Fotosintēze ir process, ko izmanto augi, aļģes un dažas baktērijas, lai izmantotu saules gaismas enerģiju un pārvērstu to ķīmiskajā enerģijā. Šajā rakstā ir aprakstīti vispārējie fotosintēzes principi un fotosintēzes izmantošana tīras degvielas un atjaunojamo enerģijas avotu izstrādē.
Ir divu veidu fotosintēzes procesi: skābekļa fotosintēze un skābekļa nesaturošs fotosintēze... Vispārējie anoksigeniskās un skābekļa fotosintēzes principi ir ļoti līdzīgi, bet visizplatītākā ir skābekļa fotosintēze, ko novēro augos, aļģēs un zilaļģēs.
Skābekļa fotosintēzes laikā gaismas enerģija atvieglo elektronu pārnešanu no ūdens (H 2 O) uz oglekļa dioksīdu (CO 2). Reakcijas laikā rodas skābeklis un ogļūdeņraži.
Skābekļa fotosintēze var saukt par elpošanai pretēju procesu, kurā notiek visu elpojošo organismu radītā oglekļa dioksīda absorbcija un skābekļa izplūde atmosfērā.
No otras puses, ūdens netiek izmantots kā elektronu donors skābekļa fotosintēzē. Šo procesu parasti novēro baktērijās, piemēram, purpursarkanās baktērijās un zaļās sēra baktērijās, kuras galvenokārt sastopamas dažādās ūdens vidēs.
Ar skābekļa fotosintēzi skābeklis netiek ražots, līdz ar to arī nosaukums. Reakcijas rezultāts ir atkarīgs no elektronu donora. Piemēram, daudzas baktērijas kā donoru izmanto sērūdeņradi, un šīs fotosintēzes rezultātā veidojas ciets sērs.
Lai gan abi fotosintēzes veidi ir sarežģīti un daudzpakāpju procesi, tos var aptuveni attēlot zemāk esošo ķīmisko vienādojumu veidā.
Skābekļa fotosintēze ir rakstīts šādi:
6CO 2 + 12H 2 O + Gaismas enerģija → C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + 6H 2 O
Šeit sešas oglekļa dioksīda (CO2) molekulas apvienojas ar 12 ūdens (H2O) molekulām, izmantojot gaismas enerģiju. Reakcijas rezultātā veidojas viena ogļhidrātu molekula (C6H12O6 jeb glikoze) un sešas skābekļa molekulas un sešas ūdens molekulas.
Līdzīgi dažādas reakcijas skābekļa fotosintēze var uzrādīt vienas vispārinātas formulas veidā:
CO 2 + 2H 2 A + Gaismas enerģija → + 2A + H 2 O
Burts A vienādojumā ir mainīgs, un H 2 A apzīmē potenciālo elektronu donoru. Piemēram, A var būt sērs sērūdeņradī (H 2 S).
Fotosintēzes aparāts
Zemāk ir šūnu komponenti, kas nepieciešami fotosintēzei.
Pigmenti
Pigmenti Ir molekulas, kas piešķir augiem, aļģēm un baktērijām krāsu, taču tās ir arī atbildīgas par saules gaismas efektīvu uztveršanu. Dažādu krāsu pigmenti absorbē dažādus gaismas viļņu garumus. Tālāk ir norādītas trīs galvenās grupas.
- Hlorofīli Vai zaļie pigmenti spēj notvert zilo un sarkano gaismu. Hlorofiliem ir trīs apakštipi, ko sauc par hlorofilu a, hlorofilu b un hlorofilu c. Hlorofils a ir atrodams visos fotosintēzes augos. Ir arī baktēriju variants - bakteriohlorofils, kas absorbē infrasarkano gaismu. Šis pigments galvenokārt atrodams purpursarkanās un zaļās sēra baktērijās, kas veic anoksigenisko fotosintēzi.
- Karotinoīdi Ir sarkani, oranži vai dzelteni pigmenti, kas absorbē zili zaļu gaismu. Karotinoīdu piemēri ir ksantofils (dzeltens) un karotīns (oranžs), kas burkāniem piešķir krāsu.
- Fikobilīni Ir sarkani vai zili pigmenti, kas absorbē garus gaismas viļņu garumus, kurus hlorofili un karotinoīdi tik labi neuzsūc. Tos var redzēt zilaļģēs un sarkanajās aļģēs.
Plastīds
Fotosintēzes eikariotu organismi citoplazmā satur organellus, ko sauc plastīdi... Plastīdi ar divām membrānām augos un aļģēs tiek uzskatīti par primārajiem plastīdiem, un plastiīdi ar vairākām membrānām, kas atrodami planktonā, tiek saukti par sekundārajiem plastīdiem, saskaņā ar autoru Čun Sjiņ Čana un Debašiša Bhattačarjas rakstu, Rutgers universitātes pētnieki Ņūdžersijā.
