Następuje 1 fotosynteza. Znaczenie fotosyntezy

Jak sama nazwa wskazuje, fotosynteza jest zasadniczo naturalną syntezą substancji organicznych, polegającą na przekształcaniu CO2 z atmosfery i wody w glukozę i wolny tlen.

Wymaga to obecności energii słonecznej.

Równanie chemiczne procesu fotosyntezy można ogólnie przedstawić w następujący sposób:

Fotosynteza składa się z dwóch faz: ciemnej i jasnej. Reakcje chemiczne ciemnej fazy fotosyntezy różnią się znacznie od reakcji fazy jasnej, ale ciemna i jasna faza fotosyntezy są od siebie zależne.

Faza jasna może zachodzić w liściach roślin wyłącznie pod wpływem światła słonecznego. W przypadku ciemności konieczna jest obecność dwutlenku węgla, dlatego roślina musi stale pobierać go z atmosfery. Wszystkie cechy porównawcze ciemnej i jasnej fazy fotosyntezy zostaną podane poniżej. W tym celu stworzono tabelę porównawczą „Fazy fotosyntezy”.

Faza jasna fotosyntezy

Główne procesy w lekkiej fazie fotosyntezy zachodzą w błonach tylakoidów. Bierze w nim udział chlorofil, białka transportu elektronów, syntetaza ATP (enzym przyspieszający reakcję) i światło słoneczne.

Dalej mechanizm reakcji można opisać w następujący sposób: kiedy światło słoneczne pada na zielone liście roślin, w ich strukturze wzbudzane są elektrony chlorofilu (ładunek ujemny), które po przejściu w stan aktywny opuszczają cząsteczkę pigmentu i trafiają na na zewnątrz tylakoidu, którego błona jest również naładowana ujemnie. Jednocześnie cząsteczki chlorofilu ulegają utlenieniu, a te już utlenione ulegają redukcji, pobierając w ten sposób elektrony z wody znajdującej się w strukturze liścia.

Proces ten prowadzi do tego, że cząsteczki wody rozpadają się, a jony powstałe w wyniku fotolizy wody oddają swoje elektrony i zamieniają się w rodniki OH, które są zdolne do prowadzenia dalszych reakcji. Te reaktywne rodniki OH łączą się następnie, tworząc pełnoprawne cząsteczki wody i tlenu. W takim przypadku wolny tlen ucieka do środowiska zewnętrznego.

W wyniku tych wszystkich reakcji i przemian błona tylakoidów liścia z jednej strony jest naładowana dodatnio (pod wpływem jonu H+), a z drugiej - ujemnie (pod wpływem elektronów). Gdy różnica tych ładunków po obu stronach membrany osiągnie wartość większą niż 200 mV, protony przechodzą przez specjalne kanały enzymu syntetazy ATP i dzięki temu ADP (w wyniku procesu fosforylacji) przekształca się w ATP. Natomiast wodór atomowy uwalniany z wody przywraca specyficzny nośnik NADP+ do NADP·H2. Jak widzimy, w wyniku lekkiej fazy fotosyntezy zachodzą trzy główne procesy:

1. synteza ATP;
2. utworzenie NADP H2;
3. powstawanie wolnego tlenu.

Ten ostatni jest uwalniany do atmosfery, a NADP H2 i ATP biorą udział w ciemnej fazie fotosyntezy.

Ciemna faza fotosyntezy

Faza ciemna i jasna fotosyntezy charakteryzują się dużymi wydatkami energetycznymi po stronie rośliny, natomiast faza ciemna przebiega szybciej i wymaga mniej energii. Reakcje fazy ciemnej nie wymagają światła słonecznego, dlatego mogą zachodzić zarówno w dzień, jak i w nocy.

Wszystkie główne procesy tej fazy zachodzą w zrębie chloroplastu rośliny i stanowią unikalny łańcuch kolejnych przemian dwutlenku węgla z atmosfery. Pierwszą reakcją w takim łańcuchu jest wiązanie dwutlenku węgla. Aby stało się to sprawniej i szybciej, natura dostarczyła enzym karboksylazę RiBP, który katalizuje wiązanie CO2.

Następnie następuje cały cykl reakcji, których zakończeniem jest przemiana kwasu fosfoglicerynowego w glukozę (cukier naturalny). Wszystkie te reakcje wykorzystują energię ATP i NADP H2, które powstały w lekkiej fazie fotosyntezy. Oprócz glukozy w procesie fotosyntezy powstają także inne substancje. Wśród nich znajdują się różne aminokwasy, kwasy tłuszczowe, glicerol i nukleotydy.

Fazy ​​fotosyntezy: tabela porównawcza

Fotosynteza - wideo

Proces fotosyntezy jest jednym z najważniejszych procesów biologicznych zachodzących w przyrodzie, ponieważ to dzięki niemu z dwutlenku węgla i wody pod wpływem światła powstają substancje organiczne, a zjawisko to nazywa się fotosyntezą. A co najważniejsze, podczas procesu fotosyntezy następuje uwolnienie, które jest niezbędne do istnienia życia na naszej niesamowitej planecie.

