Proces fotosyntezy niezbędny do powstania życia na Ziemi nie jest prosty ważny i, można by rzec, decydujące. Bez tego procesu jest mało prawdopodobne, aby życie na Ziemi mogło ewoluować poza bakteriami. Do przeprowadzenia dowolnego procesu w przyrodzie potrzebna jest energia. Na Ziemi jest pobierany ze Słońca. Światło słoneczne jest wychwytywane przez rośliny i przekształcane w energię z wiązań chemicznych związki organiczne. Ta przemiana to fotosynteza.
Inne organizmy na Ziemi (z wyjątkiem niektórych bakterii) wykorzystują materię organiczną z roślin do pozyskiwania energii niezbędnej do życia. Nie oznacza to, że wszystkie organizmy jedzą rośliny. Na przykład mięsożercy jedzą zwierzęta roślinożerne, a nie rośliny. Natomiast energię zmagazynowaną u roślinożerców pozyskują oni z roślin.
Oprócz magazynowania energii i karmienia prawie całego życia na Ziemi, fotosynteza jest ważna z innych powodów.
Podczas fotosyntezy uwalniany jest tlen. Tlen jest niezbędny do procesu oddychania. Podczas oddychania zachodzi odwrotny proces fotosyntezy. Substancje organiczne ulegają utlenieniu, zniszczeniu i uwolnieniu energii, którą można wykorzystać różne procesy aktywność życiowa (spacer, myślenie, wzrost itp.). Kiedy na Ziemi nie było jeszcze roślin, w powietrzu nie było prawie tlenu. Prymitywne organizmy żywe, które żyły w tamtych czasach, utleniały substancje organiczne w inny sposób, a nie za pomocą tlenu. To nie było skuteczne. Dzięki oddychaniu tlenem świat żywy mógł się szeroko i kompleksowo rozwijać. A tlen w atmosferze pojawił się dzięki roślinom i procesowi fotosyntezy.
W stratosferze (powyżej troposfery - najniższej warstwy atmosfery) tlen pod wpływem promieniowania słonecznego przekształca się w ozon. Ozon chroni życie na Ziemi przed niebezpiecznym promieniowaniem ultrafioletowym ze słońca. Bez warstwy ozonowej życie nie mogłoby ewoluować z morza na ląd.
Podczas fotosyntezy dwutlenek węgla jest pochłaniany z atmosfery. Podczas oddychania uwalniany jest dwutlenek węgla. Gdyby nie został wchłonięty, kumulowałby się w atmosferze i wraz z innymi gazami powodowałby zwiększenie tzw. efektu cieplarnianego. Efekt cieplarniany to wzrost temperatury w dolnych warstwach atmosfery. Jednocześnie klimat może zacząć się zmieniać, lodowce zaczną się topić, podniesie się poziom oceanów, w wyniku czego tereny przybrzeżne mogą zostać zalane i pojawią się inne negatywne konsekwencje.
Wszystkie substancje organiczne zawierają pierwiastek chemiczny węgiel. To rośliny wiążą ją w substancje organiczne (glukozę), pozyskując ją z substancji nieorganicznych (dwutlenek węgla). Robią to poprzez proces fotosyntezy. Następnie „podróżując” przez łańcuchy pokarmowe, węgiel przemieszcza się z jednego związku organicznego do drugiego. Ostatecznie wraz ze śmiercią organizmów i ich rozkładem węgiel ponownie zamienia się w substancje nieorganiczne.
Fotosynteza jest również ważna dla ludzkości. Węgiel, torf, ropa naftowa, gaz ziemny to pozostałości roślin i innych żywych organizmów, które gromadziły się przez setki milionów lat. Służą nam jako źródło dodatkowej energii, która pozwala na rozwój cywilizacji.
W lata studenckie Zapamiętanie całej sekwencji reakcji zachodzących podczas fotosyntezy zajęło mi kilka godzin. Ale co, jeśli oderwiemy się od zawiłości chemii i spojrzymy na ten proces z bardziej praktycznego punktu widzenia, aby zrozumieć, co fotosynteza zapewnia naturze, jakie jest jej bezpośrednie znaczenie?
Trochę chemii
Na początek warto krótko opisać zachodzące procesy. Do pełnej fotosyntezy potrzebne są: ważne elementy:
- chlorofil;
- dwutlenek węgla;
- światło słoneczne;
- dodatkowe elementy z gleby/środowiska.
