История на фотосинтезата.В продължение на хиляди години хората са вярвали, че растението се храни единствено от корените, като с тяхна помощ усвоява всички необходими вещества от почвата. Вижте тази гледка началото на XIX V. Холандският натуралист Ян Ван Хелмонт. Той претегли земята в саксия и засади там една върба. В продължение на пет години той полива дървото, след това изсушава земята и претегля нея и растението. Върбата тежеше седемдесет и пет килограма, докато теглото на земята се беше променило само с няколкостотин грама. Заключението на учения беше следното - растенията получават хранителни вещества преди всичко не от почвата, а от водата.
В продължение на два века в науката се утвърждава теорията за водното хранене на растенията. Листата, според тази теория, само са помогнали на растението да изпари излишната влага.
Учените стигнаха до най-неочакваното, но правилно предположение за въздушното хранене на растенията едва в началото на деветнадесети век. Важна роля за разбирането на този процес изигра откритието на английския химик Джоузеф Пристли през 1771 г. Той постави експеримент, в резултат на който заключи: растенията пречистват въздуха и го правят годен за дишане. По-късно се оказа, че за да може растението да пречиства въздуха, е необходима светлина.
Десет години по-късно учените осъзнават, че растението не само превръща въглеродния диоксид в кислород. Въглеродният диоксид е необходим за живота на растенията, той им служи като истинска храна (заедно с водата и минералните соли).
Въздушното хранене на растенията се нарича фотосинтеза. Кислородът се отделя по време на фотосинтезата като необичаен продукт.
Преди милиарди години на земята не е имало свободен кислород. Целият кислород, който дишат почти всички живи същества на нашата планета, се освобождава от растенията в процеса на фотосинтеза. Фотосинтезата успя да промени цялото лице на нашата планета.
От 70-те години. на миналия век големи успехи в областта на фотосинтезата бяха постигнати в Русия. Трудовете на руските учени Пуриевич, Ивановски, Риктер, Иванов, Костичев изследват много аспекти на този процес.
Значението на фотосинтезата не беше осъзнато до сравнително наскоро. Аристотел и други гръцки учени, отбелязвайки, че жизнените процеси на животните зависят от консумацията на храна, вярват, че растенията получават своята "храна" от почвата.
Преди малко повече от триста години, в един от първите сложни биологични експерименти, холандският лекар Ян Ван Хелмонт предостави доказателства, че повече от една почва храни едно растение. Ван Хелмонт отглежда малка върба в глинен съд, добавяйки само вода към нея.
След пет години масата на иглите се увеличава със 74,4 kg, докато масата на почвата намалява само с 57 g.
В края на 18 век английският учен Джоузеф Пристли съобщава, че „случайно е открил метод за коригиране на въздуха, който е бил развален от изгарянето на свещи“. На 17 август 1771 г. Пристли "...поставя жива стръкче мента в затворен съд, в който гори восъчна свещ", а на 21 същия месец открива, че "...друга свещ може отново да гори в същият съд." „Коригиращият принцип, който природата използва за тези цели“, смята Пристли, „е растение.“ Той разшири наблюденията си и скоро показа, че въздухът, „коригиран“ от растението, не е „съвсем неподходящ за мишката“.
Експериментите на Пристли за първи път позволиха да се обясни защо въздухът на Земята остава "чист" и може да поддържа живот, въпреки изгарянето на безброй огньове и дишането на много живи организми. Той каза: „Благодарение на тези открития ние сме уверени, че растенията не растат напразно, а пречистват и облагородяват нашата атмосфера.“
По-късно холандският лекар Ян Ингенхаус (1730-1799) потвърждава работата на Пристли и показва, че въздухът се "коригира" само от слънчевата светлина и само от зелените части на растението. През 1796 г. Ingenhaus предполага, че въглеродният диоксид се разлага по време на фотосинтезата на C и O 2 и O 2 се освобождава като газ. Впоследствие беше установено, че съотношението на въглеродните, водородните и кислородните атоми в захарите и нишестето е такова, че един въглероден атом се пада на една молекула вода, както е посочено от думата "въглехидрати". Общоприето е, че въглехидратите се образуват от С и Н 2 О, а О 2 се освобождава от въглероден диоксид. Тази доста разумна хипотеза беше широко приета, но, както се оказа по-късно, беше напълно погрешна.
