1 γίνεται φωτοσύνθεση. Η έννοια της φωτοσύνθεσης

Όπως υποδηλώνει το όνομα, η φωτοσύνθεση είναι ουσιαστικά η φυσική σύνθεση οργανικών ουσιών, μετατρέποντας το CO2 από την ατμόσφαιρα και το νερό σε γλυκόζη και ελεύθερο οξυγόνο.

Αυτό απαιτεί την παρουσία ηλιακής ενέργειας.

Η χημική εξίσωση για τη διαδικασία της φωτοσύνθεσης μπορεί γενικά να αναπαρασταθεί ως εξής:

Η φωτοσύνθεση έχει δύο φάσεις: σκοτεινή και φωτεινή. Οι χημικές αντιδράσεις της σκοτεινής φάσης της φωτοσύνθεσης διαφέρουν σημαντικά από τις αντιδράσεις της φωτεινής φάσης, αλλά η σκοτεινή και η φωτεινή φάση της φωτοσύνθεσης εξαρτώνται η μία από την άλλη.

Η φωτεινή φάση μπορεί να συμβεί στα φύλλα των φυτών αποκλειστικά στο ηλιακό φως. Για το σκοτάδι είναι απαραίτητη η παρουσία διοξειδίου του άνθρακα, γι' αυτό το φυτό πρέπει να το απορροφά συνεχώς από την ατμόσφαιρα. Όλα τα συγκριτικά χαρακτηριστικά της σκοτεινής και φωτεινής φάσης της φωτοσύνθεσης θα παρέχονται παρακάτω. Για το σκοπό αυτό δημιουργήθηκε ένας συγκριτικός πίνακας «Φάσεις Φωτοσύνθεσης».

Η ελαφριά φάση της φωτοσύνθεσης

Οι κύριες διεργασίες στην ελαφριά φάση της φωτοσύνθεσης συμβαίνουν στις θυλακοειδείς μεμβράνες. Περιλαμβάνει χλωροφύλλη, πρωτεΐνες μεταφοράς ηλεκτρονίων, συνθετάση ATP (ένζυμο που επιταχύνει την αντίδραση) και ηλιακό φως.

Επιπλέον, ο μηχανισμός αντίδρασης μπορεί να περιγραφεί ως εξής: όταν το φως του ήλιου χτυπά τα πράσινα φύλλα των φυτών, τα ηλεκτρόνια χλωροφύλλης (αρνητικό φορτίο) διεγείρονται στη δομή τους, τα οποία, αφού περάσουν σε ενεργή κατάσταση, αφήνουν το μόριο της χρωστικής και καταλήγουν στο έξω από το θυλακοειδή, η μεμβράνη του οποίου είναι επίσης αρνητικά φορτισμένη. Ταυτόχρονα, οξειδώνονται μόρια χλωροφύλλης και μειώνονται τα ήδη οξειδωμένα, παίρνοντας έτσι ηλεκτρόνια από το νερό που βρίσκεται στη δομή του φύλλου.

Αυτή η διαδικασία οδηγεί στο γεγονός ότι τα μόρια του νερού αποσυντίθενται και τα ιόντα που δημιουργούνται ως αποτέλεσμα της φωτόλυσης του νερού εγκαταλείπουν τα ηλεκτρόνια τους και μετατρέπονται σε ρίζες ΟΗ που είναι ικανές να πραγματοποιήσουν περαιτέρω αντιδράσεις. Αυτές οι αντιδραστικές ρίζες ΟΗ στη συνέχεια συνδυάζονται για να δημιουργήσουν πλήρη μόρια νερού και οξυγόνο. Σε αυτή την περίπτωση, το ελεύθερο οξυγόνο διαφεύγει στο εξωτερικό περιβάλλον.

Ως αποτέλεσμα όλων αυτών των αντιδράσεων και μετασχηματισμών, η θυλακοειδής μεμβράνη του φύλλου στη μία πλευρά φορτίζεται θετικά (λόγω του ιόντος Η+) και από την άλλη - αρνητικά (λόγω ηλεκτρονίων). Όταν η διαφορά μεταξύ αυτών των φορτίων στις δύο πλευρές της μεμβράνης φτάσει πάνω από 200 mV, τα πρωτόνια διέρχονται από ειδικά κανάλια του ενζύμου συνθετάσης ATP και λόγω αυτού, το ADP μετατρέπεται σε ATP (ως αποτέλεσμα της διαδικασίας φωσφορυλίωσης). Και το ατομικό υδρογόνο, το οποίο απελευθερώνεται από το νερό, επαναφέρει τον συγκεκριμένο φορέα NADP+ στο NADP·H2. Όπως μπορούμε να δούμε, ως αποτέλεσμα της ελαφριάς φάσης της φωτοσύνθεσης, συμβαίνουν τρεις κύριες διεργασίες:

1. Σύνθεση ATP;
2. δημιουργία NADP H2.
3. σχηματισμός ελεύθερου οξυγόνου.

Το τελευταίο απελευθερώνεται στην ατμόσφαιρα και το NADP H2 και το ATP συμμετέχουν στη σκοτεινή φάση της φωτοσύνθεσης.

Σκοτεινή φάση της φωτοσύνθεσης

Οι σκοτεινές και φωτεινές φάσεις της φωτοσύνθεσης χαρακτηρίζονται από μεγάλες ενεργειακές δαπάνες εκ μέρους του φυτού, αλλά η σκοτεινή φάση προχωρά πιο γρήγορα και απαιτεί λιγότερη ενέργεια. Οι αντιδράσεις σκοτεινής φάσης δεν απαιτούν ηλιακό φως, επομένως μπορούν να συμβούν τόσο τη μέρα όσο και τη νύχτα.

Όλες οι κύριες διεργασίες αυτής της φάσης συμβαίνουν στο στρώμα του φυτού χλωροπλάστη και αντιπροσωπεύουν μια μοναδική αλυσίδα διαδοχικών μετασχηματισμών του διοξειδίου του άνθρακα από την ατμόσφαιρα. Η πρώτη αντίδραση σε μια τέτοια αλυσίδα είναι η δέσμευση διοξειδίου του άνθρακα. Για να γίνει πιο ομαλά και πιο γρήγορα, η φύση παρείχε το ένζυμο RiBP-καρβοξυλάση, το οποίο καταλύει τη στερέωση του CO2.

Στη συνέχεια, εμφανίζεται ένας ολόκληρος κύκλος αντιδράσεων, η ολοκλήρωση του οποίου είναι η μετατροπή του φωσφογλυκερικού οξέος σε γλυκόζη (φυσικό σάκχαρο). Όλες αυτές οι αντιδράσεις χρησιμοποιούν την ενέργεια του ATP και του NADP H2, που δημιουργήθηκαν στην ελαφριά φάση της φωτοσύνθεσης. Εκτός από τη γλυκόζη, η φωτοσύνθεση παράγει και άλλες ουσίες. Μεταξύ αυτών είναι διάφορα αμινοξέα, λιπαρά οξέα, γλυκερίνη και νουκλεοτίδια.

Φάσεις φωτοσύνθεσης: συγκριτικός πίνακας

Φωτοσύνθεση - βίντεο

Η διαδικασία της φωτοσύνθεσης είναι μια από τις πιο σημαντικές βιολογικές διεργασίες που συμβαίνουν στη φύση, επειδή χάρη σε αυτήν σχηματίζονται οργανικές ουσίες από το διοξείδιο του άνθρακα και το νερό υπό την επίδραση του φωτός, και αυτό το φαινόμενο ονομάζεται φωτοσύνθεση. Και το πιο σημαντικό, κατά τη διαδικασία της φωτοσύνθεσης, εμφανίζεται μια απελευθέρωση, η οποία είναι ζωτικής σημασίας για την ύπαρξη ζωής στον εκπληκτικό πλανήτη μας.

