Fotosintezė yra procesas, kurį naudoja augalai, dumbliai ir kai kurios bakterijos, kad panaudotų saulės spindulių energiją ir paverstų ją chemine energija. Šiame straipsnyje aprašomi bendrieji fotosintezės principai ir fotosintezės taikymas kuriant švarų kurą ir atsinaujinančius energijos šaltinius.
Yra dviejų tipų fotosintezės procesai: deguonies fotosintezė ir anoksigeniškas fotosintezė... Bendrieji anoksigeniškosios ir deguoninės fotosintezės principai yra labai panašūs, tačiau dažniausiai pasitaiko deguonies fotosintezė, kuri stebima augaluose, dumbliuose ir melsvabakterėse.
Deguonies fotosintezės metu šviesos energija palengvina elektronų perkėlimą iš vandens (H 2 O) į anglies dioksidą (CO 2). Reakcijos metu susidaro deguonis ir angliavandeniliai.
Deguonies fotosintezė gali būti vadinamas priešingu kvėpavimui procesu, kurio metu absorbuojamas visų kvėpuojančių organizmų gaminamas anglies dioksidas ir deguonis patenka į atmosferą.
Kita vertus, vanduo nėra naudojamas kaip elektronų donoras anoksigeninėje fotosintezėje. Šis procesas dažniausiai pastebimas tokiose bakterijose kaip purpurinės bakterijos ir žalios sieros bakterijos, kurios daugiausia randamos įvairiose vandens aplinkose.
Vykstant anoksigeniškai fotosintezei, deguonis nėra gaminamas, taigi ir pavadinimas. Reakcijos rezultatas priklauso nuo elektronų donoro. Pavyzdžiui, daugelis bakterijų kaip donoras naudoja vandenilio sulfidą, ir dėl šios fotosintezės susidaro kieta siera.
Nors abu fotosintezės tipai yra sudėtingi ir daugiapakopiai procesai, jie gali būti apytiksliai pateikti žemiau pateiktų cheminių lygčių pavidalu.
Deguonies fotosintezė parašyta taip:
6CO 2 + 12H 2 O + Šviesos energija → C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + 6H 2 O
Čia šešios anglies dioksido (CO2) molekulės sujungiamos su 12 vandens (H2O) molekulių, naudojant šviesos energiją. Dėl reakcijos susidaro viena angliavandenių molekulė (C6H12O6 arba gliukozė), šešios deguonies molekulės ir šešios vandens molekulės.
Panašiai skirtingos reakcijos anoksigeninė fotosintezė gali būti pateikiama viena apibendrinta formulė:
CO 2 + 2H 2 A + Šviesos energija → + 2A + H 2 O
A raidė lygtyje yra kintamasis, o H 2 A reiškia potencialų elektronų donorą. Pavyzdžiui, A gali būti siera vandenilio sulfide (H 2 S).
Fotosintezės aparatas
Žemiau yra ląstelių komponentai, reikalingi fotosintezei.
Pigmentai
Pigmentai Tai molekulės, suteikiančios spalvą augalams, dumbliams ir bakterijoms, tačiau jos taip pat yra atsakingos už efektyvų saulės spindulių fiksavimą. Įvairių spalvų pigmentai sugeria skirtingus šviesos bangos ilgius. Žemiau pateikiamos trys pagrindinės grupės.
- Chlorofilai Ar žali pigmentai gali sugauti mėlyną ir raudoną šviesą. Chlorofilai turi tris potipius, vadinamus chlorofilu a, chlorofilu b ir chlorofilu c. Chlorofilas a randamas visuose fotosintetiniuose augaluose. Taip pat yra bakterijų variantas - bakteriochlorofilas, kuris sugeria infraraudonųjų spindulių šviesą. Šis pigmentas daugiausia randamas violetinėse ir žaliose sieros bakterijose, kurios atlieka anoksigeninę fotosintezę.
- Karotinoidai Tai raudoni, oranžiniai arba geltoni pigmentai, sugeriantys mėlynai žalią šviesą. Karotinoidų pavyzdžiai yra ksantofilas (geltonas) ir karotinas (oranžinis), kurie morkoms suteikia spalvą.
- Fikobilinai Tai raudoni arba mėlyni pigmentai, sugeriantys ilgus šviesos bangos ilgius, kurių ne taip gerai sugeria chlorofilai ir karotinoidai. Juos galima pamatyti cianobakterijose ir raudonuosiuose dumbliuose.
Plastikas
Fotosintetiniuose eukariotiniuose organizmuose citoplazmoje yra organelių, vadinamų plastidai... Plastidai, turintys dvi membranas augaluose ir dumbliuose, laikomi pirminiais plastidais, o plastiškai, turintys daugiaspalves membranas, aptinkami planktone, vadinami antriniais plastidais, rašoma autorių Chong Xin Chan ir Debashish Bhattacharya, Rutgerso universiteto Niu Džersio tyrinėtojų, straipsnyje.