Изследователят, който опроверга тази общоприета теория, беше Корнелиус ван Нил от Стамфордския университет, когато той все още беше аспирант и изследваше метаболизма на различни фотосинтезиращи бактерии. Една група такива бактерии, лилавите серни бактерии, редуцират C до въглехидрати, но не освобождават O 2 . Лилавите серни бактерии изискват сероводород за фотосинтеза. В резултат на фотосинтезата частиците сяра се натрупват в бактериалните клетки. Ван Нил установи, че за тези бактерии уравнението на фотосинтезата може да бъде написано като:
CO 2 + 2H 2 S (CH 2 O) + H 2 O + 2S.
Този факт не привлече вниманието на изследователите, докато ван Нил не направи смело изявление и предложи следното общо уравнение на фотосинтезата:
CO 2 + 2H 2 A (CH 2 O) + H 2 O + 2A.
В това уравнение H 2 A е или вода, или друго окисляемо вещество като сероводород или свободен H 2 . В зелените растения и водорасли, H 2 A \u003d H 2 O. Това означава, че ван Нил предполага, че H 2 O, а не въглеродният диоксид, се разлага по време на фотосинтезата. Тази брилянтна идея, представена през тридесетте години, беше експериментално доказана по-късно, когато изследователи, използвайки тежкия изотоп O 2 (18 O 2), проследиха пътя на кислорода от вода до газообразно състояние:
CO 2 + 2H 2 18 O 2 (CH 2 O) + H 2 O + 18 O 2.
По този начин за водорасли или зелени растения, в които водата служи като донор на електрони, общото уравнение на фотосинтезата е написано, както следва:
6CO 2 + 12H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + 6H 2 O.
процеси в листа.В листата се извършват три важни процеса - фотосинтеза, изпарение на вода и газообмен. В процеса на фотосинтеза в листата от вода и въглероден диоксид под действието на слънчевата светлина, органична материя. През деня, в резултат на фотосинтеза и дишане, растението отделя кислород и въглероден диоксид, а през нощта - само въглероден диоксид, образуван по време на дишането.
Повечето растения са способни да синтезират хлорофил при слаба светлина. При пряка слънчева светлина хлорофилът се синтезира по-бързо.
Светлинната енергия, необходима за фотосинтезата, в определени граници, се абсорбира толкова повече, колкото по-малко е потъмнял листът. Следователно в процеса на еволюция растенията са развили способността да обръщат листната плоча към светлината, така че върху нея да пада повече слънчева светлина. Листата на растението са подредени така, че да не се потискат един друг.
Тимирязев доказва, че източникът на енергия за фотосинтезата са главно червените лъчи на спектъра. Това се вижда от спектъра на поглъщане на хлорофила, където най-интензивната ивица на поглъщане се наблюдава в червената, а по-малко интензивна - в синьо-виолетовата част.
В хлоропластите, наред с хлорофила, има пигменти каротин и ксантофил. И двата пигмента абсорбират сини и частично зелени лъчи и пропускат червени и жълти. Някои учени приписват на каротина и ксантофила ролята на екрани, които предпазват хлорофила от вредното въздействие на сините лъчи.
Процесът на фотосинтеза се състои от редица последователни реакции, някои от които протичат с поглъщане на светлинна енергия, а други в тъмнина. Стабилните крайни продукти на фотосинтезата са въглехидрати (захар и след това нишесте), органични киселини, аминокиселини и протеини.
Фотосинтезата при различни условия протича с различна интензивност.
Интензивността на фотосинтезата зависи и от фазата на развитие на растенията. Максималната интензивност на фотосинтезата се наблюдава във фазата на цъфтеж.
Обичайното съдържание на въглероден диоксид във въздуха е 0,03% обемни. Намаляването на количеството въглероден диоксид във въздуха намалява интензивността на фотосинтезата. Увеличаването на съдържанието на въглероден диоксид до 0,5% увеличава интензивността на фотосинтезата почти пропорционално. Въпреки това, с по-нататъшно увеличаване на съдържанието на въглероден диоксид, интензивността на фотосинтезата не се увеличава и при 1% растението страда.
Растенията се изпаряват или трансмутират много голям бройвода. Изпарението на водата е една от причините за възходящото течение. Поради изпаряването на водата от растението, в него се натрупват минерални вещества и по време на слънчевото нагряване се получава понижаване на температурата, полезна за растението. Понякога трансперацията понижава температурата на растението с 6°C.
Растението регулира процеса на изпаряване на водата чрез работата на устицата. Отлагането на кутикула или восъчно покритие върху епидермиса, образуването на косми и други адаптации са насочени към намаляване на нерегулираната трансперация.
Процесът на фотосинтеза и постоянно протичащото дишане на живите клетки на листа изискват обмен на газ между вътрешните тъкани на листа и атмосферата. По време на фотосинтезата асимилираният въглероден диоксид се абсорбира от атмосферата и се връща в атмосферата с кислород.