Roślina wychwytuje światło za pomocą chlorofilu, po czym wykorzystuje minerały przekształca dwutlenek węgla w tlen, wytwarzając jednocześnie różne substancje, takie jak glukoza i skrobia. Ostatecznym celem roślin jest produkcja tych substancji, natomiast produkcja tlenu jest raczej efektem ubocznym.
Rola fotosyntezy w atmosferze
Chociaż tlen jest jedynie produktem wtórnym, oddycha nim my i większość żywych istot na Ziemi. Gdyby nie fotosynteza, ewolucja nie zaszłaby tak daleko. Nie byłoby tak złożonych organizmów jak człowiek. Najprościej mówiąc, rośliny wykorzystują fotosyntezę do wytworzenia powietrza odpowiedniego do oddychania i życia na Ziemi.
Ciekawostką jest to, że rośliny, jak wszystkie organizmy, również oddychają i również potrzebują wytwarzanego przez siebie tlenu!
Rola fotosyntezy w łańcuchu pokarmowym
Tylko rośliny wychwytują jedyne źródło energii organicznej dostępne na naszej planecie – światło słoneczne. Poprzez fotosyntezę tworzą ww składniki odżywcze. Później w łańcuchu pokarmowym substancje te rozprzestrzeniają się dalej: od roślin do roślinożerców, następnie do drapieżników, od nich do padlinożerców i bakterii przetwarzających szczątki.
Na koniec przypomniały mi się słowa wielkiego rosyjskiego naukowca Klimenta Artemyevicha Timiryazeva:
Wszystkie substancje organiczne, gdziekolwiek się znajdują, pochodzą z substancji wytwarzanych przez liść.
Ponadto wielki naukowiec nazwał fotosyntezę procesem prawdziwie kosmicznym, z czym trudno się nie zgodzić.
Fotosynteza to zespół procesów syntezy związków organicznych ze związków nieorganicznych w wyniku zamiany energii świetlnej na energię wiązań chemicznych. Organizmy fototroficzne obejmują rośliny zielone, niektóre prokarioty - sinice, fioletowe i zielone bakterie siarkowe oraz wiciowce roślinne.
Badania nad procesem fotosyntezy rozpoczęły się w drugiej połowie XVIII wieku. Ważnego odkrycia dokonał wybitny rosyjski naukowiec K. A. Timiryazev, który uzasadnił doktrynę o kosmicznej roli roślin zielonych. Rośliny pochłaniają światło słoneczne i przekształcają energię świetlną w energię wiązań chemicznych syntetyzowanych przez nie związków organicznych. Zapewniają tym samym zachowanie i rozwój życia na Ziemi. Naukowiec uzasadnił także teoretycznie i udowodnił eksperymentalnie rolę chlorofilu w absorpcji światła podczas fotosyntezy.
Chlorofile są głównymi pigmentami fotosyntetycznymi. Mają podobną budowę do hemoglobiny, ale zamiast żelaza zawierają magnez. Zawartość żelaza jest niezbędna do zapewnienia syntezy cząsteczek chlorofilu. Istnieje kilka chlorofilów, które różnią się między sobą struktura chemiczna. Obowiązkowe dla wszystkich fototrofów jest chlorofil a . ChlorofilB występuje w roślinach zielonych chlorofil c – w okrzemkach i algach brunatnych. Chlorofil d charakterystyczny dla czerwonych alg.
Zielone i fioletowe bakterie fotosyntetyzujące są wyjątkowe bakteriochlorofile . Fotosynteza bakteryjna ma wiele wspólnego z fotosyntezą roślinną. Różni się tym, że u bakterii donorem wodoru jest siarkowodór, a u roślin woda. Bakterie zielone i fioletowe nie mają fotosystemu II. Fotosyntezie bakterii nie towarzyszy uwalnianie tlenu. Ogólne równanie fotosyntezy bakteryjnej wygląda następująco:
6C0 2 + 12H 2 S → C 6 H 12 O 6 + 12 S + 6H 2 0.
Fotosynteza opiera się na procesie redoks. Związane jest to z przeniesieniem elektronów ze związków dostarczających elektrony-donorów do związków je przyjmujących - akceptorów. Energia świetlna zamieniana jest na energię syntetyzowanych związków organicznych (węglowodanów).