Plastīdi parasti satur pigmentus vai var uzglabāt barības vielas. Bezkrāsaini un nepigmentēti leikoplasti uzglabā taukus un cieti, savukārt hromoplasti satur karotinoīdus, bet hloroplasti satur hlorofilu.
Fotosintēze notiek hloroplastos; jo īpaši granas un stromas zonās. Grana ir sakrautas plakanas pūslīši vai membrānas, ko sauc par tilakoīdiem. Visas fotosintēzes struktūras ir atrodamas graudos. Šeit notiek elektronu pārnešana. Tukšās vietas starp granas kolonnām veido stromu.
Hloroplasti ir līdzīgi mitohondrijiem, šūnu enerģijas centriem, jo tiem ir savs genoms vai gēnu kolekcija, kas atrodas cikliskajā DNS. Šie gēni kodē proteīnus, kas nepieciešami organellēm un fotosintēzei. Tāpat kā mitohondriji, tiek uzskatīts, ka hloroplasti ir attīstījušies no primitīvām baktēriju šūnām, izmantojot endosimbiozi.
Antenas
Pigmenta molekulas saistās ar olbaltumvielām, kas ļauj tām pārvietoties gaismas virzienā un viena pret otru. Saskaņā ar Arizonas štata universitātes profesora Vima Vermaasa publikāciju 100–5000 pigmenta molekulu kopums ir “ antenas". Šīs struktūras uztver gaismas enerģiju no saules fotonu veidā.
Galu galā gaismas enerģija jāpārnes uz pigmenta-proteīna kompleksu, kas to var pārvērst ķīmiskajā enerģijā elektronu veidā. Augos, piemēram, gaismas enerģija tiek pārnesta uz hlorofila pigmentiem. Pāreja uz ķīmisko enerģiju notiek, kad hlorofila pigments izspiež elektronu, ko pēc tam var pārnest uz atbilstošo saņēmēju.
Reakcijas centri
Pigmenti un olbaltumvielas, kas pārvērš gaismas enerģiju ķīmiskajā enerģijā un uzsāk elektronu pārneses procesu, ir pazīstami kā reakcijas centri.
Fotosintēzes process
Augu fotosintēzes reakcijas ir sadalītas reakcijās, kurām nepieciešama saules gaisma, un reakcijās, kurās tas nav vajadzīgs. Abi reakciju veidi notiek hloroplastos: no gaismas atkarīgas reakcijas tilakoīdos un no gaismas neatkarīgas reakcijas stromā.
No gaismas atkarīgas reakcijas (gaismas reakcijas) kad gaismas fotons nokļūst reakcijas centrā un pigmenta molekula, piemēram, hlorofils, izdala elektronu. Šajā gadījumā elektronam nevajadzētu atgriezties sākotnējā stāvoklī, un no tā nav viegli izvairīties, jo tagad hlorofilam ir "elektronu caurums", kas piesaista tuvumā esošos elektronus.
Atbrīvotajam elektronam izdodas "aizbēgt", pārvietojoties pa elektronisko transporta ķēdi, kas rada enerģiju, kas nepieciešama ATP (adenozīna trifosfāta, šūnu ķīmiskās enerģijas avota) un NADP iegūšanai. Sākotnējā hlorofila pigmenta "elektronu caurums" ir piepildīts ar elektroniem no ūdens. Tā rezultātā skābeklis nonāk atmosfērā.
Tumšas reakcijas(kas nav atkarīgas no gaismas klātbūtnes un ir pazīstamas arī kā Kalvina cikls). Tumšo reakciju laikā tiek ražoti ATP un NADP, kas ir enerģijas avoti. Kalvina cikls sastāv no trim ķīmiskās reakcijas posmiem: oglekļa fiksācijas, reducēšanas un reģenerācijas. Šajās reakcijās tiek izmantots ūdens un katalizatori. Oglekļa atomi no oglekļa dioksīda ir “fiksēti”, ja tie tiek iekļauti organiskajās molekulās, kas galu galā veido trīs oglekļa ogļhidrātus (vieglos cukurus). Pēc tam šos cukurus izmanto glikozes ražošanai vai pārstrādā, lai atsāktu Kalvina ciklu.
Fotosintēze nākotnē. Fotosintēzes izmantošana
Fotosintēzes organismi ir potenciāls līdzeklis tīras degvielas, piemēram, ūdeņraža vai pat metāna, ražošanai. Nesen Somijas Turku universitātes pētnieku grupa pielietoja zaļo aļģu spēju ražot ūdeņradi. Zaļās aļģes var radīt ūdeņradi dažu sekunžu laikā, ja tās vispirms tiek pakļautas gaismas un skābekļa trūkumam un pēc tam gaismai. Komanda ir izstrādājusi veidu, kā pagarināt aļģu ūdeņraža ražošanu līdz trim dienām, kā ziņots 2018. gada publikācijā žurnālā Energy & Environmental Science.