Използването на изотопния метод за анализ показа, че върнатият в атмосферата кислород (16 O) принадлежи на водата, а не на въглеродния диоксид на въздуха, в който преобладава другият му изотоп, 15 O. Когато живите клетки дишат ( окисление на органични вещества вътре в клетката от свободен кислород до газ въглероден диоксид и вода) изисква доставка на кислород от атмосферата и връщане на въглероден диоксид. Този газообмен също се извършва главно чрез устичния апарат.
Модерни възгледиза фотосинтезата.Сега е известно, че фотосинтезата преминава през два етапа, но само един от тях се случва на светлина. Доказателство за двуетапния процес е получено за първи път през 1905 г. от английския физиолог на растенията F.F. Блеклин, който изследва ефекта на светлината и температурата върху количеството на фотосинтезата.
Въз основа на експериментите Блеклин прави следните заключения.
1. Има една група реакции, зависими от светлината, които не зависят от температурата. Обемът на тези реакции в диапазона на ниска осветеност може да се увеличи с увеличаване на осветеността, но не и с повишаване на температурата.
2. Има втора група реакции, които зависят от температурата, а не от светлината. Оказа се, че и двете групи реакции са необходими за осъществяването на фотосинтезата. Увеличаването на обема само на една група реакции увеличава обема на целия процес, но само докато втората група реакции започне да задържа първата. След това е необходимо да се ускори втората група реакции, за да може първата да протича без ограничения.
По този начин беше показано, че и двата етапа са светлозависими: "светло и тъмно". Важно е да запомните, че тъмните реакции протичат нормално на светлина и изискват продукти от светлия етап. Изразът "тъмни реакции" просто означава, че светлината като такава не участва в тях.
Обемът на тъмните реакции се увеличава с повишаване на температурата, но само до 30 °, след което започва да намалява. Въз основа на този факт се предполага, че тъмните реакции се катализират от ензими, тъй като обменът на ензимни реакции зависи от температурата. Впоследствие се оказа, че този извод е направен неправилно.
В първия етап на фотосинтезата (светлинни реакции), светлинната енергия се използва за образуване на АТФ (молекула на аденозин трифосфат) и високоенергийни електронни носители. Във втория етап на фотосинтезата (тъмни реакции) енергийните продукти, образувани при светлинни реакции, се използват за редуциране на CO 2 до проста захар (глюкоза).
Процесът на фотосинтеза все повече привлича вниманието на учените. Науката е близо до разрешаването на най-важния проблем - изкуственото създаване на ценни органични вещества от широко разпространени неорганични вещества с помощта на светлинна енергия. Проблемът за фотосинтезата се разработва интензивно от ботаници, химици, физици и други специалисти.
Наскоро вече е възможно изкуствено да се получи синтез на формалдехид и захарни вещества от водни разтвори на карбонатна киселина; в този случай ролята на абсорбатор на светлинна енергия се играе от кобалтови и никелови карбонати вместо хлорофил. Наскоро беше синтезирана молекулата на хлорофила.
Успехите на науката в областта на синтеза на органични вещества нанасят съкрушителен удар на идеалистичното учение - витализма, който доказва, че за образуването на органични вещества от неорганични е необходима специална "жизнена сила" и че човек не може да синтезира сложни. органични вещества.
Фотосинтезата в растенията се извършва в хлоропласти. Включва: трансформация на енергия (светлинен процес), трансформация на материя (тъмен процес). Светлият процес се случва в хилакоидите, докато тъмният процес се случва в стромата на хлоропластите. Общата циркулация на фотосинтезата е както следва:
6CO 2 + 12H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6H 2 O + 6O 2.
Двата процеса на фотосинтеза се изразяват с отделни уравнения:
12H 2 O 12H 2 + 6O 2 + ATP енергия;
(лек процес)
12H 2 + 6O 2 + ATP енергия C 6 H 12 O 6 + H 2 O.
(тъмен процес)
Значението на фотосинтезата в природата.Фотосинтезата е единственият процес в биосферата, който води до увеличаване на нейната свободна енергия поради външен източник. Енергията, съхранявана в продуктите на фотосинтезата, е основният източник на енергия за човечеството.
Всяка година в резултат на фотосинтезата на Земята се образуват 150 милиарда тона органична материя и се отделят около 200 милиона тона свободен кислород.
Цикълът на кислород, въглерод и други елементи, участващи във фотосинтезата, се поддържа модерна композицияатмосфера, необходима за живота на Земята. Фотосинтезата предотвратява увеличаването на концентрацията на CO 2, предотвратявайки прегряването на Земята поради така наречения "парников ефект".