Historia odkrycia fotosyntezy

Historia odkrycia zjawiska fotosyntezy sięga czterech wieków wstecz, kiedy to w 1600 roku pewien belgijski naukowiec Jan Van Helmont przeprowadził proste doświadczenie. Gałązkę wierzby umieścił (po zarejestrowaniu jej początkowej masy) w worku, w którym znajdowało się także 80 kg ziemi. A potem przez pięć lat roślinę podlewano wyłącznie wodą. Jakie było zdziwienie naukowca, gdy po pięciu latach masa rośliny wzrosła o 60 kg, mimo że masa ziemi spadła zaledwie o 50 gramów, skąd wziął się tak imponujący wzrost masy, pozostawała dla naukowców tajemnicą naukowiec.

Kolejny ważny i ciekawy eksperyment, który stał się preludium do odkrycia fotosyntezy, przeprowadził angielski naukowiec Joseph Priestley w 1771 r. (ciekawe, że ze względu na swój zawód pan Priestley był księdzem Kościoła anglikańskiego , ale przeszedł do historii jako wybitny naukowiec). Co zrobił pan Priestley? Umieścił mysz pod kapturem i pięć dni później zdechła. Następnie ponownie umieścił pod maską kolejną mysz, ale tym razem pod maską wraz z myszą znajdowała się gałązka mięty i w rezultacie mysz pozostała przy życiu. Uzyskany wynik doprowadził naukowca do wniosku, że istnieje pewien proces przeciwny oddychaniu. Kolejnym ważnym wnioskiem z tego eksperymentu było odkrycie tlenu niezbędnego dla wszystkich istot żywych (pierwsza mysz zdechła z powodu jego braku, druga przeżyła dzięki gałązce mięty, która w procesie fotosyntezy wytwarzała tlen).

W ten sposób ustalono, że zielone części roślin są zdolne do uwalniania tlenu. Następnie w 1782 roku szwajcarski naukowiec Jean Senebier udowodnił, że pod wpływem światła dwutlenek węgla rozkłada się na rośliny zielone – w istocie odkryto inną stronę fotosyntezy. Następnie, kolejne 5 lat później, francuski naukowiec Jacques Boussengo odkrył, że rośliny absorbują wodę podczas syntezy substancji organicznych.

A ostatnim akordem w szeregu odkryć naukowych związanych ze zjawiskiem fotosyntezy było odkrycie niemieckiego botanika Juliusa Sachsa, któremu w 1864 roku udało się udowodnić, że objętość zużywanego dwutlenku węgla i uwalnianego tlenu występuje w stosunku 1:1.

Znaczenie fotosyntezy w życiu człowieka

Jeśli wyobrażasz sobie w przenośni, liść dowolnej rośliny można porównać do małego laboratorium, którego okna wychodzą na słoneczną stronę. To właśnie w tym laboratorium zachodzi powstawanie substancji organicznych i tlenu, co jest podstawą istnienia życia organicznego na Ziemi. Przecież bez tlenu i fotosyntezy życie na Ziemi po prostu by nie istniało.

Ale skoro fotosynteza jest tak ważna dla życia i uwalniania tlenu, to jak żyją ludzie (i nie tylko ludzie), np. na pustyni, gdzie jest minimum roślin zielonych, albo np. w przemysłowym mieście gdzie drzewa są rzadkie. Faktem jest, że rośliny lądowe wytwarzają zaledwie 20% tlenu uwalnianego do atmosfery, pozostałe 80% wydzielają glony morskie i oceaniczne; nie bez powodu oceany świata nazywane są czasami „płucami naszej planety”. ”

Formuła fotosyntezy

Ogólny wzór na fotosyntezę można zapisać w następujący sposób:

Woda + Dwutlenek węgla + Światło > Węglowodany + Tlen

Tak wygląda wzór reakcji chemicznej fotosyntezy:

6CO2 + 6H2O = C6H12O6 + 6O2

Znaczenie fotosyntezy dla roślin

Spróbujmy teraz odpowiedzieć na pytanie, dlaczego rośliny potrzebują fotosyntezy. W rzeczywistości dostarczanie tlenu do atmosfery naszej planety nie jest jedynym powodem fotosyntezy; ten proces biologiczny jest niezbędny nie tylko dla ludzi i zwierząt, ale także dla samych roślin, ponieważ substancje organiczne powstające podczas fotosyntezy stanowią podstawę życia roślin.

Jak zachodzi fotosynteza?

Głównym motorem fotosyntezy jest chlorofil – specjalny pigment zawarty w komórkach roślinnych, który między innymi odpowiada za zieloną barwę liści drzew i innych roślin. Chlorofil to złożony związek organiczny, który ma również ważną właściwość - zdolność pochłaniania światła słonecznego. Absorbując go, to chlorofil aktywuje to małe laboratorium biochemiczne zawarte w każdym małym liściu, w każdym źdźble trawy i w każdej aldze. Następnie następuje fotosynteza (patrz wzór powyżej), podczas której woda i dwutlenek węgla przekształcają się w węglowodany niezbędne roślinom i tlen niezbędny wszystkim żywym istotom. Mechanizmy fotosyntezy są genialnym tworem natury.