Ιστορία της ανακάλυψης της φωτοσύνθεσης

Η ιστορία της ανακάλυψης του φαινομένου της φωτοσύνθεσης πηγαίνει πίσω τέσσερις αιώνες, όταν το 1600 κάποιος Βέλγος επιστήμονας Jan Van Helmont πραγματοποίησε ένα απλό πείραμα. Τοποθέτησε ένα κλαδάκι ιτιάς (αφού κατέγραψε το αρχικό του βάρος) σε μια σακούλα που περιείχε επίσης 80 κιλά χώμα. Και μετά για πέντε χρόνια το φυτό ποτίστηκε αποκλειστικά με νερό. Ποια ήταν η έκπληξη του επιστήμονα όταν, μετά από πέντε χρόνια, το βάρος του φυτού αυξήθηκε κατά 60 κιλά, παρά το γεγονός ότι η μάζα της γης μειώθηκε μόνο κατά 50 γραμμάρια, από όπου προήλθε μια τόσο εντυπωσιακή αύξηση βάρους παρέμεινε ένα μυστήριο για τους επιστήμονας.

Το επόμενο σημαντικό και ενδιαφέρον πείραμα, που έγινε το προοίμιο της ανακάλυψης της φωτοσύνθεσης, πραγματοποιήθηκε από τον Άγγλο επιστήμονα Joseph Priestley το 1771 (είναι περίεργο ότι από τη φύση του επαγγέλματός του, ο κ. Priestley ήταν ιερέας της Αγγλικανικής Εκκλησίας , αλλά έμεινε στην ιστορία ως εξαιρετικός επιστήμονας). Τι έκανε ο κύριος Priestley; Τοποθέτησε το ποντίκι κάτω από μια κουκούλα και πέντε μέρες αργότερα πέθανε. Στη συνέχεια τοποθέτησε πάλι ένα άλλο ποντίκι κάτω από την κουκούλα, αλλά αυτή τη φορά υπήρχε ένα κλαδάκι μέντας κάτω από την κουκούλα μαζί με το ποντίκι και ως αποτέλεσμα το ποντίκι έμεινε ζωντανό. Το αποτέλεσμα που προέκυψε οδήγησε τον επιστήμονα στην ιδέα ότι υπάρχει μια συγκεκριμένη διαδικασία αντίθετη από την αναπνοή. Ένα άλλο σημαντικό συμπέρασμα αυτού του πειράματος ήταν η ανακάλυψη του οξυγόνου ως ζωτικής σημασίας για όλα τα ζωντανά όντα (το πρώτο ποντίκι πέθανε από την απουσία του, το δεύτερο επέζησε χάρη σε ένα κλαδάκι μέντας, το οποίο δημιούργησε οξυγόνο κατά τη διαδικασία της φωτοσύνθεσης).

Έτσι, διαπιστώθηκε το γεγονός ότι τα πράσινα μέρη των φυτών είναι ικανά να απελευθερώνουν οξυγόνο. Στη συνέχεια, το 1782, ο Ελβετός επιστήμονας Jean Senebier απέδειξε ότι το διοξείδιο του άνθρακα αποσυντίθεται σε πράσινα φυτά υπό την επίδραση του φωτός - στην πραγματικότητα, ανακαλύφθηκε μια άλλη πλευρά της φωτοσύνθεσης. Στη συνέχεια, άλλα 5 χρόνια αργότερα, ο Γάλλος επιστήμονας Jacques Boussengo ανακάλυψε ότι τα φυτά απορροφούν νερό κατά τη σύνθεση οργανικών ουσιών.

Και η τελευταία συγχορδία σε μια σειρά επιστημονικών ανακαλύψεων που σχετίζονται με το φαινόμενο της φωτοσύνθεσης ήταν η ανακάλυψη του Γερμανού βοτανολόγου Julius Sachs, ο οποίος το 1864 κατάφερε να αποδείξει ότι ο όγκος του διοξειδίου του άνθρακα που καταναλώνεται και το οξυγόνο που απελευθερώνεται συμβαίνει σε αναλογία 1:1.

Η σημασία της φωτοσύνθεσης στη ζωή του ανθρώπου

Αν φανταστείτε μεταφορικά, το φύλλο οποιουδήποτε φυτού μπορεί να συγκριθεί με ένα μικρό εργαστήριο, τα παράθυρα του οποίου βλέπουν στην ηλιόλουστη πλευρά. Σε αυτό ακριβώς το εργαστήριο, συμβαίνει ο σχηματισμός οργανικών ουσιών και οξυγόνου, που είναι η βάση για την ύπαρξη οργανικής ζωής στη Γη. Εξάλλου, χωρίς οξυγόνο και φωτοσύνθεση, η ζωή απλά δεν θα υπήρχε στη Γη.

Αλλά αν η φωτοσύνθεση είναι τόσο σημαντική για τη ζωή και την απελευθέρωση οξυγόνου, τότε πώς ζουν οι άνθρωποι (και όχι μόνο οι άνθρωποι), για παράδειγμα στην έρημο, όπου υπάρχουν ελάχιστα πράσινα φυτά ή, για παράδειγμα, σε μια βιομηχανική πόλη όπου τα δέντρα είναι σπάνια. Γεγονός είναι ότι τα χερσαία φυτά αντιπροσωπεύουν μόνο το 20% του οξυγόνου που απελευθερώνεται στην ατμόσφαιρα, ενώ το υπόλοιπο 80% απελευθερώνεται από τη θάλασσα και τα φύκια των ωκεανών. ”

Φόρμουλα φωτοσύνθεσης

Ο γενικός τύπος για τη φωτοσύνθεση μπορεί να γραφτεί ως εξής:

Νερό + Διοξείδιο του άνθρακα + Φως > Υδατάνθρακες + Οξυγόνο

Αυτός είναι ο τύπος για τη χημική αντίδραση της φωτοσύνθεσης:

6CO 2 + 6H 2 O = C6H 12 O 6 + 6O 2

Η σημασία της φωτοσύνθεσης για τα φυτά

Τώρα ας προσπαθήσουμε να απαντήσουμε στο ερώτημα γιατί τα φυτά χρειάζονται φωτοσύνθεση. Στην πραγματικότητα, η παροχή οξυγόνου στην ατμόσφαιρα του πλανήτη μας δεν είναι ο μόνος λόγος για να συμβεί αυτή η βιολογική διαδικασία είναι ζωτικής σημασίας όχι μόνο για τους ανθρώπους και τα ζώα, αλλά και για τα ίδια τα φυτά, επειδή οι οργανικές ουσίες που σχηματίζονται κατά τη φωτοσύνθεση. αποτελούν τη βάση της φυτικής ζωής.

Πώς γίνεται η φωτοσύνθεση;

Η κύρια μηχανή της φωτοσύνθεσης είναι η χλωροφύλλη - μια ειδική χρωστική ουσία που περιέχεται στα φυτικά κύτταρα, η οποία, μεταξύ άλλων, είναι υπεύθυνη για το πράσινο χρώμα των φύλλων των δέντρων και άλλων φυτών. Η χλωροφύλλη είναι μια σύνθετη οργανική ένωση που έχει επίσης μια σημαντική ιδιότητα - την ικανότητα να απορροφά το ηλιακό φως. Απορροφώντας το, είναι η χλωροφύλλη που ενεργοποιεί αυτό το μικρό βιοχημικό εργαστήριο που περιέχεται σε κάθε μικρό φύλλο, σε κάθε λεπίδα χόρτου και σε κάθε φύκι. Στη συνέχεια, λαμβάνει χώρα η φωτοσύνθεση (δείτε τον παραπάνω τύπο), κατά την οποία το νερό και το διοξείδιο του άνθρακα μετατρέπονται σε υδατάνθρακες απαραίτητους για τα φυτά και σε οξυγόνο απαραίτητο για όλα τα ζωντανά όντα. Οι μηχανισμοί της φωτοσύνθεσης είναι ένα έξυπνο δημιούργημα της φύσης.