Na błonach chloroplastów znajdują się specjalne struktury - centra reakcji które zawierają chlorofil. W roślinach zielonych i sinicach są dwa fotosystemy – pierwszy (ja) I drugi (II) , które mają różne centra reakcji i są połączone systemem przenoszenia elektronów.
Dwie fazy fotosyntezy
Proces fotosyntezy składa się z dwóch faz: jasnej i ciemnej.
Zachodzi tylko w obecności światła na wewnętrznych błonach mitochondriów w błonach specjalnych struktur - tylakoidy . Pigmenty fotosyntetyczne wychwytują kwanty światła (fotony). Prowadzi to do „wzbudzenia” jednego z elektronów cząsteczki chlorofilu. Za pomocą cząsteczek nośnika elektron przemieszcza się na zewnętrzną powierzchnię błony tylakoidów, uzyskując określoną energię potencjalną.
Ten elektron w fotosystem I może powrócić do swojego poziomu energii i go przywrócić. NADP (fosforan dinukleotydu nikotynoamidoadeninowego) również może zostać przeniesiony. Wchodząc w interakcję z jonami wodoru, elektrony odtwarzają ten związek. Zredukowany NADP (NADP H) dostarcza wodór w celu redukcji atmosferycznego CO 2 do glukozy.
Podobne procesy zachodzą w fotosystem II . Wzbudzone elektrony można przenieść do fotosystemu I i przywrócić go. Przywrócenie fotosystemu II następuje dzięki elektronom dostarczanym przez cząsteczki wody. Rozdzielają się cząsteczki wody (fotoliza wody) na protony wodoru i tlen cząsteczkowy, który jest uwalniany do atmosfery. Elektrony służą do przywrócenia fotosystemu II. Równanie fotolizy wody:
2Н 2 0 → 4Н + + 0 2 + 2е.
Kiedy elektrony wracają z powierzchnia zewnętrzna Błony tylakoidów uwalniają energię do poprzedniego poziomu energetycznego. Jest magazynowany w postaci wiązań chemicznych cząsteczek ATP, które syntetyzowane są podczas reakcji w obu fotoukładach. Nazywa się proces syntezy ATP z ADP i kwasem fosforowym fotofosforylacja . Część energii jest wykorzystywana do odparowywania wody.
W lekkiej fazie fotosyntezy powstają związki bogate w energię: ATP i NADP H. Podczas rozkładu (fotolizy) cząsteczek wody do atmosfery uwalniany jest tlen cząsteczkowy.
Reakcje zachodzą w wewnętrznym środowisku chloroplastów. Mogą wystąpić zarówno w obecności światła, jak i bez niego. Substancje organiczne syntetyzuje się (C0 2 jest redukowane do glukozy) przy wykorzystaniu energii powstałej w fazie lekkiej.
Proces redukcji dwutlenku węgla ma charakter cykliczny i nazywa się Cykl Calvina . Nazwany na cześć amerykańskiego badacza M. Calvina, który odkrył ten cykliczny proces.
Cykl rozpoczyna się od reakcji atmosferycznego dwutlenku węgla z wodorofosforanem rybulozy. Proces jest katalizowany przez enzym karboksylaza . Bifosforan rybulozy to pięciowęglowy cukier połączony z dwiema jednostkami kwasu fosforowego. Zachodzi szereg przemian chemicznych, z których każda jest katalizowana przez swój własny, specyficzny enzym. Jak powstaje końcowy produkt fotosyntezy? glukoza , a wodorofosforan rybulozy jest również zmniejszony.
Ogólne równanie procesu fotosyntezy wygląda następująco:
6C0 2 + 6H 2 0 → C 6 H 12 O 6 + 60 2
Dzięki procesowi fotosyntezy energia świetlna ze Słońca jest pochłaniana i zamieniana na energię wiązań chemicznych syntetyzowanych węglowodanów. Energia przekazywana jest poprzez łańcuchy pokarmowe do organizmów heterotroficznych. Podczas fotosyntezy dwutlenek węgla jest pochłaniany, a uwalniany jest tlen. Cały tlen atmosferyczny ma pochodzenie fotosyntetyczne. Co roku uwalnianych jest ponad 200 miliardów ton wolnego tlenu. Tlen chroni życie na Ziemi przed promieniowaniem ultrafioletowym, tworząc w atmosferze osłonę ozonową.