Fazy ​​fotosyntezy

Ponadto proces fotosyntezy składa się z dwóch etapów: jasnego i ciemnego. A poniżej napiszemy szczegółowo o każdym z nich.

Fotosynteza to zespół procesów przekształcania energii świetlnej w energię wiązań chemicznych substancji organicznych przy udziale barwników fotosyntetycznych.

Ten rodzaj odżywiania jest charakterystyczny dla roślin, prokariotów i niektórych typów jednokomórkowych eukariontów.

Podczas naturalnej syntezy węgiel i woda w interakcji ze światłem przekształcają się w glukozę i wolny tlen:

6CO2 + 6H2O + energia świetlna → C6H12O6 + 6O2

Współczesna fizjologia roślin rozumie fotosyntezę jako funkcję fotoautotroficzną, będącą zespołem procesów absorpcji, przemiany i wykorzystania kwantów energii świetlnej w różnych reakcjach niespontanicznych, do których zalicza się przemiana dwutlenku węgla w materię organiczną.

Fazy

Fotosynteza u roślin zachodzi w liściach poprzez chloroplasty- półautonomiczne organelle z podwójną błoną należące do klasy plastydów. Płaski kształt blach zapewnia wysokiej jakości absorpcję i pełne wykorzystanie energii świetlnej i dwutlenku węgla. Woda potrzebna do naturalnej syntezy pochodzi z korzeni poprzez tkankę przewodzącą wodę. Wymiana gazowa zachodzi poprzez dyfuzję przez aparaty szparkowe i częściowo przez naskórek.

Chloroplasty wypełnione są bezbarwnym zrębem i przeniknięte blaszkami, które po połączeniu tworzą tylakoidy. To w nich zachodzi fotosynteza. Same cyjanobakterie są chloroplastami, więc aparat do naturalnej syntezy w nich nie jest podzielony na osobne organelle.

Fotosynteza postępuje z udziałem pigmentów, które zwykle są chlorofilami. Niektóre organizmy zawierają inny pigment, karotenoid lub fikobilinę. Prokarioty mają bakteriochlorofil pigmentowy i organizmy te nie uwalniają tlenu po zakończeniu naturalnej syntezy.

Fotosynteza przebiega w dwóch fazach – jasnej i ciemnej. Każdy z nich charakteryzuje się określonymi reakcjami i substancjami wchodzącymi w interakcję. Przyjrzyjmy się bliżej procesowi faz fotosyntezy.

Światło

Pierwsza faza fotosyntezy charakteryzuje się tworzeniem produktów wysokoenergetycznych, którymi są ATP, komórkowe źródło energii i NADP, środek redukujący. Pod koniec tego etapu jako produkt uboczny powstaje tlen. Etap świetlny koniecznie występuje przy świetle słonecznym.

Proces fotosyntezy zachodzi w błonach tylakoidów przy udziale białek transportujących elektrony, syntetazy ATP i chlorofilu (lub innego pigmentu).

Funkcjonowanie łańcuchów elektrochemicznych, przez które przenoszone są elektrony i częściowo protony wodoru, powstaje w złożonych kompleksach tworzonych przez pigmenty i enzymy.

Opis procesu fazy jasnej:

1. Kiedy światło słoneczne pada na blaszki liściowe organizmów roślinnych, wzbudzane są elektrony chlorofilu w strukturze płytek;
2. W stanie aktywnym cząsteczki opuszczają cząsteczkę pigmentu i lądują na zewnętrznej stronie tylakoidu, który jest naładowany ujemnie. Dzieje się to jednocześnie z utlenianiem, a następnie redukcją cząsteczek chlorofilu, które odbierają kolejne elektrony z wody wpływającej do liści;
3. Następnie następuje fotoliza wody z utworzeniem jonów, które oddają elektrony i przekształcają się w rodniki OH, które mogą brać udział w dalszych reakcjach;
4. Rodniki te następnie łączą się, tworząc cząsteczki wody i wolny tlen uwalniany do atmosfery;
5. Błona tylakoidowa uzyskuje z jednej strony ładunek dodatni pod wpływem jonu wodorowego, a z drugiej strony ładunek ujemny pod wpływem elektronów;
6. Po osiągnięciu różnicy 200 mV między bokami membrany protony przechodzą przez enzym syntetazę ATP, co prowadzi do konwersji ADP do ATP (proces fosforylacji);
7. Po uwolnieniu wodoru atomowego z wody NADP+ ulega redukcji do NADP H2;

Podczas gdy wolny tlen jest uwalniany do atmosfery podczas reakcji, ATP i NADP H2 uczestniczą w ciemnej fazie naturalnej syntezy.

Ciemny

Obowiązkowym składnikiem na tym etapie jest dwutlenek węgla, które rośliny stale pobierają ze środowiska zewnętrznego poprzez aparaty szparkowe w liściach. Procesy fazy ciemnej zachodzą w zrębie chloroplastu. Ponieważ na tym etapie nie jest wymagana duża ilość energii słonecznej, a w fazie świetlnej wytworzy się wystarczająca ilość ATP i NADP H2, reakcje w organizmach mogą zachodzić zarówno w dzień, jak i w nocy. Procesy na tym etapie zachodzą szybciej niż na poprzednim.