Φάσεις φωτοσύνθεσης

Επίσης, η διαδικασία της φωτοσύνθεσης αποτελείται από δύο στάδια: το φως και το σκοτάδι. Και παρακάτω θα γράψουμε αναλυτικά για καθένα από αυτά.

Η φωτοσύνθεση είναι ένα σύνολο διαδικασιών σχηματισμού φωτεινής ενέργειας σε ενέργεια χημικών δεσμών οργανικών ουσιών με τη συμμετοχή φωτοσυνθετικών χρωστικών.

Αυτός ο τύπος διατροφής είναι χαρακτηριστικός των φυτών, των προκαρυωτών και ορισμένων τύπων μονοκύτταρων ευκαρυωτών.

Κατά τη φυσική σύνθεση, ο άνθρακας και το νερό, σε αλληλεπίδραση με το φως, μετατρέπονται σε γλυκόζη και ελεύθερο οξυγόνο:

6CO2 + 6H2O + φωτεινή ενέργεια → C6H12O6 + 6O2

Η σύγχρονη φυτική φυσιολογία κατανοεί την έννοια της φωτοσύνθεσης ως φωτοαυτοτροφική λειτουργία, η οποία είναι ένα σύνολο διαδικασιών απορρόφησης, μετασχηματισμού και χρήσης κβαντών φωτεινής ενέργειας σε διάφορες μη αυθόρμητες αντιδράσεις, συμπεριλαμβανομένης της μετατροπής του διοξειδίου του άνθρακα σε οργανική ύλη.

Φάσεις

Φωτοσύνθεση στα φυτά εμφανίζεται στα φύλλα μέσω των χλωροπλαστών- ημιαυτόνομα οργανίδια διπλής μεμβράνης που ανήκουν στην κατηγορία των πλαστιδίων. Το επίπεδο σχήμα των ελασμάτων εξασφαλίζει απορρόφηση υψηλής ποιότητας και πλήρη χρήση της φωτεινής ενέργειας και του διοξειδίου του άνθρακα. Το νερό που απαιτείται για τη φυσική σύνθεση προέρχεται από τις ρίζες μέσω ιστού που αγωγιάζει το νερό. Η ανταλλαγή αερίων γίνεται με διάχυση μέσω της στομίας και εν μέρει μέσω της επιδερμίδας.

Οι χλωροπλάστες είναι γεμάτοι με άχρωμο στρώμα και διεισδύουν από ελάσματα, τα οποία όταν συνδέονται μεταξύ τους σχηματίζουν θυλακοειδή. Σε αυτά συμβαίνει η φωτοσύνθεση. Τα ίδια τα κυανοβακτήρια είναι χλωροπλάστες, επομένως η συσκευή για τη φυσική σύνθεση σε αυτά δεν διαχωρίζεται σε ξεχωριστό οργανίδιο.

Η φωτοσύνθεση προχωρά με τη συμμετοχή χρωστικών, που είναι συνήθως χλωροφύλλες. Μερικοί οργανισμοί περιέχουν μια άλλη χρωστική ουσία, ένα καροτενοειδές ή φυκοβιλίνη. Οι προκαρυώτες έχουν τη χρωστική ουσία βακτηριοχλωροφύλλη και αυτοί οι οργανισμοί δεν απελευθερώνουν οξυγόνο μετά την ολοκλήρωση της φυσικής σύνθεσης.

Η φωτοσύνθεση περνά από δύο φάσεις - το φως και το σκοτάδι. Κάθε ένα από αυτά χαρακτηρίζεται από ορισμένες αντιδράσεις και αλληλεπιδρώντες ουσίες. Ας ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά στη διαδικασία των φάσεων της φωτοσύνθεσης.

Φως

Πρώτη φάση της φωτοσύνθεσηςχαρακτηρίζεται από το σχηματισμό προϊόντων υψηλής ενέργειας, τα οποία είναι το ATP, η κυτταρική πηγή ενέργειας και το NADP, ο αναγωγικός παράγοντας. Στο τέλος του σταδίου, το οξυγόνο παράγεται ως υποπροϊόν. Το στάδιο φωτός εμφανίζεται αναγκαστικά με το φως του ήλιου.

Η διαδικασία της φωτοσύνθεσης λαμβάνει χώρα σε θυλακοειδή μεμβράνες με τη συμμετοχή πρωτεϊνών μεταφοράς ηλεκτρονίων, συνθετάσης ATP και χλωροφύλλης (ή άλλης χρωστικής ουσίας).

Η λειτουργία των ηλεκτροχημικών αλυσίδων, μέσω των οποίων μεταφέρονται ηλεκτρόνια και εν μέρει πρωτόνια υδρογόνου, σχηματίζεται σε πολύπλοκα σύμπλοκα που σχηματίζονται από χρωστικές και ένζυμα.

Περιγραφή της διαδικασίας ελαφριάς φάσης:

1. Όταν το ηλιακό φως χτυπά τις λεπίδες των φύλλων των φυτικών οργανισμών, τα ηλεκτρόνια της χλωροφύλλης στη δομή των πλακών διεγείρονται.
2. Στην ενεργή κατάσταση, τα σωματίδια εγκαταλείπουν το μόριο της χρωστικής και προσγειώνονται στην εξωτερική πλευρά του θυλακοειδούς, το οποίο είναι αρνητικά φορτισμένο. Αυτό συμβαίνει ταυτόχρονα με την οξείδωση και την επακόλουθη μείωση των μορίων της χλωροφύλλης, τα οποία αφαιρούν τα επόμενα ηλεκτρόνια από το νερό που εισέρχεται στα φύλλα.
3. Στη συνέχεια λαμβάνει χώρα η φωτόλυση του νερού με το σχηματισμό ιόντων, τα οποία δίνουν ηλεκτρόνια και μετατρέπονται σε ρίζες ΟΗ που μπορούν να συμμετάσχουν σε περαιτέρω αντιδράσεις.
4. Αυτές οι ρίζες στη συνέχεια συνδυάζονται για να σχηματίσουν μόρια νερού και ελεύθερο οξυγόνο που απελευθερώνεται στην ατμόσφαιρα.
5. Η θυλακοειδής μεμβράνη αποκτά θετικό φορτίο στη μία πλευρά λόγω του ιόντος υδρογόνου και από την άλλη πλευρά αρνητικό φορτίο λόγω ηλεκτρονίων.
6. Όταν επιτευχθεί διαφορά 200 mV μεταξύ των πλευρών της μεμβράνης, τα πρωτόνια διέρχονται από το ένζυμο συνθετάση ATP, το οποίο οδηγεί στη μετατροπή του ADP σε ATP (διαδικασία φωσφορυλίωσης).
7. Με το ατομικό υδρογόνο που απελευθερώνεται από το νερό, το NADP + ανάγεται σε NADP H2.

Ενώ το ελεύθερο οξυγόνο απελευθερώνεται στην ατμόσφαιρα κατά τη διάρκεια των αντιδράσεων, το ATP και το NADP H2 συμμετέχουν στη σκοτεινή φάση της φυσικής σύνθεσης.

