Povijest fotosinteze. Tisućama godina ljudi su vjerovali da se biljka hrani isključivo svojim korijenjem, pomoću kojeg apsorbira sve potrebne tvari iz tla. Obvezao sam se provjeriti ovo gledište početkom XIX V. nizozemski prirodoslovac Jan van Helmont. Izvagao je zemlju u loncu i tamo posadio izdanak vrbe. Zalijevao je drvo pet godina, zatim je osušio zemlju i izvagao nju i biljku. Vrba je bila teška sedamdeset i pet kilograma, a težina zemlje promijenila se za svega nekoliko stotina grama. Zaključak znanstvenika bio je da biljke primaju hranjive tvari, prije svega, ne iz tla, već iz vode.
Dva stoljeća u znanosti je utemeljena teorija o ishrani biljaka vodom. Lišće je, prema ovoj teoriji, samo pomoglo biljci da ispari višak vlage.
Znanstvenici su došli do najneočekivanije, ali točne pretpostavke o ishrani biljaka iz zraka tek početkom devetnaestog stoljeća. Važnu ulogu u razumijevanju ovog procesa imalo je otkriće engleskog kemičara Josepha Priestleya 1771. godine. On je proveo eksperiment, na temelju kojeg je zaključio: biljke pročišćavaju zrak i čine ga pogodnim za disanje. Kasnije se pokazalo da je za pročišćavanje zraka biljkama potrebna svjetlost.
Deset godina kasnije znanstvenici su shvatili da biljka ne samo pretvara ugljični dioksid u kisik. Ugljični dioksid neophodan je za život biljaka, služi im kao prava hrana (zajedno s vodom i mineralnim solima).
Ishrana biljaka iz zraka naziva se fotosinteza. Kisik se oslobađa kao neobičan proizvod tijekom fotosinteze.
Prije nekoliko milijardi godina na zemlji nije bilo slobodnog kisika. Sav kisik koji udišu gotovo sva živa bića na našem planetu oslobađaju biljke tijekom procesa fotosinteze. Fotosinteza je uspjela promijeniti cijeli izgled našeg planeta.
Od 70-ih godina. prošlog stoljeća veliki napredak na polju fotosinteze postignut je u Rusiji. Radovi ruskih znanstvenika Purievicha, Ivanovskog, Ricktera, Ivanova, Kostycheva proučavali su mnoge aspekte ovog procesa.
Važnost fotosinteze nije bila shvaćena do relativno nedavno. Aristotel i drugi grčki znanstvenici, uočavajući da životni procesi životinja ovise o konzumiranju hrane, smatrali su da biljke dobivaju “hranu” iz tla.
Prije nešto više od tri stotine godina, u jednom od prvih pažljivo osmišljenih eksperimenata u biologiji, nizozemski liječnik Jan Van Helmont pružio je dokaze da tlo nije jedina hrana koja hrani biljku. Van Helmont je uzgojio malu vrbu u glinenoj posudi, dodajući joj samo vodu.
Nakon pet godina masa iglica povećala se za 74,4 kg, dok se masa tla smanjila za samo 57 g.
Krajem 18. stoljeća, engleski znanstvenik Joseph Priestley izvijestio je da je “slučajno otkrio metodu ispravljanja zraka koji je bio pokvaren gorenjem svijeća”. Dana 17. kolovoza 1771. Priestley je “... stavio živu grančicu metvice u zatvorenu posudu u kojoj je gorjela svijeća od voska”, a 21. istog mjeseca otkrio je da “... druga svijeća može ponovno gorjeti u istoj posudi.” “Korektivni princip koji priroda koristi u te svrhe”, smatrao je Priestley, “bila je biljka.” Proširio je svoja zapažanja i ubrzo pokazao da zrak "korigiran" biljkom nije "uopće neprikladan za miša".
Priestleyevi eksperimenti omogućili su po prvi put objašnjenje zašto zrak na Zemlji ostaje “čist” i može podržavati život, unatoč gorenju bezbrojnih vatri i disanju mnogih živih organizama. Rekao je: “Zahvaljujući ovim otkrićima, uvjereni smo da biljke ne rastu uzalud, već čiste i oplemenjuju našu atmosferu.”
Kasnije je nizozemski liječnik Jan Ingenhouse (1730-1799) potvrdio Priestleyev rad i pokazao da se zrak “ispravlja” samo na sunčevoj svjetlosti i to samo zelenim dijelovima biljke. Godine 1796. Ingenhouse je predložio da se ugljični dioksid tijekom fotosinteze razgrađuje na C i O 2, a O 2 se oslobađa kao plin. Naknadno je otkriveno da je omjer atoma ugljika, vodika i kisika u šećerima i škrobu takav da postoji jedan atom ugljika po molekuli vode, što označava riječ "ugljikohidrati". Opće je prihvaćeno da ugljikohidrati nastaju iz C i H 2 O, a O 2 se oslobađa iz ugljičnog dioksida. Ova sasvim razumna hipoteza bila je široko prihvaćena, ali, kako se kasnije pokazalo, bila je potpuno pogrešna.