Proces fotosyntezy jest nieefektywny, gdyż tylko 1-2% energii słonecznej przekształca się w syntetyzowaną materię organiczną. Dzieje się tak dlatego, że rośliny nie absorbują wystarczającej ilości światła, jego część jest pochłaniana przez atmosferę itp. Większość światła słonecznego odbija się od powierzchni Ziemi z powrotem w przestrzeń kosmiczną.
Historia fotosyntezy. Przez tysiące lat ludzie wierzyli, że roślina odżywia się wyłącznie poprzez korzenie, za ich pomocą pobierając z gleby wszystkie niezbędne substancje. Postanowiłem sprawdzić ten punkt widzenia początek XIX V. Holenderski przyrodnik Jan Van Helmont. Zważył ziemię w doniczce i zasadził w niej pęd wierzby. Podlewał drzewo przez pięć lat, następnie wysuszył ziemię, zważył ją i roślinę. Wierzba ważyła siedemdziesiąt pięć kilogramów, a masa ziemi zmieniła się zaledwie o kilkaset gramów. Naukowiec doszedł do wniosku, że rośliny pobierają składniki odżywcze przede wszystkim nie z gleby, ale z wody.
Przez dwa stulecia w nauce ugruntowała się teoria odżywiania roślin wodą. Liście, zgodnie z tą teorią, jedynie pomogły roślinie odparować nadmiar wilgoci.
Do najbardziej nieoczekiwanego, ale słusznego założenia dotyczącego odżywiania się roślin w powietrzu naukowcy doszli dopiero na początku XIX wieku. Ważną rolę w zrozumieniu tego procesu odegrało odkrycie dokonane przez angielskiego chemika Josepha Priestleya w 1771 roku. Przeprowadził on eksperyment, w wyniku którego doszedł do wniosku: rośliny oczyszczają powietrze i sprawiają, że nadaje się ono do oddychania. Później okazało się, że aby roślina mogła oczyścić powietrze, potrzebne jest światło.
Dziesięć lat później naukowcy zdali sobie sprawę, że roślina nie tylko przekształca dwutlenek węgla w tlen. Dwutlenek węgla jest niezbędny roślinom do życia, stanowi ich prawdziwy pokarm (wraz z wodą i solami mineralnymi).
Odżywianie roślin z powietrza nazywa się fotosyntezą. Tlen jest uwalniany jako niezwykły produkt podczas fotosyntezy.
Miliardy lat temu na Ziemi nie było wolnego tlenu. Cały tlen, którym oddychają prawie wszystkie żywe stworzenia na naszej planecie, jest uwalniany przez rośliny w procesie fotosyntezy. Fotosyntezie udało się zmienić cały wygląd naszej planety.
Od lat 70. ubiegłego wieku w Rosji osiągnięto znaczny postęp w dziedzinie fotosyntezy. Prace rosyjskich naukowców Purievicha, Iwanowskiego, Ricktera, Iwanowa, Kostychowa badały wiele aspektów tego procesu.
Znaczenie fotosyntezy zdano sobie sprawę dopiero stosunkowo niedawno. Arystoteles i inni greccy naukowcy obserwując, że procesy życiowe zwierząt zależą od spożycia pokarmu, wierzyli, że rośliny czerpią „pożywienie” z gleby.
Nieco ponad trzysta lat temu, w jednym z pierwszych starannie zaprojektowanych eksperymentów biologicznych, holenderski lekarz Jan Van Helmont dostarczył dowodów na to, że gleba nie jest jedynym pożywieniem rośliny. Van Helmont wyhodował małą wierzbę w glinianym garnku, dodając do niej jedynie wodę.
Po pięciu latach masa igieł wzrosła o 74,4 kg, a masa gleby zmniejszyła się zaledwie o 57 g.
W koniec XVIII stulecia angielski naukowiec Joseph Priestley doniósł, że „przypadkowo odkrył metodę naprawiania powietrza zanieczyszczonego paleniem świec”. 17 sierpnia 1771 Priestley „... umieścił żywą gałązkę mięty w zamkniętym naczyniu, w którym się paliła świeca woskowa", a 21 tego samego miesiąca odkrył, że "...w tym samym naczyniu może ponownie zapalić się kolejna świeca." „Naprawczą zasadą, którą natura wykorzystuje do tych celów” – sądził Priestley – „była roślina”. Rozszerzył swoje obserwacje i wkrótce wykazał, że powietrze „skorygowane” przez roślinę nie jest „wcale nieodpowiednie dla myszy”.