Plastidai paprastai turi pigmentų arba gali kaupti maistines medžiagas. Bespalviai ir nepigmentuoti leukoplastai kaupia riebalus ir krakmolą, o chromoplastai - karotinoidus, o chloroplastai - chlorofilą.
Fotosintezė vyksta chloroplastuose; ypač granos ir stromos srityse. Granos yra sukrautos plokščios pūslelės arba membranos, vadinamos tilakoidais. Visos fotosintezės struktūros yra grūduose. Čia vyksta elektronų perdavimas. Tuščios vietos tarp granos stulpelių sudaro stromą.
Chloroplastai yra tarsi mitochondrijos, ląstelių energetiniai centrai, nes jie turi savo genomą arba genų, esančių ciklinėje DNR, kolekciją. Šie genai koduoja baltymus, reikalingus organelėms ir fotosintezei. Manoma, kad kaip ir mitochondrijos, chloroplastai išsivystė iš primityvių bakterijų ląstelių per endosimbiozę.
Antenos
Pigmento molekulės jungiasi prie baltymų, kurie leidžia jiems judėti šviesos kryptimi ir vienas kito link. Remiantis Arizonos valstijos universiteto profesoriaus Wimo Vermaaso publikacija, 100–5000 pigmento molekulių yra „ antenos". Šios struktūros fotonų pavidalu užfiksuoja saulės šviesą.
Galų gale šviesos energija turi būti perkelta į pigmento ir baltymų kompleksą, kuris gali paversti ją chemine energija elektronų pavidalu. Pavyzdžiui, augaluose šviesos energija perduodama į chlorofilo pigmentus. Perėjimas prie cheminės energijos įvyksta, kai chlorofilo pigmentas išstumia elektroną, kuris vėliau gali būti perkeltas į atitinkamą recipientą.
Reakcijos centrai
Pigmentai ir baltymai, kurie šviesos energiją paverčia chemine energija ir inicijuoja elektronų perdavimo procesą, yra žinomi kaip reakcijos centrai.
Fotosintezės procesas
Augalų fotosintezės reakcijos skirstomos į tas, kurioms reikia saulės spindulių, ir tas, kurioms to nereikia. Abiejų tipų reakcijos vyksta chloroplastuose: nuo šviesos priklausomos reakcijos tiroiduose ir nuo šviesos nepriklausančios reakcijos stromoje.
Nuo šviesos priklausomos reakcijos (šviesos reakcijos) kai šviesos fotonas patenka į reakcijos centrą ir pigmento molekulė, tokia kaip chlorofilas, išskiria elektroną. Šiuo atveju elektronas neturėtų grįžti į pradinę padėtį, ir to išvengti nėra lengva, nes dabar chlorofilas turi „elektronų skylę“, kuri pritraukia netoliese esančius elektronus.
Išsiskyręs elektronas sugeba „pabėgti“ judėdamas elektronine transporto grandine, kuri generuoja energiją, reikalingą ATP (adenozino trifosfatas, ląstelėms skirtos cheminės energijos šaltinis) ir NADP gauti. Originaliame chlorofilo pigmente esanti „elektronų skylė“ užpildyta elektronais iš vandens. Dėl to deguonis patenka į atmosferą.
Tamsios reakcijos(kurios nepriklauso nuo šviesos buvimo ir taip pat žinomos kaip Kalvino ciklas). Tamsių reakcijų metu gaminami ATP ir NADP, kurie yra energijos šaltiniai. Kalvino ciklą sudaro trys cheminės reakcijos etapai: anglies fiksavimas, redukcija ir regeneracija. Šioms reakcijoms naudojamas vanduo ir katalizatoriai. Anglies atomai iš anglies dioksido yra „fiksuoti“, kai jie yra įtraukti į organines molekules, kurios galiausiai sudaro trijų anglies angliavandenius (lengvuosius cukrus). Tada šie cukrūs naudojami gliukozei gaminti arba perdirbami, kad būtų atnaujintas Kalvino ciklas.
Fotosintezė ateityje. Fotosintezės naudojimas
Fotosintezės organizmai yra potenciali priemonė gaminti švarų kurą, pavyzdžiui, vandenilį ar net metaną. Neseniai Suomijos Turku universiteto tyrimų grupė pritaikė žaliųjų dumblių gebėjimą gaminti vandenilį. Žalieji dumbliai gali pagaminti vandenilį per kelias sekundes, jei jie pirmą kartą yra veikiami šviesos ir deguonies, o po to yra veikiami šviesos. Komanda sukūrė būdą, kaip vandenilio dumblių gamybą pratęsti iki trijų dienų, kaip pranešta 2018 m. Žurnale „Energy & Environmental Science“.