Zinātnieki ir guvuši panākumus arī mākslīgajā fotosintēzē. Piemēram, pētnieku grupa no Kalifornijas Universitātes Bērklijā ir izstrādājusi mākslīgu sistēmu oglekļa dioksīda uztveršanai, izmantojot pusvadītāju nanovadus un baktērijas. Bioloģiski saderīgu gaismu absorbējošu nanovadu komplekta kombinācija ar noteiktu baktēriju populāciju, izmantojot saules gaismas enerģiju, pārvērš oglekļa dioksīdu degvielā vai polimēros. Zinātnieku komanda publicēja savu projektu 2015. gadā žurnālā Nano Letters.
2016. gadā šīs pašas grupas zinātnieki žurnālā Science publicēja pētījumu, kurā tika aprakstīta vēl viena mākslīgā fotosintēzes sistēma, kurā speciāli radītas baktērijas tika izmantotas šķidrā kurināmā ražošanai, izmantojot saules gaismu, ūdeni un oglekļa dioksīdu. Kopumā augi var izmantot tikai 1% saules enerģijas un izmantot to fotosintēzes laikā, lai iegūtu organiskus savienojumus. Turpretī mākslīgā fotosintēzes sistēma spēja izmantot 10% saules enerģijas organisko savienojumu ražošanai.
Dabisko procesu, piemēram, fotosintēzes, izpēte palīdz zinātniekiem izstrādāt jaunus veidus, kā izmantot dažādus atjaunojamos enerģijas avotus. Saules gaismu augi un baktērijas plaši izmanto fotosintēzē, tāpēc mākslīgā fotosintēze ir loģisks solis, lai radītu videi draudzīgu degvielu.
Rakstā izmantoti materiāli no livescience.com
(Skatīts1 663 | Skatīts šodien 1)
Labākie istabas augi, kas attīra gaisu
Fotosintēze ir organisko vielu sintēzes process no neorganiskām gaismas enerģijas dēļ. Lielākajā daļā gadījumu fotosintēzi veic augi, izmantojot tādas šūnu organoīdas kā hloroplasti kas satur zaļo pigmentu hlorofils.
Ja augi nebūtu spējīgi sintezēt organiskās vielas, tad gandrīz visiem pārējiem organismiem uz Zemes nebūtu ko baroties, jo dzīvnieki, sēnītes un daudzas baktērijas nevar sintezēt organiskās vielas no neorganiskām. Viņi absorbē tikai gatavos, sadala tos vienkāršākos, no kuriem atkal savāc sarežģītus, bet jau raksturīgus viņu ķermenim.
Tas tā ir gadījumā, ja par fotosintēzi un tās lomu runājam ļoti īsi. Lai saprastu fotosintēzi, jums vairāk jāsaka: kādas konkrētas neorganiskās vielas tiek izmantotas, kā notiek sintēze?
Fotosintēzei nepieciešamas divas neorganiskas vielas - oglekļa dioksīds (CO 2) un ūdens (H 2 O). Pirmo no gaisa absorbē augu gaisa daļas galvenokārt caur stomātu. Ūdens - no augsnes, no kurienes augu vadošā sistēma to nogādā fotosintēzes šūnās. Arī fotosintēzei nepieciešama fotonu enerģija (hν), bet tos nevar attiecināt uz matēriju.
Kopumā fotosintēzes laikā rodas organiskās vielas un skābeklis (O 2). Parasti organiskās vielas parasti sauc par glikozi (C 6 H 12 O 6).
Organiskie savienojumi lielākoties sastāv no oglekļa, ūdeņraža un skābekļa atomiem. Tie ir oglekļa dioksīdā un ūdenī. Tomēr fotosintēzes laikā tiek atbrīvots skābeklis. Tās atomi tiek ņemti no ūdens.
Īsumā un vispārīgi, fotosintēzes reakcijas vienādojums parasti tiek uzrakstīts šādi:
6CO 2 + 6H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 6O 2
Bet šis vienādojums neatspoguļo fotosintēzes būtību, nepadara to saprotamu. Paskatieties, lai gan vienādojums ir līdzsvarots, tajā kopumā ir 12 atomi brīvajā skābeklī.Bet mēs teicām, ka tie ir ņemti no ūdens, un ir tikai 6 no tiem.
Faktiski fotosintēze notiek divās fāzēs. Pirmo sauc gaisma, otrais ir tumšs... Šādi nosaukumi ir saistīti ar faktu, ka gaisma ir nepieciešama tikai gaišajai fāzei, tumšā fāze nav atkarīga no tās klātbūtnes, taču tas nenozīmē, ka tā iet tumsā. Gaismas fāze notiek uz hloroplastu tilakoīdu membrānām, tumšā - hloroplastu stromā.