Całość procesów zachodzących w fazie ciemnej przedstawiona jest w postaci unikalnego łańcucha kolejnych przemian dwutlenku węgla pochodzącego ze środowiska zewnętrznego:

1. Pierwszą reakcją w takim łańcuchu jest wiązanie dwutlenku węgla. Obecność enzymu RiBP-karboksylaza przyczynia się do szybkiego i płynnego przebiegu reakcji, w wyniku której powstaje sześciowęglowy związek rozkładający się na 2 cząsteczki kwasu fosfoglicerynowego;
2. Następnie zachodzi dość złożony cykl, obejmujący pewną liczbę reakcji, po zakończeniu których kwas fosfoglicerynowy przekształca się w naturalny cukier - glukozę. Proces ten nazywany jest cyklem Calvina;

Wraz z cukrem dochodzi również do powstawania kwasów tłuszczowych, aminokwasów, gliceryny i nukleotydów.

Istota fotosyntezy

Z tabeli porównującej jasne i ciemne fazy naturalnej syntezy można pokrótce opisać istotę każdego z nich. Faza lekka zachodzi w granie chloroplastu z obowiązkowym udziałem energii świetlnej w reakcji. W reakcjach biorą udział takie składniki jak białka przenoszące elektrony, syntetaza ATP i chlorofil, które w reakcji z wodą tworzą wolny tlen, ATP i NADP H2. W przypadku fazy ciemnej, która występuje w zrębie chloroplastu, światło słoneczne nie jest konieczne. Otrzymane na poprzednim etapie ATP i NADP H2 w reakcji z dwutlenkiem węgla tworzą naturalny cukier (glukozę).

Jak widać z powyższego, fotosynteza wydaje się zjawiskiem dość złożonym i wieloetapowym, obejmującym wiele reakcji z udziałem różnych substancji. W wyniku naturalnej syntezy otrzymuje się tlen niezbędny do oddychania organizmów żywych i ich ochrony przed promieniowaniem ultrafioletowym poprzez tworzenie warstwy ozonowej.

DEFINICJA: Fotosynteza to proces powstawania substancji organicznych z dwutlenku węgla i wody pod wpływem światła, z wydzieleniem tlenu.

Na proces fotosyntezy składa się:

1) chloroplasty,

3) dwutlenek węgla,

5) temperatura.

U roślin wyższych fotosynteza zachodzi w chloroplastach - owalnych plastydach (organellach półautonomicznych) zawierających pigment chlorofil, dzięki zielonemu kolorowi, którego części rośliny również mają zielony kolor.

W algach chlorofil zawarty jest w chromatoforach (komórkach zawierających pigment i odbijających światło). Brązowe i czerwone algi, które żyją na znacznych głębokościach, gdzie światło słoneczne nie dociera dobrze, mają inne pigmenty.

Jeśli spojrzeć na piramidę żywieniową wszystkich żywych istot, organizmy fotosyntetyzujące znajdują się na samym dole, wśród autotrofów (organizmów syntetyzujących substancje organiczne z nieorganicznych). Dlatego są źródłem pożywienia dla całego życia na planecie.

Podczas fotosyntezy tlen jest uwalniany do atmosfery. W górnych warstwach atmosfery powstaje z niego ozon. Tarcza ozonowa chroni powierzchnię Ziemi przed ostrym promieniowaniem ultrafioletowym, dzięki któremu życie mogło wydostać się z morza na ląd.

Tlen jest niezbędny do oddychania roślin i zwierząt. Podczas utleniania glukozy przy udziale tlenu mitochondria magazynują prawie 20 razy więcej energii niż bez niego. Dzięki temu wykorzystanie pożywienia jest znacznie efektywniejsze, co doprowadziło do wysokiego tempa metabolizmu u ptaków i ssaków.

Bardziej szczegółowy opis procesu fotosyntezy u roślin

Postęp fotosyntezy:

Proces fotosyntezy rozpoczyna się od uderzenia światła w chloroplasty – wewnątrzkomórkowe półautonomiczne organelle zawierające zielony pigment. Pod wpływem światła chloroplasty zaczynają pobierać wodę z gleby, rozkładając ją na wodór i tlen.

Część tlenu uwalniana jest do atmosfery, pozostała część trafia do procesów oksydacyjnych zachodzących w roślinie.

Cukier łączy się z azotem, siarką i fosforem pochodzącym z gleby, w ten sposób zielone rośliny wytwarzają skrobię, tłuszcze, białka, witaminy i inne złożone związki niezbędne do ich życia.

Fotosynteza najlepiej zachodzi pod wpływem światła słonecznego, ale niektóre rośliny mogą zadowolić się sztucznym oświetleniem.

Kompleksowy opis mechanizmów fotosyntezy dla zaawansowanego czytelnika

Do lat 60. XX wieku naukowcy znali tylko jeden mechanizm wiązania dwutlenku węgla – poprzez szlak C3-pentofosforanowy. Jednak ostatnio grupie australijskich naukowców udało się udowodnić, że w niektórych roślinach redukcja dwutlenku węgla następuje poprzez cykl kwasu C4-dikarboksylowego.

