1 fotosyntes sker. Betydelsen av fotosyntes

Som namnet antyder är fotosyntes i huvudsak den naturliga syntesen av organiska ämnen, som omvandlar CO2 från atmosfären och vattnet till glukos och fritt syre.

Detta kräver närvaron av solenergi.

Den kemiska ekvationen för fotosyntesprocessen kan generellt representeras enligt följande:

Fotosyntesen har två faser: mörkt och ljust. De kemiska reaktionerna i den mörka fasen av fotosyntesen skiljer sig väsentligt från reaktionerna i den ljusa fasen, men den mörka och ljusa fasen av fotosyntesen beror på varandra.

Ljusfasen kan uppstå i växtblad uteslutande i solljus. För mörker är närvaron av koldioxid nödvändig, varför växten ständigt måste absorbera den från atmosfären. Alla jämförande egenskaper för de mörka och ljusa faserna av fotosyntesen kommer att tillhandahållas nedan. För detta ändamål skapades en jämförande tabell "Phases of Photosynthesis".

Lätt fas av fotosyntesen

Huvudprocesserna i fotosyntesens lätta fas sker i tylakoidmembranen. Det involverar klorofyll, elektrontransportproteiner, ATP-syntetas (ett enzym som påskyndar reaktionen) och solljus.

Vidare kan reaktionsmekanismen beskrivas på följande sätt: när solljus träffar växternas gröna blad exciteras klorofyllelektroner (negativ laddning) i sin struktur, som, efter att ha övergått till ett aktivt tillstånd, lämnar pigmentmolekylen och hamnar på utanför tylakoiden, vars membran också är negativt laddat. Samtidigt oxideras klorofyllmolekyler och de redan oxiderade reduceras, vilket tar elektroner från vattnet som finns i bladstrukturen.

Denna process leder till det faktum att vattenmolekyler sönderfaller, och jonerna som skapas som ett resultat av fotolys av vatten ger upp sina elektroner och förvandlas till OH-radikaler som kan utföra ytterligare reaktioner. Dessa reaktiva OH-radikaler kombineras sedan för att skapa fullvärdiga vattenmolekyler och syre. I detta fall kommer fritt syre ut i den yttre miljön.

Som ett resultat av alla dessa reaktioner och transformationer laddas bladtylakoidmembranet på ena sidan positivt (på grund av H+-jonen), och å den andra - negativt (på grund av elektroner). När skillnaden mellan dessa laddningar på de två sidorna av membranet når mer än 200 mV passerar protoner genom speciella kanaler av ATP-syntetasenzymet och på grund av detta omvandlas ADP till ATP (som ett resultat av fosforyleringsprocessen). Och atomärt väte, som frigörs från vatten, återställer den specifika bäraren NADP+ till NADP·H2. Som vi kan se, som ett resultat av fotosyntesens ljusa fas, inträffar tre huvudprocesser:

1. ATP-syntes;
2. skapande av NADP H2;
3. bildning av fritt syre.

Den senare släpps ut i atmosfären och NADP H2 och ATP deltar i fotosyntesens mörka fas.

Mörk fas av fotosyntesen

De mörka och ljusa faserna av fotosyntesen kännetecknas av stora energikostnader från växtens sida, men den mörka fasen går snabbare och kräver mindre energi. Mörkfasreaktioner kräver inte solljus, så de kan inträffa både dag och natt.

Alla huvudprocesser i denna fas inträffar i växtens kloroplasts stroma och representerar en unik kedja av successiva omvandlingar av koldioxid från atmosfären. Den första reaktionen i en sådan kedja är fixeringen av koldioxid. För att få det att ske smidigare och snabbare tillhandahöll naturen enzymet RiBP-karboxylas, som katalyserar fixeringen av CO2.

