Šume se smatraju „zelenim plućima planeta“ ne uzalud. Što je fotosinteza i kako se taj proces odvija, detaljno ćemo razmotriti.
Što je fotosinteza?
Fotosinteza - biokemijski proces tijekom kojeg nastaju organski uz pomoć posebnih biljnih pigmenata i svjetlosne energije anorganskih tvari (ugljični dioksid, voda). To je jedan od najvažnijih procesa zbog kojeg se većina organizama pojavila i nastavlja postojati na planeti.
Zanimljiva činjenica: Zemaljske biljke, kao i zelene alge, sposobne su fotosintezu. U ovom slučaju, alge (fitoplankton) stvaraju 80% kisika.
Važnost fotosinteze za život na Zemlji
Bez fotosinteze, umjesto mnogih živih organizama, na našem bi planetu postojale samo bakterije. To je energija dobivena kao rezultat ovog kemijskog procesa koji je omogućio evoluciju bakterija.
Bilo koji prirodni procesi trebaju energiju. Ona dolazi od sunca. Ali sunčevo svjetlo dobiva oblik tek nakon što ga biljke transformiraju.
Biljke troše samo dio energije, a ostatak akumuliraju u sebi. Oni jedu biljojedi, koja su hrana za grabežljivce. Tijekom lanca, svaka karika prima potrebne vrijedne tvari i energiju.
Kisik proizveden tijekom reakcije neophodan je da sva stvorenja dišu. Disanje je suprotno od fotosinteze. U tom se slučaju organske tvari oksidiraju, uništavaju. Dobivena energija koristi se u organizmima za obavljanje različitih vitalnih zadataka.
Za vrijeme postojanja planete, kada je bilo malo biljaka, kisik je praktički bio prisutan. Primitivni životni oblici primali su najmanje energije na druge načine. Bilo je premalo za razvoj. Stoga je disanje zbog kisika otvorilo više mogućnosti.
Druga je funkcija fotosinteze zaštita organizama od izloženosti ultraljubičastoj svjetlosti. Govorimo o ozonskom sloju smještenom u stratosferi na nadmorskoj visini od oko 20-25 km. Nastaje zbog kisika, koji se pod djelovanjem sunčeve svjetlosti pretvara u ozon. Bez te zaštite život na Zemlji bio bi ograničen samo na podvodne organizme.
Organizmi oslobađaju ugljični dioksid tijekom disanja. Bitan je element fotosinteze. U suprotnom, ugljični dioksid bi se jednostavno akumulirao u gornjoj atmosferi, uvelike poboljšavajući efekt staklenika.
To je ozbiljan problem zaštite okoliša, čija je suština povećanje temperature atmosfere s negativnim posljedicama. Oni uključuju klimatske promjene (globalno zagrijavanje), topljenje ledenjaka, porast razine mora itd.
Funkcije fotosinteze:
- evolucija kisika;
- stvaranje energije;
- stvaranje hranjivih tvari;
- stvaranje ozonskog sloja.
Definicija i formula fotosinteze
Izraz "fotosinteza" dolazi od kombinacije dviju riječi: fotografija i sinteza. U prijevodu s starogrčkog jezika, znači "svjetlost" i "veza". Tako se energija svjetlosti pretvara u energiju veza organskih tvari.
Shema:
Ugljični dioksid + voda + svjetlost = ugljikohidrati + kisik.
Znanstvena formula za fotosintezu:
6CO2 + 6H2O → C6N12OKO6 + 6O2.
Fotosinteza se odvija tako da je izravan kontakt vode i CO2 nije vidljiv.
Važnost fotosinteze za biljke
Biljkama je potrebna organska tvar, energija za rast i razvoj. Zahvaljujući fotosintezi osiguravaju se tim komponentama. Stvaranje organskih tvari glavni je cilj fotosinteze za biljke, a oslobađanje kisika smatra se sporednom reakcijom.