U roślin z reakcją C3 fotosynteza zachodzi najaktywniej w warunkach umiarkowanej temperatury i światła, głównie w lasach i ciemnych miejscach. Roślinami takimi są prawie wszystkie rośliny uprawne i większość warzyw. Stanowią podstawę diety człowieka.

U roślin z reakcją C4 fotosynteza zachodzi najaktywniej w warunkach wysokiej temperatury i światła. Do takich roślin zalicza się na przykład kukurydzę, sorgo i trzcinę cukrową, które rosną w klimacie ciepłym i tropikalnym.

Sam metabolizm roślin odkryto całkiem niedawno, kiedy odkryto, że w niektórych roślinach, które mają specjalne tkanki do magazynowania wody, dwutlenek węgla gromadzi się w postaci kwasów organicznych i jest utrwalany w węglowodanach dopiero po jednym dniu. Mechanizm ten pomaga roślinom oszczędzać wodę.

Jak przebiega proces fotosyntezy?

Roślina pochłania światło za pomocą zielonej substancji zwanej chlorofilem. Chlorofil występuje w chloroplastach, które znajdują się w łodygach lub owocach. Szczególnie dużo ich jest w liściach, gdyż dzięki swojej bardzo płaskiej strukturze liść może przyciągnąć dużo światła, a co za tym idzie, otrzymać znacznie więcej energii do procesu fotosyntezy.

Po wchłonięciu chlorofil znajduje się w stanie wzbudzonym i przekazuje energię innym cząsteczkom organizmu rośliny, zwłaszcza tym, które biorą bezpośredni udział w fotosyntezie. Drugi etap procesu fotosyntezy odbywa się bez obowiązkowego udziału światła i polega na powstaniu wiązania chemicznego przy udziale dwutlenku węgla pozyskiwanego z powietrza i wody. Na tym etapie syntetyzuje się różne bardzo przydatne do życia substancje, takie jak skrobia i glukoza.

Te substancje organiczne wykorzystywane są przez same rośliny do odżywiania poszczególnych jej części, a także do utrzymania prawidłowych funkcji życiowych. Ponadto substancje te pozyskują także zwierzęta jedząc rośliny. Ludzie zaopatrują się w te substancje również poprzez spożywanie pokarmów pochodzenia zwierzęcego i roślinnego.

Warunki fotosyntezy

Fotosynteza może zachodzić zarówno pod wpływem sztucznego światła, jak i światła słonecznego. Z reguły rośliny „intensywnie” „pracują” w przyrodzie wiosną i latem, kiedy jest dużo niezbędnego światła słonecznego. Jesienią jest mniej światła, dni są krótsze, liście najpierw żółkną, a potem opadają. Ale gdy tylko pojawi się ciepłe wiosenne słońce, ponownie pojawi się zielone liście, a zielone „fabryki” na nowo wznowią swoją pracę, aby zapewnić niezbędny do życia tlen i wiele innych składników odżywczych.

Alternatywna definicja fotosyntezy

Fotosynteza (od starożytnego greckiego fotoświatła i syntezy - łączenie, składanie, wiązanie, synteza) to proces przekształcania energii świetlnej w energię wiązań chemicznych substancji organicznych w świetle przez fotoautotrofy z udziałem pigmentów fotosyntetycznych (chlorofilu w roślinach). , bakteriochlorofil i bakteriorodopsyna w bakteriach). We współczesnej fizjologii roślin fotosyntezę coraz częściej rozumie się jako funkcję fotoautotroficzną – zespół procesów absorpcji, przemiany i wykorzystania energii kwantów świetlnych w różnych reakcjach endergonicznych, w tym w przemianie dwutlenku węgla w substancje organiczne.

Fazy ​​fotosyntezy

Fotosynteza jest procesem dość złożonym i obejmuje dwie fazy: światło, które zawsze zachodzi wyłącznie w świetle, oraz ciemność. Wszystkie procesy zachodzą wewnątrz chloroplastów na specjalnych małych narządach - tylakodii. W fazie jasnej chlorofil absorbuje pewną ilość światła, w wyniku czego powstają cząsteczki ATP i NADPH. Następnie woda rozkłada się, tworząc jony wodoru i uwalniając cząsteczkę tlenu. Powstaje pytanie, czym są te niezrozumiałe, tajemnicze substancje: ATP i NADH?

ATP to specjalna cząsteczka organiczna występująca we wszystkich żywych organizmach i często nazywana jest walutą „energetyczną”. To właśnie te cząsteczki zawierają wiązania wysokoenergetyczne i są źródłem energii we wszelkich syntezach organicznych i procesach chemicznych zachodzących w organizmie. Otóż ​​NADPH jest właściwie źródłem wodoru, wykorzystywany jest bezpośrednio w syntezie wielkocząsteczkowych substancji organicznych – węglowodanów, co zachodzi w drugiej, ciemnej fazie fotosyntezy z wykorzystaniem dwutlenku węgla.