Тъй като зелените растения са пряка или непряка хранителна база за всички други хетеротрофни организми, фотосинтезата задоволява хранителните нужди на всички живи същества на нашата планета. Това е най-важната основа на селското и горското стопанство. Въпреки че възможностите за въздействие са все още малки, те все още се използват до известна степен. С увеличаване на концентрацията на въглероден диоксид във въздуха до 0,1% (срещу 0,3% в естествената атмосфера) беше възможно например да се утрои добивът на краставици и домати.
Един квадратен метър листна повърхност произвежда около един грам захар за един час; това означава, че всички растения, според груба оценка, премахват от атмосферата от 100 до 200 милиарда тона C годишно. Около 60% от това количество се усвоява от горите, които заемат 30% от земната повърхност, непокрита с лед, 32% са обработваеми земи, а останалите 8% са растения от степите и пустинните места, както и градовете .
Едно зелено растение може не само да използва въглероден диоксид и да създава захар, но и да преобразува азотни съединения и серни съединения във вещества, които изграждат тялото му. Чрез кореновата система растението получава разтворени в почвената вода нитратни йони и ги преработва в клетките си в аминокиселини – основните компоненти на всички протеинови съединения. Мастните компоненти също възникват от съединения, образувани в метаболитни и енергийни процеси. От мастни киселини и глицерол възникват мазнини и масла, които служат главно като резервни вещества за растението. Семената на приблизително 80% от всички растения съдържат мазнини като богата на енергия резервна субстанция. Получаването на семена, мазнини и масла играе важна роля в селскостопанската и хранително-вкусовата промишленост.
Фотосинтезата е жизненият процес на зелените растения, единственият в биосферата свързан с акумулирането на слънчева енергия. Значението му се крие в многостранното осигуряване на живота на Земята.
Образуване на биомаса
Живите същества - растения, гъби, бактерии и животни - са съставени от органични вещества. Цялата маса органична материя първоначално се образува в процеса на фотосинтеза, която се извършва в автотрофни организми - растения и някои бактерии.
Ориз. 1. Авто- и хетеротрофни организми.
Хетеротрофните организми, които се хранят с растения, само модифицират органичната материя, без да увеличават общата биомаса на планетата. Уникалността на фотосинтезата е, че по време на синтеза на органични вещества енергията на слънцето се съхранява в техните химични връзки. Всъщност фотосинтезиращите организми „връзват“ слънчевата енергия към Земята.
Поддържане на живота
Фотосинтезата непрекъснато образува органични вещества от въглероден диоксид и вода, които са храна и местообитание за различни животни и хора.
Цялата енергия, използвана в живота на живите организми, първоначално е слънчева. Фотосинтезата улавя тази енергия на Земята и я предава на всички жители на планетата.
Материята и енергията, съхранявани по време на фотосинтезата, се използват широко от хората:
ТОП 3 статиикоито четат заедно с това
- изкопаеми енергийни ресурси;
- дърво;
- дивите растения като суровинен и естетически ресурс;
- производство на хранителни и технически култури.
1 хектар гора или парк абсорбира 8 кг въглероден диоксид за 1 час през лятото. Тази сума се разпределя за същото време от двеста души.
атмосфера
Съставът на атмосферата се промени именно поради процеса на фотосинтеза. Количеството кислород постепенно се увеличава, увеличавайки способността на организмите да оцеляват. Първоначално първата роля в образуването на кислород принадлежи на зелените водорасли, а сега на горите.
Ориз. 2. Графика на промените в съдържанието на O₂ в атмосферата по време на еволюцията.
Една от последиците от увеличаването на съдържанието на кислород в атмосферата е образуването на озонов слой, който предпазва живите организми от вредната слънчева радиация.
Смята се, че животът на сушата е възможен след образуването на озоновия слой.
Фотосинтезата е едновременно основен източник и фактор за развитието на живота на Земята.
Значението на фотосинтезата на съвременния етап придоби нов аспект. Фотосинтезата инхибира нарастването на концентрацията на CO₂ във въздуха, което се дължи на изгарянето на гориво в транспорта и промишлеността. Това намалява парниковия ефект. Интензивността на фотосинтезата се увеличава с увеличаване на концентрацията на CO₂ до определена граница.
Ориз. 3. Графика на зависимостта на фотосинтезата от съдържанието на CO₂ във въздуха.
Какво научихме?