Zanimljiva činjenica: Biljke su jedinstvene jer ne trebaju druge organizme da bi dobili energiju.Stoga tvore posebnu skupinu - autotrofe (prevedene sa starogrčkog jezika "Jedem sam").
Kako nastaje fotosinteza?
Fotosinteza se odvija izravno u zelenim dijelovima biljaka - kloroplasta, Oni su dio biljnih stanica. Kloroplasti sadrže tvar - klorofil, Ovo je glavni fotosintetski pigment, zahvaljujući njemu se događa cijela reakcija. Osim toga, klorofil određuje zelenu boju vegetacije.
Ovaj pigment karakterizira sposobnost apsorbiranja svjetlosti. A u stanicama biljke pokrenut je pravi biokemijski "laboratorij", u kojem su voda i CO2 pretvoriti u kisik, ugljikohidrate.
Voda ulazi kroz korijenski sustav biljke, a plin prodire izravno u lišće. Svjetlost djeluje kao izvor energije. Kad svjetlosna čestica djeluje na molekulu klorofila, dolazi do njene aktivacije. U molekuli vode H2O kisik (O) ostaje bez zahtjeva. Stoga on postaje nusproizvod za biljke, ali za nas tako važan, proizvod reakcije.
Faze fotosinteze
Fotosinteza je podijeljena u dva stupnja: svijetli i tamni. Javljaju se istovremeno, ali u različitim dijelovima kloroplasta. Naziv svake faze govori sam za sebe. Faza koja ovisi o svjetlu ili o svjetlosti događa se samo uz sudjelovanje čestica svjetlosti. U mračnoj ili nehlapljivoj fazi svjetlost nije potrebna.
Prije detaljnijeg ispitivanja svake faze, vrijedno je razumjeti strukturu kloroplasta, jer ona određuje suštinu i mjesto faza. Kloroplast je razna plastida i nalazi se u stanici odvojeno od ostalih komponenti. Ima oblik sjemena.
Sastavni dijelovi kloroplasta uključeni u fotosintezu:
- 2 membrane;
- stroma (unutarnja tekućina);
- thylakoids;
- lumeni (praznine unutar tilakoida).
Svjetlosna faza fotosinteze
Teče na tilakoidima, točnije na njihovim membranama. Kada ih svjetlost pogodi, negativno nabijeni elektroni se oslobađaju i akumuliraju. Dakle, fotosintetski pigmenti gube sve elektrone nakon čega dolazi red da molekule vode propadnu:
H2O → H + + OH-
U ovom slučaju, formirani vodikovi protoni imaju pozitivan naboj i akumuliraju se na unutarnjoj tilakoidnoj membrani. Kao rezultat, protoni s nabojem plus i elektroni s minusom naboja odvojeni su samo membranom.
Kisik se proizvodi kao nusproizvod:
4OH → O2 + 2H2O
U određenom trenutku faze elektrona i protona vodika postaju previše. Tada enzim ATP sintaza ulazi u djelo. Njegova zadaća je prenošenje vodikovih protona iz tilakoidne membrane u tekući medij kloroplasta - stromu.
U ovoj fazi, vodik je na raspolaganju drugom nosaču - NADP (skraćeno za nikotinamidin nukleotid fosfat). To je također vrsta enzima koja ubrzava oksidativne reakcije u stanicama. U ovom slučaju njegov je posao transportiranje vodikovih protona u reakciji s ugljikohidratima.
U ovoj se fazi događa proces fotofosfolacije tijekom kojeg se stvara ogromna količina energije. Njegov izvor je ATP - adenozin trifosforna kiselina.
Kratki prikaz:
- Udar kvantne svjetlosti na klorofil.
- Izbor elektrona.
- Evolucija kisika.
- Stvaranje NADPH oksidaze.
- Proizvodnja ATP energije.