Σκοτάδι

Ένα υποχρεωτικό συστατικό για αυτό το στάδιο είναι το διοξείδιο του άνθρακα, που τα φυτά απορροφούν συνεχώς από το εξωτερικό περιβάλλον μέσω των στομάτων στα φύλλα. Οι διεργασίες της σκοτεινής φάσης λαμβάνουν χώρα στο στρώμα του χλωροπλάστη. Δεδομένου ότι σε αυτό το στάδιο δεν απαιτείται πολλή ηλιακή ενέργεια και θα παραχθεί αρκετό ATP και NADP H2 κατά τη φάση του φωτός, αντιδράσεις στους οργανισμούς μπορεί να συμβούν τόσο την ημέρα όσο και τη νύχτα. Οι διαδικασίες σε αυτό το στάδιο συμβαίνουν ταχύτερα από ό,τι στο προηγούμενο.

Το σύνολο όλων των διεργασιών που συμβαίνουν στη σκοτεινή φάση παρουσιάζεται με τη μορφή μιας μοναδικής αλυσίδας διαδοχικών μετασχηματισμών του διοξειδίου του άνθρακα που προέρχονται από το εξωτερικό περιβάλλον:

1. Η πρώτη αντίδραση σε μια τέτοια αλυσίδα είναι η δέσμευση διοξειδίου του άνθρακα. Η παρουσία του ενζύμου RiBP-καρβοξυλάση συμβάλλει στην ταχεία και ομαλή πορεία της αντίδρασης, η οποία έχει ως αποτέλεσμα το σχηματισμό μιας ένωσης έξι άνθρακα που διασπάται σε 2 μόρια φωσφογλυκερικού οξέος.
2. Στη συνέχεια, εμφανίζεται ένας αρκετά περίπλοκος κύκλος, συμπεριλαμβανομένου ενός ορισμένου αριθμού αντιδράσεων, με την ολοκλήρωση των οποίων το φωσφογλυκερικό οξύ μετατρέπεται σε φυσικό σάκχαρο - γλυκόζη. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται κύκλος Calvin.

Μαζί με τη ζάχαρη, εμφανίζεται και ο σχηματισμός λιπαρών οξέων, αμινοξέων, γλυκερίνης και νουκλεοτιδίων.

Η ουσία της φωτοσύνθεσης

Από τον πίνακα που συγκρίνει τις φωτεινές και σκοτεινές φάσεις της φυσικής σύνθεσης, μπορείτε να περιγράψετε εν συντομία την ουσία καθεμιάς από αυτές. Η φωτεινή φάση εμφανίζεται στο grana του χλωροπλάστη με την υποχρεωτική συμπερίληψη της φωτεινής ενέργειας στην αντίδραση. Οι αντιδράσεις περιλαμβάνουν συστατικά όπως πρωτεΐνες μεταφοράς ηλεκτρονίων, συνθετάση ATP και χλωροφύλλη, τα οποία, όταν αλληλεπιδρούν με το νερό, σχηματίζουν ελεύθερο οξυγόνο, ATP και NADP H2. Για τη σκοτεινή φάση, που εμφανίζεται στο στρώμα του χλωροπλάστη, το ηλιακό φως δεν είναι απαραίτητο. Το ATP και το NADP H2 που ελήφθησαν στο προηγούμενο στάδιο, όταν αλληλεπιδρούν με το διοξείδιο του άνθρακα, σχηματίζουν φυσικό σάκχαρο (γλυκόζη).

Όπως φαίνεται από τα παραπάνω, η φωτοσύνθεση φαίνεται να είναι ένα μάλλον περίπλοκο και πολλαπλών σταδίων φαινόμενο, συμπεριλαμβανομένων πολλών αντιδράσεων που περιλαμβάνουν διαφορετικές ουσίες. Ως αποτέλεσμα της φυσικής σύνθεσης, λαμβάνεται οξυγόνο, το οποίο είναι απαραίτητο για την αναπνοή των ζωντανών οργανισμών και την προστασία τους από την υπεριώδη ακτινοβολία μέσω του σχηματισμού της στιβάδας του όζοντος.

ΟΡΙΣΜΟΣ: Φωτοσύνθεση είναι η διαδικασία σχηματισμού οργανικών ουσιών από διοξείδιο του άνθρακα και νερό, στο φως, με την απελευθέρωση οξυγόνου.

Η διαδικασία της φωτοσύνθεσης περιλαμβάνει:

1) χλωροπλάστες,

3) διοξείδιο του άνθρακα,

5) θερμοκρασία.

Στα ανώτερα φυτά, η φωτοσύνθεση λαμβάνει χώρα σε χλωροπλάστες - πλαστίδια οβάλ σχήματος (ημιαυτόνομα οργανίδια) που περιέχουν τη χρωστική ουσία χλωροφύλλη, χάρη στο πράσινο χρώμα της οποίας μέρη του φυτού έχουν επίσης πράσινο χρώμα.

Στα φύκια, η χλωροφύλλη περιέχεται στα χρωματοφόρα (κύτταρα που περιέχουν χρωστική και αντανακλούν το φως). Τα καφέ και τα κόκκινα φύκια, που ζουν σε σημαντικά βάθη όπου το ηλιακό φως δεν φτάνει καλά, έχουν άλλες χρωστικές ουσίες.

Αν κοιτάξετε την τροφική πυραμίδα όλων των ζωντανών όντων, οι φωτοσυνθετικοί οργανισμοί βρίσκονται στον πάτο, ανάμεσα στους αυτότροφους (οργανισμούς που συνθέτουν οργανικές ουσίες από ανόργανες). Ως εκ τούτου, αποτελούν πηγή τροφής για όλη τη ζωή στον πλανήτη.

Κατά τη φωτοσύνθεση, το οξυγόνο απελευθερώνεται στην ατμόσφαιρα. Στα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας, το όζον σχηματίζεται από αυτό. Η ασπίδα του όζοντος προστατεύει την επιφάνεια της Γης από τη σκληρή υπεριώδη ακτινοβολία, επιτρέποντας στη ζωή να αναδύεται από τη θάλασσα στη στεριά.

Το οξυγόνο είναι απαραίτητο για την αναπνοή των φυτών και των ζώων. Όταν η γλυκόζη οξειδώνεται με τη συμμετοχή οξυγόνου, τα μιτοχόνδρια αποθηκεύουν σχεδόν 20 φορές περισσότερη ενέργεια από ό,τι χωρίς αυτό. Αυτό καθιστά τη χρήση της τροφής πολύ πιο αποτελεσματική, γεγονός που έχει οδηγήσει σε υψηλούς μεταβολικούς ρυθμούς σε πτηνά και θηλαστικά.

Μια πιο λεπτομερής περιγραφή της διαδικασίας της φωτοσύνθεσης στα φυτά

Πρόοδος φωτοσύνθεσης:

Η διαδικασία της φωτοσύνθεσης ξεκινά με το φως να χτυπά τους χλωροπλάστες - ενδοκυτταρικά ημιαυτόνομα οργανίδια που περιέχουν πράσινη χρωστική ουσία. Όταν εκτίθενται στο φως, οι χλωροπλάστες αρχίζουν να καταναλώνουν νερό από το έδαφος, χωρίζοντάς το σε υδρογόνο και οξυγόνο.

Μέρος του οξυγόνου απελευθερώνεται στην ατμόσφαιρα, το άλλο μέρος πηγαίνει σε οξειδωτικές διεργασίες στο φυτό.

Η ζάχαρη συνδυάζεται με άζωτο, θείο και φώσφορο που προέρχονται από το έδαφος, με αυτόν τον τρόπο τα πράσινα φυτά παράγουν άμυλο, λίπη, πρωτεΐνες, βιταμίνες και άλλες σύνθετες ενώσεις απαραίτητες για τη ζωή τους.

Η φωτοσύνθεση γίνεται καλύτερα υπό την επίδραση του ηλιακού φωτός, αλλά ορισμένα φυτά μπορεί να είναι ικανοποιημένα με τεχνητό φωτισμό.