Därefter inträffar en hel cykel av reaktioner, vars slutförande är omvandlingen av fosfoglycerinsyra till glukos (naturligt socker). Alla dessa reaktioner använder energin från ATP och NADP H2, som skapades i fotosyntesens lätta fas. Förutom glukos producerar fotosyntesen även andra ämnen. Bland dem finns olika aminosyror, fettsyror, glycerol och nukleotider.

Fotosyntesens faser: jämförelsetabell

Fotosyntes - video

Fotosyntesprocessen är en av de viktigaste biologiska processerna som förekommer i naturen, eftersom det är tack vare den som organiska ämnen bildas av koldioxid och vatten under inverkan av ljus, och detta fenomen kallas fotosyntes. Och viktigast av allt, under fotosyntesen sker en frisättning, vilket är avgörande för att det finns liv på vår fantastiska planet.

Historien om upptäckten av fotosyntes

Historien om upptäckten av fenomenet fotosyntes går tillbaka fyra århundraden, när en viss belgisk forskare Jan Van Helmont år 1600 utförde ett enkelt experiment. Han placerade en pilkvist (efter att ha registrerat dess ursprungliga vikt) i en påse som också innehöll 80 kg jord. Och sedan i fem år vattnades växten uteslutande med vatten. Vad var vetenskapsmannens överraskning när växtens vikt efter fem år ökade med 60 kg, trots att jordens massa minskade med endast 50 gram, varifrån en så imponerande viktökning kom förblev ett mysterium för forskare.

Nästa viktiga och intressanta experiment, som blev upptakten till upptäckten av fotosyntesen, utfördes av den engelske vetenskapsmannen Joseph Priestley 1771 (det är märkligt att Mr. Priestley av sin yrkes natur var en präst i den anglikanska kyrkan , men han gick till historien som en enastående vetenskapsman). Vad gjorde Mr Priestley? Han placerade musen under en huva och fem dagar senare dog den. Sedan placerade han återigen en mus under huven, men den här gången låg det en kvist mynta under huven tillsammans med musen och som ett resultat höll musen kvar vid liv. Resultatet som erhölls ledde vetenskapsmannen till idén att det finns en viss process motsatsen till andning. En annan viktig slutsats av detta experiment var upptäckten av syre som livsviktigt för alla levande varelser (den första musen dog av sin frånvaro, den andra överlevde tack vare en kvist mynta, som skapade syre under fotosyntesprocessen).

Således konstaterades det faktum att de gröna delarna av växter är kapabla att frigöra syre. Sedan, 1782, bevisade den schweiziska vetenskapsmannen Jean Senebier att koldioxid sönderdelas till gröna växter under påverkan av ljus - i själva verket upptäcktes en annan sida av fotosyntesen. Sedan, ytterligare 5 år senare, upptäckte den franske forskaren Jacques Boussengo att växter absorberar vatten under syntesen av organiska ämnen.

Och slutackordet i en rad vetenskapliga upptäckter relaterade till fenomenet fotosyntes var upptäckten av den tyske botanikern Julius Sachs, som 1864 lyckades bevisa att volymen koldioxid som förbrukas och syre som frigörs sker i förhållandet 1:1.

Fotosyntesens betydelse i mänskligt liv

Om du föreställer dig bildligt, kan bladet på vilken växt som helst jämföras med ett litet laboratorium, vars fönster vetter mot solsidan. I just detta laboratorium sker bildandet av organiska ämnen och syre, vilket är grunden för att det finns organiskt liv på jorden. Trots allt, utan syre och fotosyntes, skulle liv helt enkelt inte existera på jorden.

