La photosynthèse est un processus utilisé par les plantes, les algues et certaines bactéries pour exploiter l'énergie de la lumière du soleil et la convertir en énergie chimique. Cet article décrit les principes généraux de la photosynthèse et l'application de la photosynthèse pour développer des carburants propres et des sources d'énergie renouvelables.
Il existe deux types de processus photosynthétiques : oxygéné photosynthèse et anoxygénique photosynthèse... Les principes généraux de la photosynthèse anoxygénique et oxygénée sont très similaires, mais le plus courant est la photosynthèse oxygénée, qui est observée chez les plantes, les algues et les cyanobactéries.
Lors de la photosynthèse oxygénée, l'énergie lumineuse facilite le transfert d'électrons de l'eau (H 2 O) au dioxyde de carbone (CO 2 ). La réaction produit de l'oxygène et des hydrocarbures.
Photosynthèse oxygénique peut être appelé un processus opposé à la respiration dans lequel il y a une absorption de dioxyde de carbone produit par tous les organismes respiratoires, et la libération d'oxygène dans l'atmosphère.
D'autre part, l'eau n'est pas utilisée comme donneur d'électrons dans la photosynthèse anoxygénique. Ce processus est couramment observé chez les bactéries telles que les bactéries violettes et les bactéries vertes du soufre, qui se trouvent principalement dans divers environnements aquatiques.
Avec la photosynthèse anoxygénique, l'oxygène n'est pas produit, d'où le nom. Le résultat de la réaction dépend du donneur d'électrons. Par exemple, de nombreuses bactéries utilisent le sulfure d'hydrogène comme donneur et, à la suite de cette photosynthèse, du soufre solide se forme.
Bien que les deux types de photosynthèse soient des processus complexes et à plusieurs étapes, ils peuvent être grossièrement représentés sous la forme des équations chimiques ci-dessous.
Photosynthèse oxygénique s'écrit comme suit :
6CO 2 + 12H 2 O + Énergie lumineuse → C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + 6H 2 O
Ici, six molécules de dioxyde de carbone (CO2) se combinent avec 12 molécules d'eau (H2O) en utilisant l'énergie lumineuse. À la suite de la réaction, une molécule d'hydrate de carbone (C6H12O6 ou glucose) et six molécules d'oxygène et six molécules d'eau sont formées.
De même réactions différentes photosynthèse anoxygénique peut être présenté sous la forme d'une formule généralisée :
CO 2 + 2H 2 A + Énergie lumineuse → + 2A + H 2 O
La lettre A dans l'équation est une variable et H 2 A représente un donneur potentiel d'électrons. Par exemple, A peut être le soufre dans l'hydrogène sulfuré (H 2 S).
Appareil photosynthétique
Vous trouverez ci-dessous les composants cellulaires nécessaires à la photosynthèse.
Pigments
Pigments Sont des molécules qui donnent de la couleur aux plantes, aux algues et aux bactéries, mais elles sont également responsables de capter efficacement la lumière du soleil. Des pigments de différentes couleurs absorbent différentes longueurs d'onde de lumière. Trois groupes principaux sont présentés ci-dessous.
- Chlorophylles Sont des pigments verts capables de piéger la lumière bleue et rouge. Les chlorophylles ont trois sous-types appelés chlorophylle a, chlorophylle b et chlorophylle c. La chlorophylle a est présente dans toutes les plantes photosynthétiques. Il existe également une variante bactérienne, la bactériochlorophylle, qui absorbe la lumière infrarouge. Ce pigment se trouve principalement dans les bactéries soufrées violettes et vertes, qui effectuent la photosynthèse anoxygénique.
- Caroténoïdes Sont des pigments rouges, oranges ou jaunes qui absorbent la lumière bleu-vert. Des exemples de caroténoïdes sont la xanthophylle (jaune) et le carotène (orange), qui donnent leur couleur aux carottes.
- Phycobilines Sont des pigments rouges ou bleus qui absorbent les longues longueurs d'onde de la lumière qui ne sont pas si bien absorbées par les chlorophylles et les caroténoïdes. Ils peuvent être vus dans les cyanobactéries et les algues rouges.
Plastide
Les organismes eucaryotes photosynthétiques contiennent des organites dans le cytoplasme appelés plastes... Les plastes à deux membranes dans les plantes et les algues sont considérés comme des plastes primaires, et les plastes à plusieurs membranes trouvés dans le plancton sont appelés plastes secondaires, selon un article de Nature Education rédigé par les auteurs Chong Xin Chan et Debashish Bhattacharya, chercheurs à l'Université Rutgers du New Jersey.