За да разберем значението на фотосинтезата в природата, е необходимо да оценим мащаба на образуваната на Земята биомаса и ролята на кислорода за живота на всички организми. Фотосинтезата е една от силите, създали съвременния облик на планетата, и непрекъснато осигурява жизненоважно важни процесихранене и дишане.
Тематическа викторина
Доклад за оценка
Среден рейтинг: 4.7. Общо получени оценки: 168.
Значението на фотосинтезата в природата отдавна не е съвсем точно. В началния етап на изследването много учени вярваха, че растенията отделят толкова кислород, колкото абсорбират. Всъщност внимателни изследвания показват, че работата, извършена от растенията, е в грандиозен мащаб. Въпреки сравнително малкия си размер, зелените площи изпълняват редица полезни функции, които са насочени към поддържане на живота на Земята.
Най-важната стойност на фотосинтезата е осигуряването на енергия за всички живи същества на планетата, включително хората. В зелените части на растенията под въздействието на слънчевата светлина започва да се образува кислород и огромно количество енергия. Тази енергия се използва от растенията за собствени нужди само частично, а неизползваният потенциал се натрупва. След това растенията отиват за храна на тревопасните животни, които получават необходимите, без които тяхното развитие ще бъде невъзможно. Тогава тревопасните стават храна за хищници, те също се нуждаят от енергия, без която животът просто ще спре.
Малко встрани от това е човекът, така че за него истинското значение на фотосинтезата не се появява веднага. Просто много хора се опитват да си докажат, че не са част от животинския свят на нашата планета. За съжаление, подобно отричане няма да доведе до нищо, тъй като всички живи организми зависят до известна степен един от друг. Струва си да изчезнат няколко вида животни или растения - и балансът в природата ще бъде силно нарушен. За да се адаптират към новите условия на живот, други живи организми ще бъдат принудени да търсят алтернативни източници на храна. Вярно е, че има случаи, когато изчезването на едни видове води до изчезването на други.
Стойността на фотосинтезата се състои не само в производството на енергия, но и в защитата от унищожаване. Учените отдавна се опитват да разберат как се е зародил животът на нашата планета - и създадоха доста правдоподобна теория. Оказа се, че разнообразието от живи организми става възможно само благодарение на наличието на защитна атмосфера, която се образува поради интензивната работа на огромен брой растения. Разбира се, с размера на съвременните гори и отделни растения човек не може да повярва в такова чудо, но древните растения са били с гигантски размери.
Старите гиганти от растителния свят са умрели, но дори и след смъртта си са от полза за цялото човечество. Енергията, която се е натрупала в тях, вече влиза в домовете ни под формата на въглища. Днес ролята на този вид гориво е значително намаляла, но дълго време човечеството е спасено от студа с негова помощ.
Също така не забравяйте, че древните растения са предали щафетата си на съвременните дървета и цветя, които поддържат безопасността на атмосферата. Колкото повече зелени площи има на нашата планета, толкова по-чист е въздухът, който дишаме. Унищожаването и увеличаването на вредните води до появата на дупки в озоновия слой. Ако човечеството не осъзнае истинската роля на фотосинтезата, то ще доведе себе си до самоунищожение. Ние просто не можем да оцелеем без кислород и защита, а броят на тропическите гори продължава бързо да намалява.
Ако хората наистина искат да спасят живота на своята планета, те трябва напълно да разберат значението на фотосинтезата. Когато всеки човек осъзнае значението на растенията, когато спрем безсмисленото изсичане на горите, тогава животът на Земята ще стане по-добър и по-чист. В противен случай хората ще трябва да се научат как да издържат на палещите лъчи на слънцето, да дишат смог, вредни емисии и да получават енергия от алтернативни източници.
Само от нас зависи какво ще бъде нашето бъдеще - и искам да вярвам, че хората ще направят правилния избор.
Историята на откриването на удивителен и толкова жизнено важен феномен като фотосинтезата се корени дълбоко в миналото. Преди повече от четири века, през 1600 г., белгийският учен Ян Ван - Хелмонт постави прост експеримент. Той постави върбова клонка в торба с 80 кг пръст. Ученият записал първоначалното тегло на върбата и след това в продължение на пет години поливал растението изключително с дъждовна вода. Каква беше изненадата на Ян Ван - Хелмонт, когато претегли върбата. Теглото на растението се увеличи с 65 кг, а масата на земята намаля само с 50 грама! Откъде растението получи 64 кг 950 г хранителни вещества за учения остана загадка!