Gaismas fāzē nenotiek CO 2 saistīšanās. Ir tikai saules enerģijas uztveršana ar hlorofila kompleksiem, tās uzglabāšana ATP, enerģijas izmantošana NADP samazināšanai līdz NADP * H 2. Enerģijas plūsmu no gaismas ierosinātā hlorofila nodrošina elektroni, kas tiek pārnesti pa fermentu elektronu transportēšanas ķēdi, kas iebūvēta tilakoīdu membrānās.
Ūdeņradis NADP tiek ņemts no ūdens, kas saules gaismas ietekmē sadalās skābekļa atomos, ūdeņraža protonos un elektronos. Šo procesu sauc fotolīze... Skābeklis no ūdens nav vajadzīgs fotosintēzei. Skābekļa atomi no divām ūdens molekulām apvienojas, veidojot molekulāro skābekli. Fotosintēzes gaismas fāzes reakcijas vienādojums īsi ir šāds:
H 2 O + (ADP + F) + NADP → ATP + NADP * H 2 + ½ O 2
Tādējādi fotosintēzes gaismas fāzē tiek atbrīvots skābeklis. No ADP un fosforskābes sintezēto ATP molekulu skaits vienas ūdens molekulas fotolīzē var būt atšķirīgs: viens vai divi.
Tātad, ATP un NADP * H 2 no gaismas fāzes nonāk tumšajā fāzē. Šeit pirmā enerģija un otrā reducējošais spēks tiek tērēti oglekļa dioksīda saistīšanai. Šo fotosintēzes posmu nevar izskaidrot vienkārši un kodolīgi, jo tas nenotiek tā, kā sešas CO 2 molekulas apvienojas ar ūdeņradi, kas izdalās no NADP * H 2 molekulām, veidojot glikozi:
6CO 2 + 6NADP * H 2 → C 6 H 12 O 6 + 6NADP
(reakcija notiek, tērējot enerģiju ATP, kas sadalās ADP un fosforskābē).
Iepriekš minētā reakcija ir tikai vienkāršošana, lai atvieglotu izpratni. Faktiski oglekļa dioksīda molekulas saistās pa vienai, piestiprinās pie piecu oglekļa organisko vielu. Veidojas nestabila sešu oglekļa organiskā viela, kas sadalās trīs oglekļa ogļhidrātu molekulās. Dažas no šīm molekulām tiek izmantotas sākotnējās piecu oglekļa vielas atkārtotai sintēzei CO 2 saistīšanai. Šāda atkārtota sintēze ir paredzēta Kalvina cikls... Neliela daļa no trīs oglekļa ogļhidrātu molekulām atstāj ciklu. Visas pārējās organiskās vielas (ogļhidrāti, tauki, olbaltumvielas) tiek sintezētas no tām un citām vielām.
Tas ir, patiesībā no fotosintēzes tumšās fāzes tiek atbrīvoti trīs oglekļa cukuri, nevis glikoze.
Cilvēka dzīve, tāpat kā visa dzīvība uz Zemes, nav iespējama bez elpošanas. Mēs ieelpojam skābekli no gaisa un izelpojam oglekļa dioksīdu. Bet kāpēc skābeklis nebeidzas? Izrādās, ka gaiss atmosfērā tiek nepārtraukti barots ar skābekli. Un šis piesātinājums notiek tieši fotosintēzes dēļ.
Fotosintēze ir vienkārša un vienkārša!
Ikvienam ir pienākums saprast, kas ir fotosintēze. Lai to izdarītu, jums vispār nav jāraksta sarežģītas formulas, pietiek saprast šī procesa nozīmi un burvību.
Augiem ir galvenā loma fotosintēzes procesā - zāle, koki, krūmi. Tieši augu lapās miljoniem gadu ir notikusi pārsteidzoša oglekļa dioksīda pārvēršanās skābeklī, kas ir tik nepieciešams dzīvībai tiem, kam patīk elpot. Mēģināsim izjaukt visu fotosintēzes procesu kārtībā.
1. Augi ņem ūdeni no augsnes ar tajā izšķīdinātiem minerāliem - slāpekli, fosforu, mangānu, kāliju, dažādiem sāļiem - kopā vairāk nekā 50 dažādus ķīmiskos elementus. Augiem tas ir nepieciešams uzturam. Bet no zemes augi saņem tikai 1/5 nepieciešamo vielu. Pārējās 4/5 tās izkļūst no gaisa!
2. Augi absorbē oglekļa dioksīdu no gaisa. Tas pats oglekļa dioksīds, ko mēs izelpojam katru sekundi. Augi elpo oglekļa dioksīdu tāpat kā jūs un es elpojam skābekli. Bet ar to nepietiek.
3. Dabiskā laboratorijā neaizstājama sastāvdaļa ir saules gaisma. Saules stari augu lapās izraisa neparastu ķīmisku reakciju. Kā tas notiek?