Les plastes contiennent généralement des pigments ou peuvent stocker des nutriments. Les leucoplastes incolores et non pigmentés stockent les graisses et l'amidon, tandis que les chromoplastes contiennent des caroténoïdes et les chloroplastes contiennent de la chlorophylle.
La photosynthèse a lieu dans les chloroplastes; en particulier, dans les zones du grana et du stroma. Les grana sont des vésicules ou membranes plates empilées appelées thylakoïdes. Toutes les structures photosynthétiques se trouvent dans les granules. C'est là que s'effectue le transfert des électrons. Les espaces vides entre les colonnes du grana constituent le stroma.
Les chloroplastes sont comme les mitochondries, les centres énergétiques des cellules, en ce sens qu'ils ont leur propre génome, ou une collection de gènes contenus dans l'ADN cyclique. Ces gènes codent pour des protéines nécessaires à l'organite et à la photosynthèse. Comme les mitochondries, on pense que les chloroplastes ont évolué à partir de cellules bactériennes primitives par endosymbiose.
Antennes
Les molécules de pigment se lient aux protéines, ce qui leur permet de se déplacer dans la direction de la lumière et les unes vers les autres. Selon une publication de Wim Vermaas, professeur à l'Arizona State University, un ensemble de 100 à 5 000 molécules de pigment est " antennes". Ces structures captent l'énergie lumineuse du soleil sous forme de photons.
En fin de compte, l'énergie lumineuse doit être transférée au complexe pigment-protéine, qui peut la convertir en énergie chimique sous forme d'électrons. Dans les plantes, par exemple, l'énergie lumineuse est transférée aux pigments chlorophylliens. La transition vers l'énergie chimique se produit lorsque le pigment de chlorophylle déplace un électron, qui peut ensuite être transféré au destinataire approprié.
Centres de réaction
Les pigments et les protéines qui convertissent l'énergie lumineuse en énergie chimique et initient le processus de transfert d'électrons sont connus sous le nom de centres de réaction.
Processus de photosynthèse
Les réactions de photosynthèse des plantes sont divisées en celles nécessitant la présence de la lumière du soleil et n'en nécessitant pas. Les deux types de réactions ont lieu dans les chloroplastes : des réactions dépendantes de la lumière dans les thylakoïdes et des réactions indépendantes de la lumière dans le stroma.
Réactions dépendantes de la lumière (réactions lumineuses) lorsqu'un photon de lumière frappe le centre de réaction et qu'une molécule de pigment telle que la chlorophylle libère un électron. Dans ce cas, l'électron ne devrait pas revenir à sa position d'origine, et ce n'est pas facile à éviter, puisque maintenant la chlorophylle a un "trou électronique" qui attire les électrons proches.
L'électron libéré parvient à « s'échapper » en se déplaçant le long de la chaîne de transport électronique, qui génère l'énergie nécessaire pour obtenir l'ATP (adénosine triphosphate, source d'énergie chimique pour les cellules) et le NADP. Le "trou d'électrons" dans le pigment de chlorophylle d'origine est rempli d'électrons provenant de l'eau. En conséquence, de l'oxygène est libéré dans l'atmosphère.
Réactions sombres(qui sont indépendants de la présence de lumière et sont également connus sous le nom de cycle de Calvin). Au cours des réactions sombres, de l'ATP et du NADP sont produits, qui sont des sources d'énergie. Le cycle de Calvin consiste en trois étapes d'une réaction chimique : fixation, réduction et régénération du carbone. Ces réactions utilisent de l'eau et des catalyseurs. Les atomes de carbone du dioxyde de carbone sont «fixés» lorsqu'ils sont incorporés dans des molécules organiques, qui forment finalement des glucides à trois carbones (sucres légers). Ces sucres sont ensuite utilisés pour fabriquer du glucose ou recyclés pour relancer le cycle de Calvin.
La photosynthèse dans le futur. L'utilisation de la photosynthèse
Les organismes photosynthétiques sont un moyen potentiel de produire des carburants propres tels que l'hydrogène ou même le méthane. Récemment, un groupe de recherche de l'Université de Turku en Finlande a appliqué la capacité des algues vertes à produire de l'hydrogène. Les algues vertes peuvent produire de l'hydrogène en quelques secondes si elles sont d'abord exposées à l'absence de lumière et d'oxygène, puis exposées à la lumière. L'équipe a développé un moyen d'étendre la production d'hydrogène des algues jusqu'à trois jours, comme indiqué dans une publication de 2018 dans la revue Energy & Environmental Science.