Μια σύνθετη περιγραφή των μηχανισμών της φωτοσύνθεσης για τον προχωρημένο αναγνώστη

Μέχρι τη δεκαετία του '60 του 20ου αιώνα, οι επιστήμονες γνώριζαν μόνο έναν μηχανισμό για τη δέσμευση του διοξειδίου του άνθρακα - μέσω της οδού C3-φωσφορικής πεντόζης. Ωστόσο, πρόσφατα μια ομάδα Αυστραλών επιστημόνων μπόρεσε να αποδείξει ότι σε ορισμένα φυτά η μείωση του διοξειδίου του άνθρακα συμβαίνει μέσω του κύκλου του C4-δικαρβοξυλικού οξέος.

Στα φυτά με αντίδραση C3, η φωτοσύνθεση γίνεται πιο ενεργά σε συνθήκες μέτριας θερμοκρασίας και φωτός, κυρίως σε δάση και σκοτεινά μέρη. Τέτοια φυτά περιλαμβάνουν σχεδόν όλα τα καλλιεργούμενα φυτά και τα περισσότερα λαχανικά. Αποτελούν τη βάση της ανθρώπινης διατροφής.

Στα φυτά με αντίδραση C4, η φωτοσύνθεση λαμβάνει χώρα πιο ενεργά υπό συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας και φωτός. Τέτοια φυτά περιλαμβάνουν, για παράδειγμα, το καλαμπόκι, το σόργο και το ζαχαροκάλαμο, που αναπτύσσονται σε ζεστά και τροπικά κλίματα.

Ο ίδιος ο μεταβολισμός των φυτών ανακαλύφθηκε πολύ πρόσφατα, όταν ανακαλύφθηκε ότι σε ορισμένα φυτά που έχουν ειδικούς ιστούς για την αποθήκευση νερού, το διοξείδιο του άνθρακα συσσωρεύεται με τη μορφή οργανικών οξέων και στερεώνεται στους υδατάνθρακες μόνο μετά από μια μέρα. Αυτός ο μηχανισμός βοηθά τα φυτά να εξοικονομούν νερό.

Πώς συμβαίνει η διαδικασία της φωτοσύνθεσης;

Το φυτό απορροφά το φως χρησιμοποιώντας μια πράσινη ουσία που ονομάζεται χλωροφύλλη. Η χλωροφύλλη βρίσκεται στους χλωροπλάστες, οι οποίοι βρίσκονται στους μίσχους ή στους καρπούς. Υπάρχει ιδιαίτερα μεγάλη ποσότητα από αυτά στα φύλλα, επειδή λόγω της πολύ επίπεδης δομής του, το φύλλο μπορεί να προσελκύσει πολύ φως και επομένως να λάβει πολύ περισσότερη ενέργεια για τη διαδικασία της φωτοσύνθεσης.

Μετά την απορρόφηση, η χλωροφύλλη βρίσκεται σε διεγερμένη κατάσταση και μεταφέρει ενέργεια σε άλλα μόρια του φυτικού σώματος, ειδικά σε αυτά που εμπλέκονται άμεσα στη φωτοσύνθεση. Το δεύτερο στάδιο της διαδικασίας της φωτοσύνθεσης λαμβάνει χώρα χωρίς την υποχρεωτική συμμετοχή του φωτός και συνίσταται στη λήψη χημικού δεσμού με τη συμμετοχή διοξειδίου του άνθρακα που λαμβάνεται από τον αέρα και το νερό. Σε αυτό το στάδιο, συντίθενται διάφορες πολύ χρήσιμες για τη ζωή ουσίες, όπως το άμυλο και η γλυκόζη.

Αυτές οι οργανικές ουσίες χρησιμοποιούνται από τα ίδια τα φυτά για να θρέψουν τα διάφορα μέρη του, καθώς και για να διατηρήσουν τις φυσιολογικές λειτουργίες της ζωής. Επιπλέον, αυτές οι ουσίες λαμβάνονται επίσης από τα ζώα τρώγοντας φυτά. Οι άνθρωποι παίρνουν επίσης αυτές τις ουσίες τρώγοντας τρόφιμα ζωικής και φυτικής προέλευσης.

Προϋποθέσεις φωτοσύνθεσης

Η φωτοσύνθεση μπορεί να συμβεί τόσο υπό την επίδραση του τεχνητού φωτός όσο και του ηλιακού φωτός. Κατά κανόνα, στη φύση, τα φυτά "εργάζονται" εντατικά την άνοιξη και το καλοκαίρι, όταν υπάρχει πολύ απαραίτητο ηλιακό φως. Το φθινόπωρο έχει λιγότερο φως, οι μέρες μικραίνουν, τα φύλλα πρώτα κιτρινίζουν και μετά πέφτουν. Αλλά μόλις εμφανιστεί ο ζεστός ανοιξιάτικος ήλιος, το πράσινο φύλλωμα θα επανεμφανιστεί και τα πράσινα «εργοστάσια» θα ξαναρχίσουν τη δουλειά τους για να παρέχουν το τόσο απαραίτητο οξυγόνο για τη ζωή, καθώς και πολλά άλλα θρεπτικά συστατικά.

Εναλλακτικός ορισμός της φωτοσύνθεσης

Η φωτοσύνθεση (από τα αρχαία ελληνικά photo-light and synthesis - σύνδεση, δίπλωμα, δέσμευση, σύνθεση) είναι η διαδικασία μετατροπής της φωτεινής ενέργειας σε ενέργεια χημικών δεσμών οργανικών ουσιών στο φως από φωτοαυτοτροφικά με τη συμμετοχή φωτοσυνθετικών χρωστικών (χλωροφύλλη στα φυτά , βακτηριοχλωροφύλλη και βακτηριοροδοψίνη στα βακτήρια). Στη σύγχρονη φυτική φυσιολογία, η φωτοσύνθεση γίνεται πιο συχνά κατανοητή ως φωτοαυτοτροφική λειτουργία - ένα σύνολο διαδικασιών απορρόφησης, μετασχηματισμού και χρήσης της ενέργειας των κβαντών φωτός σε διάφορες ενεργονικές αντιδράσεις, συμπεριλαμβανομένης της μετατροπής του διοξειδίου του άνθρακα σε οργανικές ουσίες.

Φάσεις φωτοσύνθεσης

Η φωτοσύνθεση είναι μια αρκετά περίπλοκη διαδικασία και περιλαμβάνει δύο φάσεις: το φως, που εμφανίζεται πάντα αποκλειστικά στο φως και το σκοτάδι. Όλες οι διεργασίες συμβαίνουν μέσα στους χλωροπλάστες σε ειδικά μικρά όργανα - θυλακωδία. Κατά τη φάση του φωτός, ένα κβάντο φωτός απορροφάται από τη χλωροφύλλη, με αποτέλεσμα το σχηματισμό μορίων ATP και NADPH. Το νερό στη συνέχεια διασπάται, σχηματίζοντας ιόντα υδρογόνου και απελευθερώνοντας ένα μόριο οξυγόνου. Τίθεται το ερώτημα, ποιες είναι αυτές οι ακατανόητες μυστηριώδεις ουσίες: ATP και NADH;

Το ATP είναι ένα ειδικό οργανικό μόριο που βρίσκεται σε όλους τους ζωντανούς οργανισμούς και συχνά ονομάζεται «ενεργειακό» νόμισμα. Αυτά τα μόρια είναι που περιέχουν δεσμούς υψηλής ενέργειας και αποτελούν την πηγή ενέργειας σε κάθε οργανική σύνθεση και χημικές διεργασίες στο σώμα. Λοιπόν, το NADPH είναι στην πραγματικότητα μια πηγή υδρογόνου, χρησιμοποιείται απευθείας στη σύνθεση υψηλού μοριακών οργανικών ουσιών - υδατανθράκων, η οποία συμβαίνει στη δεύτερη, σκοτεινή φάση της φωτοσύνθεσης χρησιμοποιώντας διοξείδιο του άνθρακα.