Men om fotosyntesen är så viktig för livet och frigörandet av syre, hur lever då människor (och inte bara människor), till exempel i öknen, där det finns ett minimum av gröna växter, eller till exempel i en industristad där träd är sällsynta. Faktum är att landväxter bara står för 20 % av det syre som släpps ut i atmosfären, medan de återstående 80 % släpps ut av havs- och havsalger; det är inte för inte som världshaven ibland kallas "vår planets lungor. ”

Formel för fotosyntes

Den allmänna formeln för fotosyntes kan skrivas enligt följande:

Vatten + Koldioxid + Ljus > Kolhydrater + Syre

Så här ser formeln för fotosyntesens kemiska reaktion ut:

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

Fotosyntesens betydelse för växter

Låt oss nu försöka svara på frågan varför växter behöver fotosyntes. Faktum är att tillhandahållandet av syre till atmosfären på vår planet är långt ifrån den enda anledningen till att fotosyntes inträffar; denna biologiska process är viktig inte bara för människor och djur, utan också för växterna själva, eftersom de organiska ämnen som bildas under fotosyntesen utgör grunden för växtlivet.

Hur sker fotosyntesen?

Huvudmotorn för fotosyntesen är klorofyll - ett speciellt pigment som finns i växtceller, som bland annat är ansvarigt för den gröna färgen på trädens och andra växters löv. Klorofyll är en komplex organisk förening som också har en viktig egenskap - förmågan att absorbera solljus. Genom att absorbera det är det klorofyll som aktiverar det lilla biokemiska laboratoriet som finns i varje litet blad, i varje grässtrå och varje alger. Därefter sker fotosyntes (se formeln ovan), under vilken vatten och koldioxid omvandlas till kolhydrater som är nödvändiga för växter och syre som är nödvändigt för allt levande. Mekanismerna för fotosyntesen är en genialisk skapelse av naturen.

Faser av fotosyntes

Dessutom består fotosyntesprocessen av två steg: ljus och mörk. Och nedan kommer vi att skriva i detalj om var och en av dem.

Fotosyntes är en uppsättning processer för att forma ljusenergi till energin av kemiska bindningar av organiska ämnen med deltagande av fotosyntetiska färgämnen.

Denna typ av näring är typisk för växter, prokaryoter och vissa typer av encelliga eukaryoter.

Under naturlig syntes omvandlas kol och vatten, i samverkan med ljus, till glukos och fritt syre:

6CO2 + 6H2O + ljusenergi → C6H12O6 + 6O2

Modern växtfysiologi förstår begreppet fotosyntes som en fotoautotrofisk funktion, vilket är en uppsättning processer för absorption, omvandling och användning av ljusenergikvanta i olika icke-spontana reaktioner, inklusive omvandlingen av koldioxid till organiskt material.

Faser

Fotosyntes i växter förekommer i blad genom kloroplaster- Halvautonoma dubbelmembranorganeller som tillhör klassen plastider. Den platta formen på plåtarna säkerställer högkvalitativ absorption och fullt utnyttjande av ljusenergi och koldioxid. Vattnet som behövs för naturlig syntes kommer från rötterna genom vattenledande vävnad. Gasutbyte sker genom diffusion genom stomata och delvis genom nagelbandet.

Kloroplaster är fyllda med färglöst stroma och penetreras av lameller, som när de förbinds med varandra bildar tylakoider. Det är i dem som fotosyntesen sker. Cyanobakterier själva är kloroplaster, så apparaten för naturlig syntes i dem är inte separerad i en separat organell.

Fotosyntesen fortsätter med deltagande av pigment, som vanligtvis är klorofyller. Vissa organismer innehåller ett annat pigment, en karotenoid eller fykobilin. Prokaryoter har pigmentet bakterioklorofyll, och dessa organismer släpper inte syre efter att naturlig syntes är avslutad.

Fotosyntesen går igenom två faser - ljus och mörk. Var och en av dem kännetecknas av vissa reaktioner och interagerande ämnen. Låt oss ta en närmare titt på processen för fotosyntesens faser.

Ljus

Första fasen av fotosyntesen kännetecknas av bildningen av högenergiprodukter, som är ATP, den cellulära energikällan, och NADP, reduktionsmedlet. I slutet av steget produceras syre som en biprodukt. Ljusstadiet uppstår nödvändigtvis med solljus.