Les scientifiques ont également fait des progrès dans la photosynthèse artificielle. Par exemple, un groupe de chercheurs de l'Université de Californie à Berkeley a développé un système artificiel pour capturer le dioxyde de carbone à l'aide de nanofils semi-conducteurs et de bactéries. La combinaison d'un ensemble de nanofils absorbant la lumière biocompatibles avec une population spécifique de bactéries, en utilisant l'énergie de la lumière du soleil, convertit le dioxyde de carbone en carburant ou en polymères. Une équipe de scientifiques a publié son projet en 2015 dans la revue Nano Letters.
En 2016, des scientifiques du même groupe ont publié une étude dans la revue Science, qui décrivait un autre système de photosynthèse artificielle dans lequel des bactéries spécialement créées étaient utilisées pour produire des carburants liquides en utilisant la lumière du soleil, de l'eau et du dioxyde de carbone. En général, les plantes ne peuvent utiliser que 1% de l'énergie solaire et l'utiliser lors de la photosynthèse pour produire des composés organiques. En revanche, le système de photosynthèse artificielle était capable d'utiliser 10 % de l'énergie solaire pour produire des composés organiques.
La recherche sur les processus naturels tels que la photosynthèse aide les scientifiques à développer de nouvelles façons d'exploiter diverses sources d'énergie renouvelables. La lumière du soleil est largement utilisée par les plantes et les bactéries dans la photosynthèse, la photosynthèse artificielle est donc une étape logique pour créer un carburant respectueux de l'environnement.
L'article a utilisé des matériaux de livescience.com
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Photosynthèse est un processus de synthèse de substances organiques à partir de substances inorganiques grâce à l'énergie de la lumière. Dans l'écrasante majorité des cas, la photosynthèse est réalisée par les plantes à l'aide d'organites cellulaires tels que chloroplastes contenant du pigment vert chlorophylle.
Si les plantes n'étaient pas capables de synthétiser la matière organique, alors presque tous les autres organismes sur Terre n'auraient rien pour se nourrir, car les animaux, les champignons et de nombreuses bactéries ne peuvent pas synthétiser les substances organiques à partir des substances inorganiques. Ils n'absorbent que les tout faits, les divisent en plus simples, à partir desquels ils assemblent à nouveau des complexes, mais déjà caractéristiques de leur corps.
C'est le cas si l'on parle très brièvement de la photosynthèse et de son rôle. Pour comprendre la photosynthèse, il faut en dire plus : quelles substances inorganiques spécifiques sont utilisées, comment se déroule la synthèse ?
La photosynthèse nécessite deux substances inorganiques - le dioxyde de carbone (CO 2) et l'eau (H 2 O). Le premier est absorbé de l'air par les parties aériennes des plantes principalement par les stomates. Eau - du sol, d'où elle est livrée aux cellules photosynthétiques par le système conducteur de la plante. De plus, la photosynthèse nécessite l'énergie des photons (hν), mais ils ne peuvent pas être attribués à la matière.
Au total, la photosynthèse produit de la matière organique et de l'oxygène (O 2). Habituellement, la matière organique est généralement appelée glucose (C 6 H 12 O 6).
Les composés organiques sont principalement composés d'atomes de carbone, d'hydrogène et d'oxygène. Ce sont ceux que l'on trouve dans le dioxyde de carbone et l'eau. Cependant, lors de la photosynthèse, de l'oxygène est libéré. Ses atomes sont extraits de l'eau.
Brièvement et généralement, l'équation de la réaction de la photosynthèse s'écrit généralement comme suit :
6CO 2 + 6H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 6O 2
Mais cette équation ne reflète pas l'essence de la photosynthèse, ne la rend pas compréhensible. Regardez, bien que l'équation soit équilibrée, il y a un total de 12 atomes dans l'oxygène libre.Mais nous avons dit qu'ils viennent de l'eau, et il n'y en a que 6.
En fait, la photosynthèse se déroule en deux phases. Le premier s'appelle léger, la seconde est foncé... De tels noms sont dus au fait que la lumière n'est nécessaire que pour la phase claire, la phase sombre est indépendante de sa présence, mais cela ne signifie pas qu'elle va dans l'obscurité. La phase claire se produit sur les membranes thylakoïdes du chloroplaste, la phase sombre - dans le stroma chloroplastique.