Faza jasna fotosyntezy

Chloroplasty zawierają dużo cząsteczek chlorofilu i wszystkie pochłaniają światło słoneczne. Jednocześnie światło jest pochłaniane przez inne pigmenty, ale nie mogą one przeprowadzać fotosyntezy. Sam proces zachodzi tylko w niektórych cząsteczkach chlorofilu, których jest bardzo niewiele. Inne cząsteczki chlorofilu, karotenoidów i innych substancji tworzą specjalne kompleksy antenowe i zbierające światło (LHC). Podobnie jak anteny pochłaniają kwanty światła i przekazują wzbudzenie do specjalnych ośrodków reakcji lub pułapek. Centra te zlokalizowane są w fotosystemach, z czego rośliny posiadają dwa: fotosystem II i fotosystem I. Zawierają one specjalne cząsteczki chlorofilu: odpowiednio w fotosystemie II – P680 i w fotosystemie I – P700. Pochłaniają światło o dokładnie tej długości fali (680 i 700 nm).

Diagram wyjaśnia, jak wszystko wygląda i dzieje się podczas jasnej fazy fotosyntezy.

Na rysunku widzimy dwa fotosystemy z chlorofilami P680 i P700. Na rysunku pokazano także nośniki, przez które następuje transport elektronów.

Zatem: obie cząsteczki chlorofilu dwóch fotosystemów absorbują kwant światła i ulegają wzbudzeniu. Elektron e- (na rysunku czerwony) przechodzi na wyższy poziom energii.

Wzbudzone elektrony mają bardzo wysoką energię, odrywają się i wchodzą do specjalnego łańcucha transporterów, który znajduje się w błonach tylakoidów – wewnętrznych strukturach chloroplastów. Z rysunku wynika, że ​​z fotosystemu II z chlorofilu P680 elektron przechodzi do plastochinonu, a z fotosystemu I z chlorofilu P700 do ferredoksyny. W samych cząsteczkach chlorofilu w miejscu elektronów po ich usunięciu tworzą się niebieskie dziury o ładunku dodatnim. Co robić?

Aby zrekompensować brak elektronu, cząsteczka chlorofilu P680 fotosystemu II przyjmuje elektrony z wody i powstają jony wodoru. Ponadto w wyniku rozkładu wody do atmosfery uwalniany jest tlen. Natomiast cząsteczka chlorofilu P700, jak widać na rysunku, uzupełnia brak elektronów poprzez system nośników z fotosystemu II.

Ogólnie rzecz biorąc, niezależnie od tego, jak trudne jest to, właśnie w ten sposób przebiega lekka faza fotosyntezy, której główną istotą jest przenoszenie elektronów. Z rysunku widać również, że równolegle z transportem elektronów jony wodoru H+ przemieszczają się przez błonę i gromadzą się wewnątrz tylakoidu. Ponieważ jest ich tam dużo, przemieszczają się na zewnątrz za pomocą specjalnego czynnika koniugującego, który na zdjęciu pokazanym po prawej stronie jest pomarańczowy i wygląda jak grzyb.

Wreszcie widzimy końcowy etap transportu elektronów, w wyniku którego powstaje wspomniany związek NADH. A dzięki transferowi jonów H+ syntetyzowana jest waluta energetyczna – ATP (widoczne po prawej stronie na rysunku).

Tak więc faza jasna fotosyntezy dobiega końca, tlen jest uwalniany do atmosfery, powstają ATP i NADH. Co dalej? Gdzie jest obiecana materia organiczna? A potem przychodzi etap ciemny, na który składają się głównie procesy chemiczne.

Ciemna faza fotosyntezy

W ciemnej fazie fotosyntezy niezbędnym składnikiem jest dwutlenek węgla – CO2. Dlatego roślina musi stale wchłaniać go z atmosfery. W tym celu na powierzchni liścia znajdują się specjalne struktury - aparaty szparkowe. Kiedy się otwierają, CO2 przedostaje się do liścia, rozpuszcza się w wodzie i reaguje z lekką fazą fotosyntezy.

W fazie lekkiej u większości roślin CO2 wiąże się z pięciowęglowym związkiem organicznym (który jest łańcuchem pięciu cząsteczek węgla), w wyniku czego powstają dwie cząsteczki trójwęglowego związku (kwasu 3-fosfoglicerynowego). Ponieważ Podstawowym rezultatem są właśnie te związki trójwęglowe; rośliny z tego typu fotosyntezą nazywane są roślinami C3.

Dalsza synteza w chloroplastach zachodzi dość złożona. Ostatecznie tworzy związek sześciowęglowy, z którego można następnie syntetyzować glukozę, sacharozę lub skrobię. W postaci tych substancji organicznych roślina gromadzi energię. W tym przypadku tylko niewielka ich część pozostaje w liściu, który jest wykorzystywany na jej potrzeby, natomiast reszta węglowodanów wędruje po całej roślinie, docierając tam, gdzie jest najbardziej potrzebna energia – np. w punktach wzrostu.

Rośliny przekształcają światło słoneczne w zmagazynowaną energię chemiczną w dwóch etapach: po pierwsze, wychwytują energię ze światła słonecznego, a następnie wykorzystują ją do wiązania węgla w celu utworzenia cząsteczek organicznych.

