![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_6ixLCt6ulT0XuUPgvhf.jpg)
Lasy uważane są za „zielone płuca planety” nie na próżno. Co to jest fotosynteza i jak przebiega ten proces, rozważymy szczegółowo.
Co to jest fotosynteza?
Fotosynteza - Proces biochemiczny, w którym powstają organiczne przy użyciu specjalnych pigmentów roślinnych i energii świetlnej z substancji nieorganicznych (dwutlenek węgla, woda). Jest to jeden z najważniejszych procesów, dzięki któremu większość organizmów pojawiła się i nadal istnieje na planecie.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_uOv4HpOwd55imt1Be2E.jpg)
Interesujący fakt: Rośliny lądowe, a także zielone glony, są zdolne do fotosyntezy. W tym przypadku glony (fitoplankton) wytwarzają 80% tlenu.
Znaczenie fotosyntezy dla życia na Ziemi
Bez fotosyntezy zamiast wielu żywych organizmów na naszej planecie istniałyby tylko bakterie. Energia uzyskana w wyniku tego procesu chemicznego umożliwiła rozwój bakterii.
Wszelkie naturalne procesy wymagają energii. Ona pochodzi od słońca. Ale światło słoneczne kształtuje się dopiero po przekształceniu przez rośliny.
Rośliny zużywają tylko część energii, a resztę gromadzą w sobie. Jedzą zwierzęta roślinożerne, które są pożywieniem dla drapieżników. W trakcie łańcucha każde ogniwo otrzymuje niezbędne cenne substancje i energię.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_k9XrgGsZljrp.jpg)
Tlen powstający podczas reakcji jest niezbędny do oddychania wszystkich stworzeń. Oddychanie jest przeciwieństwem fotosyntezy. W tym przypadku materia organiczna jest utleniana, niszczona. Otrzymana energia jest wykorzystywana przez organizmy do wykonywania różnych ważnych zadań.
Podczas istnienia planety, kiedy było niewiele roślin, praktycznie nie było tlenu. Prymitywne formy życia otrzymały minimum energii na inne sposoby. To było za mało na rozwój. Dlatego oddychanie z powodu tlenu otworzyło więcej możliwości.
Inną funkcją fotosyntezy jest ochrona organizmów przed ekspozycją na światło ultrafioletowe. Mówimy o warstwie ozonowej znajdującej się w stratosferze na wysokości około 20-25 km. Powstaje z powodu tlenu, który pod działaniem światła słonecznego zamienia się w ozon. Bez tej ochrony życie na Ziemi byłoby ograniczone tylko do organizmów podwodnych.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_OmovxgXB250z.jpg)
Organizmy uwalniają dwutlenek węgla podczas oddychania. Jest niezbędnym elementem fotosyntezy. W przeciwnym razie dwutlenek węgla po prostu gromadziłby się w górnej atmosferze, znacznie wzmacniając efekt cieplarniany.
Jest to poważny problem środowiskowy, którego istotą jest podniesienie temperatury atmosfery z negatywnymi konsekwencjami. Należą do nich zmiany klimatu (globalne ocieplenie), topnienie lodowców, podnoszenie się poziomu mórz itp.
Funkcje fotosyntezy:
- ewolucja tlenu;
- tworzenie energii;
- tworzenie składników odżywczych;
- tworzenie warstwy ozonowej.
Definicja i wzór fotosyntezy
Termin „fotosynteza” pochodzi od połączenia dwóch słów: zdjęcia i syntezy. Przetłumaczone ze starożytnej Grecji, oznaczają odpowiednio „światło” i „połączenie”. Tak więc energia światła jest przekształcana w energię wiązań substancji organicznych.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_bh66emxv2DqvOIDvpoYJ5.jpg)
Schemat:
Dwutlenek węgla + woda + światło = węglowodany + tlen.
Naukowa formuła fotosyntezy:
6CO2 + 6H2O → C6N.12O6 + 6O2.
Fotosynteza zachodzi tak, że bezpośredni kontakt wody i CO2 niewidoczny.