Mokslininkai taip pat padarė pažangą dirbtinės fotosintezės srityje. Pavyzdžiui, grupė mokslininkų iš Kalifornijos universiteto Berklyje sukūrė dirbtinę anglies dioksido surinkimo sistemą, naudojant puslaidininkinius nanovielius ir bakterijas. Biologiškai suderinamų šviesą sugeriančių nanovamzdelių su tam tikra bakterijų populiacija derinys, naudojant saulės spindulių energiją, anglies dioksidą paverčia degalais arba polimerais. Mokslininkų komanda savo projektą paskelbė 2015 metais žurnale „Nano Letters“.
2016 metais tos pačios grupės mokslininkai žurnale „Science“ paskelbė tyrimą, kuriame aprašyta dar viena dirbtinė fotosintezės sistema, kurioje specialiai sukurtos bakterijos buvo naudojamos skystam kurui gaminti naudojant saulės šviesą, vandenį ir anglies dioksidą. Apskritai augalai gali naudoti tik 1% saulės energijos ir panaudoti ją fotosintezės metu organiniams junginiams gaminti. Priešingai, dirbtinė fotosintezės sistema galėjo panaudoti 10% saulės energijos organiniams junginiams gaminti.
Natūralių procesų, tokių kaip fotosintezė, tyrimas padeda mokslininkams sukurti naujus būdus, kaip panaudoti įvairius atsinaujinančius energijos šaltinius. Fotosintezėje augalai ir bakterijos plačiai naudoja saulės šviesą, todėl dirbtinė fotosintezė yra logiškas žingsnis kuriant aplinkai nekenksmingą kurą.
Straipsnyje panaudota livescience.com medžiaga
(Peržiūrėta1 663 | Peržiūrėta šiandien 1)
Geriausi kambariniai augalai, kurie valo orą
Fotosintezė yra organinių medžiagų sintezės procesas iš neorganinių dėl šviesos energijos. Daugeliu atvejų fotosintezę atlieka augalai, naudodami tokias ląstelių organeles kaip chloroplastai turintis žalią pigmentą chlorofilas.
Jei augalai nesugebėtų sintetinti organinių medžiagų, tada beveik visi kiti Žemės organizmai neturėtų kuo maitintis, nes gyvūnai, grybai ir daugelis bakterijų negali sintetinti organinių medžiagų iš neorganinių. Jie tik sugeria paruoštus, padalija į paprastesnius, iš kurių vėl surenka sudėtingus, bet jau būdingus jų kūnui.
Taip yra, jei labai trumpai kalbame apie fotosintezę ir jos vaidmenį. Norėdami suprasti fotosintezę, turite pasakyti daugiau: kokios konkrečios neorganinės medžiagos yra naudojamos, kaip vyksta sintezė?
Fotosintezei reikalingos dvi neorganinės medžiagos - anglies dioksidas (CO 2) ir vanduo (H 2 O). Pirmasis iš oro absorbuojamas augalų oro dalimis, daugiausia per stomatą. Vanduo - iš dirvožemio, iš kurio augalo laidumo sistema jį tiekia į fotosintezės ląsteles. Taip pat fotosintezei reikalinga fotonų energija (hν), tačiau jų negalima priskirti materijai.
Iš viso fotosintezės metu susidaro organinės medžiagos ir deguonis (O 2). Paprastai organinės medžiagos paprastai vadinamos gliukoze (C 6 H 12 O 6).
Organinius junginius daugiausia sudaro anglies, vandenilio ir deguonies atomai. Jų yra anglies diokside ir vandenyje. Tačiau fotosintezės metu išsiskiria deguonis. Jo atomai paimti iš vandens.
Trumpai ir paprastai fotosintezės reakcijos lygtis paprastai parašoma taip:
6CO 2 + 6H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 6O 2
Tačiau ši lygtis neatspindi fotosintezės esmės, nedaro jos suprantamos. Žiūrėk, nors lygtis yra subalansuota, iš viso ji turi 12 laisvo deguonies atomų.Bet mes sakėme, kad jie yra iš vandens, o jų yra tik 6.
Tiesą sakant, fotosintezė vyksta dviem etapais. Pirmasis vadinamas šviesa, antrasis yra tamsu... Tokie pavadinimai atsirado dėl to, kad šviesa reikalinga tik šviesiai fazei, tamsi fazė nepriklauso nuo jos buvimo, tačiau tai nereiškia, kad ji eina tamsoje. Šviesioji fazė atsiranda ant chloroplastų tilakoidų membranų, tamsioji - chloroplastų stromoje.