Rośliny zielone – tak nazywają je biolodzy autotrofy- podstawa życia na planecie. Prawie wszystkie łańcuchy pokarmowe zaczynają się od roślin. Zamieniają energię, która na nie pada w postaci światła słonecznego, na energię zmagazynowaną w węglowodanach ( cm. Cząsteczki biologiczne), z których najważniejsza jest sześciowęglowa glukoza. Ten proces konwersji energii nazywa się fotosyntezą. Inne żywe organizmy uzyskują dostęp do tej energii poprzez jedzenie roślin. Tworzy to łańcuch pokarmowy, który wspiera ekosystem planetarny.

Ponadto powietrze, którym oddychamy, dzięki fotosyntezie jest nasycone tlenem. Ogólne równanie fotosyntezy wygląda następująco:

woda + dwutlenek węgla + światło → węglowodany + tlen

Rośliny pochłaniają dwutlenek węgla wytwarzany podczas oddychania i uwalniają tlen, produkt uboczny roślin ( cm. Glikoliza i oddychanie). Ponadto fotosynteza odgrywa kluczową rolę w obiegu węgla w przyrodzie.

Zaskakujące wydaje się to, że pomimo znaczenia fotosyntezy naukowcy tak długo nie zaczęli jej badać. Po eksperymencie Van Helmonta przeprowadzonym w XVII wieku nastąpiła cisza i dopiero w 1905 roku angielski fizjolog roślin Frederick Blackman (1866-1947) przeprowadził badania i ustalił podstawowe procesy fotosyntezy. Pokazał, że fotosynteza rozpoczyna się przy słabym świetle, że tempo fotosyntezy wzrasta wraz ze wzrostem strumienia światła, ale począwszy od pewnego poziomu dalszy wzrost oświetlenia nie prowadzi już do wzrostu aktywności fotosyntetycznej. Blackman wykazał, że wzrost temperatury w warunkach słabego oświetlenia nie ma wpływu na tempo fotosyntezy, ale gdy jednocześnie wzrasta temperatura i światło, tempo fotosyntezy wzrasta znacznie bardziej niż w przypadku samego zwiększonego światła.

Na podstawie tych eksperymentów Blackman doszedł do wniosku, że zachodzą dwa procesy: jeden był w dużym stopniu zależny od poziomu światła, ale nie temperatury, podczas gdy drugi był pod silnym wpływem temperatury niezależnie od poziomu światła. To spostrzeżenie stworzyło podstawę współczesnych pomysłów na temat fotosyntezy. Te dwa procesy nazywane są czasami reakcjami „jasnymi” i „ciemnymi”, co nie jest do końca poprawne, gdyż okazało się, że choć reakcje fazy „ciemnej” zachodzą przy braku światła, to wymagają produktów „jasnej” faza.

Fotosynteza rozpoczyna się, gdy fotony emitowane przez słońce dostają się do specjalnych cząsteczek pigmentu znajdujących się w liściu – cząsteczek chlorofil. Chlorofil występuje w komórkach liści i błonach organelli komórkowych chloroplasty(to oni nadają liściowi zielony kolor). Proces wychwytywania energii składa się z dwóch etapów i przebiega w odrębnych skupieniach cząsteczek – tak potocznie nazywa się takie skupienia Fotosystem I I Fotosystem II. Numery klastrów odzwierciedlają kolejność, w jakiej odkryto te procesy, i jest to jedna z zabawnych ciekawostek naukowych, ponieważ w liściu reakcje w Fotosystemie II zachodzą najpierw, a dopiero potem w Fotosystemie I.

Kiedy foton zderza się z 250-400 cząsteczkami Fotosystemu II, energia gwałtownie wzrasta i jest przekazywana cząsteczce chlorofilu. W tym momencie zachodzą dwie reakcje chemiczne: cząsteczka chlorofilu traci dwa elektrony (które są akceptowane przez inną cząsteczkę, zwaną akceptorem elektronów) i cząsteczka wody ulega podziałowi. Elektrony dwóch atomów wodoru wchodzących w skład cząsteczki wody zastępują dwa elektrony utracone przez chlorofil.

Następnie wysokoenergetyczne („szybkie”) elektrony są przenoszone między sobą jak gorący ziemniak przez nośniki molekularne połączone w łańcuch. W tym przypadku część energii trafia na utworzenie cząsteczki adenozynotrójfosforanu (ATP), jednego z głównych nośników energii w komórce ( cm. Cząsteczki biologiczne). Tymczasem nieco inna cząsteczka chlorofilu Fotosystemu I pochłania energię fotonu i oddaje elektron innej cząsteczce akceptora. Elektron ten w chlorofilu zostaje zastąpiony elektronem, który przybył wzdłuż łańcucha nośników z Fotosystemu II. Energia elektronu z Fotosystemu I i jonów wodoru powstałych wcześniej podczas rozszczepienia cząsteczki wody są wykorzystywane do utworzenia NADP-H, kolejnej cząsteczki nośnika.