Znaczenie fotosyntezy dla roślin
Rośliny wymagają materii organicznej, energii do wzrostu i rozwoju. Dzięki fotosyntezie dostarczają sobie te składniki. Tworzenie substancji organicznych jest głównym celem fotosyntezy dla roślin, a uwalnianie tlenu jest uważane za reakcję uboczną.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_RZptuGhlQMPhC4V008P6.jpg)
Interesujący fakt: Rośliny są wyjątkowe, ponieważ nie potrzebują innych organizmów, aby uzyskać energię.Dlatego tworzą osobną grupę - autotrofy (przetłumaczone ze starożytnego języka greckiego „jem siebie”).
Jak zachodzi fotosynteza?
Fotosynteza odbywa się bezpośrednio w zielonych częściach roślin - chloroplasty. Są częścią komórek roślinnych. Chloroplasty zawierają substancję - chlorofil. Jest to główny pigment fotosyntetyczny, dzięki czemu zachodzi cała reakcja. Ponadto chlorofil określa zielony kolor roślinności.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_ge8lfDlQqulkYiAG2h8n.jpg)
Pigment ten charakteryzuje się zdolnością do pochłaniania światła. A w komórkach rośliny powstaje prawdziwe „laboratorium” biochemiczne, w którym woda i CO2 zamieniają się w tlen, węglowodany.
Woda wchodzi przez system korzeniowy rośliny, a gaz przenika bezpośrednio do liści. Światło działa jako źródło energii. Kiedy lekka cząsteczka działa na cząsteczkę chlorofilu, następuje jej aktywacja. W cząsteczce wody H2O tlen (O) pozostaje nieodebrany. W ten sposób staje się produktem ubocznym dla roślin, ale dla nas tak ważnym, produktem reakcji.
Fazy fotosyntezy
Fotosynteza dzieli się na dwa etapy: jasny i ciemny. Występują jednocześnie, ale w różnych częściach chloroplastu. Nazwa każdej fazy mówi sama za siebie. Światło lub faza zależna od światła występuje tylko z udziałem cząstek światła. W fazie ciemnej lub nielotnej światło nie jest wymagane.
Przed dokładniejszym zbadaniem każdej fazy warto zrozumieć strukturę chloroplastu, ponieważ określa on istotę i miejsce etapów. Chloroplast to różnorodne plastydy, które znajdują się wewnątrz komórki oddzielnie od innych składników. Ma kształt nasionka.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_eVvo0uL80KXGz.jpg)
Składniki chloroplastu zaangażowane w fotosyntezę:
- 2 membrany;
- zręby (płyn wewnętrzny);
- tylakoidy;
- lumenów (luki w tylakoidach).
Faza świetlna fotosyntezy
Płynie na tylakoidach, a dokładniej na ich błonach. Kiedy światło uderza w nie, ujemnie naładowane elektrony są uwalniane i akumulowane. W ten sposób pigmenty fotosyntetyczne tracą wszystkie elektrony, po czym następuje rozkład cząsteczek wody:
H.2O → H + + OH-
W tym przypadku utworzone protony wodoru mają ładunek dodatni i gromadzą się na wewnętrznej błonie tylakoidowej. W rezultacie protony z ładunkiem dodatnim i elektrony z ładunkiem ujemnym są oddzielone tylko membraną.
Tlen jest wytwarzany jako produkt uboczny:
4OH → O2 + 2H2O
W pewnym momencie fazy elektronów i protonów wodoru stają się zbyt liczne. Następnie do syntezy wchodzi enzym. Jego zadaniem jest przenoszenie protonów wodoru z błony tylakoidowej do ciekłego ośrodka chloroplastowego - zrębu.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_o9b6e1elhs9ulqtikfOHJo2V.jpg)
Na tym etapie wodór zostaje oddany do dyspozycji innego nośnika - NADP (skrót od fosforanu nukleotydu nikotynamidynowego). Jest to także rodzaj enzymu, który przyspiesza reakcje oksydacyjne w komórkach. W tym przypadku jego zadaniem jest transportowanie protonów wodoru w reakcji węglowodanów.
Na tym etapie zachodzi proces fotofosfolacji, podczas którego generowana jest ogromna ilość energii. Jego źródłem jest ATP - kwas adenozynotrifosforowy.
Krótki zarys:
- Uderzenie kwantowego światła w chlorofil.
- Wybór elektronów.
- Ewolucja tlenu.
- Powstawanie oksydazy NADPH.
- Produkcja energii ATP.