Η ελαφριά φάση της φωτοσύνθεσης

Οι χλωροπλάστες περιέχουν πολλά μόρια χλωροφύλλης και όλα απορροφούν το ηλιακό φως. Ταυτόχρονα, το φως απορροφάται από άλλες χρωστικές, αλλά δεν μπορούν να πραγματοποιήσουν φωτοσύνθεση. Η ίδια η διαδικασία εμφανίζεται μόνο σε ορισμένα μόρια χλωροφύλλης, από τα οποία είναι πολύ λίγα. Άλλα μόρια χλωροφύλλης, καροτενοειδών και άλλων ουσιών σχηματίζουν ειδικά σύμπλοκα κεραίας και συγκομιδής φωτός (LHC). Όπως και οι κεραίες, απορροφούν κβάντα φωτός και μεταδίδουν διέγερση σε ειδικά κέντρα αντίδρασης ή παγίδες. Αυτά τα κέντρα βρίσκονται σε φωτοσυστήματα, από τα οποία τα φυτά έχουν δύο: το φωτοσύστημα II και το φωτοσύστημα I. Περιέχουν ειδικά μόρια χλωροφύλλης: αντίστοιχα, στο φωτοσύστημα II - P680, και στο φωτοσύστημα I - P700. Απορροφούν φως ακριβώς αυτού του μήκους κύματος (680 και 700 nm).

Το διάγραμμα καθιστά πιο σαφές πώς όλα φαίνονται και συμβαίνουν κατά τη διάρκεια της φωτεινής φάσης της φωτοσύνθεσης.

Στο σχήμα βλέπουμε δύο φωτοσυστήματα με χλωροφύλλες P680 και P700. Το σχήμα δείχνει επίσης τους φορείς μέσω των οποίων γίνεται η μεταφορά ηλεκτρονίων.

Άρα: και τα δύο μόρια χλωροφύλλης δύο φωτοσυστημάτων απορροφούν ένα κβάντο φωτός και διεγείρονται. Το ηλεκτρόνιο e- (κόκκινο στο σχήμα) μετακινείται σε υψηλότερο ενεργειακό επίπεδο.

Τα διεγερμένα ηλεκτρόνια έχουν πολύ υψηλή ενέργεια, αποσπώνται και εισέρχονται σε μια ειδική αλυσίδα μεταφορέων, η οποία βρίσκεται στις μεμβράνες των θυλακοειδών - τις εσωτερικές δομές των χλωροπλαστών. Το σχήμα δείχνει ότι από το φωτοσύστημα II από τη χλωροφύλλη P680 ένα ηλεκτρόνιο πηγαίνει στην πλαστοκινόνη και από το φωτοσύστημα Ι από τη χλωροφύλλη P700 στη φερρεδοξίνη. Στα ίδια τα μόρια της χλωροφύλλης, στη θέση των ηλεκτρονίων μετά την απομάκρυνσή τους, σχηματίζονται μπλε τρύπες με θετικό φορτίο. Τι να κάνω?

Για να αντισταθμιστεί η έλλειψη ηλεκτρονίου, το μόριο χλωροφύλλης P680 του φωτοσυστήματος II δέχεται ηλεκτρόνια από το νερό και σχηματίζονται ιόντα υδρογόνου. Επιπλέον, λόγω της διάσπασης του νερού απελευθερώνεται οξυγόνο στην ατμόσφαιρα. Και το μόριο χλωροφύλλης P700, όπως φαίνεται από το σχήμα, αναπληρώνει την έλλειψη ηλεκτρονίων μέσω ενός συστήματος φορέων από το φωτοσύστημα II.

Γενικά, όσο δύσκολο κι αν είναι, έτσι ακριβώς προχωρά η ελαφριά φάση της φωτοσύνθεσης, η κύρια ουσία της είναι η μεταφορά ηλεκτρονίων. Μπορείτε επίσης να δείτε από το σχήμα ότι παράλληλα με τη μεταφορά ηλεκτρονίων, ιόντα υδρογόνου H+ κινούνται μέσω της μεμβράνης και συσσωρεύονται μέσα στο θυλακοειδή. Δεδομένου ότι υπάρχουν πολλά από αυτά εκεί, κινούνται προς τα έξω με τη βοήθεια ενός ειδικού παράγοντα σύζευξης, ο οποίος είναι πορτοκαλί στην εικόνα, που φαίνεται στα δεξιά και μοιάζει με μανιτάρι.

Τέλος, βλέπουμε το τελικό στάδιο της μεταφοράς ηλεκτρονίων, το οποίο έχει ως αποτέλεσμα το σχηματισμό της προαναφερθείσας ένωσης NADH. Και λόγω της μεταφοράς ιόντων Η+, συντίθεται ενεργειακό νόμισμα - ATP (βλέπεται στα δεξιά στο σχήμα).

Έτσι, ολοκληρώνεται η φωτεινή φάση της φωτοσύνθεσης, απελευθερώνεται οξυγόνο στην ατμόσφαιρα, σχηματίζονται ATP και NADH. Τι έπεται? Πού είναι η οργανική ύλη που υποσχέθηκε; Και μετά έρχεται το σκοτεινό στάδιο, το οποίο αποτελείται κυρίως από χημικές διεργασίες.

Σκοτεινή φάση της φωτοσύνθεσης

Για τη σκοτεινή φάση της φωτοσύνθεσης, το διοξείδιο του άνθρακα – CO2 – είναι απαραίτητο συστατικό. Επομένως, το φυτό πρέπει να το απορροφά συνεχώς από την ατμόσφαιρα. Για το σκοπό αυτό υπάρχουν ειδικές δομές στην επιφάνεια του φύλλου - στομάτων. Όταν ανοίγουν, το CO2 εισέρχεται στο φύλλο, διαλύεται στο νερό και αντιδρά με την ελαφριά φάση της φωτοσύνθεσης.

Κατά τη διάρκεια της ελαφριάς φάσης στα περισσότερα φυτά, το CO2 συνδέεται με μια οργανική ένωση πέντε άνθρακα (η οποία είναι μια αλυσίδα πέντε μορίων άνθρακα), με αποτέλεσμα τον σχηματισμό δύο μορίων μιας ένωσης τριών άνθρακα (3-φωσφογλυκερικό οξύ). Επειδή Το πρωταρχικό αποτέλεσμα είναι ακριβώς αυτές οι ενώσεις τριών άνθρακα με αυτόν τον τύπο φωτοσύνθεσης ονομάζονται φυτά C3.

Περαιτέρω σύνθεση σε χλωροπλάστες συμβαίνει μάλλον περίπλοκα. Τελικά σχηματίζει μια ένωση έξι άνθρακα, από την οποία μπορεί στη συνέχεια να συντεθεί γλυκόζη, σακχαρόζη ή άμυλο. Με τη μορφή αυτών των οργανικών ουσιών, το φυτό συσσωρεύει ενέργεια. Σε αυτή την περίπτωση, μόνο ένα μικρό μέρος τους παραμένει στο φύλλο, το οποίο χρησιμοποιείται για τις ανάγκες του, ενώ οι υπόλοιποι υδατάνθρακες ταξιδεύουν σε όλο το φυτό, φτάνοντας εκεί που χρειάζεται περισσότερο ενέργεια - για παράδειγμα, στα σημεία ανάπτυξης.

Τα φυτά μετατρέπουν το ηλιακό φως σε αποθηκευμένη χημική ενέργεια σε δύο βήματα: πρώτον, συλλαμβάνουν την ενέργεια από το ηλιακό φως και στη συνέχεια τη χρησιμοποιούν για να σταθεροποιήσουν τον άνθρακα για να σχηματίσουν οργανικά μόρια.

