutus õhk taas sobivaks nii hingamiseks kui ka põletamiseks. Seejärel avastati mitmete teadlaste (J. Ingenhaus, J. Senebier, T. Saussure, J. B. Boussingault) töödes, et rohelised taimed absorbeerivad õhust süsinikdioksiidi, millest orgaaniline aine moodustub valguse osalusel. Just seda protsessi nimetas Saksa teadlane W. Pfeffer 1877. aastal fotosünteesiks. R. Mayeri sõnastatud energia jäävuse seadusel oli fotosünteesi olemuse avalikustamisel suur tähtsus. R. Mayer esitas 1845. aastal eelduse, et taimede kasutatav energia on Päikese energia, mille taimed muundavad fotosünteesi käigus keemiliseks energiaks. See seisukoht töötati välja ja kinnitati eksperimentaalselt tähelepanuväärse vene teadlase K.A. Timirjazev.
Fotosünteesivate organismide peamine roll:
1) päikesevalguse energia muundamine orgaaniliste ühendite keemiliste sidemete energiaks;
2) atmosfääri küllastumine hapnikuga;
Fotosünteesi tulemusena tekib Maal 150 miljardit tonni orgaanilist ainet ja aastas vabaneb umbes 200 miljardit tonni vaba hapnikku. See hoiab ära CO2 kontsentratsiooni suurenemise atmosfääris, vältides Maa ülekuumenemist (kasvuhooneefekt).
Fotosünteesil loodud atmosfäär kaitseb elusolendeid hävitava lühilaine UV-kiirguse (atmosfääri hapniku-osooniekraan) eest.
Ainult 1-2% päikeseenergiast kantakse põllukultuuride põllukultuurile; kaotused tulenevad valguse mittetäielikust neeldumisest. Seetõttu on saagikuse suurendamiseks tohutu väljavaade suure fotosünteesi efektiivsusega sortide valiku, valguse neeldumiseks soodsa põllukultuuristruktuuri loomise tõttu. Sellega seoses muutub eriti kiireks fotosünteesi juhtimise teoreetiliste aluste väljatöötamine.
Fotosünteesi tähtsus on tohutu. Pange tähele, et see varustab kütust (energiat) ja atmosfääri hapnikku, mis on vajalik kõigi elusolendite eksisteerimiseks. Seega on fotosünteesi roll planetaarne.
Fotosünteesi planeedi iseloomu määrab ka see, et tänu hapniku ja süsiniku ringlusele (peamiselt) säilib tänapäevane atmosfääri koostis, mis omakorda määrab elu edasise säilimise Maal. Võime veel öelda, et fotosünteesi saadustesse salvestatud energia on sisuliselt peamine energiaallikas, mis inimkonnal praegu on.
Fotosünteesi täielik reaktsioon
CO 2 + H 2 O = (CH 2 O) + O. 2 .
Fotosünteesi keemiat kirjeldavad järgmised võrrandid:
Fotosüntees - 2 reaktsioonirühma:
valgusetapp (sõltub valgustus)
tume lava (sõltub temperatuurist).
Mõlemad reaktsioonirühmad toimuvad samaaegselt
Fotosüntees toimub roheliste taimede kloroplastides.
Fotosüntees algab valguse püüdmise ja neeldumisega pigmendi klorofülli poolt, mis sisaldub roheliste taimerakkude kloroplastides.
Sellest piisab molekuli neeldumisspektri nihutamiseks. 
Klorofülli molekul absorbeerib footoneid violetses ja sinises ning seejärel spektri punases osas ning ei suhtle spektri rohelise ja kollase osa footonitega.
Seetõttu näevad klorofüll ja taimed rohelised välja - nad lihtsalt ei saa rohelisi kiiri mingil moel kasutada ja jätavad nad maailma jalutama (muutes sellega rohelisemaks).
Fotosünteesivad pigmendid asuvad tülakoidmembraani siseküljel.
Pigmendid on organiseeritud fotosüsteemid(antenniväljad valguse jäädvustamiseks) - sisaldab 250-400 molekuli erinevat pigmenti.
Fotosüsteem koosneb:
reaktsioonikeskus fotosüsteemid (klorofülli molekul a),
antenni molekulid
Kõik fotosüsteemi pigmendid on võimelised ergastatud oleku energiat üksteisele üle kandma. Selle või selle pigmendimolekuli neeldunud footoni energia kantakse naabermolekuli juurde, kuni see jõuab reaktsioonikeskusesse. Kui reaktsioonikeskuse resonantssüsteem muutub ergastatuks, kannab see kaks ergastatud elektroni aktseptormolekulile ja oksüdeerub ning omandab positiivse laengu.
Taimedes:
fotosüsteem 1(maksimaalne valguse neeldumine lainepikkusel 700 nm - P700)
fotosüsteem 2(valguse maksimaalne neeldumine lainepikkusel 680 nm - P680
Imendumisoptimaali erinevused tulenevad pigmentide struktuuri väikestest erinevustest.
Need kaks süsteemi töötavad koos, nagu kaheosaline konveier nimega mittetsükliline fotofosforüülimine .
Kokkuvõtlik võrrand mittetsükliline fotofosforüülimine:
Ф - fosforhappejäägi sümboolne tähistus
Tsükkel algab fotosüsteemiga 2.
1) antennimolekulid hõivavad footoni ja kannavad erutuse aktiivse keskuse P680 molekulisse;
2) ergastatud P680 molekul loob kofaktorile Q kaks elektroni, samal ajal kui see oksüdeerub ja omandab positiivse laengu;
Kofaktor(kofaktor). Koensüüm või mõni muu ensüümi toimimiseks vajalik aine
Koensüümid (koensüümid)[lat. co (cum) - koos ja ensüümid], mittevalgulise iseloomuga orgaanilised ühendid, mis osalevad ensümaatilises reaktsioonis üksikute aatomite või aatomirühmade vastuvõtjatena, ensüümi poolt substraadimolekulist eraldatuna, s.t. ensüümide katalüütilise toime rakendamiseks. Need ained on vastupidiselt ensüümi valgukomponendile (apoensüüm) suhteliselt väikese molekulmassiga ja reeglina termostabiilsed. Mõnikord tähendavad koensüümid mistahes madala molekulmassiga aineid, mille osalemine on vajalik ensüümi katalüütilise toime avaldumiseks, sealhulgas näiteks ioonid. K+, Mg 2+ ja Mn 2+. Pakkumised asuvad. ensüümi aktiivses keskuses ja koos aktiivse keskuse substraadi ja funktsionaalrühmadega moodustavad aktiveeritud kompleksi.
Katalüütilise aktiivsuse avaldumiseks vajab enamik ensüüme koensüümi. Erandiks on hüdrolüütilised ensüümid (näiteks proteaasid, lipaasid, ribonukleaas), mis täidavad oma funktsiooni koensüümi puudumisel.
Molekuli redutseerib P680 (ensüümide toimel). Sel juhul dissotsieerub vesi prootoniteks ja molekulaarne hapnik, neid. vesi on elektronidoonor, mis tagab elektronide täiendamise P 680 -s.
FOTOLÜÜS VESI- veemolekuli lõhenemine, eriti fotosünteesi ajal. Vee fotolüüsi tulemusena moodustub hapnik, mille rohelised taimed valguse käes eraldavad.
Laadimine ...