Istraživač koji je opovrgao ovu općeprihvaćenu teoriju bio je Cornelius van Niel sa Sveučilišta Stamford kada je kao postdiplomac istraživao metabolizam raznih fotosintetskih bakterija. Jedna skupina takvih bakterija, naime purpurne sumporne bakterije, reducira C na ugljikohidrate, ali ne otpušta O2. Purpurne sumporne bakterije zahtijevaju sumporovodik za fotosintezu. Kao rezultat fotosinteze, čestice sumpora se nakupljaju unutar bakterijskih stanica. Van Niel je otkrio da se za ove bakterije jednadžba za fotosintezu može napisati kao:
CO2 + 2H2S (CH20) + H20 + 2S.
Ova činjenica nije privukla pozornost istraživača sve dok van Niel nije dao hrabru najavu i predložio sljedeću sažetu jednadžbu za fotosintezu:
CO2 + 2H2A (CH20) + H20 + 2A.
U ovoj jednadžbi H 2 A predstavlja ili vodu ili drugu tvar koja može oksidirati, kao što je sumporovodik ili slobodni H 2 . U zelenim biljkama i algama, H 2 A = H 2 O. To jest, van Niel je sugerirao da se H 2 O, a ne ugljikov dioksid, razgrađuje tijekom fotosinteze. Ova briljantna ideja, iznesena tridesetih godina, kasnije je eksperimentalno dokazana kada su istraživači, koristeći teški izotop O 2 (18 O 2), pratili put kisika iz vode u plinovito stanje:
CO 2 + 2H 2 18 O 2 (CH 2 O) + H 2 O + 18 O 2.
Dakle, za alge ili zelene biljke u kojima voda služi kao donor elektrona, ukupna jednadžba fotosinteze napisana je na sljedeći način:
6CO 2 + 12 H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 + 6 H 2 O.
Procesi koji se odvijaju u listu. U listu se odvijaju tri važna procesa - fotosinteza, isparavanje vode i izmjena plinova. Tijekom procesa fotosinteze u lišću se pod utjecajem sunčeve svjetlosti sintetiziraju voda i ugljikov dioksid. organska tvar. Tijekom dana, kao rezultat fotosinteze i disanja, biljka oslobađa kisik i ugljični dioksid, a noću - samo ugljični dioksid proizveden tijekom disanja.
Većina biljaka može sintetizirati klorofil pri slabom svjetlu. Na izravnoj sunčevoj svjetlosti klorofil se sintetizira brže.
Svjetlosna energija potrebna za fotosintezu, u određenim granicama, apsorbira se to više što je list manje potamnjen. Stoga su biljke u procesu evolucije razvile sposobnost okretanja plojke lista prema svjetlosti kako bi na nju palo više sunčeve svjetlosti. Listovi na biljci su raspoređeni tako da se ne gužvaju.
Timirjazev je dokazao da su izvor energije za fotosintezu pretežno crvene zrake spektra. Na to ukazuje apsorpcijski spektar klorofila, gdje se najintenzivnija apsorpcijska vrpca opaža u crvenom dijelu, a manje intenzivna u plavoljubičastom dijelu.
Kloroplasti uz klorofil sadrže pigmente karoten i ksantofil. Oba ova pigmenta apsorbiraju plave i djelomično zelene zrake, a propuštaju crvene i žute. Neki znanstvenici pripisuju karotenu i ksantofilu ulogu ekrana koji štite klorofil od razornog djelovanja plavih zraka.
Proces fotosinteze sastoji se od niza sekvencijalnih reakcija, od kojih se neke odvijaju apsorpcijom svjetlosne energije, a neke u mraku. Stabilni konačni produkti fotosinteze su ugljikohidrati (šećer, a zatim škrob), organske kiseline, aminokiseline i proteini.
Fotosinteza se odvija različitim brzinama u različitim uvjetima.
Intenzitet fotosinteze ovisi i o fazi razvoja biljke. Maksimalni intenzitet fotosinteze opažen je u fazi cvatnje.
Normalni sadržaj ugljičnog dioksida u zraku je 0,03% volumena. Smanjenjem sadržaja ugljičnog dioksida u zraku smanjuje se intenzitet fotosinteze. Povećanje sadržaja ugljičnog dioksida na 0,5% povećava stopu fotosinteze gotovo proporcionalno. Međutim, s daljnjim povećanjem sadržaja ugljičnog dioksida, intenzitet fotosinteze se ne povećava, a kod 1% biljka pati.
Biljke vrlo isparavaju ili transperiraju veliki broj voda. Isparavanje vode jedan je od uzroka uzlazne struje. Zbog isparavanja vode od strane biljke, u njoj se akumuliraju minerali i tijekom sunčevog zagrijavanja dolazi do blagotvornog sniženja temperature za biljku. Ponekad transperacija snizi temperaturu biljke za 6 o C.
Biljka regulira proces isparavanja vode radom stomata. Taloženje kutikule ili voštane prevlake na epidermisu, stvaranje dlačica i druge prilagodbe usmjerene su na smanjenje neregulirane transperacije.