4. Augu lapās ir pārsteidzoša viela - hlorofils... Hlorofils spēj uztvert saules gaismas plūsmas un nenogurstoši pārvērst iegūto ūdeni, mikroelementus, oglekļa dioksīdu par organiskām vielām, kas nepieciešamas ikvienai dzīvai radībai uz mūsu planētas. Šajā brīdī augi atmosfērā izdala skābekli! Tieši šo hlorofila darbu zinātnieki sauc par sarežģītu vārdu - fotosintēze.
Prezentāciju par tēmu Fotosintēze var lejupielādēt izglītības portālā
Kāpēc tad zāle ir zaļa?
Tagad, kad mēs zinām, ka augu šūnas satur hlorofilu, uz šo jautājumu ir ļoti viegli atbildēt. Ne velti hlorofils no sengrieķu valodas tiek tulkots kā “zaļā lapa”. Fotosintēzei hlorofils izmanto visus saules starus, izņemot zaļo. Mēs redzam zāli, augu lapas zaļas tieši tāpēc, ka hlorofils izrādās zaļš.
Fotosintēzes nozīme.
Fotosintēzes nozīmi nevar pārvērtēt - bez fotosintēzes mūsu planētas atmosfērā uzkrātos pārāk daudz oglekļa dioksīda, vairums dzīvo organismu vienkārši nevarētu elpot un mirt. Mūsu Zeme pārvērstos par nedzīvu planētu. Lai tas nenotiktu, katram cilvēkam uz planētas Zeme jāatceras, ka mēs esam daudz parādā augiem.
Tāpēc ir tik svarīgi pilsētās izveidot pēc iespējas vairāk parku un zaļo zonu. Aizsargājiet taigu un džungļus no iznīcināšanas. Vai vienkārši iestādiet koku pie savas mājas. Vai arī nelauzt zarus. Tikai katra cilvēka piedalīšanās uz planētas Zeme palīdzēs saglabāt dzīvību uz savas planētas.
Bet fotosintēzes nozīme neaprobežojas tikai ar oglekļa dioksīda pārvēršanu skābeklī. Fotosintēzes rezultātā atmosfērā izveidojās ozona slānis, kas aizsargā planētu no ultravioletā starojuma kaitīgajiem stariem. Augi ir pārtika lielākajai daļai dzīvo lietu uz Zemes. Nepieciešams un pilnvērtīgs ēdiens. Augu uzturvērtība ir arī fotosintēzes nopelns.
Nesen medicīnā aktīvi izmanto hlorofilu. Cilvēki jau sen zināja, ka slimie dzīvnieki, lai dziedinātu, instinktīvi ēd zaļas lapas. Zinātnieki ir noskaidrojuši, ka hlorofils ir līdzīgs vielai cilvēka asins šūnās un spēj radīt brīnumus.
Augi iegūst visu nepieciešamo izaugsmei un attīstībai no vides. Tādā veidā tie atšķiras no citiem dzīvajiem organismiem. Lai tie labi attīstītos, ir nepieciešama auglīga augsne, dabiska vai mākslīga apūdeņošana un labs apgaismojums. Tumsā nekas neaugs.
Augsne ir ūdens un barības vielu organisko savienojumu, mikroelementu avots. Bet kokiem, ziediem, zālēm nepieciešama arī saules enerģija. Saules gaismas ietekmē notiek noteiktas reakcijas, kā rezultātā no gaisa absorbētais oglekļa dioksīds pārvēršas skābeklī. Šo procesu sauc par fotosintēzi. Ķīmiskā reakcija, kas notiek saules gaismas ietekmē, rada arī glikozi un ūdeni. Šīs vielas ir būtiskas auga attīstībai.
Ķīmiķu valodā reakcija izskatās šādi: 6CO2 + 12H2O + gaisma = C6H12O6 + 6O2 + 6H2O. Vienkāršota vienādojuma forma: oglekļa dioksīds + ūdens + gaisma = glikoze + skābeklis + ūdens.
Burtiski "fotosintēze" tiek tulkota kā "kopā ar gaismu". Šis vārds sastāv no diviem vienkāršiem vārdiem "foto" un "sintēze". Saule ir ļoti spēcīgs enerģijas avots. Cilvēki to izmanto elektroenerģijas ražošanai, māju siltināšanai un ūdens sildīšanai. Augiem ir nepieciešama arī enerģija no saules, lai uzturētu dzīvību. Fotosintēzes rezultātā iegūtā glikoze ir vienkāršs cukurs, kas ir viena no vissvarīgākajām uzturvielām. Augi to izmanto augšanai un attīstībai, un pārpalikums tiek noglabāts lapās, sēklās, augļos. Ne visa glikoze paliek nemainīga augu un augļu zaļajās daļās. Vienkāršiem cukuriem ir tendence pārvērsties sarežģītākos, ieskaitot cieti. Šādas augu rezerves tiek patērētas barības vielu trūkuma periodos. Tieši viņi nosaka garšaugu, augļu, ziedu, lapu uzturvērtību dzīvniekiem un cilvēkiem, kuri ēd augu pārtiku.