Processen för fotosyntes sker i tylakoidmembran med deltagande av elektrontransportproteiner, ATP-syntetas och klorofyll (eller annat pigment).

Funktionen hos elektrokemiska kedjor, genom vilka elektroner och delvis väteprotoner överförs, bildas i komplexa komplex som bildas av pigment och enzymer.

Beskrivning av lättfasprocessen:

1. När solljus träffar bladen på växtorganismer exciteras klorofyllelektroner i plattornas struktur;
2. I aktivt tillstånd lämnar partiklarna pigmentmolekylen och landar på utsidan av tylakoiden, som är negativt laddad. Detta sker samtidigt med oxidation och efterföljande reduktion av klorofyllmolekyler, som tar bort nästa elektroner från vattnet som kommer in i bladen;
3. Sedan sker fotolys av vatten med bildning av joner, som donerar elektroner och omvandlas till OH-radikaler som kan delta i ytterligare reaktioner;
4. Dessa radikaler kombineras sedan för att bilda vattenmolekyler och fritt syre som släpps ut i atmosfären;
5. Tylakoidmembranet får en positiv laddning på ena sidan på grund av vätejonen, och på den andra sidan en negativ laddning på grund av elektroner;
6. När en skillnad på 200 mV uppnås mellan membranets sidor passerar protoner genom enzymet ATP-syntetas, vilket leder till omvandlingen av ADP till ATP (fosforyleringsprocess);
7. Med det atomära vätet frigjort från vatten reduceras NADP + till NADP H2;

Medan fritt syre släpps ut i atmosfären under reaktioner deltar ATP och NADP H2 i den mörka fasen av naturlig syntes.

Mörk

En obligatorisk komponent för detta steg är koldioxid, som växter ständigt absorberar från den yttre miljön genom stomata i löven. De mörka fasprocesserna äger rum i kloroplastens stroma. Eftersom det i detta skede inte krävs mycket solenergi och det kommer att produceras tillräckligt med ATP och NADP H2 under ljusfasen, kan reaktioner i organismer ske både dag och natt. Processer i detta skede sker snabbare än i det föregående.

Helheten av alla processer som sker i den mörka fasen presenteras i form av en unik kedja av sekventiella omvandlingar av koldioxid som kommer från den yttre miljön:

1. Den första reaktionen i en sådan kedja är fixeringen av koldioxid. Närvaron av enzymet RiBP-karboxylas bidrar till det snabba och smidiga reaktionsförloppet, vilket resulterar i bildandet av en förening med sex kolatomer som bryts ner till 2 molekyler fosfoglycerinsyra;
2. Sedan uppstår en ganska komplex cykel, inklusive ett visst antal reaktioner, efter fullbordandet av vilka fosfoglycerinsyra omvandlas till naturligt socker - glukos. Denna process kallas Calvin-cykeln;

Tillsammans med socker sker också bildning av fettsyror, aminosyror, glycerol och nukleotider.

Kärnan i fotosyntesen

Från tabellen som jämför de ljusa och mörka faserna av naturlig syntes kan du kort beskriva essensen av var och en av dem. Den lätta fasen inträffar i kloroplastens grana med obligatoriskt införande av ljusenergi i reaktionen. Reaktionerna involverar komponenter som elektronöverföringsproteiner, ATP-syntetas och klorofyll, som när de interagerar med vatten bildar fritt syre, ATP och NADP H2. För den mörka fasen, som förekommer i kloroplastens stroma, är solljus inte nödvändigt. ATP och NADP H2 som erhållits i föregående steg, när de interagerar med koldioxid, bildar naturligt socker (glukos).

Som framgår av ovanstående tycks fotosyntesen vara ett ganska komplext och flerstegsfenomen, inklusive många reaktioner som involverar olika ämnen. Som ett resultat av naturlig syntes erhålls syre, vilket är nödvändigt för andning av levande organismer och deras skydd mot ultraviolett strålning genom bildandet av ozonskiktet.