Proces fotosinteze i stalno disanje živih stanica lista zahtijevaju izmjenu plinova između unutarnjih tkiva lista i atmosfere. Tijekom fotosinteze, asimilirani ugljikov dioksid se apsorbira iz atmosfere i vraća u atmosferu kao kisik.
Korištenje metode analize izotopa pokazalo je da kisik vraćen u atmosferu (16 O) pripada vodi, a ne ugljičnom dioksidu zraka, u kojem prevladava njegov drugi izotop, 15 O. Tijekom disanja živih stanica dolazi do izotopske analize. (oksidacija organskih tvari unutar stanice slobodnim kisikom u plin ugljični dioksid i vodu) zahtijeva dovod kisika iz atmosfere i povratak ugljičnog dioksida. Ova izmjena plinova također se uglavnom provodi preko stomatalnog aparata.
Moderni prikazi o fotosintezi. Trenutno je poznato da fotosinteza prolazi kroz dvije faze, ali samo jedna od njih je na svjetlu. Dokaze o dvostupanjskom procesu prvi je dobio 1905. godine engleski fiziolog biljaka F.F. Blacklin, koji je proučavao učinak svjetlosti i temperature na količinu fotosinteze.
Na temelju pokusa Blacklin je donio sljedeće zaključke.
1. Postoji jedna skupina reakcija ovisnih o svjetlu koje ne ovise o temperaturi. Veličina ovih reakcija u području slabog osvjetljenja mogla bi se povećati s povećanjem osvjetljenja, ali ne i s porastom temperature.
2. Postoji druga skupina reakcija koje ovise o temperaturi, a ne o svjetlu. Pokazalo se da su obje skupine reakcija potrebne za fotosintezu. Povećanjem volumena samo jedne skupine reakcija povećava se volumen cijelog procesa, ali samo dok druga skupina reakcija ne počne održavati prvu. Nakon toga potrebno je ubrzati drugu skupinu reakcija kako bi se prve mogle odvijati bez ograničenja.
Tako je pokazano da oba stadija ovise o svjetlu: “svijetlo i tamno”. Važno je zapamtiti da se tamne reakcije normalno javljaju na svjetlu i zahtijevaju proizvode iz svijetle faze. Izraz "tamne reakcije" jednostavno znači da svjetlost kao takva nije uključena u njih.
Volumen tamnih reakcija raste s porastom temperature, ali samo do 30 o, a zatim počinje padati. Na temelju te činjenice pretpostavljeno je da su tamne reakcije katalizirane enzimima, budući da je izmjena enzimskih reakcija stoga ovisna o temperaturi. Kasnije se pokazalo da je taj zaključak bio netočan.
U prvoj fazi fotosinteze (svjetlosne reakcije), svjetlosna energija se koristi za stvaranje ATP-a (molekula adenozin trifosfata) i visokoenergetskih prijenosnika elektrona. U drugoj fazi fotosinteze (tamne reakcije), energetski produkti nastali u svjetlosnim reakcijama koriste se za redukciju CO 2 u jednostavni šećer (glukozu).
Proces fotosinteze sve više privlači pozornost znanstvenika. Znanost je blizu rješenja najvažnijeg pitanja - umjetnog stvaranja vrijednih organskih tvari iz raširenih anorganskih tvari pomoću svjetlosne energije. Problemom fotosinteze intenzivno se bave botaničari, kemičari, fizičari i drugi stručnjaci.
Nedavno je već moguće umjetno sintetizirati formaldehid i šećerne tvari iz vodenih otopina karbonatne kiseline; u ovom slučaju ulogu apsorbera svjetlosne energije umjesto klorofila imali su karbonati kobalta i nikla. Nedavno je sintetizirana molekula klorofila.
Uspjesi znanosti na polju sinteze organskih tvari zadaju snažan udarac idealističkoj doktrini - vitalizmu, koji je tvrdio da je za stvaranje organskih tvari iz anorganskih tvari potrebna posebna "životna snaga" i da čovjek neće moći sintetizirati složene organske tvari.
Fotosinteza u biljaka odvija se u kloroplastima. Obuhvaća: transformaciju energije (svjetlosni proces), transformaciju materije (tamni proces). Svjetli proces se odvija u gilakoidima, tamni proces u stromi kloroplasta. Opća cirkulacija fotosinteze je sljedeća:
6CO 2 + 12 H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6 H 2 O + 6 O 2.
Dva procesa fotosinteze izražena su zasebnim jednadžbama:
12H 2 O 12H 2 + 6O 2 + ATP energija;
(lagani proces)
12H 2 + 6O 2 + ATP energija C 6 H 12 O 6 + H 2 O.
(tamni proces)
Važnost fotosinteze u prirodi. Fotosinteza je jedini proces u biosferi koji dovodi do povećanja njezine slobodne energije zbog vanjskog izvora. Energija pohranjena u produktima fotosinteze glavni je izvor energije za čovječanstvo.
Svake godine kao rezultat fotosinteze na Zemlji nastane 150 milijardi tona organske tvari i oslobodi se oko 200 milijuna tona slobodnog kisika.