Šviesos fazėje CO 2 neprisiriša. Yra tik saulės energijos surinkimas chlorofilo kompleksais, jos saugojimas ATP, energijos naudojimas NADP sumažinimui iki NADP * H 2. Energijos srautą iš chlorofilo, kurį sužadina šviesa, užtikrina elektronai, kurie yra perduodami išilgai fermentų, gabenamų į tilakoidines membranas, elektronų transportavimo grandinės.
Vandenilis NADP imamas iš vandens, kuris, veikiamas saulės spindulių, suskaido į deguonies atomus, vandenilio protonus ir elektronus. Šis procesas vadinamas fotolizė... Fotosintezei deguonis iš vandens nereikalingas. Deguonies atomai iš dviejų vandens molekulių susijungia ir sudaro molekulinį deguonį. Fotosintezės šviesos fazės reakcijos lygtis yra tokia:
H 2 O + (ADP + F) + NADP → ATP + NADP * H 2 + ½ O 2
Taigi deguonis išsiskiria šviesos fotosintezės fazėje. Vienos vandens molekulės fotolizės metu iš ADP ir fosforo rūgšties susintetintų ATP molekulių skaičius gali būti skirtingas: viena ar dvi.
Taigi, ATP ir NADP * H 2 iš šviesos fazės patenka į tamsiąją fazę. Čia pirmojo energija ir antroji mažinanti jėga išleidžiama anglies dioksido surišimui. Šio fotosintezės etapo negalima paaiškinti paprastai ir trumpai, nes jis nevyksta taip, kaip šešios CO 2 molekulės susijungia su vandeniliu, išsiskiriančiu iš NADP * H 2 molekulių, kad susidarytų gliukozė:
6CO 2 + 6NADP * H 2 → C 6 H 12 O 6 + 6NADP
(reakcija vyksta eikvojant energiją ATP, kuris skyla į ADP ir fosforo rūgštį).
Aukščiau pateikta reakcija yra tik supaprastinimas, kad būtų lengviau suprasti. Tiesą sakant, anglies dioksido molekulės jungiasi po vieną, prisijungia prie paruoštos penkių anglies organinių medžiagų. Susidaro nestabili šešių anglių organinė medžiaga, kuri suyra į trijų anglies angliavandenių molekules. Kai kurios iš šių molekulių yra naudojamos pirminės penkių anglies junginių CO 2 surišimui. Pateikiama tokia sintezė Kalvino ciklas... Maža dalis trijų anglies angliavandenių molekulių palieka ciklą. Iš jų ir kitų medžiagų sintetinamos visos kitos organinės medžiagos (angliavandeniai, riebalai, baltymai).
Tai reiškia, kad iš tamsiosios fotosintezės fazės išsiskiria ne angliavandeniai, o trys angliavandeniai.
Žmogaus gyvenimas, kaip ir visa gyvybė Žemėje, neįmanomas be kvėpavimo. Įkvepiame deguonies iš oro ir iškvepiame anglies dioksidą. Bet kodėl deguonis nepritrūksta? Pasirodo, kad oras atmosferoje nuolat tiekiamas deguonimi. Ir šis prisotinimas atsiranda būtent dėl fotosintezės.
Fotosintezė paprasta ir paprasta!
Kiekvienas privalo suprasti, kas yra fotosintezė. Norėdami tai padaryti, jums visai nereikia rašyti sudėtingų formulių, pakanka suprasti šio proceso svarbą ir magiją.
Augalai atlieka pagrindinį vaidmenį fotosintezės procese - žolė, medžiai, krūmai. Būtent augalų lapuose milijonus metų įvyko nuostabi anglies dioksido transformacija į deguonį, kuris yra toks būtinas gyvenimui mėgstantiems kvėpuoti. Pabandykime išardyti visą fotosintezės procesą.
1. Augalai ima vandenį iš dirvožemio su jame ištirpusiais mineralais - azotu, fosforu, manganu, kaliu, įvairiomis druskomis - iš viso daugiau nei 50 skirtingų cheminių elementų. Augalams to reikia mitybai. Tačiau iš žemės augalai gauna tik 1/5 reikalingų medžiagų. Likusios 4/5 jos išeina iš oro!
2. Augalai sugeria anglies dioksidą iš oro. Tas pats anglies dioksidas, kurį iškvepiame kiekvieną sekundę. Augalai kvėpuoja anglies dioksidu, kaip jūs ir aš kvėpuojame deguonimi. Tačiau to nepakanka.
3. Nepakeičiamas komponentas natūralioje laboratorijoje yra saulės šviesa. Saulės spinduliai augalų lapuose sukelia nepaprastą cheminę reakciją. Kaip tai atsitinka?