DEFINITION: Fotosyntes är processen för bildning av organiska ämnen från koldioxid och vatten, i ljus, med frigöring av syre.

Processen för fotosyntes innefattar:

1) kloroplaster,

3) koldioxid,

5) temperatur.

Hos högre växter sker fotosyntes i kloroplaster - ovala plastider (halvautonoma organeller) som innehåller pigmentet klorofyll, tack vare den gröna färgen på vilka delar av växten också har en grön färg.

Hos alger finns klorofyll i kromatoforer (pigmentinnehållande och ljusreflekterande celler). Bruna och röda alger, som lever på avsevärda djup där solljuset inte når så bra, har andra pigment.

Om man tittar på matpyramiden av allt levande så ligger fotosyntetiska organismer allra längst ner, bland autotrofer (organismer som syntetiserar organiska ämnen från oorganiska). Därför är de en källa till mat för allt liv på planeten.

Under fotosyntesen släpps syre ut i atmosfären. I de övre lagren av atmosfären bildas ozon från den. Ozonskölden skyddar jordens yta från hård ultraviolett strålning, vilket gör att liv kan dyka upp från havet till land.

Syre är nödvändigt för växters och djurs andning. När glukos oxideras med deltagande av syre lagrar mitokondrier nästan 20 gånger mer energi än utan det. Detta gör användningen av mat mycket effektivare, vilket har lett till höga metaboliska hastigheter hos fåglar och däggdjur.

En mer detaljerad beskrivning av processen för fotosyntes i växter

Fotosyntesens framsteg:

Processen för fotosyntes börjar med att ljus träffar kloroplaster - intracellulära halvautonoma organeller som innehåller grönt pigment. När de utsätts för ljus börjar kloroplaster att förbruka vatten från jorden och dela upp det i väte och syre.

En del av syret släpps ut i atmosfären, den andra delen går till oxidativa processer i växten.

Socker kombineras med kväve, svavel och fosfor som kommer från jorden, på detta sätt producerar gröna växter stärkelse, fetter, proteiner, vitaminer och andra komplexa föreningar som är nödvändiga för deras liv.

Fotosyntes sker bäst under påverkan av solljus, men vissa växter kan nöja sig med artificiell belysning.

En komplex beskrivning av fotosyntesens mekanismer för den avancerade läsaren

Fram till 60-talet av 1900-talet kände forskare bara till en mekanism för koldioxidfixering - genom C3-pentosfosfatvägen. Men nyligen kunde en grupp australiska forskare bevisa att i vissa växter sker minskningen av koldioxid genom C4-dikarboxylsyracykeln.

Hos växter med en C3-reaktion sker fotosyntesen mest aktivt under förhållanden med måttlig temperatur och ljus, främst i skogar och mörka platser. Sådana växter inkluderar nästan alla odlade växter och de flesta grönsaker. De utgör grunden för människans kost.

I växter med en C4-reaktion sker fotosyntesen mest aktivt under förhållanden med hög temperatur och ljus. Sådana växter inkluderar till exempel majs, sorghum och sockerrör, som växer i varma och tropiska klimat.

Växtmetabolismen i sig upptäcktes ganska nyligen, när det upptäcktes att i vissa växter som har speciella vävnader för att lagra vatten, ackumuleras koldioxid i form av organiska syror och fixeras i kolhydrater först efter en dag. Denna mekanism hjälper växter att spara vatten.

Hur sker fotosyntesprocessen?

Växten absorberar ljus med hjälp av ett grönt ämne som kallas klorofyll. Klorofyll finns i kloroplaster, som finns i stjälkar eller frukter. Det finns en särskilt stor mängd av dem i bladen, för på grund av sin mycket platta struktur kan bladet dra till sig mycket ljus och därför få mycket mer energi för fotosyntesprocessen.