Dans la phase légère, aucune liaison de CO 2 ne se produit. Il n'y a que la captation de l'énergie solaire par les complexes chlorophylliens, son stockage en ATP, l'utilisation de l'énergie pour la réduction du NADP en NADP * H 2. Le flux d'énergie de la chlorophylle excité par la lumière est fourni par des électrons qui sont transmis le long de la chaîne de transport d'électrons des enzymes intégrées dans les membranes thylakoïdes.
L'hydrogène pour le NADP est extrait de l'eau qui, sous l'influence de la lumière du soleil, se décompose en atomes d'oxygène, en protons d'hydrogène et en électrons. Ce processus est appelé photolyse... L'oxygène de l'eau n'est pas nécessaire pour la photosynthèse. Les atomes d'oxygène de deux molécules d'eau se combinent pour former de l'oxygène moléculaire. L'équation de réaction pour la phase légère de la photosynthèse est brièvement la suivante :
H 2 O + (ADP + F) + NADP → ATP + NADP * H 2 + ½O 2
Ainsi, de l'oxygène est libéré pendant la phase lumineuse de la photosynthèse. Le nombre de molécules d'ATP synthétisées à partir d'ADP et d'acide phosphorique par photolyse d'une molécule d'eau peut être différent : un ou deux.
Ainsi, l'ATP et le NADP * H 2 entrent dans la phase sombre à partir de la phase claire. Ici, l'énergie du premier et la force réductrice du second sont dépensées pour lier le dioxyde de carbone. Cette étape de la photosynthèse ne peut pas être expliquée simplement et succinctement, car elle ne se déroule pas de la manière dont six molécules de CO 2 se combinent avec l'hydrogène libéré par les molécules de NADP * H 2 pour former du glucose :
6CO 2 + 6NADP * H 2 → C 6 H 12 O 6 + 6NADP
(la réaction se déroule avec la dépense d'énergie ATP, qui se décompose en ADP et acide phosphorique).
La réaction ci-dessus n'est qu'une simplification excessive pour faciliter la compréhension. En fait, les molécules de dioxyde de carbone se lient une à une, se fixent à la matière organique à cinq carbones prête à l'emploi. Une matière organique instable à six carbones se forme, qui se décompose en molécules de glucides à trois carbones. Certaines de ces molécules sont utilisées pour la resynthèse de la substance originale à cinq carbones pour la liaison du CO 2. Une telle resynthèse est fournie cycle de Calvin... Une minorité des molécules glucidiques à trois carbones quittent le cycle. Toutes les autres substances organiques (glucides, graisses, protéines) sont synthétisées à partir d'elles et d'autres substances.
C'est-à-dire qu'en fait, les sucres à trois carbones, et non le glucose, sont libérés de la phase sombre de la photosynthèse.
La vie humaine, comme toute vie sur Terre, est impossible sans respirer. Nous inhalons de l'oxygène de l'air et exhalons du dioxyde de carbone. Mais pourquoi l'oxygène ne s'épuise-t-il pas ? Il s'avère que l'air de l'atmosphère est continuellement alimenté en oxygène. Et cette saturation se produit précisément à cause de la photosynthèse.
La photosynthèse est simple et directe !
Tout le monde est obligé de comprendre ce qu'est la photosynthèse. Pour ce faire, vous n'avez pas du tout besoin d'écrire des formules complexes, il suffit de comprendre l'importance et la magie de ce processus.
Les plantes jouent le rôle principal dans le processus de photosynthèse - herbe, arbres, arbustes. C'est dans les feuilles des plantes que se produit depuis des millions d'années une étonnante transformation du dioxyde de carbone en oxygène, si nécessaire à la vie de ceux qui aiment respirer. Essayons de démonter l'ensemble du processus de photosynthèse dans l'ordre.
1. Les plantes prélèvent de l'eau du sol contenant des minéraux dissous - azote, phosphore, manganèse, potassium, sels divers - plus de 50 éléments chimiques différents au total. Les plantes en ont besoin pour se nourrir. Mais du sol, les plantes ne reçoivent que 1/5 des substances nécessaires. Le reste 4/5 ils sortent de nulle part !
2. Les plantes absorbent le dioxyde de carbone de l'air. Le même dioxyde de carbone que nous expirons à chaque seconde. Les plantes respirent du dioxyde de carbone comme vous et moi respirons de l'oxygène. Mais ce n'est pas assez.