Eksperymenty Priestleya po raz pierwszy pozwoliły wyjaśnić, dlaczego powietrze na Ziemi pozostaje „czyste” i może podtrzymywać życie pomimo płonących niezliczonych pożarów i oddychania wielu żywych organizmów. Powiedział: „Dzięki tym odkryciom mamy pewność, że rośliny nie rosną na próżno, ale oczyszczają i uszlachetniają naszą atmosferę”.
Później holenderski lekarz Jan Ingenhouse (1730-1799) potwierdził pracę Priestleya i wykazał, że powietrze „koryguje” jedynie poprzez światło słoneczne i tylko zielone części rośliny. W 1796 Ingenhouse zasugerował, że podczas fotosyntezy dwutlenek węgla rozkłada się na C i O 2, a O 2 jest uwalniany w postaci gazu. Następnie odkryto, że stosunek atomów węgla, wodoru i tlenu w cukrach i skrobi jest taki, że na cząsteczkę wody przypada jeden atom węgla, na co wskazuje słowo „węglowodany”. Powszechnie przyjęto, że węglowodany powstają z C i H 2 O, a O 2 uwalnia się z dwutlenku węgla. Ta całkiem rozsądna hipoteza została powszechnie przyjęta, jednak jak się później okazało, była całkowicie błędna.
Badaczem, który obalił tę ogólnie przyjętą teorię, był Cornelius van Niel z Uniwersytetu w Stamford, gdy jako student badał metabolizm różnych bakterii fotosyntetyzujących. Jedna grupa takich bakterii, a mianowicie purpurowe bakterie siarkowe, redukuje C do węglowodanów, ale nie uwalnia O2. Fioletowe bakterie siarkowe wymagają siarkowodoru do fotosyntezy. W wyniku fotosyntezy cząsteczki siarki gromadzą się wewnątrz komórek bakteryjnych. Van Niel odkrył, że dla tych bakterii równanie fotosyntezy można zapisać jako:
CO2 + 2H2S (CH2O) + H2O + 2S.
Fakt ten nie przykuł uwagi badaczy, dopóki van Niel nie ogłosił odważnie i nie zaproponował następującego podsumowującego równania fotosyntezy:
CO 2 + 2H 2 A (CH 2 O) + H 2 O + 2A.
W tym równaniu H2A oznacza albo wodę, albo inną substancję ulegającą utlenieniu, taką jak siarkowodór lub wolny H2. W roślinach zielonych i glonach H 2 A = H 2 O. Oznacza to, że van Niel zasugerował, że podczas fotosyntezy rozkłada się H 2 O, a nie dwutlenek węgla. Ten genialny pomysł, wysunięty w latach trzydziestych, został później udowodniony eksperymentalnie, gdy badacze, używając ciężkiego izotopu O 2 (18 O 2), prześledzili drogę tlenu z wody do stanu gazowego:
CO 2 + 2H 2 18 O 2 (CH 2 O) + H 2 O + 18 O 2.
Zatem dla alg lub roślin zielonych, w których woda służy jako donor elektronów, ogólne równanie fotosyntezy zapisuje się w następujący sposób:
6CO 2 + 12H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + 6H 2 O.
Procesy zachodzące w liściu. Liść przeprowadza trzy ważne procesy - fotosyntezę, parowanie wody i wymianę gazową. W procesie fotosyntezy w liściach pod wpływem światła słonecznego powstają substancje organiczne z wody i dwutlenku węgla. W ciągu dnia w wyniku fotosyntezy i oddychania roślina wydziela tlen i dwutlenek węgla, a nocą jedynie dwutlenek węgla powstający podczas oddychania.
Większość roślin jest w stanie syntetyzować chlorofil przy słabym świetle. W bezpośrednim świetle słonecznym chlorofil syntetyzuje się szybciej.
Energia świetlna potrzebna do fotosyntezy, w pewnych granicach, jest pochłaniana tym bardziej, im mniej liść jest przyciemniony. Dlatego w procesie ewolucji rośliny rozwinęły umiejętność obracania blaszki liściowej w stronę światła, dzięki czemu pada na nią więcej światła słonecznego. Liście na roślinie są ułożone tak, aby się nie stłoczyć.
Timiryazev udowodnił, że źródłem energii do fotosyntezy są głównie czerwone promienie widma. Wskazuje na to widmo absorpcji chlorofilu, gdzie najbardziej intensywne pasmo absorpcji obserwuje się w części czerwonej, a mniej intensywne w części niebiesko-fioletowej.