Zanimljiva činjenica: Na afričkoj obali Atlantskog oceana raste biljka relikvija pod nazivom Velvichia. Ovo je jedini predstavnik vrste s najmanje lišća sposobnih za fotosintezu. Međutim, starost Velviča doseže oko 2000 godina.
Tamna faza fotosinteze
Faza neovisna o svjetlu događa se izravno u stromi. Predstavlja niz enzimskih reakcija. Ugljični dioksid apsorbiran u svjetlosnoj fazi otopljen je u vodi, a u ovoj fazi se smanjuje u glukozu. Proizvode se i složene organske tvari.
Reakcije tamne faze podijeljene su u tri glavne vrste i ovise o vrsti biljaka (točnije, njihovom metabolizmu), u stanicama kojih se odvija fotosinteza:
- S3-bilje;
- S4-bilje;
- CAM biljke.
K C3- Biljke uključuju većinu poljoprivrednih kultura koje rastu u umjerenim klimama. Tijekom fotosinteze ugljični dioksid postaje fosfoglicerinska kiselina.
Subtropske i tropske vrste, uglavnom korov, pripadaju biljkama C4. Karakterizira ih transformacija ugljičnog dioksida u oksaloacetat. CAM biljke su kategorija biljaka kojima nedostaje vlage. Razlikuju se u posebnoj vrsti fotosinteze - CAM.
S3-fotosinteza
Najčešći je C3- fotosinteza, koja se još naziva i Calvin ciklus - u čast američkog znanstvenika Melvina Calvina, koji je dao ogroman doprinos u istraživanju tih reakcija i za to je dobio Nobelovu nagradu.
Biljke se nazivaju C3 zbog činjenice da se tijekom reakcija tamne faze formiraju 3-ugljikove molekule 3-fosfoglicerinske kiseline - 3-PGA. Različiti enzimi su izravno uključeni.
Da bi se formirala kompletna molekula glukoze, mora proći 6 ciklusa reakcija faze neovisne o svjetlu. Ugljikohidrati su glavni produkt fotosinteze u Calvin ciklusu, ali osim njega, stvaraju se masne i aminokiseline, kao i glikolipidi. C3 fotosinteza biljaka odvija se isključivo u stanicama mezofila.
Glavni nedostatak C3fotosinteza
Biljke C skupine3karakterizira jedan značajan nedostatak. Ako u okolini nema dovoljno vlage, sposobnost fotosinteze značajno se smanjuje. To je zbog fotorespiracije.
Činjenica je da s malom koncentracijom ugljičnog dioksida u kloroplastima (manjom od 50: 1 000 000) kisik se fiksira umjesto fiksacije ugljika. Posebni enzimi značajno usporavaju i troše solarnu energiju.
Istodobno se usporava rast i razvoj biljke jer joj nedostaje organske tvari. Također, ne dolazi do ispuštanja kisika u atmosferu.
Zanimljiva činjenica: Morski puž Elysia chlorotica jedinstvena je životinja koja fotosintezira poput biljaka. Hrani se algama, čiji kloroplasti prodiru u stanice probavnog trakta i tamo se mjesecima fotosinteziraju. Proizvedeni ugljikohidrati sluz služe kao hrana.
C4 fotosinteza
Za razliku od C3-sinteza, ovdje se reakcije fiksacije ugljičnog dioksida provode u različitim biljnim stanicama. Ove vrste biljaka sposobne su se nositi s problemom fotorespiracije i to čine dvostupanjskim ciklusom.
S jedne strane se održava visoka razina ugljičnog dioksida, a s druge, kontrolirana je niska razina kisika u kloroplastima. Ova taktika omogućuje biljkama C4 da izbjegnu foto-disanje i pridružene poteškoće. Predstavnici biljaka ove skupine su šećerna trska, kukuruz, proso itd.