3. Un élément indispensable dans un laboratoire naturel est la lumière du soleil. Les rayons du soleil dans les feuilles des plantes évoquent une réaction chimique extraordinaire. Comment cela peut-il arriver?
4. Il y a une substance étonnante dans les feuilles des plantes - chlorophylle... La chlorophylle est capable de capter les flux de lumière solaire et de transformer inlassablement l'eau, les oligo-éléments et le dioxyde de carbone qui en résultent en matière organique nécessaire à chaque créature vivante de notre planète. A ce moment, les plantes libèrent de l'oxygène dans l'atmosphère ! C'est ce travail de la chlorophylle que les scientifiques appellent un mot complexe - photosynthèse.
Une présentation sur le thème Photosynthèse est téléchargeable sur le portail pédagogique
Alors pourquoi l'herbe est-elle verte ?
Maintenant que nous savons que les cellules végétales contiennent de la chlorophylle, il est très facile de répondre à cette question. Ce n'est pas sans raison que la chlorophylle est traduite du grec ancien par "feuille verte". Pour la photosynthèse, la chlorophylle utilise tous les rayons du soleil sauf le vert. Nous voyons l'herbe, les feuilles des plantes vertes précisément parce que la chlorophylle s'avère être verte.
L'importance de la photosynthèse.
L'importance de la photosynthèse ne peut pas être surestimée - sans photosynthèse, trop de dioxyde de carbone s'accumulerait dans l'atmosphère de notre planète, la plupart des organismes vivants ne pourraient tout simplement pas respirer et mourraient. Notre Terre deviendrait une planète sans vie. Afin d'éviter que cela ne se produise, chaque personne sur la planète Terre doit se rappeler que nous sommes très endettés envers les plantes.
C'est pourquoi il est si important de créer autant de parcs et d'espaces verts dans les villes que possible. Protégez la taïga et la jungle de la destruction. Ou plantez simplement un arbre à côté de votre maison. Ou de ne pas casser les branches. Seule la participation de chaque personne sur la planète Terre aidera à préserver la vie sur la planète d'origine.
Mais l'importance de la photosynthèse ne se limite pas à la conversion du dioxyde de carbone en oxygène. C'est grâce à la photosynthèse que s'est formée la couche d'ozone dans l'atmosphère, qui protège la planète des rayons nocifs du rayonnement ultraviolet. Les plantes sont la nourriture de la plupart des êtres vivants sur Terre. Nourriture nécessaire et saine. La valeur nutritive des plantes est aussi un mérite de la photosynthèse.
Récemment, la chlorophylle a été activement utilisée en médecine. Les humains savent depuis longtemps que les animaux malades mangent instinctivement des feuilles vertes pour guérir. Les scientifiques ont découvert que la chlorophylle est similaire à une substance présente dans les cellules sanguines humaines et est capable de faire des miracles.
Les plantes tirent tout ce dont elles ont besoin pour leur croissance et leur développement de l'environnement. C'est ainsi qu'ils diffèrent des autres organismes vivants. Pour qu'ils se développent bien, vous avez besoin d'un sol fertile, d'une irrigation naturelle ou artificielle et d'un bon éclairage. Rien ne poussera dans le noir.
Le sol est une source d'eau et de composés organiques nutritifs, des oligo-éléments. Mais les arbres, les fleurs, les graminées ont aussi besoin d'énergie solaire. C'est sous l'influence de la lumière du soleil que se produisent certaines réactions, à la suite desquelles le dioxyde de carbone, absorbé de l'air, se transforme en oxygène. Ce procédé est appelé photosynthèse. La réaction chimique qui se produit lorsqu'elle est exposée au soleil produit également du glucose et de l'eau. Ces substances sont vitales pour le développement de la plante.
Dans le langage des chimistes, la réaction ressemble à ceci : 6CO2 + 12H2O + lumière = C6H12O6 + 6O2 + 6H2O. Une forme simplifiée de l'équation : dioxyde de carbone + eau + lumière = glucose + oxygène + eau.
Littéralement, « photosynthèse » se traduit par « avec la lumière ». Ce mot se compose de deux mots simples "photo" et "synthèse". Le soleil est une source d'énergie très puissante. Les gens l'utilisent pour produire de l'électricité, isoler les maisons et chauffer l'eau. Les plantes ont également besoin de l'énergie du soleil pour maintenir la vie. Le glucose issu de la photosynthèse est un sucre simple qui est l'un des nutriments les plus importants. Les plantes l'utilisent pour la croissance et le développement, et l'excès se dépose dans les feuilles, les graines, les fruits. Tout le glucose ne reste pas inchangé dans les parties vertes des plantes et des fruits. Les sucres simples ont tendance à se transformer en sucres plus complexes, dont l'amidon. Ces réserves de plantes sont consommées pendant les périodes de manque de nutriments. Ce sont eux qui déterminent la valeur nutritionnelle des herbes, des fruits, des fleurs, des feuilles pour les animaux et les personnes qui consomment des aliments végétaux.