4. Augalų lapuose yra nuostabi medžiaga - chlorofilas... Chlorofilas sugeba užfiksuoti saulės spindulius ir nenuilstamai perdirbti gautą vandenį, mikroelementus, anglies dioksidą į organines medžiagas, būtinas kiekvienam mūsų planetos gyvam padarui. Šiuo metu augalai į atmosferą išskiria deguonį! Būtent šį chlorofilo darbą mokslininkai vadina sudėtingu žodžiu - fotosintezė.
Pristatymą tema „Fotosintezė“ galima atsisiųsti iš švietimo portalo
Taigi kodėl žolė žalia?
Dabar, kai žinome, kad augalų ląstelėse yra chlorofilo, į šį klausimą labai lengva atsakyti. Ne veltui chlorofilas iš senovės graikų kalbos verčiamas kaip „žalias lapas“. Fotosintezei chlorofilas naudoja visus saulės spindulius, išskyrus žalią. Žolę, augalų lapus matome žalius būtent todėl, kad chlorofilas pasirodo žalias.
Fotosintezės svarba.
Fotosintezės svarbos negalima pervertinti - be fotosintezės mūsų planetos atmosferoje susikauptų per daug anglies dioksido, dauguma gyvų organizmų tiesiog negalėtų kvėpuoti ir mirti. Mūsų Žemė virsta negyva planeta. Kad taip neatsitiktų, kiekvienas Žemės planetos žmogus turi prisiminti, kad esame labai skolingi augalams.
Štai kodėl taip svarbu miestuose sukurti kuo daugiau parkų ir žaliųjų erdvių. Apsaugokite taigą ir džiungles nuo sunaikinimo. Arba tiesiog pasodinkite medį šalia savo namo. Arba nesulaužyti šakų. Tik kiekvieno žmogaus dalyvavimas Žemės planetoje padės išsaugoti gyvybę gimtojoje planetoje.
Tačiau fotosintezės svarba neapsiriboja vien anglies dioksido pavertimu deguonimi. Dėl fotosintezės atmosferoje susidarė ozono sluoksnis, kuris apsaugo planetą nuo kenksmingų ultravioletinių spindulių. Augalai yra maistas daugeliui gyvų būtybių Žemėje. Būtinas ir naudingas maistas. Augalų maistinė vertė taip pat yra fotosintezės nuopelnas.
Pastaruoju metu chlorofilas aktyviai naudojamas medicinoje. Žmonės jau seniai žinojo, kad sergantys gyvūnai instinktyviai valgo žalius lapus, kad išgydytų. Mokslininkai nustatė, kad chlorofilas yra panašus į žmogaus kraujo ląstelėse esančią medžiagą ir gali daryti stebuklus.
Augalai gauna viską, ko reikia augimui ir vystymuisi iš aplinkos. Tuo jie skiriasi nuo kitų gyvų organizmų. Kad jie gerai išsivystytų, reikia derlingos dirvos, natūralaus ar dirbtinio drėkinimo ir gero apšvietimo. Tamsoje niekas neaugs.
Dirvožemis yra vandens ir maistinių organinių junginių, mikroelementų šaltinis. Tačiau medžiams, gėlėms, žolėms taip pat reikia saulės energijos. Saulės šviesoje įvyksta tam tikros reakcijos, dėl kurių anglies dioksidas, absorbuojamas iš oro, virsta deguonimi. Šis procesas vadinamas fotosinteze. Cheminė reakcija, kuri atsiranda veikiant saulės spinduliams, taip pat gamina gliukozę ir vandenį. Šios medžiagos yra gyvybiškai svarbios augalui vystytis.
Chemikų kalba reakcija atrodo taip: 6CO2 + 12H2O + šviesa = C6H12O6 + 6O2 + 6H2O. Supaprastinta lygties forma: anglies dioksidas + vanduo + šviesa = gliukozė + deguonis + vanduo.
Žodžiu „fotosintezė“ verčiama kaip „kartu su šviesa“. Šis žodis susideda iš dviejų paprastų žodžių „nuotrauka“ ir „sintezė“. Saulė yra labai galingas energijos šaltinis. Žmonės jį naudoja elektros energijai gaminti, namams apšiltinti ir vandeniui šildyti. Augalams gyvybei palaikyti taip pat reikia saulės energijos. Fotosintezės gliukozė yra paprastas cukrus, kuris yra viena iš svarbiausių maistinių medžiagų. Augalai jį naudoja augimui ir vystymuisi, o perteklius nusėda lapuose, sėklose, vaisiuose. Ne visa gliukozė lieka nepakitusi žaliosiose augalų ir vaisių dalyse. Paprasti cukrūs paprastai virsta sudėtingesniais, įskaitant krakmolą. Tokie augalų rezervai sunaudojami maistinių medžiagų trūkumo laikotarpiais. Būtent jie nustato žolelių, vaisių, gėlių, lapų maistinę vertę gyvūnams ir žmonėms, kurie valgo augalinį maistą.