Следващият значим експеримент по пътя към откриването на фотосинтезата принадлежи на английския химик Джоузеф Пристли. Ученият постави мишка под капачката и след пет часа гризачът умря. Когато Пристли постави стръкче мента с мишката и също покри гризача с капачка, мишката остана жива. Този експеримент доведе учения до идеята, че има процес, противоположен на дишането. Ян Ингенхаус през 1779 г. установява факта, че само зелените части на растенията са способни да отделят кислород. Три години по-късно швейцарският учен Жан Сенебиер доказа, че въглеродният диоксид под въздействието на слънчевата светлина се разлага в зелените органели на растенията. Само пет години по-късно френският учен Жак Бюсинго, провеждайки лабораторни изследвания, открива факта, че усвояването на вода от растенията се извършва и по време на синтеза на органични вещества. Значително откритие през 1864 г. е направено от немския ботаник Юлиус Сакс. Той успя да докаже, че обемът на консумирания въглероден диоксид и отделения кислород се среща в съотношение 1: 1.
Фотосинтезата е един от най-важните биологични процеси
Научно казано, фотосинтезата (от старогръцки φῶς – светлина и σύνθεσις – връзка, свързване) е процес, при който на светлината от въглероден диоксид и вода се образуват органични вещества. Основната роля в този процес принадлежи на фотосинтетичните сегменти.
Образно казано, листът на растението може да се сравни с лаборатория, чиито прозорци гледат към слънчевата страна. Именно в него се образуват органични вещества. Този процес е в основата на съществуването на целия живот на Земята.
Мнозина разумно ще зададат въпроса: какво дишат хората, които живеят в града, където не само дървета, но не можете да намерите стръкове трева през деня с огън. Отговорът е много прост. Факт е, че сухоземните растения представляват само 20% от кислорода, отделен от растенията. Водораслите играят основна роля в производството на кислород в атмосферата. Те представляват 80% от произведения кислород. На езика на числата, както растенията, така и водораслите отделят 145 милиарда тона (!) кислород в атмосферата всяка година! Нищо чудно, че световните океани се наричат "белите дробове на планетата".
Обща формулафотосинтезата изглежда така:
Вода + въглероден диоксид + светлина → въглехидрати + кислород
Защо растенията се нуждаят от фотосинтеза?
Както разбрахме, фотосинтезата е необходимо условие за съществуването на човека на Земята. Това обаче не е единствената причина фотосинтезиращите организми активно да произвеждат кислород в атмосферата. Факт е, че както водораслите, така и растенията годишно образуват повече от 100 милиарда органични вещества (!), които са в основата на тяхната жизнена дейност. Спомняйки си експеримента на Ян Ван Хелмонт, разбираме, че фотосинтезата е в основата на храненето на растенията. Научно доказано е, че 95% от реколтата се определя от органични вещества, получени от растението в процеса на фотосинтеза, и 5% - тези минерални торове, които градинарят внася в почвата.
Съвременните летни жители се фокусират върху почвеното хранене на растенията, забравяйки за въздушното му хранене. Не е известно каква реколта биха могли да получат градинарите, ако бяха внимателни към процеса на фотосинтеза.
Въпреки това, нито растенията, нито водораслите биха могли да произвеждат толкова активно кислород и въглехидрати, ако не разполагат с удивителен зелен пигмент - хлорофил.
Тайната на зеления пигмент
Основната разлика между растителните клетки и клетките на други живи организми е наличието на хлорофил. Между другото, именно той е виновникът за това, че листата на растенията са оцветени точно в зелено. Това сложно органично съединение има едно невероятно свойство: способен е да абсорбира слънчевата светлина! Благодарение на хлорофила става възможен процесът на фотосинтеза.
Два етапа на фотосинтезата
С прости думи, фотосинтезата е процес, при който водата и въглеродният диоксид, абсорбирани от растението на светлина с помощта на хлорофил, образуват захар и кислород. По този начин, неорганични веществакато по чудо се превръщат в органични. Получената захар е енергийният източник на растенията.
Фотосинтезата има два етапа: светъл и тъмен.
Светлинна фаза на фотосинтезата
Среща се върху тилакоидните мембрани.
Тилакоидите са структури, ограничени от мембрана. Те се намират в стромата на хлоропласта.
Редът на събитията на светлинния етап на фотосинтезата:
- Светлината удря молекулата на хлорофила, която след това се абсорбира от зеления пигмент и го привежда във възбудено състояние. Електронът, включен в молекулата, преминава към повече високо ниво, участва в процеса на синтез.
- Има разделяне на водата, по време на което протоните под въздействието на електрони се превръщат във водородни атоми. Впоследствие те се изразходват за синтеза на въглехидрати.
- В последния етап на светлинния етап се синтезира АТФ (аденозин трифосфат). Това е органично вещество, което играе ролята на универсален енергиен акумулатор в биологичните системи.