Efter absorption är klorofyll i ett exciterat tillstånd och överför energi till andra molekyler i växtkroppen, särskilt de som är direkt involverade i fotosyntesen. Det andra steget i fotosyntesprocessen äger rum utan obligatoriskt deltagande av ljus och består av att erhålla en kemisk bindning med deltagande av koldioxid som erhålls från luft och vatten. I detta skede syntetiseras olika mycket användbara ämnen för livet, såsom stärkelse och glukos.

Dessa organiska ämnen används av växterna själva för att ge näring till dess olika delar, samt för att upprätthålla normala livsfunktioner. Dessutom erhålls dessa ämnen också av djur genom att äta växter. Människor får också dessa ämnen genom att äta livsmedel av animaliskt och vegetabiliskt ursprung.

Förutsättningar för fotosyntes

Fotosyntes kan ske både under påverkan av artificiellt ljus och solljus. Som regel "arbetar" växter intensivt i naturen på våren och sommaren, när det finns mycket nödvändigt solljus. På hösten är det mindre ljus, dagarna förkortas, löven gulnar först och faller sedan av. Men så fort den varma vårsolen dyker upp, dyker grönt löv upp igen och gröna "fabriker" kommer att återuppta sitt arbete igen för att ge det syre som är så nödvändigt för livet, såväl som många andra näringsämnen.

Alternativ definition av fotosyntes

Fotosyntes (från antikens grekiska fotoljus och syntes - anslutning, vikning, bindning, syntes) är processen att omvandla ljusenergi till energin av kemiska bindningar av organiska ämnen i ljuset av fotoautotrofer med deltagande av fotosyntetiska pigment (klorofyll i växter) bakterioklorofyll och bakteriodopsin i bakterier). I modern växtfysiologi förstås fotosyntes oftare som en fotoautotrofisk funktion - en uppsättning processer för absorption, omvandling och användning av ljuskvanternas energi i olika endergoniska reaktioner, inklusive omvandlingen av koldioxid till organiska ämnen.

Faser av fotosyntes

Fotosyntes är en ganska komplex process och inkluderar två faser: ljus, som alltid sker uteslutande i ljuset, och mörker. Alla processer sker inuti kloroplasterna på speciella små organ - thylakodia. Under den lätta fasen absorberas ett kvantum av ljus av klorofyll, vilket resulterar i bildandet av ATP- och NADPH-molekyler. Vattnet bryts sedan ned, bildar vätejoner och frigör en syremolekyl. Frågan uppstår, vilka är dessa obegripliga mystiska ämnen: ATP och NADH?

ATP är en speciell organisk molekyl som finns i alla levande organismer och kallas ofta för "energi"-valutan. Det är dessa molekyler som innehåller högenergibindningar och är energikällan i all organisk syntes och kemiska processer i kroppen. Tja, NADPH är faktiskt en källa till väte, det används direkt i syntesen av högmolekylära organiska ämnen - kolhydrater, som sker i den andra, mörka fasen av fotosyntesen med hjälp av koldioxid.

Lätt fas av fotosyntesen

Kloroplaster innehåller mycket klorofyllmolekyler, och alla absorberar solljus. Samtidigt absorberas ljus av andra pigment, men de kan inte utföra fotosyntes. Själva processen sker endast i vissa klorofyllmolekyler, av vilka det finns väldigt få. Andra molekyler av klorofyll, karotenoider och andra ämnen bildar speciella antenn- och ljusupptagningskomplex (LHC). De, liksom antenner, absorberar ljuskvanta och överför excitation till speciella reaktionscentra eller fällor. Dessa centra är belägna i fotosystem, av vilka växter har två: fotosystem II och fotosystem I. De innehåller speciella klorofyllmolekyler: respektive i fotosystem II - P680 och i fotosystem I - P700. De absorberar ljus med exakt denna våglängd (680 och 700 nm).

Diagrammet gör det mer tydligt hur allt ser ut och händer under fotosyntesens ljusa fas.