Održava se ciklus kisika, ugljika i drugih elemenata uključenih u fotosintezu moderna kompozicija atmosfere potrebne za život na Zemlji. Fotosinteza sprječava povećanje koncentracije CO 2 , sprječavajući pregrijavanje Zemlje zbog tzv. efekta staklenika.
Budući da zelene biljke predstavljaju izravnu ili neizravnu nutritivnu osnovu svih ostalih heterotrofnih organizama, fotosintezom se zadovoljavaju prehrambene potrebe svih živih bića na našem planetu. Najvažnija je osnova poljoprivrede i šumarstva. Iako su mogućnosti utjecaja još malene, ipak se donekle koriste. Povećanjem koncentracije ugljičnog dioksida u zraku na 0,1% (nasuprot 0,3% u prirodnoj atmosferi) bilo je moguće, primjerice, utrostručiti prinos krastavaca i rajčice.
Četvorni metar lisne površine proizvede oko jedan gram šećera u jednom satu; To znači da sve biljke, prema gruboj procjeni, uklone iz atmosfere od 100 do 200 milijardi tona C godišnje. Oko 60% ove količine apsorbiraju šume, zauzimajući 30% kopnene površine neprekrivene ledom, 32% kultivirane zemlje, a preostalih 8% biljke stepa i pustinjskih područja, kao i gradova i naselja.
Zelena biljka sposobna je ne samo koristiti ugljični dioksid i stvarati šećer, već i pretvarati dušikove spojeve i spojeve sumpora u tvari koje čine njezino tijelo. Preko korijenskog sustava biljka prima nitratne ione otopljene u zemljišnoj vodi i prerađuje ih u svojim stanicama u aminokiseline – glavne sastojke svih proteinskih spojeva. Komponente masti također proizlaze iz spojeva nastalih tijekom metaboličkih i energetskih procesa. Masne kiseline i glicerol proizvode masti i ulja, koji služe uglavnom kao rezervne tvari za biljku. Sjemenke približno 80% svih biljaka sadrže masti kao energetski bogatu pričuvnu tvar. Proizvodnja sjemena, masti i ulja ima važnu ulogu u poljoprivrednoj i prehrambenoj industriji.
Fotosinteza je životni proces zelenih biljaka, jedini u biosferi povezan s akumulacijom sunčeve energije. Njegovo značenje leži u raznolikoj ponudi života na Zemlji.
Stvaranje biomase
Živa bića - biljke, gljive, bakterije i životinje - sastoje se od organskih tvari. Cjelokupna masa organske tvari u početku nastaje tijekom procesa fotosinteze, koji se odvija u autotrofnim organizmima - biljkama i nekim bakterijama.
Riža. 1. Auto- i heterotrofni organizmi.
Heterotrofni organizmi, konzumirajući biljke za hranu, samo modificiraju organske tvari bez povećanja ukupne biomase planeta. Jedinstvenost fotosinteze je u tome što se tijekom sinteze organskih tvari sunčeva energija pohranjuje u njihovim kemijskim vezama. Zapravo, fotosintetski organizmi "privezuju" sunčevu energiju za Zemlju.
Zivotna podrska
Fotosintezom se neprestano proizvode organske tvari iz ugljičnog dioksida i vode, koje osiguravaju hranu i stanište raznim životinjama i ljudima.
Sva energija koja se koristi u životu živih organizama u početku je sunčeva. Fotosinteza fiksira tu energiju na Zemlji i prenosi je na sve stanovnike planete.
Tvar i energiju pohranjenu tijekom fotosinteze ljudi naširoko koriste:
TOP 3 artiklakoji čitaju uz ovo
- izvori fosilne energije;
- drvo;
- divlje biljke kao sirovine i estetski resursi;
- prehrambeni i tehnički biljni proizvodi.
1 hektar šume ili parka ljeti apsorbira 8 kg ugljičnog dioksida za 1 sat. Taj se iznos dodjeljuje za isto vrijeme dvjesto ljudi.
Atmosfera
Sastav atmosfere mijenjao se upravo zahvaljujući procesu fotosinteze. Količina kisika postupno se povećavala, povećavajući sposobnost organizama da prežive. U početku su prvu ulogu u stvaranju kisika imale zelene alge, a sada šume.
Riža. 2. Grafikon promjena sadržaja O₂ u atmosferi tijekom procesa evolucije.
Jedna od posljedica povećanja sadržaja kisika u atmosferi je stvaranje ozonskog omotača koji štiti žive organizme od štetnog sunčevog zračenja.
Vjeruje se da je život na kopnu postao moguć tek nakon formiranja ozonskog omotača.
Fotosinteza je i primarni izvor i čimbenik u razvoju života na Zemlji.
Važnost fotosinteze u sadašnjoj fazi dobila je novi aspekt. Fotosinteza inhibira porast koncentracije CO₂ u zraku zbog izgaranja goriva u prometu i industriji. Time se smanjuje efekt staklenika. Intenzitet fotosinteze raste s povećanjem koncentracije CO₂ do određene granice.
Riža. 3. Grafikon fotosinteze ovisno o sadržaju CO₂ u zraku.