Interesujący fakt: Istnieje reliktowa roślina o nazwie Velvichia, rosnąca na afrykańskim wybrzeżu Oceanu Atlantyckiego. Jest to jedyny przedstawiciel tego rodzaju z minimalną liczbą liści zdolnych do fotosyntezy. Wiek Velvicha sięga jednak około 2000 lat.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_h2Onh5a1VIpAvyuxUy5.jpg)
Ciemna faza fotosyntezy
Faza niezależna od światła występuje bezpośrednio w zrębie. Reprezentuje szereg reakcji enzymatycznych. Dwutlenek węgla absorbowany na etapie światła rozpuszcza się w wodzie, a na tym etapie jest redukowany do glukozy. Wytwarzane są również złożone substancje organiczne.
Reakcje fazy ciemnej są podzielone na trzy główne typy i zależą od rodzaju roślin (a dokładniej ich metabolizmu), w których komórkach zachodzi fotosynteza:
- Z3rośliny;
- Z4rośliny;
- Rośliny CAM.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_SU600g23awvV.jpg)
K C.3- Rośliny obejmują większość upraw rolnych, które rosną w klimacie umiarkowanym. Podczas fotosyntezy dwutlenek węgla staje się kwasem fosfoglicerynowym.
Gatunki subtropikalne i tropikalne, głównie chwasty, należą do roślin C4. Charakteryzują się one przemianą dwutlenku węgla w szczawiooctan. Rośliny CAM to kategoria roślin pozbawionych wilgoci. Różnią się specjalnym rodzajem fotosyntezy - CAM.
Z3-fotosynteza
Najczęstszym jest C3- fotosynteza, zwana także cyklem Calvina - na cześć amerykańskiego naukowca Melvina Calvina, który wniósł ogromny wkład w badanie tych reakcji i otrzymał za to Nagrodę Nobla.
Rośliny nazywa się C3 ze względu na fakt, że podczas reakcji fazy ciemnej powstają 3-węglowe cząsteczki kwasu 3-fosfoglicerynowego - 3-PGA. Różne enzymy są bezpośrednio zaangażowane.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_Qk05t1VSjLsE4TsFEYfrh2w.jpg)
Aby mogła powstać pełna cząsteczka glukozy, musi upłynąć 6 cykli reakcji fazy niezależnej od światła. Węglowodany są głównym produktem fotosyntezy w cyklu Calvina, ale oprócz tego wytwarzane są tłuszcze i aminokwasy, a także glikolipidy. do3 fotosynteza roślin odbywa się wyłącznie w komórkach mezofilowych.
Główną wadą C.3fotosynteza
Rośliny grupy C.3charakteryzują się jedną istotną wadą. Jeśli w środowisku nie ma wystarczającej wilgoci, zdolność do fotosyntezy jest znacznie zmniejszona. Wynika to z fotooddychania.
Faktem jest, że przy niskim stężeniu dwutlenku węgla w chloroplastach (mniej niż 50: 1 000 000) tlen jest utrwalany zamiast wiązania węglowego. Specjalne enzymy znacznie spowalniają i marnują energię słoneczną.
Jednocześnie wzrost i rozwój rośliny spowalnia, ponieważ nie ma materii organicznej. Ponadto nie ma uwalniania tlenu do atmosfery.
Interesujący fakt: Ślimak morski Elysia chlorotica to wyjątkowe zwierzę, które fotosyntetyzuje jak rośliny. Żywi się glonami, których chloroplasty przenikają do komórek przewodu pokarmowego i fotosyntezują się tam przez miesiące. Wytworzone węglowodany służą ślimakowi jako pokarm.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_r68tJtEehupPx6ti7DiObe.jpg)
Fotosynteza C4
W przeciwieństwie do C.3-synteza, tutaj reakcje wiązania dwutlenku węgla są przeprowadzane w różnych komórkach roślinnych. Te typy roślin są w stanie poradzić sobie z problemem fotooddychania i robią to w cyklu dwustopniowym.
Z jednej strony utrzymuje się wysoki poziom dwutlenku węgla, az drugiej kontrolowany jest niski poziom tlenu w chloroplastach. Ta taktyka pozwala roślinom C4 uniknąć foto-oddychania i związanych z tym trudności. Przedstawicielami roślin z tej grupy są trzcina cukrowa, kukurydza, proso itp.