Kaip augalai sugeria šviesą
Fotosintezės procesas yra gana sudėtingas, tačiau jį galima trumpai apibūdinti taip, kad jis taptų suprantamas net mokyklinio amžiaus vaikams. Vienas iš dažniausiai pasitaikančių klausimų susijęs su šviesos absorbcijos mechanizmu. Kaip šviesos energija patenka į augalus? Fotosintezės procesas vyksta lapuose. Visų augalų lapuose yra žaliųjų ląstelių - chloroplastų. Juose yra medžiagos, vadinamos chlorofilu. Chlorofilas yra pigmentas, kuris suteikia lapams žalią spalvą ir yra atsakingas už šviesos energijos sugertį. Daugelis žmonių nepagalvojo, kodėl daugumos augalų lapai yra platūs ir plokšti. Pasirodo, gamta tai padarė dėl priežasties. Platus paviršius leidžia sugerti daugiau saulės spindulių. Dėl tos pačios priežasties saulės baterijos yra plačios ir plokščios.
Viršutinė lapų dalis yra apsaugota vaškiniu sluoksniu (odele) nuo vandens praradimo ir neigiamo oro, kenkėjų poveikio. Jis vadinamas palisade. Jei atidžiai pažvelgsite į lapą, pamatysite, kad viršutinė pusė yra ryškesnė ir lygesnė. Sodri spalva gaunama dėl to, kad šioje dalyje yra daugiau chloroplastų. Šviesos perteklius gali sumažinti augalo gebėjimą gaminti deguonį ir gliukozę. Chlorofilas yra pažeistas veikiant ryškiai saulei ir tai sulėtina fotosintezę. Lėtėjimas taip pat įvyksta atėjus rudeniui, kai šviesos tampa mažiau, o lapai pradeda geltonuoti dėl juose esančių chloroplastų sunaikinimo.
Negalima neįvertinti vandens vaidmens fotosintezėje ir augalų gyvenime. Vanduo reikalingas:
- aprūpinti augalus jame ištirpusiais mineralais;
- išlaikyti tonusą;
- aušinimas;
- cheminių ir fizinių reakcijų galimybė.
Medžiai, krūmai, gėlės šaknimis sugeria vandenį iš dirvožemio, o tada drėgmė pakyla išilgai stiebo, pereina į lapus išilgai gyslų, kurios matomos net plika akimi.
Anglies dioksidas patenka per mažas skylutes apatinėje lapo dalyje - stomatą. Apatinėje lapo dalyje ląstelės yra išdėstytos taip, kad anglies dioksidas galėtų prasiskverbti giliau. Tai taip pat leidžia fotosintezės metu susidariusiam deguoniui lengvai palikti lapą. Kaip ir visi gyvi organizmai, augalai turi galimybę kvėpuoti. Be to, skirtingai nei gyvūnai ir žmonės, jie sugeria anglies dioksidą ir išskiria deguonį, o ne atvirkščiai. Ten, kur daug augalų, oras yra labai švarus ir gaivus. Štai kodėl taip svarbu rūpintis medžiais, krūmais, išdėstyti aikštes ir parkus dideliuose miestuose.
Šviesios ir tamsios fotosintezės fazės
Fotosintezės procesas yra sudėtingas ir susideda iš dviejų fazių - šviesios ir tamsios. Šviesos fazė galima tik esant saulės šviesai. Veikiant šviesai, chlorofilo molekulės jonizuojasi, todėl susidaro energija, kuri tarnauja kaip cheminės reakcijos katalizatorius. Įvykių tvarka šiame etape atrodo taip:
- šviesa patenka į chlorofilo molekulę, kurią sugeria žalias pigmentas ir paverčia ją sužadinta būsena;
- atsiranda vandens suskaidymas;
- Sintezuojamas ATP, kuris yra energijos kaupiklis.
Tamsi fotosintezės fazė vyksta nedalyvaujant šviesos energijai. Šiame etape susidaro gliukozė ir deguonis. Tuo pačiu metu svarbu suprasti, kad gliukozė ir deguonis susidaro visą parą, o ne tik naktį. Tamsi fazė vadinama todėl, kad šviesos srautas nebėra būtinas jos tekėjimui. Katalizatorius yra ATP, kuris buvo sintezuotas anksčiau.