Kā augi absorbē gaismu
Fotosintēzes process ir diezgan sarežģīts, taču to var īsi aprakstīt tā, lai tas kļūtu saprotams pat skolas vecuma bērniem. Viens no visbiežāk uzdotajiem jautājumiem attiecas uz gaismas absorbcijas mehānismu. Kā gaismas enerģija nonāk augos? Fotosintēzes process notiek lapās. Visu augu lapās ir zaļās šūnas - hloroplasti. Tie satur vielu, ko sauc par hlorofilu. Hlorofils ir pigments, kas piešķir lapām zaļu krāsu un ir atbildīgs par gaismas enerģijas absorbciju. Daudzi cilvēki nav domājuši par to, kāpēc vairumam augu lapas ir platas un plakanas. Izrādās, ka daba to paredzēja kāda iemesla dēļ. Plašā virsma ļauj absorbēt vairāk saules gaismas. Tā paša iemesla dēļ saules paneļi ir izgatavoti plaši un plakani.
Lapu augšējo daļu aizsargā vaskainais slānis (kutikula) no ūdens zuduma un laika apstākļu, kaitēkļu nelabvēlīgās ietekmes. To sauc par palisādi. Ja paskatās uz lapu, jūs varat redzēt, ka augšējā puse ir gaišāka un gludāka. Bagāta krāsa tiek iegūta sakarā ar to, ka šajā daļā ir vairāk hloroplastu. Pārmērīga gaisma var samazināt auga spēju ražot skābekli un glikozi. Spilgtā saulē tiek sabojāts hlorofils, un tas palēnina fotosintēzi. Palēnināšanās notiek arī līdz ar rudens iestāšanos, kad gaismas kļūst mazāk, un lapas sāk dzeltēt hloroplastu iznīcināšanas dēļ.
Ūdens lomu fotosintēzē un augu dzīvē nevar novērtēt par zemu. Ūdens ir nepieciešams:
- augu nodrošināšana ar tajā izšķīdinātiem minerāliem;
- tonusa saglabāšana;
- dzesēšana;
- ķīmisko un fizisko reakciju iespējamība.
Koki, krūmi, ziedi no saknēm uzsūc ūdeni no augsnes, un tad mitrums paceļas gar kātu, nokļūst lapās gar dzīslām, kuras ir redzamas pat ar neapbruņotu aci.
Oglekļa dioksīds iekļūst caur maziem caurumiem lapas apakšējā daļā - stomatos. Lapas apakšējā daļā šūnas ir sakārtotas tā, lai oglekļa dioksīds varētu iekļūt dziļāk. Tas arī ļauj skābeklim, kas rodas fotosintēzes laikā, viegli atstāt lapu. Tāpat kā visi dzīvie organismi, arī augi ir apveltīti ar elpošanas spēju. Turklāt atšķirībā no dzīvniekiem un cilvēkiem tie absorbē oglekļa dioksīdu un izdala skābekli, nevis otrādi. Tur, kur ir daudz augu, gaiss ir ļoti tīrs un svaigs. Tāpēc ir tik svarīgi rūpēties par kokiem, krūmiem, izkārtot laukumus un parkus lielajās pilsētās.
Fotosintēzes gaišās un tumšās fāzes
Fotosintēzes process ir sarežģīts un sastāv no divām fāzēm - gaišas un tumšas. Gaismas fāze ir iespējama tikai saules gaismas klātbūtnē. Gaismas ietekmē hlorofila molekulas jonizējas, kā rezultātā veidojas enerģija, kas kalpo kā katalizators ķīmiskai reakcijai. Notikumu secība šajā posmā izskatās šādi:
- gaisma skar hlorofila molekulu, ko absorbē zaļais pigments un pārveido to ierosinātā stāvoklī;
- notiek ūdens sadalīšana;
- Tiek sintezēts ATP, kas ir enerģijas akumulators.
Fotosintēzes tumšā fāze notiek bez gaismas enerģijas līdzdalības. Šajā posmā veidojas glikoze un skābeklis. Tajā pašā laikā ir svarīgi saprast, ka glikozes un skābekļa veidošanās notiek visu diennakti, nevis tikai naktī. Tumšo fāzi sauc, jo gaismas klātbūtne tās plūsmai vairs nav nepieciešama. Katalizators ir ATP, kas tika sintezēts agrāk.