Πράσινα φυτά - τα αποκαλούν οι βιολόγοι αυτότροφοι- η βάση της ζωής στον πλανήτη. Σχεδόν όλες οι τροφικές αλυσίδες ξεκινούν με φυτά. Μετατρέπουν την ενέργεια που πέφτει πάνω τους με τη μορφή ηλιακού φωτός σε ενέργεια που αποθηκεύεται σε υδατάνθρακες ( εκ.Βιολογικά μόρια), από τα οποία το σημαντικότερο είναι η γλυκόζη με έξι άνθρακα. Αυτή η διαδικασία μετατροπής ενέργειας ονομάζεται φωτοσύνθεση. Άλλοι ζωντανοί οργανισμοί έχουν πρόσβαση σε αυτήν την ενέργεια τρώγοντας φυτά. Αυτό δημιουργεί μια τροφική αλυσίδα που υποστηρίζει το πλανητικό οικοσύστημα.

Επιπλέον, ο αέρας που αναπνέουμε είναι κορεσμένος με οξυγόνο χάρη στη φωτοσύνθεση. Η συνολική εξίσωση για τη φωτοσύνθεση μοιάζει με αυτό:

νερό + διοξείδιο του άνθρακα + φως → υδατάνθρακες + οξυγόνο

Τα φυτά απορροφούν το διοξείδιο του άνθρακα που παράγεται κατά την αναπνοή και απελευθερώνουν οξυγόνο, ένα απόβλητο προϊόν των φυτών ( εκ.Γλυκόλυση και αναπνοή). Επιπλέον, η φωτοσύνθεση παίζει κρίσιμο ρόλο στον κύκλο του άνθρακα στη φύση.

Φαίνεται περίεργο ότι, παρά τη σημασία της φωτοσύνθεσης, οι επιστήμονες δεν άρχισαν να τη μελετούν για τόσο καιρό. Μετά το πείραμα του Van Helmont, που διεξήχθη τον 17ο αιώνα, υπήρξε μια ηρεμία και μόνο το 1905 ο Άγγλος φυσιολόγος φυτών Frederick Blackman (1866-1947) διεξήγαγε έρευνα και καθιέρωσε τις βασικές διαδικασίες της φωτοσύνθεσης. Έδειξε ότι η φωτοσύνθεση ξεκινά σε χαμηλό φωτισμό, ότι ο ρυθμός της φωτοσύνθεσης αυξάνεται με την αύξηση της ροής φωτός, αλλά, ξεκινώντας από ένα ορισμένο επίπεδο, οι περαιτέρω αυξήσεις του φωτισμού δεν οδηγούν πλέον σε αύξηση της φωτοσυνθετικής δραστηριότητας. Ο Blackman έδειξε ότι η αύξηση της θερμοκρασίας σε συνθήκες χαμηλού φωτισμού δεν είχε καμία επίδραση στον ρυθμό της φωτοσύνθεσης, αλλά ότι όταν η θερμοκρασία και το φως αυξάνονταν ταυτόχρονα, ο ρυθμός φωτοσύνθεσης αυξήθηκε σημαντικά περισσότερο από ό,τι με αυξημένο φως μόνο.

Από αυτά τα πειράματα, ο Blackman συμπέρανε ότι συνέβαιναν δύο διεργασίες: η μία εξαρτιόταν σε μεγάλο βαθμό από το επίπεδο φωτός αλλά όχι από τη θερμοκρασία, ενώ η άλλη επηρεαζόταν έντονα από τη θερμοκρασία ανεξάρτητα από το επίπεδο φωτός. Αυτή η διορατικότητα αποτέλεσε τη βάση των σύγχρονων ιδεών για τη φωτοσύνθεση. Οι δύο διεργασίες ονομάζονται μερικές φορές αντιδράσεις «φωτός» και «σκοτεινός», κάτι που δεν είναι απολύτως σωστό, καθώς αποδείχθηκε ότι, αν και οι αντιδράσεις της «σκοτεινής» φάσης συμβαίνουν απουσία φωτός, απαιτούν προϊόντα του «φωτός». φάση.

Η φωτοσύνθεση ξεκινά όταν τα φωτόνια που εκπέμπονται από τον ήλιο εισέρχονται σε ειδικά μόρια χρωστικής που βρίσκονται στο φύλλο - μόρια χλωροφύλλη. Η χλωροφύλλη βρίσκεται στα κύτταρα των φύλλων και στις μεμβράνες των κυτταρικών οργανιδίων χλωροπλάστες(είναι αυτοί που δίνουν στο φύλλο το πράσινο χρώμα του). Η διαδικασία δέσμευσης ενέργειας αποτελείται από δύο στάδια και πραγματοποιείται σε ξεχωριστές συστάδες μορίων - αυτές οι συστάδες συνήθως ονομάζονται Φωτοσύστημα ΙΚαι Φωτοσύστημα II. Οι αριθμοί του συμπλέγματος αντικατοπτρίζουν τη σειρά με την οποία ανακαλύφθηκαν αυτές οι διεργασίες, και αυτό είναι ένα από τα αστεία επιστημονικά περίεργα, αφού στο φύλλο οι αντιδράσεις στο Photosystem II εμφανίζονται πρώτα και μόνο μετά στο Photosystem I.

Όταν ένα φωτόνιο συγκρούεται με 250-400 μόρια του Photosystem II, η ενέργεια αυξάνεται απότομα και μεταφέρεται στο μόριο της χλωροφύλλης. Σε αυτό το σημείο, συμβαίνουν δύο χημικές αντιδράσεις: το μόριο της χλωροφύλλης χάνει δύο ηλεκτρόνια (τα οποία γίνονται αποδεκτά από ένα άλλο μόριο, που ονομάζεται δέκτης ηλεκτρονίων) και το μόριο του νερού διασπάται. Τα ηλεκτρόνια των δύο ατόμων υδρογόνου που ήταν μέρος του μορίου του νερού αντικαθιστούν τα δύο ηλεκτρόνια που χάθηκαν από τη χλωροφύλλη.

Μετά από αυτό, το υψηλής ενέργειας ("γρήγορο") ηλεκτρόνιο μεταφέρεται το ένα στο άλλο σαν καυτή πατάτα από τους μοριακούς φορείς που είναι συναρμολογημένοι σε μια αλυσίδα. Σε αυτή την περίπτωση, μέρος της ενέργειας πηγαίνει στο σχηματισμό του μορίου της τριφωσφορικής αδενοσίνης (ATP), ενός από τους κύριους φορείς ενέργειας στο κύτταρο. εκ.Βιολογικά μόρια). Εν τω μεταξύ, ένα ελαφρώς διαφορετικό μόριο χλωροφύλλης Photosystem I απορροφά την ενέργεια του φωτονίου και δωρίζει ένα ηλεκτρόνιο σε ένα άλλο μόριο δέκτη. Αυτό το ηλεκτρόνιο αντικαθίσταται στη χλωροφύλλη από ένα ηλεκτρόνιο που έφτασε κατά μήκος της αλυσίδας των φορέων από το Photosystem II. Η ενέργεια του ηλεκτρονίου από το Φωτοσύστημα Ι και τα ιόντα υδρογόνου που σχηματίστηκαν προηγουμένως κατά τη διάσπαση ενός μορίου νερού χρησιμοποιούνται για να σχηματίσουν το NADP-H, ένα άλλο μόριο φορέα.