Fotosintezės reikšmė gamtoje
Fotosintezė yra vienas iš svarbiausių natūralių procesų. Tai būtina ne tik palaikyti augalų gyvybę, bet ir visą gyvybę planetoje. Fotosintezė reikalinga:
- aprūpinti gyvūnus ir žmones maistu;
- anglies dioksido pašalinimas ir oro prisotinimas deguonimi;
- išlaikyti maistinių medžiagų ciklą.
Visi augalai priklauso nuo fotosintezės greičio. Saulės energija gali būti vertinama kaip veiksnys, skatinantis ar stabdantis augimą. Pavyzdžiui, pietiniuose regionuose ir saulės regionuose yra daug ir augalai gali užaugti gana aukšti. Jei atsižvelgsime į tai, kaip procesas vyksta vandens ekosistemose, jūrų paviršiuje, vandenynuose netrūksta saulės spindulių ir šiuose sluoksniuose pastebimas gausus dumblių augimas. Gilesniuose vandens sluoksniuose trūksta saulės energijos, o tai daro įtaką vandens floros augimo tempui.
Fotosintezės procesas prisideda prie ozono sluoksnio susidarymo atmosferoje. Tai labai svarbu, nes padeda apsaugoti visą planetos gyvybę nuo žalingo ultravioletinių spindulių poveikio.
Fotosintezė yra organinių junginių sintezė žalių augalų lapuose iš vandens ir atmosferos anglies dioksido, naudojant saulės (šviesos) energiją, adsorbuotą chlorofilo chloroplastuose.
Fotosintezės dėka matomos šviesos energija užfiksuojama ir paverčiama chemine energija, kaupiama (kaupiama) organinėse medžiagose, susidarančiose fotosintezės metu.
Fotosintezės proceso atradimo data galima laikyti 1771. Anglų mokslininkas J. Priestley atkreipė dėmesį į oro sudėties pasikeitimą dėl gyvybinės gyvūnų veiklos. Esant žaliems augalams, oras vėl tapo tinkamas tiek kvėpuoti, tiek deginti. Vėliau daugelio mokslininkų (J. Ingenhaus, J. Senebier, T. Saussure, J. B. Boussingot) darbas parodė, kad žalieji augalai sugeria CO2 iš oro, iš kurio susidaro organinė medžiaga, dalyvaujant vandeniui. Būtent šį procesą 1877 metais vokiečių mokslininkas W. Pfefferis pavadino fotosinteze. R. Mayer suformuluotas energijos išsaugojimo dėsnis turėjo didelę reikšmę fotosintezės esmei atskleisti. 1845 metais R. Mayeris pateikė prielaidą, kad augalų naudojama energija yra Saulės energija, kurią fotosintezės metu augalai paverčia chemine energija. Ši pozicija buvo sukurta ir eksperimentiškai patvirtinta nuostabaus rusų mokslininko K.A. Timiriazevas.
Pagrindinis fotosintezės organizmų vaidmuo:
1) saulės šviesos transformacija į organinių junginių cheminių jungčių energiją;
2) atmosferos prisotinimas deguonimi;
Dėl fotosintezės Žemėje susidaro 150 milijardų tonų organinių medžiagų ir apie 200 milijardų tonų laisvo deguonies per metus. Jis neleidžia didėti CO2 koncentracijai atmosferoje, neleidžia Žemei perkaisti (šiltnamio efektas).
Fotosintezės sukuriama atmosfera apsaugo gyvas būtybes nuo destruktyvios trumpųjų bangų UV spinduliuotės (atmosferos deguonies ir ozono ekrano).
Tik 1-2% saulės energijos perkeliama į žemės ūkio augalų pasėlius; nuostoliai atsiranda dėl nepilnos šviesos absorbcijos. Todėl yra didžiulė perspektyva padidinti derlių, nes atrenkamos didelio fotosintezės efektyvumo veislės, sukuriama palanki šviesai sugerti pasėlių struktūra. Šiuo atžvilgiu ypač skubu tampa teorinių fotosintezės kontrolės pagrindų kūrimas.
Fotosintezės svarba yra didžiulė. Tik atkreipkime dėmesį, kad jis tiekia degalus (energiją) ir atmosferos deguonį, būtinus visoms gyvoms būtybėms egzistuoti. Taigi fotosintezės vaidmuo yra planetinis.
Fotosintezės planetiškumą lemia ir tai, kad deguonies ir anglies cirkuliacijos dėka (daugiausia) išlaikoma šiuolaikinė atmosferos sudėtis, o tai savo ruožtu lemia tolesnį gyvybės Žemėje palaikymą. Be to, galime pasakyti, kad fotosintezės produktuose kaupiama energija iš esmės yra pagrindinis žmonijos energijos šaltinis.
Visiška fotosintezės reakcija
CO 2 + H 2 O = (CH 2 O) + O. 2 .