U usporedbi s biljkama C3 sposobni su mnogo intenzivnije izvoditi procese fotosinteze pod uvjetima visoke temperature i nedostatka vlage. U prvom stadiju ugljični dioksid se fiksira u stanicama mezofila, gdje nastaje 4-ugljična kiselina. Tada kiselina prelazi u ljusku i tamo se razgrađuje u 3-ugljični spoj i ugljični dioksid.
U drugom stupnju rezultirajući ugljični dioksid počinje djelovati u Calvin ciklusu, gdje se stvaraju gliceraldehid-3-fosfat i ugljikohidrati, koji su potrebni za energetski metabolizam.
Zbog dvostepene fotosinteze u biljkama C4 nastaje dovoljna količina ugljičnog dioksida za Kelvin ciklus. Stoga enzimi djeluju punom snagom i ne troše energiju uzalud.
Ali ovaj sustav ima svoje nedostatke. Konkretno se troši veća količina ATP energije - ona je potrebna za pretvorbu 4-ugljičnih kiselina u 3-ugljične kiseline i u suprotnom smjeru. Dakle C3- Fotosinteza je uvijek produktivnija od C4 s odgovarajućom količinom vode i svjetla.
Što utječe na brzinu fotosinteze?
Fotosinteza se može dogoditi različitim brzinama. Ovaj postupak ovisi o uvjetima okoline:
- voda;
- valna duljina svjetlosti;
- ugljični dioksid;
- temperatura.
Voda je temeljni faktor, pa kad je nedostaje, reakcije usporavaju. Za fotosintezu najpovoljniji su valovi crvenog i plavo-ljubičastog spektra. Preferira se i visok stupanj osvjetljenja, ali samo do određene vrijednosti - kada se postigne, nestaje veza između osvjetljenja i brzine reakcije.
Visoka koncentracija ugljičnog dioksida omogućuje brze fotosintetske procese i obrnuto. Određene temperature važne su za enzime koji ubrzavaju reakcije. Idealni uvjeti za njih su oko 25-30 ℃.
Fotografski dah
Sva živa bića trebaju disati, a biljke nisu iznimka. Međutim, taj se proces kod njih odvija malo drugačije nego u ljudi i životinja, zbog čega se naziva fotorespiracija.
općenito, dah - fizički proces tijekom kojeg živi organizam i njegova okolina razmjenjuju plinove. Kao i svim živim bićima, i biljkama je potreban kisik za disanje. Ali konzumiraju ga mnogo manje nego što proizvode.
Tijekom fotosinteze, koja se događa samo na suncu, biljke stvaraju hranu za sebe. Tijekom foto-disanja, koje se izvodi svakodnevno, te se hranjive tvari apsorbiraju kako bi poduprle metabolizam u stanicama.
Zanimljiva činjenica: tijekom sunčanog dana šumsko zemljište od 1 hektara troši od 120 do 280 kg ugljičnog dioksida i emitira od 180 do 200 kg kisika.
Kisik (poput ugljičnog dioksida) prodire u biljne stanice kroz posebne otvore - stomate. Smješteni su na dnu lišća. Na jednom listu se može nalaziti oko 1000 stomaka.
Zamjena plina biljaka ovisno o osvjetljenosti
Postupak izmjene plina pri različitim osvjetljenjem predstavljen je kako slijedi:
- Jarko svjetlo, Tijekom fotosinteze koristi se ugljični dioksid. Biljke proizvode više kisika nego što troše. Njeni viškovi ulaze u atmosferu. Ugljični dioksid se troši brže od disanja. Neiskorištene ugljikohidrate biljka skladišti za buduću upotrebu.
- Slabo svijetlo, Ne dolazi do razmjene plina s okolinom, jer biljka troši sav kisik koji stvara.
- Nedostatak svjetla, Događaju se samo procesi disanja. Ispušta se ugljični dioksid i troši se kisik.