Ως αποτέλεσμα της διαδικασίας σύλληψης φωτός, η ενέργεια δύο φωτονίων αποθηκεύεται στα μόρια που χρησιμοποιεί το κύτταρο για να πραγματοποιήσει αντιδράσεις και σχηματίζεται ένα επιπλέον μόριο οξυγόνου. (Σημειώνω ότι ως αποτέλεσμα μιας άλλης, πολύ λιγότερο αποτελεσματικής διαδικασίας που περιλαμβάνει μόνο το Photosystem I, σχηματίζονται επίσης μόρια ATP.) Αφού απορροφηθεί και αποθηκευτεί η ηλιακή ενέργεια, είναι η σειρά του σχηματισμού υδατανθράκων. Ο βασικός μηχανισμός για τη σύνθεση υδατανθράκων στα φυτά ανακαλύφθηκε από τον Melvin Calvin, ο οποίος πραγματοποίησε μια σειρά πειραμάτων τη δεκαετία του 1940 που έχουν γίνει πλέον κλασικά. Ο Calvin και οι συνεργάτες του μεγάλωσαν τα φύκια παρουσία διοξειδίου του άνθρακα που περιέχει ραδιενεργό άνθρακα-14. Κατάφεραν να καθορίσουν τις χημικές αντιδράσεις της σκοτεινής φάσης διακόπτοντας τη φωτοσύνθεση σε διαφορετικά στάδια.

Ο κύκλος μετατροπής της ηλιακής ενέργειας σε υδατάνθρακες - ο λεγόμενος κύκλος Calvin - είναι παρόμοιος με τον κύκλο του Krebs ( εκ.Γλυκόλυση και αναπνοή: Αποτελείται επίσης από μια σειρά χημικών αντιδράσεων που ξεκινούν με το συνδυασμό ενός εισερχόμενου μορίου με ένα «βοηθητικό» μόριο, που ακολουθείται από την έναρξη άλλων χημικών αντιδράσεων. Αυτές οι αντιδράσεις οδηγούν στο σχηματισμό του τελικού προϊόντος και ταυτόχρονα αναπαράγουν το «βοηθητικό» μόριο και ο κύκλος ξεκινά ξανά. Στον κύκλο του Calvin, ο ρόλος ενός τέτοιου «βοηθητικού» μορίου διαδραματίζεται από τη διφωσφορική ριβουλόζη με πέντε άνθρακα (RDP). Ο κύκλος Calvin ξεκινά με μόρια διοξειδίου του άνθρακα που συνδυάζονται με RDP. Λόγω της ενέργειας του ηλιακού φωτός που αποθηκεύεται με τη μορφή ATP και NADP-H, οι χημικές αντιδράσεις στερέωσης του άνθρακα συμβαίνουν πρώτα για να σχηματιστούν υδατάνθρακες και στη συνέχεια συμβαίνουν αντιδράσεις ανακατασκευής της διφωσφορικής ριβουλόζης. Κατά τη διάρκεια των έξι στροφών του κύκλου, έξι άτομα άνθρακα ενσωματώνονται στα μόρια των πρόδρομων ουσιών της γλυκόζης και άλλων υδατανθράκων. Αυτός ο κύκλος χημικών αντιδράσεων θα συνεχιστεί όσο παρέχεται ενέργεια. Χάρη σε αυτόν τον κύκλο, η ενέργεια του ηλιακού φωτός γίνεται διαθέσιμη στους ζωντανούς οργανισμούς.

Στα περισσότερα φυτά, εμφανίζεται ο κύκλος Calvin που περιγράφεται παραπάνω, στον οποίο το διοξείδιο του άνθρακα, που συμμετέχει άμεσα στις αντιδράσεις, συνδέεται με τη διφωσφορική ριβουλόζη. Αυτά τα φυτά ονομάζονται φυτά C 3 επειδή το σύμπλοκο διοξειδίου του άνθρακα-διφωσφορικής ριβουλόζης διασπάται σε δύο μικρότερα μόρια, καθένα από τα οποία αποτελείται από τρία άτομα άνθρακα. Ορισμένα φυτά (όπως το καλαμπόκι και το ζαχαροκάλαμο, και πολλά τροπικά χόρτα, συμπεριλαμβανομένου του έρποντος ζιζανίου) λειτουργούν διαφορετικά. Το γεγονός είναι ότι το διοξείδιο του άνθρακα διεισδύει κανονικά μέσω οπών στην επιφάνεια του φύλλου, που ονομάζονται στοματία. Σε υψηλές θερμοκρασίες, τα στόμια κλείνουν προστατεύοντας το φυτό από την υπερβολική απώλεια υγρασίας. Στα φυτά C 3, όταν τα στομία είναι κλειστά, σταματά και η παροχή διοξειδίου του άνθρακα, γεγονός που οδηγεί σε επιβράδυνση της φωτοσύνθεσης και αλλαγή των φωτοσυνθετικών αντιδράσεων. Στην περίπτωση του καλαμποκιού, το διοξείδιο του άνθρακα προσκολλάται σε ένα μόριο τριών άνθρακα στην επιφάνεια του φύλλου, στη συνέχεια μετακινείται στο εσωτερικό του φύλλου, όπου απελευθερώνεται το διοξείδιο του άνθρακα και αρχίζει ο κύκλος Calvin. Χάρη σε αυτή τη μάλλον περίπλοκη διαδικασία, η φωτοσύνθεση στο καλαμπόκι συμβαίνει ακόμη και σε πολύ ζεστό, ξηρό καιρό. Τα φυτά στα οποία συμβαίνει αυτή η διαδικασία ονομάζουμε φυτά C 4, αφού το διοξείδιο του άνθρακα μεταφέρεται ως μόριο τεσσάρων άνθρακα στην αρχή του κύκλου. Τα C 3 - φυτά είναι κυρίως εύκρατα φυτά, ενώ τα C 4 - φυτά βρίσκονται κυρίως στις τροπικές περιοχές.

Υπόθεση Van Niel

Η διαδικασία της φωτοσύνθεσης περιγράφεται από την ακόλουθη χημική αντίδραση:

CO 2 + H 2 O + ελαφρύ → υδατάνθρακες + O 2

Στις αρχές του 20ου αιώνα, πιστεύεται ότι το οξυγόνο που απελευθερώνεται κατά τη φωτοσύνθεση σχηματίστηκε ως αποτέλεσμα της διάσπασης του διοξειδίου του άνθρακα. Αυτή η άποψη διαψεύστηκε τη δεκαετία του 1930 από τον Cornelis Bernardus Van Niel (1897-1986), τότε μεταπτυχιακό φοιτητή στο Πανεπιστήμιο Stanford στην Καλιφόρνια. Μελέτησε το μωβ βακτήριο του θείου (φωτογραφία), το οποίο απαιτεί υδρόθειο (H 2 S) για τη φωτοσύνθεση και απελευθερώνει ατομικό θείο ως υποπροϊόν. Για τέτοια βακτήρια, η εξίσωση φωτοσύνθεσης μοιάζει με αυτό:

CO 2 + H 2 S + ελαφρύ → υδατάνθρακας + 2S.

Με βάση την ομοιότητα αυτών των δύο διαδικασιών, ο Van Niel πρότεινε ότι στη συνηθισμένη φωτοσύνθεση η πηγή οξυγόνου δεν είναι το διοξείδιο του άνθρακα, αλλά το νερό, καθώς στα βακτήρια του θείου, τα οποία μεταβολίζουν το θείο αντί για το οξυγόνο, η φωτοσύνθεση επιστρέφει αυτό το θείο, το οποίο είναι ένα παράγωγο προϊόν φωτοσυνθετικών αντιδράσεων. Η σύγχρονη λεπτομερής εξήγηση της φωτοσύνθεσης επιβεβαιώνει αυτή την εικασία: το πρώτο στάδιο της φωτοσυνθετικής διαδικασίας (που πραγματοποιείται στο Photosystem II) είναι η διάσπαση ενός μορίου νερού.