Što smo naučili?
Da biste razumjeli važnost fotosinteze u prirodi, morate procijeniti razmjere formirane biomase na Zemlji i ulogu kisika za život svih organizama. Fotosinteza je jedna od sila koja je stvorila moderni izgled planeta i neprestano osigurava vitalne važne procese prehrana i disanje.
Test na temu
Ocjena izvješća
Prosječna ocjena: 4.7. Ukupno primljenih ocjena: 168.
Važnost fotosinteze u prirodi dugo nije bila točno procijenjena. U početnoj fazi istraživanja mnogi su znanstvenici vjerovali da biljke emitiraju onoliko kisika koliko apsorbiraju. Zapravo, pažljivo istraživanje pokazalo je da je posao koji obavljaju biljke u velikim razmjerima. Unatoč svojoj relativno maloj veličini, zelene površine obavljaju niz korisnih funkcija koje su usmjerene na podržavanje života na Zemlji.
Najvažniji značaj fotosinteze je opskrba energijom svih živih bića na planetu, pa tako i čovjeka. U zelenim dijelovima biljaka pod utjecajem sunčeve svjetlosti počinje se stvarati kisik i ogromna količina energije. Tu energiju biljke koriste samo djelomično za svoje potrebe, a neutrošeni potencijal se akumulira. Zatim se biljke koriste kao hrana za biljojede, koji na taj način dobivaju potrebnu hranu bez koje bi njihov razvoj bio nemoguć. Tada biljojedi postaju hrana grabežljivcima, a njima je također potrebna energija bez koje će život jednostavno prestati.
Osoba se nalazi malo dalje od toga, pa se za njega pravo značenje fotosinteze ne pojavljuje odmah. Samo što mnogi ljudi pokušavaju sami sebi dokazati da nisu dio životinjskog svijeta našeg planeta. Nažalost, takvo poricanje neće dovesti nikamo, jer svi živi organizmi ovise u jednoj ili drugoj mjeri jedni o drugima. Nestane li nekoliko vrsta životinja ili biljaka, ravnoteža u prirodi bit će jako narušena. Da bi se prilagodili novim životnim uvjetima, drugi živi organizmi bit će prisiljeni tražiti alternativne izvore hrane. Istina, postoje slučajevi kada nestanak nekih vrsta dovodi do izumiranja drugih.
Važnost fotosinteze nije samo u proizvodnji energije, već iu zaštiti od uništenja. Znanstvenici su dugo pokušavali dokučiti kako je nastao život na našem planetu - i stvorili su prilično uvjerljivu teoriju. Pokazalo se da je raznolikost živih organizama postala moguća samo zahvaljujući prisutnosti zaštitne atmosfere, koja je nastala zbog intenzivnog rada ogromnog broja biljaka. Naravno, s obzirom na veličinu modernih šuma i pojedinačnih biljaka, ne može se vjerovati u takvo čudo, ali drevne biljke bile su divovske veličine.
Stari divovi biljnog svijeta su umrli, ali čak i nakon smrti koriste cijelom čovječanstvu. Energija koja se nakupila u njima sada ulazi u naše domove u obliku ugljena. Danas je uloga ove vrste goriva znatno smanjena, ali je čovječanstvo dugo vremena bježalo od hladnoće uz njegovu pomoć.
Također, ne zaboravite da su drevne biljke predale svoju palicu modernom drveću i cvijeću, koji održavaju očuvanje atmosfere. Što je više zelenih površina na našem planetu, to je zrak koji udišemo čišći. Uništavanje i povećanje štetnih dovelo je do pojave rupa u ozonskom omotaču. Ako čovječanstvo ne shvati pravu ulogu fotosinteze, dovest će samo sebe do samouništenja. Jednostavno ne možemo preživjeti bez kisika i zaštite, a broj tropskih šuma i dalje se ubrzano smanjuje.
Ako ljudi doista žele očuvati život na svom planetu, moraju u potpunosti razumjeti značaj fotosinteze. Kada svaki čovjek prepozna važnost biljaka, kada prestanemo nepromišljeno sjeći šume, tada će život na Zemlji postati bolji i čišći. U suprotnom, ljudi će morati naučiti izdržati žarke zrake sunca, udisati smog, štetne emisije i dobivati energiju iz alternativni izvori.
Kakva će biti naša budućnost ovisi samo o nama – i želimo vjerovati da će ljudi napraviti pravi izbor.
Povijest otkrića nevjerojatnog i životno važnog fenomena kao što je fotosinteza duboko je ukorijenjena u prošlost. Prije više od četiri stoljeća, 1600. godine, belgijski znanstvenik Jan Van Helmont izveo je jednostavan eksperiment. Vrbovu grančicu stavio je u vreću u kojoj je bilo 80 kg zemlje. Znanstvenik je zabilježio početnu težinu vrbe, a zatim je pet godina biljku zalijevao isključivo kišnicom. Zamislite iznenađenje Jana Van Helmonta kada je ponovno izvagao vrbu. Težina biljke povećala se za 65 kg, a masa zemlje smanjila se za samo 50 grama! Odakle je biljka dobila 64 kg 950 grama hranjivih tvari, za znanstvenika ostaje misterij!