W porównaniu do roślin C3 są w stanie wykonywać procesy fotosyntezy znacznie intensywniej w warunkach wysokiej temperatury i braku wilgoci. W pierwszym etapie dwutlenek węgla jest utrwalany w komórkach mezofilowych, w których powstaje kwas 4-węglowy. Następnie kwas przechodzi do skorupy i rozkłada się tam na związek 3-węglowy i dwutlenek węgla.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_qOV4EeoTfawFT6iB9XDKc.jpg)
W drugim etapie powstały dwutlenek węgla zaczyna działać w cyklu Calvina, w którym wytwarzany jest 3-fosforan gliceraldehydu i węglowodany, które są niezbędne do metabolizmu energetycznego.
Z powodu dwuetapowej fotosyntezy u roślin C4 powstaje wystarczająca ilość dwutlenku węgla dla cyklu Kelvina. Dlatego enzymy działają z pełną siłą i nie marnują energii na próżno.
Ale ten system ma swoje wady. W szczególności zużywa się większą ilość energii ATP - jest to konieczne do przekształcenia kwasów 4-węglowych w 3-węglowe i w przeciwnym kierunku. Więc C3- Fotosynteza jest zawsze bardziej produktywna niż C4 z odpowiednią ilością wody i światła.
Co wpływa na szybkość fotosyntezy?
Fotosynteza może zachodzić przy różnych prędkościach. Proces ten zależy od warunków środowiskowych:
- woda;
- długość fali światła;
- dwutlenek węgla;
- temperatura.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_ZW73s84oz5.jpg)
Woda jest podstawowym czynnikiem, więc gdy jej brakuje, reakcje zwalniają. Do fotosyntezy najkorzystniejsze są fale widma czerwonego i niebiesko-fioletowego. Wysoki stopień oświetlenia jest również preferowany, ale tylko do pewnej wartości - gdy zostanie osiągnięty, związek między oświetleniem a szybkością reakcji znika.
Wysokie stężenie dwutlenku węgla zapewnia szybkie procesy fotosyntezy i odwrotnie. Pewne temperatury są ważne dla enzymów przyspieszających reakcje. Idealne warunki dla nich to około 25-30 ℃.
Oddech zdjęcia
Wszystkie żywe stworzenia potrzebują oddychania, a rośliny nie są wyjątkiem. Jednak proces ten zachodzi w nich nieco inaczej niż u ludzi i zwierząt, dlatego nazywa się to fotooddychaniem.
Ogólnie, oddech - fizyczny proces, podczas którego żywy organizm i jego środowisko wymieniają gazy. Jak wszystkie żywe stworzenia, rośliny potrzebują tlenu do oddychania. Ale konsumują to znacznie mniej niż produkują.
Podczas fotosyntezy, która występuje tylko w świetle słonecznym, rośliny wytwarzają pożywienie dla siebie. Podczas foto-oddychania, które odbywa się przez całą dobę, te składniki odżywcze są przez nie wchłaniane w celu wspierania metabolizmu w komórkach.
Interesujący fakt: w słoneczny dzień 1-hektarowa działka leśna zużywa od 120 do 280 kg dwutlenku węgla i emituje od 180 do 200 kg tlenu.
Tlen (podobnie jak dwutlenek węgla) przenika do komórek roślinnych przez specjalne otwory - szparki. Znajdują się na dole liści. Na jednym arkuszu może znajdować się około 1000 aparatów szparkowych.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_i88dfhKbye6D.jpg)
Wymiana gazowa roślin w zależności od oświetlenia
Proces wymiany gazu przy różnym oświetleniu przedstawia się następująco:
- Jasne światło. Dwutlenek węgla jest wykorzystywany podczas fotosyntezy. Rośliny wytwarzają więcej tlenu niż zużywają. Jego nadwyżki wchodzą do atmosfery. Dwutlenek węgla jest zużywany szybciej niż jest uwalniany przez oddychanie. Niewykorzystane węglowodany są przechowywane przez roślinę do przyszłego użytku.
- Słabe światło. Wymiana gazu z otoczeniem nie występuje, ponieważ roślina zużywa cały wytwarzany tlen.