Chloroplasty zawierają pigmenty karoten i ksantofil wraz z chlorofilem. Obydwa te pigmenty pochłaniają promienie niebieskie i częściowo zielone, a przepuszczają promienie czerwone i żółte. Niektórzy naukowcy przypisują karotenu i ksantofilowi rolę ekranów chroniących chlorofil przed niszczycielskim działaniem promieni niebieskich.
Proces fotosyntezy składa się z szeregu następujących po sobie reakcji, z których część zachodzi przy absorpcji energii świetlnej, a część w ciemności. Stabilnymi końcowymi produktami fotosyntezy są węglowodany (cukier, a następnie skrobia), kwasy organiczne, aminokwasy i białka.
Fotosynteza zachodzi z różną szybkością w różnych warunkach.
Intensywność fotosyntezy zależy również od fazy rozwoju rośliny. Maksymalną intensywność fotosyntezy obserwuje się w fazie kwitnienia.
Normalna zawartość dwutlenku węgla w powietrzu wynosi 0,03% objętościowych. Zmniejszenie zawartości dwutlenku węgla w powietrzu zmniejsza intensywność fotosyntezy. Zwiększenie zawartości dwutlenku węgla do 0,5% zwiększa tempo fotosyntezy niemal proporcjonalnie. Jednak wraz z dalszym wzrostem zawartości dwutlenku węgla intensywność fotosyntezy nie wzrasta, a przy 1% roślina cierpi.
Rośliny odparowują, czyli transperują, bardzo duże ilości wody. Parowanie wody jest jedną z przyczyn prądu wznoszącego. W wyniku parowania wody przez roślinę gromadzą się w niej minerały, a podczas ogrzewania słonecznego następuje korzystny dla rośliny spadek temperatury. Czasami transperacja obniża temperaturę rośliny o 6 o C.
Roślina reguluje proces parowania wody poprzez pracę aparatów szparkowych. Odkładanie się naskórka, czyli nalotu woskowego na naskórku, powstawanie włosków i inne adaptacje mają na celu ograniczenie nieuregulowanej transperacji.
Proces fotosyntezy i ciągłe oddychanie żywych komórek liści wymaga wymiany gazowej pomiędzy wewnętrznymi tkankami liścia a atmosferą. Podczas fotosyntezy zasymilowany dwutlenek węgla jest absorbowany z atmosfery i powraca do atmosfery w postaci tlenu.
Zastosowanie metody analizy izotopowej wykazało, że tlen powracający do atmosfery (16 O) należy do wody, a nie do dwutlenku węgla zawartego w powietrzu, w którym podczas oddychania żywych komórek przeważa jego inny izotop, 15 O (utlenianie substancji organicznych wewnątrz komórki przez wolny tlen do gazowego dwutlenku węgla i wody), konieczne jest dostarczanie tlenu z atmosfery i oddawanie dwutlenku węgla. Ta wymiana gazowa odbywa się również głównie przez aparat szparkowy.
Nowoczesne reprezentacje o fotosyntezie. Obecnie wiadomo, że fotosynteza przechodzi przez dwa etapy, ale tylko jeden z nich zachodzi w świetle. Dowody na dwuetapowy proces po raz pierwszy uzyskał w 1905 roku angielski fizjolog roślin F.F. Blacklina, który badał wpływ światła i temperatury na intensywność fotosyntezy.
Na podstawie eksperymentów Blacklin wyciągnął następujące wnioski.
1. Istnieje grupa reakcji zależnych od światła, które nie zależą od temperatury. Wielkość tych reakcji w zakresie słabego oświetlenia może wzrastać wraz ze wzrostem oświetlenia, ale nie wraz ze wzrostem temperatury.
2. Istnieje druga grupa reakcji zależnych od temperatury, a nie światła. Okazało się, że do fotosyntezy potrzebne są obie grupy reakcji. Zwiększanie objętości tylko jednej grupy reakcji zwiększa objętość całego procesu, ale tylko do momentu, gdy druga grupa reakcji zacznie obejmować pierwszą. Następnie należy przyspieszyć drugą grupę reakcji, aby pierwsze mogły przebiegać bez ograniczeń.
Wykazano zatem, że oba etapy są zależne od światła: „jasny i ciemny”. Należy pamiętać, że ciemne reakcje zachodzą normalnie w świetle i wymagają produktów z fazy jasnej. Wyrażenie „ciemne reakcje” oznacza po prostu, że światło jako takie nie bierze w nich udziału.