Тъмна фаза на фотосинтезата
Мястото на тъмната фаза е стромата на хлоропластите. По време на тъмната фаза се освобождава кислород и се синтезира глюкоза. Мнозина ще си помислят, че тази фаза е получила такова име, защото процесите, протичащи в нея, се извършват изключително през нощта. Всъщност това не е съвсем вярно. Синтезът на глюкоза се извършва денонощно. Факт е, че на този етап светлинната енергия вече не се консумира, което означава, че тя просто не е необходима.
Значение на фотосинтезата за растенията
Вече установихме факта, че растенията се нуждаят от фотосинтеза не по-малко от нас. Много е лесно да се говори за мащаба на фотосинтезата на езика на числата. Учените са изчислили, че само земните растения съхраняват толкова слънчева енергия, колкото 100 мегаполиса могат да изразходват за 100 години!
Дишането на растенията е процес, противоположен на фотосинтезата. Смисълът на дишането на растенията е да освобождава енергия в процеса на фотосинтеза и да я насочва към нуждите на растенията. С прости думи, реколтата е разликата между фотосинтезата и дишането. Колкото повече фотосинтеза и по-слабо дишане, толкова по-голяма е реколтата и обратното!
Фотосинтезата е удивителният процес, който прави живота възможен на Земята!
фотосинтезанаречен процес на преобразуване на светлинната енергия в енергия химически връзки органични съединенияс хлорофил.
В резултат на фотосинтезата годишно се произвеждат около 150 милиарда тона органична материя и приблизително 200 милиарда тона кислород. Този процес осигурява циркулацията на въглерода в биосферата, предотвратява натрупването на въглероден диоксид и по този начин предотвратява появата на парников ефект и прегряване на Земята. Органичните вещества, образувани в резултат на фотосинтезата, не се консумират напълно от други организми, значителна част от тях са образували минерални находища (каменни и кафяви въглища, нефт) в продължение на милиони години. Напоследък като гориво се използват и рапично масло („биодизел“) и алкохол, получен от растителни остатъци. От кислорода под действието на електрически разряди се образува озон, който образува озонов щит, който предпазва целия живот на Земята от вредното въздействие на ултравиолетовите лъчи.
Нашият сънародник, изключителният физиолог на растенията К. А. Тимирязев (1843-1920) нарече ролята на фотосинтезата "космическа", тъй като тя свързва Земята със Слънцето (космос), осигурявайки приток на енергия към планетата.
Фази на фотосинтезата. Светли и тъмни реакции на фотосинтезата, тяхната връзка
През 1905 г. английският физиолог на растенията Ф. Блекман открива, че скоростта на фотосинтезата не може да се увеличава безкрайно, някакъв фактор я ограничава. Въз основа на това той предложи съществуването на две фази на фотосинтезата: светлинаИ тъмно.При нисък интензитет на светлината скоростта на светлинните реакции се увеличава пропорционално на увеличаването на интензитета на светлината и освен това тези реакции не зависят от температурата, тъй като за възникването им не са необходими ензими. Леки реакции възникват върху тилакоидните мембрани.
Скоростта на тъмните реакции, напротив, се увеличава с повишаване на температурата; обаче, при достигане на температурен праг от 30 ° C, този растеж спира, което показва ензимния характер на тези трансформации, протичащи в стромата. Трябва да се отбележи, че светлината също има известен ефект върху тъмните реакции, въпреки факта, че те се наричат тъмни.
светлинна фазафотосинтезата (фиг. 2.44) се осъществява върху мембраните на тилакоидите, които носят няколко вида протеинови комплекси, основните от които са фотосистеми I и II, както и АТФ синтаза. Съставът на фотосистемите включва пигментни комплекси, в които освен хлорофил има и каротеноиди. Каротеноидите улавят светлината в тези области на спектъра, в които хлорофилът не го прави, и също така предпазват хлорофила от разрушаване от светлина с висок интензитет.
В допълнение към пигментните комплекси, фотосистемите включват и редица електронакцепторни протеини, които последователно пренасят електрони от молекулите на хлорофила един към друг. Последователността на тези протеини се нарича хлоропластна електротранспортна верига.
Специален комплекс от протеини също е свързан с фотосистема II, която осигурява освобождаването на кислород по време на фотосинтезата. Този отделящ кислород комплекс съдържа манганови и хлорни йони.