Comment les plantes absorbent la lumière
Le processus de la photosynthèse est assez complexe, mais il peut être décrit brièvement afin qu'il devienne compréhensible même pour les enfants d'âge scolaire. L'une des questions les plus courantes concerne le mécanisme d'absorption de la lumière. Comment l'énergie lumineuse pénètre-t-elle dans les plantes ? Le processus de photosynthèse se déroule dans les feuilles. Dans les feuilles de toutes les plantes, il y a des cellules vertes - des chloroplastes. Ils contiennent une substance appelée chlorophylle. La chlorophylle est le pigment qui donne aux feuilles leur couleur verte et est responsable de l'absorption de l'énergie lumineuse. Beaucoup de gens n'ont pas pensé à pourquoi les feuilles de la plupart des plantes sont larges et plates. Il s'avère que la nature a fourni cela pour une raison. La large surface vous permet d'absorber plus de lumière du soleil. Pour la même raison, les panneaux solaires sont larges et plats.
La partie supérieure des feuilles est protégée par une couche cireuse (cuticule) de la perte d'eau et des effets néfastes des intempéries, des parasites. On l'appelle palissade. Si vous regardez attentivement la feuille, vous pouvez voir que la face supérieure est plus brillante et plus lisse. Une couleur riche est obtenue du fait qu'il y a plus de chloroplastes dans cette partie. Un excès de lumière peut réduire la capacité de la plante à produire de l'oxygène et du glucose. La chlorophylle est endommagée par l'exposition au soleil et cela ralentit la photosynthèse. Le ralentissement se produit également avec l'arrivée de l'automne, lorsque la lumière diminue et que les feuilles commencent à jaunir en raison de la destruction des chloroplastes qu'elles contiennent.
Le rôle de l'eau dans la photosynthèse et la vie végétale ne peut être sous-estimé. L'eau est nécessaire pour :
- fournir aux plantes des minéraux qui y sont dissous;
- maintenir le ton;
- refroidissement;
- la possibilité de réactions chimiques et physiques.
Les arbres, les arbustes, les fleurs absorbent l'eau du sol par les racines, puis l'humidité monte le long de la tige, passe dans les feuilles le long des veines, qui sont visibles même à l'œil nu.
Le dioxyde de carbone pénètre par de petits trous dans la partie inférieure de la feuille - les stomates. Dans la partie inférieure de la feuille, les alvéoles sont disposées de manière à ce que le dioxyde de carbone puisse pénétrer plus profondément. Il permet également à l'oxygène produit lors de la photosynthèse de quitter facilement la feuille. Comme tous les organismes vivants, les plantes sont dotées de la capacité de respirer. De plus, contrairement aux animaux et aux humains, ils absorbent le dioxyde de carbone et émettent de l'oxygène, et non l'inverse. Là où il y a beaucoup de plantes, l'air est très propre et frais. C'est pourquoi il est si important de prendre soin des arbres, des arbustes, d'aménager des places et des parcs dans les grandes villes.
Phases claires et sombres de la photosynthèse
Le processus de photosynthèse est complexe et se compose de deux phases - claire et sombre. La phase lumineuse n'est possible qu'en présence de soleil. Sous l'influence de la lumière, les molécules de chlorophylle s'ionisent, entraînant la formation d'énergie, qui sert de catalyseur à une réaction chimique. L'ordre des événements dans cette phase ressemble à ceci :
- la lumière frappe la molécule de chlorophylle, qui est absorbée par le pigment vert et la transforme en un état excité ;
- la division de l'eau se produit;
- L'ATP est synthétisé, qui est un accumulateur d'énergie.
La phase sombre de la photosynthèse se déroule sans la participation de l'énergie lumineuse. A ce stade, du glucose et de l'oxygène se forment. Dans le même temps, il est important de comprendre que la formation de glucose et d'oxygène se produit 24 heures sur 24, et pas seulement la nuit. La phase sombre est appelée car la présence de lumière n'est plus nécessaire à son écoulement. Le catalyseur est l'ATP, qui a été synthétisé plus tôt.