- Brak światła. Występują tylko procesy oddychania. Dwutlenek węgla jest uwalniany i zużywa się tlen.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_wgWu7iRgxx8aTq80Eu.jpg)
Chemosynteza
Niektóre żywe organizmy są również zdolne do tworzenia monowęglowodanów z wody i dwutlenku węgla, podczas gdy nie potrzebują światła słonecznego. Należą do nich bakterie, a proces konwersji energii nazywa się chemosyntezą.
Chemosynteza Jest to proces syntezy glukozy, ale zamiast energii słonecznej stosuje się chemikalia. Płynie w obszarach o wystarczająco wysokiej temperaturze, odpowiednich do działania enzymów i przy braku światła. Mogą to być obszary w pobliżu źródeł hydrotermalnych, wycieki metanu na głębokościach morskich itp.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_1kf7567z9O0gbkQ.jpg)
Historia odkrycia fotosyntezy
Historia odkrycia i badania fotosyntezy sięga 1600 roku, kiedy Jan Baptiste van Helmont postanowił zrozumieć w tym czasie pilne pytanie: co jedzą rośliny i skąd biorą przydatne substancje?
Wówczas uważano, że gleba jest źródłem cennych pierwiastków. Naukowiec umieścił gałązkę wierzby w pojemniku z ziemią, ale wcześniej zmierzył ich wagę. Przez 5 lat opiekował się drzewem, podlewając je, po czym ponownie przeprowadzał procedury pomiarowe.
Okazało się, że masa ziemi spadła o 56 g, ale drzewo stało się 30 razy cięższe. Odkrycie to obaliło pogląd, że rośliny żywią się glebą i dało początek nowej teorii - odżywianiu wody.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_HfWfuWci6MGiKmIA4udB5Gl6.jpg)
W przyszłości wielu naukowców próbowało to obalić.Na przykład Łomonosow uważał, że częściowo strukturalne składniki wchodzą do roślin przez liście. Kierował się roślinami, które z powodzeniem rosną na suchych obszarach. Jednak nie można było udowodnić tej wersji.
Najbliższą rzeczywistą sytuacją był Joseph Priestley, chemik i kapłan pracujący w niepełnym wymiarze godzin. Pewnego razu odkrył martwą mysz w odwróconym słoju, a incydent ten zmusił go do przeprowadzenia serii eksperymentów z gryzoniami, świecami i pojemnikami w latach siedemdziesiątych XVII wieku.
Priestley stwierdził, że świeca zawsze gaśnie szybko, jeśli przykryjesz ją słoikiem na wierzchu. Ponadto żywy organizm nie może przeżyć. Naukowiec doszedł do wniosku, że istnieją pewne siły, które sprawiają, że powietrze nadaje się do życia, i próbował połączyć to zjawisko z roślinami.
Kontynuował eksperymenty, ale tym razem próbował umieścić doniczkę z rosnącą miętą pod szklanym pojemnikiem. Ku wielkiemu zaskoczeniu roślina nadal aktywnie się rozwijała. Następnie Priestley umieścił roślinę i mysz pod jednym słoikiem, a tylko zwierzę pod drugim. Wynik jest oczywisty - pod pierwszym czołgiem gryzoń pozostał nietknięty.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_5yst8JXqa4O.jpg)
Osiągnięcia chemika stały się motywacją dla innych naukowców z całego świata do powtórzenia eksperymentu. Ale haczykiem było to, że kapłan przeprowadzał eksperymenty w ciągu dnia. I na przykład farmaceuta Karl Scheele - w nocy, kiedy był wolny czas. W rezultacie naukowiec oskarżył Priestleya o oszustwo, ponieważ jego eksperymentalni poddani nie mogli znieść eksperymentu z rośliną.
Wybuchła prawdziwa naukowa konfrontacja między chemikami, co przyniosło znaczące korzyści i umożliwiło dokonanie kolejnego odkrycia - że rośliny muszą przywracać powietrze, potrzebują światła słonecznego.
Oczywiście nikt nie nazwał tego zjawiska fotosyntezą i wciąż było wiele pytań. Jednak w 1782 roku botanik Jean Senebier był w stanie udowodnić, że w obecności światła słonecznego rośliny są w stanie rozkładać dwutlenek węgla na poziomie komórkowym. Wreszcie w 1864 r. Pojawiły się dowody eksperymentalne, że rośliny pochłaniają dwutlenek węgla i wytwarzają tlen. To zasługa naukowca z Niemiec - Juliusa Sachsa.