Fotosintēzes nozīme dabā
Fotosintēze ir viens no nozīmīgākajiem dabas procesiem. Ir nepieciešams ne tikai atbalstīt augu dzīvi, bet arī visu dzīvību uz planētas. Fotosintēze ir nepieciešama:
- dzīvnieku un cilvēku nodrošināšana ar pārtiku;
- oglekļa dioksīda noņemšana un gaisa piesātināšana ar skābekli;
- uzturvielu cikla uzturēšana.
Visi augi ir atkarīgi no fotosintēzes ātruma. Saules enerģiju var uzskatīt par faktoru, kas provocē vai kavē izaugsmi. Piemēram, dienvidu reģionos un saules reģionos ir daudz, un augi var izaugt diezgan augsti. Ja ņemam vērā, kā process notiek ūdens ekosistēmās, uz jūras, okeānu virsmas netrūkst saules gaismas, un šajos slāņos novērojama bagātīga aļģu augšana. Dziļākos ūdens slāņos trūkst saules enerģijas, kas ietekmē ūdens floras augšanas ātrumu.
Fotosintēzes process veicina ozona slāņa veidošanos atmosfērā. Tas ir ļoti svarīgi, jo tas palīdz aizsargāt visu planētas dzīvību no ultravioleto staru kaitīgās ietekmes.
Fotosintēze ir organisko savienojumu sintēze zaļo augu lapās no ūdens un atmosfēras oglekļa dioksīda, izmantojot saules (gaismas) enerģiju, ko adsorbē hlorofils hloroplastos.
Pateicoties fotosintēzei, redzamās gaismas enerģija tiek uztverta un pārvērsta ķīmiskajā enerģijā, uzglabāta (uzglabāta) organiskās vielās, kas veidojas fotosintēzes laikā.
Par fotosintēzes procesa atklāšanas datumu var uzskatīt 1771. Angļu zinātnieks J. Priestlijs vērsa uzmanību uz gaisa sastāva izmaiņām dzīvnieku dzīvības aktivitātes dēļ. Zaļo augu klātbūtnē gaiss atkal kļuva piemērots gan elpošanai, gan dedzināšanai. Pēc tam vairāku zinātnieku (J. Ingenhaus, J. Senebier, T. Saussure, J. B. Boussingot) darbs atklāja, ka zaļie augi absorbē CO2 no gaisa, no kura veidojas organiskās vielas, piedaloties ūdenim gaismā. Tieši šo procesu 1877. gadā vācu zinātnieks V. Pfefers nodēvēja par fotosintēzi. Fotosintēzes būtības atklāšanai liela nozīme bija R. Majēra formulētajam enerģijas saglabāšanas likumam. 1845. gadā R. Mejers izvirzīja pieņēmumu, ka augu izmantotā enerģija ir Saules enerģija, ko augi fotosintēzes procesā pārvērš ķīmiskajā enerģijā. Šī nostāja tika izstrādāta un eksperimentāli apstiprināta ievērojamā krievu zinātnieka K.A. Timirjazevs.
Fotosintēzes organismu galvenā loma:
1) saules gaismas enerģijas pārveidošana organisko savienojumu ķīmisko saišu enerģijā;
2) atmosfēras piesātinājums ar skābekli;
Fotosintēzes rezultātā uz Zemes veidojas 150 miljardi tonnu organisko vielu un aptuveni 200 miljardi tonnu brīva skābekļa gadā. Tas novērš CO2 koncentrācijas palielināšanos atmosfērā, novēršot Zemes pārkaršanu (siltumnīcas efekts).
Fotosintēzes radītā atmosfēra aizsargā dzīvās būtnes no destruktīva īsviļņu UV starojuma (atmosfēras skābekļa un ozona ekrāns).
Tikai 1-2% saules enerģijas tiek nodota lauksaimniecības augu kultūrai; zaudējumi rodas nepilnīgas gaismas absorbcijas dēļ. Tāpēc ir milzīgas izredzes palielināt ražu, pateicoties šķirņu izvēlei ar augstu fotosintēzes efektivitāti, radot gaismas absorbcijai labvēlīgu kultūraugu struktūru. Šajā sakarā īpaši steidzama kļūst fotosintēzes kontroles teorētisko pamatu izstrāde.
Fotosintēzes nozīme ir milzīga. Tikai atzīmēsim, ka tas piegādā degvielu (enerģiju) un atmosfēras skābekli, kas nepieciešams visu dzīvo būtņu pastāvēšanai. Tādējādi fotosintēzes loma ir planēta.
Fotosintēzes planetāro raksturu nosaka arī tas, ka, pateicoties skābekļa un oglekļa cirkulācijai (galvenokārt), tiek saglabāts mūsdienu atmosfēras sastāvs, kas savukārt nosaka turpmāku dzīvības uzturēšanu uz Zemes. Vēl varam teikt, ka enerģija, kas tiek uzkrāta fotosintēzes produktos, būtībā ir galvenais enerģijas avots, kāds cilvēcei tagad ir.