Kemosintetizirane
Neki živi organizmi također su sposobni stvarati monokarbohidrate iz vode i ugljičnog dioksida, dok im sunčeva svjetlost ne treba. Tu se ubrajaju bakterije, a proces pretvorbe energije naziva se kemosinteza.
kemosintetizirane To je proces tijekom kojeg se sintetizira glukoza, ali kemikalije se koriste umjesto solarne energije. Teče u područjima s dovoljno visokom temperaturom, pogodnom za rad enzima i u nedostatku svjetla. To mogu biti područja u blizini hidrotermalnih izvora, propuštanja metana na morskim dubinama itd.
Povijest otkrića fotosinteze
Povijest otkrića i proučavanja fotosinteze datira iz 1600. godine, kada je Jan Baptiste van Helmont odlučio razumjeti tadašnje hitno pitanje: što biljke jedu i odakle dobivaju korisne tvari?
U to se vrijeme vjerovalo da je tlo izvor vrijednih elemenata. Znanstvenik je grančicu vrbe stavio u posudu sa zemljom, ali prethodno je izmjerio njihovu težinu. 5 godina vodio je brigu o drvetu, zalijevajući ga, nakon čega je opet proveo mjerne postupke.
Pokazalo se da se težina zemlje smanjila za 56 g, ali stablo je postalo 30 puta teže. Ovo je otkriće opovrglo stajalište da se biljke hrane tlom i stvorilo novu teoriju - hranjivanje vodom.
U budućnosti su ga mnogi znanstvenici pokušali pobiti.Na primjer, Lomonosov je vjerovao da djelomično strukturne komponente ulaze u biljke kroz lišće. Vodio ga je biljkama koje uspješno rastu u sušnim područjima. Međutim, ovu verziju nije bilo moguće dokazati.
Stvarnoj situaciji najbliži je bio Joseph Priestley, kemijski znanstvenik i honorarni svećenik. Jednom je otkrio mrtvog miša u preokrenutoj staklenci, a ovaj incident ga je prisilio da provede niz eksperimenata sa glodavcima, svijećama i spremnicima 1770-ih.
Priestley je otkrio da se svijeća uvijek ugasi brzo ako je pokrijete staklenkom na vrhu. Također, živi organizam ne može preživjeti. Znanstvenik je došao do zaključka da postoje određene sile koje čine zrak pogodnim za život, i pokušao je povezati ovaj fenomen s biljkama.
Nastavio je postavljati eksperimente, ali ovaj je put pokušao staviti lonac s rastućom metvicom ispod staklene posude. Na veliko iznenađenje, biljka se nastavila aktivno razvijati. Tada je Priestley pod jednu staklenku stavio biljku i miša, a ispod druge samo životinju. Rezultat je očit - pod prvim spremnikom glodavac je ostao netaknut.
Postignuće kemičara postalo je motivacija drugim znanstvenicima širom svijeta da ponove eksperiment. No ulov je da je svećenik tijekom dana provodio eksperimente. I, na primjer, ljekarnik Karl Scheele - noću, kad je bilo slobodnog vremena. Kao rezultat toga, znanstvenik je Priestleya optužio za prevaru, jer njegovi eksperimentalni subjekti nisu mogli podnijeti eksperiment s biljkom.
Između kemičara izbio je pravi znanstveni sukob, što je donijelo značajne koristi i omogućilo još jedno otkriće - biljkama je potrebno obnoviti zrak, treba im sunčeva svjetlost.
Naravno, tada ovaj fenomen nije nazvao fotosintezom, a bilo je još puno pitanja. Međutim, 1782. godine botaničar Jean Senebier uspio je dokazati da su uz prisustvo sunčeve svjetlosti biljke sposobne razgraditi ugljični dioksid na staničnoj razini. I 1864. godine konačno su se pojavili eksperimentalni dokazi da biljke apsorbiraju ugljični dioksid i stvaraju kisik. To je zasluga znanstvenika iz Njemačke - Juliusa Sachsa.