Objętość ciemnych reakcji wzrasta wraz ze wzrostem temperatury, ale tylko do 30 o, a następnie zaczyna spadać. Na tej podstawie przyjęto, że reakcje ciemne są katalizowane przez enzymy, gdyż wymiana reakcji enzymatycznych jest zatem zależna od temperatury. Jak się później okazało, wniosek ten został wyciągnięty błędnie.
W pierwszym etapie fotosyntezy (reakcje świetlne) energia świetlna wykorzystywana jest do tworzenia ATP (cząsteczki trifosforanu adenozyny) i wysokoenergetycznych nośników elektronów. W drugim etapie fotosyntezy (reakcje ciemne) produkty energetyczne powstające w reakcjach świetlnych wykorzystywane są do redukcji CO 2 do cukru prostego (glukozy).
Proces fotosyntezy coraz bardziej przyciąga uwagę naukowców. Nauka jest bliska rozwiązania najważniejsza kwestia– sztuczna kreacja wykorzystująca energię świetlną cennych substancji organicznych z szeroko rozpowszechnionych źródeł substancje nieorganiczne. Problem fotosyntezy jest intensywnie badany przez botaników, chemików, fizyków i innych specjalistów.
W ostatnio możliwa była już sztuczna synteza formaldehydu i substancji cukrowych z wodnych roztworów kwasu węglanowego; w tym przypadku rolę pochłaniacza energii świetlnej zamiast chlorofilu pełniły węglany kobaltu i niklu. Niedawno zsyntetyzowano cząsteczkę chlorofilu.
Sukcesy nauki w dziedzinie syntezy substancji organicznych zadają miażdżący cios idealistycznej nauce - witalizmowi, który twierdził, że powstawanie substancji organicznych z substancji nieorganicznych wymaga specjalnej „siły życiowej” i że człowiek nie będzie w stanie syntetyzować złożone substancje organiczne.
Fotosynteza u roślin zachodzi w chloroplastach. Obejmuje ona: przemianę energii (proces światła), przemianę materii (proces ciemności). Proces jasny zachodzi w gylakoidach, proces ciemny w zrębie chloroplastów. Uogólniony obieg fotosyntezy jest następujący:
6CO 2 + 12H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6H 2 O + 6O 2.
Obydwa procesy fotosyntezy wyrażają się za pomocą oddzielnych równań:
12H 2 O 12H 2 + 6O 2 + energia ATP;
(lekki proces)
12H 2 + 6O 2 + energia ATP C 6 H 12 O 6 + H 2 O.
(ciemny proces)
Znaczenie fotosyntezy w przyrodzie. Fotosynteza jest jedynym procesem zachodzącym w biosferze, który prowadzi do wzrostu jej darmowej energii pod wpływem zewnętrznego źródła. Energia zmagazynowana w produktach fotosyntezy jest głównym źródłem energii dla ludzkości.
Każdego roku w wyniku fotosyntezy na Ziemi powstaje 150 miliardów ton materii organicznej i uwalnia się około 200 milionów ton wolnego tlenu.
Cykl tlenu, węgla i innych pierwiastków biorących udział w fotosyntezie zostaje zachowany nowoczesna kompozycja atmosfera niezbędna do życia na Ziemi. Fotosynteza zapobiega wzrostowi stężenia CO 2, zapobiegając przegrzaniu Ziemi na skutek tzw. „efektu cieplarnianego”.
Ponieważ rośliny zielone stanowią bezpośrednią lub pośrednią bazę żywieniową wszystkich innych organizmów heterotroficznych, fotosynteza zaspokaja potrzeby żywieniowe wszystkich żywych istot na naszej planecie. Jest najważniejszą podstawą rolnictwa i leśnictwa. Choć możliwości oddziaływania na nią są wciąż niewielkie, to jednak w pewnym stopniu są one wykorzystywane. Zwiększając stężenie dwutlenku węgla w powietrzu do 0,1% (w porównaniu do 0,3% w atmosferze naturalnej), możliwe było m.in. potrojenie plonów ogórków i pomidorów.