L'importance de la photosynthèse dans la nature
La photosynthèse est l'un des processus naturels les plus importants. Il est nécessaire non seulement pour soutenir la vie végétale, mais aussi pour toute vie sur la planète. La photosynthèse est nécessaire pour :
- fournir de la nourriture aux animaux et aux personnes;
- élimination du dioxyde de carbone et oxygénation de l'air;
- maintenir le cycle des nutriments.
Toutes les plantes dépendent du taux de photosynthèse. L'énergie solaire peut être considérée comme un facteur qui provoque ou inhibe la croissance. Par exemple, dans les régions méridionales et les régions du soleil, il y en a beaucoup et les plantes peuvent pousser assez hautes. Si l'on considère comment le processus se déroule dans les écosystèmes aquatiques, à la surface des mers, des océans, la lumière du soleil ne manque pas et une croissance abondante d'algues est observée dans ces couches. Dans les couches d'eau plus profondes, il y a une pénurie d'énergie solaire, ce qui affecte le taux de croissance de la flore aquatique.
Le processus de photosynthèse contribue à la formation de la couche d'ozone dans l'atmosphère. Ceci est très important, car cela aide à protéger toute vie sur la planète contre les effets nocifs des rayons ultraviolets.
Photosynthèse est la synthèse de composés organiques dans les feuilles des plantes vertes à partir de l'eau et du dioxyde de carbone de l'atmosphère en utilisant l'énergie solaire (lumière) adsorbée par la chlorophylle dans les chloroplastes.
Grâce à la photosynthèse, l'énergie de la lumière visible est captée et convertie en énergie chimique, stockée (stockée) dans des substances organiques formées lors de la photosynthèse.
La date de la découverte du processus de photosynthèse peut être considérée comme 1771. Le scientifique anglais J. Priestley a attiré l'attention sur la modification de la composition de l'air due à l'activité vitale des animaux. En présence de plantes vertes, l'air redevient propre à la fois à la respiration et à la combustion. Par la suite, les travaux de plusieurs scientifiques (J. Ingenhaus, J. Senebier, T. Saussure, J. B. Boussingault) ont constaté que les plantes vertes absorbent le CO2 de l'air, à partir duquel se forme la matière organique avec la participation de l'eau à la lumière. C'est ce processus en 1877 que le scientifique allemand W. Pfeffer a appelé la photosynthèse. La loi de conservation de l'énergie, formulée par R. Mayer, était d'une grande importance pour la divulgation de l'essence de la photosynthèse. En 1845, R. Mayer émet l'hypothèse que l'énergie utilisée par les plantes est l'énergie du Soleil, que les plantes transforment en énergie chimique lors de la photosynthèse. Cette position a été développée et confirmée expérimentalement dans les études du remarquable scientifique russe K.A. Timiriazev.
Le rôle principal des organismes photosynthétiques :
1) transformation de l'énergie de la lumière solaire en énergie des liaisons chimiques des composés organiques ;
2) saturation de l'atmosphère en oxygène ;
Grâce à la photosynthèse, 150 milliards de tonnes de matière organique se forment sur Terre et environ 200 milliards de tonnes d'oxygène libre sont libérées chaque année. Il empêche une augmentation de la concentration de CO2 dans l'atmosphère, empêchant la surchauffe de la Terre (effet de serre).
L'atmosphère créée par la photosynthèse protège les êtres vivants des rayons UV destructeurs à ondes courtes (écran oxygène-ozone de l'atmosphère).
Seulement 1 à 2 % de l'énergie solaire est transférée à la culture des plantes agricoles ; les pertes sont dues à une absorption incomplète de la lumière. Par conséquent, il existe une énorme perspective d'augmentation des rendements grâce à la sélection de variétés à haute efficacité photosynthétique, la création d'une structure de culture favorable à l'absorption de la lumière. À cet égard, le développement des fondements théoriques du contrôle de la photosynthèse devient particulièrement urgent.
L'importance de la photosynthèse est énorme. Notons simplement qu'il fournit le carburant (énergie) et l'oxygène atmosphérique nécessaires à l'existence de tout être vivant. Le rôle de la photosynthèse est donc planétaire.
La nature planétaire de la photosynthèse est également déterminée par le fait que, grâce à la circulation d'oxygène et de carbone (principalement), la composition moderne de l'atmosphère est maintenue, ce qui à son tour détermine le maintien de la vie sur Terre. On peut dire en outre que l'énergie qui est stockée dans les produits de la photosynthèse est essentiellement la principale source d'énergie dont dispose actuellement l'humanité.