Sljedeći značajan eksperiment na putu otkrića fotosinteze pripadao je engleskom kemičaru Josephu Priestleyu. Znanstvenik je stavio miša ispod haube, a pet sati kasnije glodavac je uginuo. Kada je Priestley stavio grančicu mente uz miša i također pokrio glodavca kapom, miš je ostao živ. Ovaj eksperiment doveo je znanstvenika do ideje da postoji proces suprotan disanju. Jan Ingenhouse je 1779. godine utvrdio činjenicu da su samo zeleni dijelovi biljaka sposobni oslobađati kisik. Tri godine kasnije švicarski znanstvenik Jean Senebier dokazao je da se ugljični dioksid pod utjecajem sunčeve svjetlosti razgrađuje u organelama zelenih biljaka. Samo pet godina kasnije, francuski znanstvenik Jacques Boussingault, provodeći laboratorijska istraživanja, otkrio je činjenicu da se apsorpcija vode od strane biljaka događa i tijekom sinteze organskih tvari. Do epohalnog otkrića došao je 1864. godine njemački botaničar Julius Sachs. Uspio je dokazati da se volumen utrošenog ugljičnog dioksida i oslobođenog kisika javlja u omjeru 1:1.
Fotosinteza je jedan od najznačajnijih bioloških procesa
U znanstvenom smislu, fotosinteza (od starogrčkog φῶς - svjetlost i σύνθεσις - veza, vezivanje) je proces u kojem iz ugljičnog dioksida i vode na svjetlu nastaju organske tvari. Glavnu ulogu u tom procesu imaju fotosintetski segmenti.
Slikovito govoreći, list biljke može se usporediti s laboratorijem čiji prozori gledaju na sunčanu stranu. U njemu dolazi do stvaranja organskih tvari. Ovaj proces je osnova za postojanje cjelokupnog života na Zemlji.
Mnogi će se s razlogom zapitati: što dišu ljudi koji žive u gradu, u kojem danju ne možete pronaći ni stablo ni vlat trave s vatrom? Odgovor je vrlo jednostavan. Činjenica je da kopnene biljke čine samo 20% kisika koji biljke oslobađaju. Morske alge imaju vodeću ulogu u proizvodnji kisika u atmosferi. Oni čine 80% proizvedenog kisika. Govoreći jezikom brojki, i biljke i alge godišnje ispuste 145 milijardi tona (!) kisika u atmosferu! Nisu uzalud svjetski oceani nazvani "plućima planeta".
Opća formula fotosinteza izgleda ovako:
Voda + Ugljični dioksid + Svjetlo → Ugljikohidrati + Kisik
Zašto je biljkama potrebna fotosinteza?
Kao što smo saznali, fotosinteza je neophodan uvjet za postojanje čovjeka na Zemlji. No, to nije jedini razlog zašto fotosintetski organizmi aktivno proizvode kisik u atmosferu. Činjenica je da i alge i biljke godišnje stvaraju više od 100 milijardi organskih tvari (!), koje čine osnovu njihove životne aktivnosti. Sjećajući se eksperimenta Jana Van Helmonta, shvaćamo da je fotosinteza osnova prehrane biljaka. Znanstveno je dokazano da 95% uroda određuju organske tvari koje biljka dobiva tijekom procesa fotosinteze, a 5% mineralna gnojiva koja vrtlar unosi u tlo.
Moderni ljetni stanovnici glavnu pozornost posvećuju ishrani biljaka u tlu, zaboravljajući na njegovu ishranu zrakom. Nepoznato je kakvu bi žetvu vrtlari mogli dobiti ako su pažljivi prema procesu fotosinteze.
Međutim, ni biljke ni alge ne bi mogle tako aktivno proizvoditi kisik i ugljikohidrate da nemaju nevjerojatan zeleni pigment - klorofil.
Misterij zelenog pigmenta
Glavna razlika između biljnih stanica i stanica drugih živih organizama je prisutnost klorofila. Usput, upravo je on odgovoran za to što su listovi biljaka obojeni zeleno. Ovaj složeni organski spoj ima jednu nevjerojatna nekretnina: Može apsorbirati sunčevu svjetlost! Zahvaljujući klorofilu, proces fotosinteze također postaje moguć.
Dvije faze fotosinteze
Jednostavno rečeno, fotosinteza je proces u kojem voda i ugljikov dioksid koje biljka apsorbira na svjetlu uz pomoć klorofila tvore šećer i kisik. Tako, anorganske tvaričudesno pretvoriti u organski. Šećer dobiven pretvorbom izvor je energije za biljke.
Fotosinteza ima dvije faze: svijetlu i tamnu.
Svjetlosna faza fotosinteze
Provodi se na tilakoidnim membranama.
Tilakoidi su strukture omeđene membranom. Nalaze se u stromi kloroplasta.
Redoslijed događaja u svjetlosnoj fazi fotosinteze je:
- Svjetlost pogađa molekulu klorofila, koju zatim apsorbira zeleni pigment i uzrokuje njegovo uzbuđenje. Elektron koji je dio molekule prenosi se na više visoka razina, sudjeluje u procesu sinteze.