Metr kwadratowy powierzchnia liści wytwarza około jednego grama cukru w ciągu godziny; Oznacza to, że wszystkie rośliny, według przybliżonych szacunków, usuwają z atmosfery od 100 do 200 miliardów ton C rocznie. Około 60% tej ilości pochłaniają lasy, zajmując 30% niezalodzonej powierzchni lądu, 32% grunty uprawne, a pozostałe 8% roślinność terenów stepowych i pustynnych oraz miast i miasteczek.
Zielona roślina jest w stanie nie tylko wykorzystywać dwutlenek węgla i wytwarzać cukier, ale także przekształcać związki azotu i siarki w substancje tworzące jej organizm. Poprzez system korzeniowy roślina otrzymuje rozpuszczone w wodzie glebowej jony azotanowe i przetwarza je w swoich komórkach na aminokwasy – główne składniki wszystkich związków białkowych. Składniki tłuszczów powstają także ze związków powstających w procesach metabolicznych i energetycznych. Kwasy tłuszczowe i glicerol wytwarzają tłuszcze i oleje, które służą głównie jako substancje rezerwowe dla rośliny. Nasiona około 80% wszystkich roślin zawierają tłuszcze jako bogatą w energię substancję rezerwową. Zdobywanie nasion, tłuszczów i olejów jest zabawą ważną rolę w branży rolno-spożywczej.
Fotosynteza to proces życiowy roślin zielonych, jedyny w biosferze związany z akumulacją energii słonecznej. Jego znaczenie polega na zróżnicowanym zapewnieniu życia na Ziemi.
Tworzenie biomasy
Istoty żywe – rośliny, grzyby, bakterie i zwierzęta – składają się z substancji organicznych. Cała masa materii organicznej powstaje początkowo w procesie fotosyntezy, który zachodzi u organizmów autotroficznych – roślin i niektórych bakterii.
Ryż. 1. Organizmy auto- i heterotroficzne.
Organizmy heterotroficzne, spożywające rośliny w celach spożywczych, modyfikują jedynie substancje organiczne, nie zwiększając całkowitej biomasy planety. Wyjątkowość fotosyntezy polega na tym, że podczas syntezy substancji organicznych następuje w nich magazynowanie. wiązania chemiczne energia słoneczna. W rzeczywistości organizmy fotosyntetyzujące „przywiązują” energię słoneczną do Ziemi.
Wsparcie życia
W procesie fotosyntezy z dwutlenku węgla i wody w sposób ciągły powstają substancje organiczne, które zapewniają pożywienie i siedlisko różnym zwierzętom i ludziom.
Cała energia wykorzystywana w życiu organizmów żywych jest początkowo słoneczna. Fotosynteza utrwala tę energię na Ziemi i przekazuje ją wszystkim mieszkańcom planety.
Substancja i energia zmagazynowana podczas fotosyntezy są powszechnie wykorzystywane przez człowieka:
TOP 3 artykułyktórzy czytają razem z tym
- kopalne źródła energii;
- drewno;
- rośliny dzikie jako surowce i zasoby estetyczne;
- spożywcze i techniczne produkty roślinne.
Latem 1 hektar lasu lub parku pochłania 8 kg dwutlenku węgla w ciągu 1 godziny. Kwota ta przeznaczona jest jednorazowo dla dwustu osób.
Atmosfera
Skład atmosfery zmienił się właśnie w wyniku procesu fotosyntezy. Ilość tlenu stopniowo wzrastała, zwiększając zdolność organizmów do przeżycia. Początkowo pierwszą rolę w tworzeniu tlenu pełniły algi zielone, a obecnie lasy.
Ryż. 2. Wykres zmian zawartości O₂ w atmosferze podczas procesu ewolucji.
Jedną z konsekwencji wzrostu zawartości tlenu w atmosferze jest powstawanie warstwy ozonowej, która chroni organizmy żywe przed szkodliwym promieniowaniem słonecznym.
Uważa się, że nastąpiło to po utworzeniu się warstwy ozonowej możliwe życie na lądzie.
Fotosynteza jest zarówno głównym źródłem, jak i czynnikiem rozwoju życia na Ziemi.
Wartość fotosyntezy na nowoczesna scena nabrał nowego wymiaru. Fotosynteza hamuje wzrost stężenia CO₂ w powietrzu na skutek spalania paliw w transporcie i przemyśle. To osłabia efekt cieplarniany. Intensywność fotosyntezy wzrasta wraz ze wzrostem stężenia CO₂ aż do pewnej granicy.
Ryż. 3. Wykres fotosyntezy w zależności od zawartości CO₂ w powietrzu.