W wyniku procesu wychwytywania światła energia dwóch fotonów magazynowana jest w cząsteczkach wykorzystywanych przez komórkę do przeprowadzania reakcji i powstaje dodatkowa cząsteczka tlenu. (Zauważam, że w wyniku innego, znacznie mniej wydajnego procesu, w którym uczestniczy sam Fotosystem I, powstają również cząsteczki ATP.) Po pochłonięciu i zmagazynowaniu energii słonecznej następuje kolej na tworzenie węglowodanów. Podstawowy mechanizm syntezy węglowodanów w roślinach odkrył Melvin Calvin, który w latach 40. XX wieku przeprowadził serię eksperymentów, które obecnie stały się klasyką. Calvin i jego współpracownicy hodowali glony w obecności dwutlenku węgla zawierającego radioaktywny węgiel-14. Udało im się ustalić reakcje chemiczne fazy ciemnej, przerywając fotosyntezę na różnych etapach.

Cykl konwersji energii słonecznej na węglowodany – tzw. cykl Calvina – jest podobny do cyklu Krebsa ( cm. Glikoliza i oddychanie: składa się również z szeregu reakcji chemicznych, które rozpoczynają się od połączenia przychodzącej cząsteczki z cząsteczką „pomocniczą”, po której następuje inicjacja innych reakcji chemicznych. Reakcje te prowadzą do powstania produktu końcowego i jednocześnie odtwarzają cząsteczkę „pomocniczą” i cykl rozpoczyna się od nowa. W cyklu Calvina rolę takiej cząsteczki „pomocniczej” pełni pięciowęglowy cukier rybulozodifosforan (RDP). Cykl Calvina rozpoczyna się od połączenia cząsteczek dwutlenku węgla z RDP. Dzięki energii światła słonecznego zmagazynowanej w postaci ATP i NADP-H najpierw zachodzą reakcje chemiczne wiązania węgla, prowadzące do powstania węglowodanów, a następnie reakcje rekonstrukcji difosforanu rybulozy. Podczas sześciu obrotów cyklu sześć atomów węgla zostaje włączonych do cząsteczek prekursorów glukozy i innych węglowodanów. Ten cykl reakcji chemicznych będzie trwał tak długo, jak długo będzie dostarczana energia. Dzięki temu cyklowi energia światła słonecznego staje się dostępna dla organizmów żywych.

U większości roślin zachodzi opisany powyżej cykl Calvina, w którym dwutlenek węgla bezpośrednio uczestniczący w reakcjach wiąże się z difosforanem rybulozy. Rośliny te nazywane są roślinami C3, ponieważ kompleks dwutlenek węgla-difosforan rybulozy jest podzielony na dwie mniejsze cząsteczki, każda składająca się z trzech atomów węgla. Niektóre rośliny (takie jak kukurydza i trzcina cukrowa oraz wiele traw tropikalnych, w tym chwasty pełzające) działają inaczej. Faktem jest, że dwutlenek węgla zwykle przenika przez otwory w powierzchni blachy, tzw szparki. W wysokich temperaturach aparaty szparkowe zamykają się, chroniąc roślinę przed nadmierną utratą wilgoci. W roślinach C 3, gdy aparaty szparkowe są zamknięte, zatrzymuje się także dopływ dwutlenku węgla, co prowadzi do spowolnienia fotosyntezy i zmiany reakcji fotosyntetycznych. W przypadku kukurydzy dwutlenek węgla przyłącza się do trójwęglowej cząsteczki na powierzchni liścia, następnie przemieszcza się do wnętrza liścia, gdzie uwalniany jest dwutlenek węgla i rozpoczyna się cykl Calvina. Dzięki temu dość złożonemu procesowi fotosynteza w kukurydzy zachodzi nawet przy bardzo gorącej i suchej pogodzie. Rośliny, w których zachodzi ten proces, nazywamy roślinami C 4, ponieważ dwutlenek węgla jest transportowany na początku cyklu w postaci cząsteczki czterowęglowej. Rośliny C 3 to głównie rośliny umiarkowane, podczas gdy rośliny C 4 występują głównie w tropikach.

Hipoteza Van Niela

Proces fotosyntezy opisuje następująca reakcja chemiczna:

CO 2 + H 2 O + światło → węglowodany + O 2

Na początku XX wieku uważano, że tlen uwalniany podczas fotosyntezy powstaje w wyniku rozkładu dwutlenku węgla. Ten punkt widzenia został obalony w latach trzydziestych XX wieku przez Cornelisa Bernardusa Van Niela (1897-1986), wówczas absolwenta Uniwersytetu Stanforda w Kalifornii. Badał fioletową bakterię siarkową (na zdjęciu), która potrzebuje siarkowodoru (H2S) do fotosyntezy i uwalnia siarkę atomową jako produkt uboczny. Dla takich bakterii równanie fotosyntezy wygląda następująco:

CO 2 + H 2 S + światło → węglowodany + 2S.

Opierając się na podobieństwie tych dwóch procesów, Van Niel zasugerował, że w zwykłej fotosyntezie źródłem tlenu nie jest dwutlenek węgla, ale woda, ponieważ u bakterii siarkowych, które metabolizują siarkę zamiast tlenu, fotosynteza zwraca tę siarkę, która jest produktem ubocznym Produkt reakcji fotosyntezy. Współczesne szczegółowe wyjaśnienie fotosyntezy potwierdza to przypuszczenie: pierwszym etapem procesu fotosyntezy (prowadzonym w Photosystem II) jest rozszczepienie cząsteczki wody.