- Voda se cijepa, pri čemu se protoni pod utjecajem elektrona pretvaraju u atome vodika. Nakon toga se troše na sintezu ugljikohidrata.
- U završnoj fazi svjetlosnog stadija sintetizira se ATP (adenozin trifosfat). Ovo je organska tvar koja igra ulogu univerzalnog akumulatora energije u biološkim sustavima.
Tamna faza fotosinteze
Mjesto gdje se javlja tamna faza je stroma kloroplasta. Tijekom tamne faze oslobađa se kisik i sintetizira glukoza. Mnogi će pomisliti da je ova faza dobila ovaj naziv jer se proces koji se odvija unutar ove faze odvija isključivo noću. Zapravo, to nije posve točno. Sinteza glukoze odvija se 24 sata dnevno. Činjenica je da se u ovoj fazi svjetlosna energija više ne troši, što znači da jednostavno nije potrebna.
Važnost fotosinteze za biljke
Već smo utvrdili činjenicu da biljke fotosintezu trebaju ništa manje od nas. Vrlo je lako govoriti o razmjerima fotosinteze u smislu brojeva. Znanstvenici su izračunali da samo kopnene biljke pohranjuju toliko sunčeve energije koliko bi je moglo potrošiti 100 megagradova unutar 100 godina!
Disanje biljaka je proces suprotan fotosintezi. Smisao disanja biljaka je oslobađanje energije tijekom procesa fotosinteze i usmjeravanje iste za potrebe biljaka. Jednostavno rečeno, prinos je razlika između fotosinteze i disanja. Što je više fotosinteze i manje respiracije, to je veća žetva, i obrnuto!
Fotosinteza je nevjerojatan proces koji omogućuje život na Zemlji!
Fotosinteza zove se proces pretvaranja svjetlosne energije u energiju kemijske veze organski spojevi uz sudjelovanje klorofila.
Kao rezultat fotosinteze godišnje se proizvede oko 150 milijardi tona organske tvari i oko 200 milijardi tona kisika. Ovaj proces osigurava ciklus ugljika u biosferi, sprječava nakupljanje ugljičnog dioksida i time sprječava efekt staklenika i pregrijavanje Zemlje. Organske tvari nastale fotosintezom drugi organizmi ne troše u potpunosti; značajan dio njih je tijekom milijuna godina stvorio naslage minerala (kameni i mrki ugljen, nafta). Nedavno se kao pogonsko gorivo počelo koristiti i ulje repice (“biodizel”) i alkohol dobiven iz biljnih ostataka. Ozon nastaje iz kisika pod utjecajem električnih pražnjenja, koji stvara ozonski zaslon koji štiti sav život na Zemlji od razornog djelovanja ultraljubičastih zraka.
Naš sunarodnjak, izvanredni fiziolog biljaka K. A. Timiryazev (1843-1920), nazvao je ulogu fotosinteze "kozmičkom", budući da povezuje Zemlju sa Suncem (svemirom), osiguravajući dotok energije na planet.
Faze fotosinteze. Reakcije svjetlosti i tame fotosinteze, njihov odnos
Godine 1905. engleski fiziolog biljaka F. Blackman otkrio je da se brzina fotosinteze ne može neograničeno povećavati, već je neki čimbenici ograničavaju. Na temelju toga je pretpostavio da postoje dvije faze fotosinteze: svjetlo I mračno. Pri niskom intenzitetu svjetla, brzina svjetlosnih reakcija raste proporcionalno porastu intenziteta svjetla, a osim toga, te reakcije ne ovise o temperaturi, budući da za njihovu pojavu nisu potrebni enzimi. Svjetlosne reakcije se javljaju na tilakoidnim membranama.
Brzina tamnih reakcija, naprotiv, raste s porastom temperature, međutim, nakon postizanja temperaturnog praga od 30 ° C, ovo povećanje prestaje, što ukazuje na enzimsku prirodu ovih transformacija koje se događaju u stromi. Treba napomenuti da svjetlo također ima određeni učinak na tamne reakcije, unatoč tome što se one nazivaju tamnim reakcijama.
Lagana faza fotosinteza (slika 2.44) odvija se na tilakoidnim membranama koje nose nekoliko vrsta proteinskih kompleksa, od kojih su glavni fotosustavi I i II, kao i ATP sintaza. U fotosustave spadaju pigmentni kompleksi koji osim klorofila sadrže i karotenoide. Karotenoidi hvataju svjetlost u područjima spektra gdje klorofil to ne čini, a također štite klorofil od uništenja svjetlom visokog intenziteta.
Osim pigmentnih kompleksa, fotosustavi također uključuju niz proteina akceptora elektrona, koji sekvencijalno prenose elektrone s molekula klorofila jedne na druge. Slijed ovih proteina naziva se lanac prijenosa elektrona kloroplasta.
Poseban kompleks proteina također je povezan s fotosustavom II, koji osigurava oslobađanje kisika tijekom fotosinteze. Ovaj kompleks koji oslobađa kisik sadrži ione mangana i klora.