Kopējā fotosintēzes reakcija
CO 2 + H 2 O = (CH 2 O) + O. 2 .
Fotosintēzes ķīmiju raksturo šādi vienādojumi:
Fotosintēze - 2 reakciju grupas:
gaismas posms (atkarīgs no apgaismojums)
tumšā stadija (atkarīgs no temperatūras).
Abas reakciju grupas notiek vienlaikus
Fotosintēze notiek zaļo augu hloroplastos.
Fotosintēze sākas ar gaismas uztveršanu un absorbciju ar hlorofila pigmentu, kas atrodas zaļo augu šūnu hloroplastos.
Tas ir pietiekami, lai mainītu molekulas absorbcijas spektru. 
Hlorofila molekula absorbē fotonus violetā un zilā krāsā, un pēc tam spektra sarkanajā daļā, un tā nesadarbojas ar fotoniem spektra zaļajā un dzeltenajā daļā.
Tāpēc hlorofils un augi izskatās zaļi - viņi vienkārši nekādā veidā nevar izmantot zaļos starus un atstāt tos staigāt pasaulē (tādējādi padarot to zaļāku).
Fotosintētiskie pigmenti atrodas tilakoīdās membrānas iekšpusē.
Pigmenti ir sakārtoti foto sistēmas(antenas lauki gaismas uztveršanai) - satur 250-400 dažādu pigmentu molekulas.
Foto sistēma sastāv no:
reakcijas centrs fotosistēmas (hlorofila molekula a),
antenas molekulas
Visi fotosistēmas pigmenti spēj viens otram nodot ierosinātā stāvokļa enerģiju. Fotonu enerģija, ko absorbē šī vai tā pigmenta molekula, tiek pārnesta uz blakus esošo molekulu, līdz tā sasniedz reakcijas centru. Kad reakcijas centra rezonanses sistēma nonāk ierosinātā stāvoklī, tā pārnes divus ierosinātos elektronus uz akceptora molekulu un tādējādi oksidējas un iegūst pozitīvu lādiņu.
Augos:
fotosistēma 1(maksimālā gaismas absorbcija pie viļņa garuma 700 nm - P700)
fotosistēma 2(maksimālā gaismas absorbcija pie viļņa garuma 680 nm - P680
Absorbcijas optimuma atšķirības ir saistītas ar nelielām pigmentu struktūras atšķirībām.
Abas sistēmas darbojas kopā, piemēram, divdaļīgs konveijers ar nosaukumu necikliska fotofosforilēšana .
Kopsavilkuma vienādojums par necikliska fotofosforilēšana:
Ф - fosforskābes atlikuma simbolisks apzīmējums
Cikls sākas ar 2. fotosistēmu.
1) antenas molekulas uztver fotonu un pārnes ierosmi uz P680 aktīvā centra molekulu;
2) ierosinātā P680 molekula atdod divus elektronus kofaktoram Q, kamēr tā oksidējas un iegūst pozitīvu lādiņu;
Kofaktors(kofaktors). Koenzīms vai jebkura cita viela, kas nepieciešama fermenta darbībai
Koenzīmi (koenzīmi)[no lat. co (cum) - kopā un fermenti], organiski savienojumi, kas nav proteīna rakstura, piedalās fermentatīvajā reakcijā kā atsevišķu atomu vai atomu grupu akceptori, kurus ferments atdala no substrāta molekulas, t.i. fermentu katalītiskās darbības īstenošanai. Šīm vielām, atšķirībā no fermenta proteīna komponenta (apoenzīma), ir salīdzinoši zema molekulmasa un, kā likums, tās ir termostabilas. Dažreiz koenzīmi nozīmē jebkuras mazmolekulāras vielas, kuru līdzdalība ir nepieciešama fermenta katalītiskās darbības izpausmei, ieskaitot, piemēram, jonus. K+, Mg 2+ un Mn 2+. Piedāvājumi atrodas. fermenta aktīvajā centrā un kopā ar aktīvā centra substrātu un funkcionālajām grupām veido aktivētu kompleksu.
Katalītiskās aktivitātes izpausmei lielākajai daļai enzīmu ir nepieciešams koenzīms. Izņēmums ir hidrolītiskie enzīmi (piemēram, proteāzes, lipāzes, ribonukleāze), kas veic savu funkciju, ja nav koenzīma.
Molekulu samazina P680 (fermentu iedarbība). Šajā gadījumā ūdens disociējas protonos un molekulārais skābeklis, tiem. ūdens ir elektronu donors, kas nodrošina elektronu papildināšanu P 680.
FOTOLĪZE ŪDENS- ūdens molekulas sadalīšana, jo īpaši fotosintēzes laikā. Sakarā ar ūdens fotolīzi veidojas skābeklis, ko gaismā izdala zaļie augi.
Notiek ielāde ...