IN светлинна фазасветлинните кванти или фотони, попадащи върху молекулите на хлорофила, разположени върху тилакоидните мембрани, ги прехвърлят във възбудено състояние, характеризиращо се с по-висока електронна енергия. В същото време възбудените електрони от хлорофила на фотосистема I се прехвърлят чрез верига от посредници към водородния носител NADP, който добавя водородни протони, които винаги присъстват в воден разтвор:
NADP+ 2e-+ 2H + → NADPH + H + .
Възстановеният NADPH + H + впоследствие ще се използва в тъмния етап. Електроните от хлорофила на фотосистема II също се прехвърлят по електронната транспортна верига, но те запълват "електронните дупки" на хлорофила на фотосистема I. Липсата на електрони в хлорофила на фотосистема II се запълва чрез лишаване на водните молекули от водните молекули , което се случва с участието на вече споменатия по-горе комплекс за освобождаване на кислород. В резултат на разграждането на водните молекули, което се нарича фотолиза,образуват се водородни протони и се освобождава молекулярен кислород, който е страничен продукт на фотосинтезата:
H 2 0 → 2H + + 2e- + 1 / 2O 2
Водородните протони, натрупани в кухината на тилакоида в резултат на фотолиза и инжектиране на вода по време на преноса на електрони по електронната транспортна верига, изтичат от тилакоида през канал в мембранния протеин - АТФ синтаза, докато АТФ се синтезира от АДФ. Този процес се нарича фотофосфорилиране.Не изисква участието на кислород, но е много ефективен, тъй като осигурява 30 пъти повече АТФ от митохондриите в процеса на окисляване. АТФ, образуван в светлинни реакции, впоследствие ще се използва в тъмни реакции.
Общото уравнение на реакцията за светлинната фаза на фотосинтезата може да бъде написано, както следва:
2H 2 0 + 2NADP + 3ADP + ZN 3 P0 4 → 2NADPH + H + + 3ATP.
По време на тъмни реакциифотосинтеза (фиг. 2.45), молекулите на CO 2 се свързват под формата на въглехидрати, за които се консумират ATP и NADPH + H + молекули, синтезирани в светлинни реакции:
6C0 2 + 12 NADPH + H + + 18ATP → C 6 H 12 0 6 + 6H 2 0 + 12 NADP + 18ADP + 18H 3 P0 4.
Процесът на свързване на въглеродния диоксид е сложна верига от трансформации, наречени Цикъл на Калвинв чест на своя откривател. Тъмните реакции протичат в стромата на хлоропластите. Техният поток изисква постоянен приток на въглероден диоксид отвън през устицата и след това през системата от междуклетъчни пространства.
Първите, които се образуват в процеса на фиксиране на въглеродния диоксид, са тривъглеродните захари, които са първичните продукти на фотосинтезата, докато по-късно образуваната глюкоза, която се използва за синтеза на нишесте и други жизнени процеси, се нарича краен продукт на фотосинтезата.
Така в процеса на фотосинтезата енергията на слънчевата светлина се превръща в енергията на химичните връзки на сложни органични съединения не без участието на хлорофила. Общото уравнение на фотосинтезата може да бъде написано, както следва:
6C0 2 + 12H 2 0 → C 6 H 12 0 6 + 60 2 + 6H 2 0, или
6C0 2 + 6H 2 0 → C 6 H 12 0 6 + 60 2.
Реакциите на светлата и тъмната фаза на фотосинтезата са взаимосвързани, тъй като увеличаването на скоростта само на една група реакции влияе върху интензивността на целия процес на фотосинтеза само до определен момент, докато втората група реакции действа като ограничаваща. фактор и е необходимо да се ускорят реакциите на втората група, за да може първата да протича без ограничения.
лека сцена, протичащ в тилакоидите, осигурява съхранение на енергия за образуването на АТФ и водородни носители. На втория етап, тъмен, енергийните продукти от първия етап се използват за намаляване на въглеродния диоксид и това се случва в отделенията на стромата на хлоропластите.
Различни фактори влияят на скоростта на фотосинтезата. заобикаляща среда: осветеност, концентрация на въглероден диоксид в атмосферата, температура на въздуха и почвата, наличие на вода и др.
За характеризиране на фотосинтезата се използва концепцията за нейната продуктивност.
Производителност на фотосинтеза- това е масата на глюкозата, синтезирана за 1 час на 1 dm 2 от листната повърхност. Тази скорост на фотосинтеза е максимална при оптимални условия.
Фотосинтезата е присъща не само на зелените растения, но и на много бактерии, включително цианобактерии, зелени и лилави бактерии, но в последните може да има някои разлики, по-специално бактериите може да не отделят кислород по време на фотосинтеза (това не се отнася за цианобактериите ).