U svjetlosna faza svjetlosni kvanti, ili fotoni, padajući na molekule klorofila smještene na tilakoidnim membranama, prenose ih u pobuđeno stanje, koje karakterizira veća energija elektrona. U ovom slučaju, pobuđeni elektroni iz klorofila fotosustava I prenose se kroz lanac posrednika do nosača vodika NADP, koji veže protone vodika, koji su uvijek prisutni u Vodena otopina:
NADP+ 2e-+ 2H + → NADPH + H + .
Reducirani NADPH + H + kasnije će se koristiti u tamnoj fazi. Elektroni iz klorofila fotosustava II također se prenose duž transportnog lanca elektrona, ali oni popunjavaju “elektronske rupe” klorofila fotosustava I. Nedostatak elektrona u klorofilu fotosustava II popunjava se oduzimanjem molekula vode, koje događa se uz sudjelovanje već spomenutog kompleksa za otpuštanje kisika. Kao rezultat razgradnje molekula vode, što je tzv fotoliza, Nastaju protoni vodika i oslobađa se molekularni kisik, koji je nusprodukt fotosinteze:
N 2 0 →2N + +2e- +1/2O 2
Protoni vodika, akumulirani u šupljini tilakoida kao rezultat fotolize vode i pumpanja tijekom prijenosa elektrona duž transportnog lanca elektrona, istječu iz tilakoida kroz kanal u membranskom proteinu - ATP sintazi, dok se ATP sintetizira iz ADP . Ovaj proces se zove fotofosforilacija. Ne zahtijeva sudjelovanje kisika, ali je vrlo učinkovit, jer proizvodi 30 puta više ATP-a od mitohondrija tijekom oksidacije. ATP generiran u svjetlosnim reakcijama kasnije će se koristiti u tamnim reakcijama.
Ukupna jednadžba za reakcije svjetlosne faze fotosinteze može se napisati na sljedeći način:
2H 2 0 + 2NADP + 3ADP + ZN 3 P0 4 → 2NADPH + H + + 3ATP.
Tijekom tamne reakcije fotosinteze (sl. 2.45) dolazi do vezanja molekula CO 2 u obliku ugljikohidrata, koji troše ATP i NADPH + H + molekule sintetizirane u svjetlosnim reakcijama:
6C0 2 + 12 NADPH + H + + 18ATP → C 6 H 12 0 6 + 6H 2 0 + 12 NADP + 18ADP + 18H 3 P0 4.
Proces vezanja ugljičnog dioksida složen je lanac transformacija tzv Calvinov ciklus u čast svog pronalazača. Tamne reakcije nastaju u stromi kloroplasta. Za njihov nastanak neophodan je stalni dotok ugljičnog dioksida izvana kroz puči, a zatim kroz međustanični sustav.
U procesu fiksacije ugljičnog dioksida prvi nastaju trougljikovi šećeri, koji su primarni produkti fotosinteze, dok se kasnije nastala glukoza, koja se troši na sintezu škroba i druge vitalne procese, naziva finalnim produktom fotosinteze. .
Tako se tijekom procesa fotosinteze energija sunčeve svjetlosti pretvara u energiju kemijskih veza složenih organskih spojeva, ne bez sudjelovanja klorofila. Ukupna jednadžba za fotosintezu može se napisati na sljedeći način:
6S0 2 + 12N 2 0 → S 6 N 12 0 6 + 60 2 + 6N 2 0, odn.
6S0 2 + 6N 2 0 →S 6 N 12 0 6 + 60 2.
Reakcije svijetle i tamne faze fotosinteze međusobno su povezane, budući da povećanje brzine samo jedne skupine reakcija utječe na intenzitet cjelokupnog procesa fotosinteze samo do određene točke, dok druga skupina reakcija ne djeluje kao ograničavajuća. faktor, te je potrebno ubrzati reakcije druge skupine kako bi se prva odvijala bez ograničenja.
Lagana pozornica, koji se javlja u tilakoidima, osigurava skladištenje energije za stvaranje ATP-a i nositelja vodika. U drugoj fazi, tamnoj, energetski produkti prve faze koriste se za smanjenje ugljičnog dioksida, a to se događa u odjeljcima strome kloroplasta.
Na brzinu fotosinteze utječu različiti čimbenici okoliš: osvijetljenost, koncentracija ugljičnog dioksida u atmosferi, temperatura zraka i tla, dostupnost vode itd.
Za karakterizaciju fotosinteze koristi se koncept njezine produktivnosti.
Produktivnost fotosinteze je masa glukoze sintetizirana u 1 satu po 1 dm 2 površine lista. Ova stopa fotosinteze je maksimalna u optimalnim uvjetima.
Fotosinteza je svojstvena ne samo zelenim biljkama, već i mnogim bakterijama, uključujući cijanobakterije, zelene i ljubičaste bakterije, ali kod potonjih može imati neke razlike, posebno tijekom fotosinteze, bakterije možda ne oslobađaju kisik (ovo se ne odnosi na cijanobakterije).