Fotosintezės chemija apibūdinama šiomis lygtimis:
Fotosintezė - 2 reakcijų grupės:
šviesos etapas (priklauso nuo apšvietimas)
tamsi stadija (priklauso nuo temperatūros).
Abi reakcijų grupės vyksta vienu metu
Fotosintezė vyksta žalių augalų chloroplastuose.
Fotosintezė prasideda nuo šviesos gaudymo ir absorbcijos pigmento chlorofilo, esančio žaliųjų augalų ląstelių chloroplastuose.
To pakanka, kad būtų pakeistas molekulės absorbcijos spektras. 
Chlorofilo molekulė sugeria violetinės ir mėlynos, o vėliau raudonos spektro dalies fotonus ir nesąveikauja su fotonais, esančiais žalioje ir geltonoje spektro dalyje.
Todėl chlorofilas ir augalai atrodo žali - jie tiesiog negali jokiu būdu panaudoti žaliųjų spindulių ir palikti juos vaikščioti pasaulyje (taip padarydami jį ekologiškesnį).
Fotosintetiniai pigmentai yra vidinėje tiroidinės membranos pusėje.
Pigmentai yra išdėstyti nuotraukų sistemos(antenos laukai šviesai fiksuoti) - yra 250–400 skirtingų pigmentų molekulių.
Nuotraukų sistemą sudaro:
reakcijos centras fotosistemos (chlorofilo molekulė a),
antenos molekulės
Visi fotosistemos pigmentai gali perduoti sužadintos būsenos energiją vienas kitam. Fotono energija, kurią sugeria ta ar ta pigmento molekulė, perkeliama į kaimyninę molekulę, kol pasiekia reakcijos centrą. Kai reakcijos centro rezonanso sistema pereina į sužadintą būseną, ji perkelia du sužadintus elektronus į akceptoriaus molekulę ir taip oksiduojasi bei įgauna teigiamą krūvį.
Augaluose:
fotosistema 1(maksimali šviesos absorbcija esant 700 nm bangos ilgiui - P700)
fotosistema 2(maksimali šviesos absorbcija esant 680 nm bangos ilgiui - P680
Absorbcijos optimalumo skirtumai atsiranda dėl nedidelių pigmentų struktūros skirtumų.
Abi sistemos veikia kartu, kaip dviejų dalių konvejeris, vadinamas neciklinis fotofosforilinimas .
Suvestinė lygtis neciklinis fotofosforilinimas:
Ф - simbolinis fosforo rūgšties liekanos žymėjimas
Ciklas prasideda nuo 2 fotosistemos.
1) antenos molekulės fiksuoja fotoną ir perkelia sužadinimą į aktyvaus centro P680 molekulę;
2) sužadinta P680 molekulė atiduoda du elektronus kofaktoriui Q, o jis oksiduojasi ir įgauna teigiamą krūvį;
Kofaktorius(kofaktorius). Kofermentas ar bet kuri kita medžiaga, reikalinga fermentui veikti
Koenzimai (kofermentai)[iš lat. co (cum) - kartu ir fermentai], baltyminio pobūdžio organiniai junginiai, dalyvaujantys fermentinėje reakcijoje kaip atskirų atomų ar atominių grupių akceptoriai, fermentas atskyręs nuo substrato molekulės, t.y. fermentų kataliziniam poveikiui įgyvendinti. Šios medžiagos, priešingai nei baltymo komponentas (apoenzimas), turi santykinai mažą molekulinę masę ir, kaip taisyklė, yra termiškai stabilios. Kartais kofermentai reiškia bet kokias mažos molekulinės masės medžiagas, kurių dalyvavimas yra būtinas norint parodyti katalizinį fermento poveikį, įskaitant, pavyzdžiui, jonus. K+, Mg 2+ ir Mn 2+. Pasiūlymai yra. aktyviame fermento centre ir kartu su aktyvaus centro substratu bei funkcinėmis grupėmis sudaro aktyvuotą kompleksą.
Kad pasireikštų katalizinis aktyvumas, daugumai fermentų reikia kofermento. Išimtis yra hidroliziniai fermentai (pavyzdžiui, proteazės, lipazės, ribonukleazė), kurie atlieka savo funkciją nesant kofermento.
Molekulę sumažina P680 (veikiant fermentams). Šiuo atveju vanduo disocijuoja į protonus ir molekulinis deguonis, tie. vanduo yra elektronų donoras, užtikrinantis elektronų papildymą P 680.
FOTOLIZĖ VANDENS- vandens molekulės skilimas, ypač fotosintezės metu. Dėl vandens fotolizės susidaro deguonis, kurį šviesoje išskiria žali augalai.
Įkeliama ...