Réaction totale de la photosynthèse
CO 2 + H 2 O = (CH 2 O) + O 2 .
La chimie de la photosynthèse est décrite par les équations suivantes :
Photosynthèse - 2 groupes de réactions :
scène lumineuse (dépend de éclairage)
scène sombre (dépend de la température).
Les deux groupes de réactions se déroulent simultanément
La photosynthèse a lieu dans les chloroplastes des plantes vertes.
La photosynthèse commence par la capture et l'absorption de la lumière par le pigment chlorophylle, contenu dans les chloroplastes des cellules végétales vertes.
Cela suffit pour décaler le spectre d'absorption de la molécule. 
La molécule de chlorophylle absorbe les photons dans le violet et le bleu, puis dans la partie rouge du spectre, et n'interagit pas avec les photons dans la partie verte et jaune du spectre.
Par conséquent, la chlorophylle et les plantes ont l'air vertes - elles ne peuvent tout simplement pas utiliser les rayons verts de quelque manière que ce soit et les laissent marcher dans le monde (le rendant ainsi plus vert).
Les pigments photosynthétiques sont situés sur la face interne de la membrane thylakoïde.
Les pigments sont organisés en systèmes photographiques(champs d'antenne pour capturer la lumière) - contenant 250-400 molécules de différents pigments.
Le système photo se compose de :
centre de réaction photosystèmes (molécule de chlorophylle une),
molécules d'antenne
Tous les pigments du photosystème sont capables de se transférer de l'énergie à l'état excité. L'énergie photonique absorbée par l'une ou l'autre molécule de pigment est transférée à une molécule voisine jusqu'à ce qu'elle atteigne le centre de réaction. Lorsque le système de résonance du centre de réaction devient excité, il transfère deux électrons excités à la molécule acceptrice et s'oxyde ainsi et acquiert une charge positive.
Dans les plantes :
photosystème 1(absorption lumineuse maximale à une longueur d'onde de 700 nm - P700)
photosystème 2(absorption maximale de la lumière à une longueur d'onde de 680 nm - P680
Les différences d'optimum d'absorption sont dues à de petites différences dans la structure des pigments.
Les deux systèmes fonctionnent conjointement, comme un convoyeur en deux parties appelé photophosphorylation non cyclique .
L'équation récapitulative pour photophosphorylation non cyclique:
Ф - désignation symbolique du résidu d'acide phosphorique
Le cycle commence avec le photosystème 2.
1) les molécules d'antenne capturent un photon et transfèrent l'excitation à une molécule du centre actif P680 ;
2) la molécule P680 excitée cède deux électrons au cofacteur Q, alors qu'elle s'oxyde et acquiert une charge positive ;
Cofacteur(cofacteur). Coenzyme ou toute autre substance nécessaire au fonctionnement d'une enzyme
Coenzymes (coenzymes)[de lat. co (cum) - ensemble et enzymes], composés organiques de nature non protéique, participant à la réaction enzymatique en tant qu'accepteurs d'atomes individuels ou de groupes atomiques, clivés par l'enzyme de la molécule substrat, c'est-à-dire pour la mise en œuvre de l'action catalytique des enzymes. Ces substances, contrairement au composant protéique de l'enzyme (apoenzyme), ont un poids moléculaire relativement faible et, en règle générale, sont thermostables. Parfois, les coenzymes désignent toutes les substances de faible poids moléculaire, dont la participation est nécessaire à la manifestation de l'action catalytique de l'enzyme, y compris les ions, par exemple. K +, Mg 2+ et Mn 2+. Les offres sont localisées. dans le centre actif de l'enzyme et avec le substrat et les groupes fonctionnels du centre actif forment un complexe activé.
Pour la manifestation de l'activité catalytique, la plupart des enzymes nécessitent la présence d'un coenzyme. L'exception concerne les enzymes hydrolytiques (par exemple, les protéases, les lipases, la ribonucléase), qui remplissent leur fonction en l'absence d'un coenzyme.
La molécule est réduite par P680 (par l'action d'enzymes). Dans ce cas, l'eau se dissocie en protons et oxygène moléculaire, celles. l'eau est un donneur d'électrons qui fournit une recharge électronique en P 680.
PHOTOLYSE L'EAU- clivage d'une molécule d'eau, notamment lors de la photosynthèse. En raison de la photolyse de l'eau, il se forme de l'oxygène, qui est libéré par les plantes vertes à la lumière.
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