I figuren ser vi två fotosystem med klorofyllerna P680 och P700. Figuren visar också de bärare genom vilka elektrontransport sker.

Så: båda klorofyllmolekylerna i två fotosystem absorberar ett ljuskvantum och blir exciterade. Elektronen e- (röd i figuren) flyttas till en högre energinivå.

Exciterade elektroner har mycket hög energi; de bryter av och går in i en speciell kedja av transportörer, som är belägen i tylakoidernas membran - kloroplasternas inre strukturer. Figuren visar att från fotosystem II från klorofyll P680 går en elektron till plastokinon, och från fotosystem I från klorofyll P700 till ferredoxin. I klorofyllmolekylerna själva, i stället för elektroner efter att de tagits bort, bildas blå hål med positiv laddning. Vad ska man göra?

För att kompensera för bristen på en elektron tar klorofyll P680-molekylen i fotosystem II emot elektroner från vatten och vätejoner bildas. Dessutom är det på grund av nedbrytningen av vatten som syre släpps ut i atmosfären. Och klorofyll P700-molekylen, som kan ses av figuren, kompenserar för bristen på elektroner genom ett system av bärare från fotosystem II.

I allmänhet, oavsett hur svårt det är, är det exakt hur fotosyntesens ljusfas fortskrider; dess huvudsakliga väsen är överföringen av elektroner. Man kan också se av figuren att parallellt med elektrontransporten rör sig vätejoner H+ genom membranet, och de ackumuleras inuti tylakoiden. Eftersom det finns många av dem där, rör de sig utåt med hjälp av en speciell konjugerande faktor, som är orange på bilden, som visas till höger och ser ut som en svamp.

Slutligen ser vi det sista steget av elektrontransport, vilket resulterar i bildandet av den tidigare nämnda NADH-föreningen. Och på grund av överföringen av H+-joner syntetiseras energivaluta - ATP (se till höger i figuren).

Så den lätta fasen av fotosyntesen är klar, syre släpps ut i atmosfären, ATP och NADH bildas. Vad kommer härnäst? Var finns det utlovade organiska materialet? Och så kommer det mörka stadiet, som huvudsakligen består av kemiska processer.

Mörk fas av fotosyntesen

För den mörka fasen av fotosyntesen är koldioxid – CO2 – en viktig komponent. Därför måste växten ständigt absorbera det från atmosfären. För detta ändamål finns det speciella strukturer på ytan av bladet - stomata. När de öppnar sig kommer CO2 in i bladet, löses i vatten och reagerar med fotosyntesens lätta fas.

Under den lätta fasen i de flesta växter binder CO2 till en organisk förening med fem kolatomer (som är en kedja av fem kolmolekyler), vilket resulterar i bildandet av två molekyler av en trekolsförening (3-fosfoglycerinsyra). Därför att Det primära resultatet är just dessa trekolföreningar, växter med denna typ av fotosyntes kallas C3-växter.

Ytterligare syntes i kloroplaster sker ganska komplicerat. Det bildar slutligen en förening med sex kol, från vilken glukos, sackaros eller stärkelse sedan kan syntetiseras. I form av dessa organiska ämnen samlar växten energi. I det här fallet finns bara en liten del av dem kvar i bladet, som används för dess behov, medan resten av kolhydraterna färdas genom växten och kommer dit energi behövs som mest - till exempel vid tillväxtpunkterna.

Växter omvandlar solljus till lagrad kemisk energi i två steg: först fångar de energin från solljus och använder den sedan för att fixera kol för att bilda organiska molekyler.

Gröna växter - biologer kallar dem autotrofer- grunden för livet på planeten. Nästan alla näringskedjor börjar med växter. De omvandlar energin som faller på dem i form av solljus till energi lagrad i kolhydrater ( centimeter. Biologiska molekyler), av vilka den viktigaste är sockersockret med sex kolatomer. Denna energiomvandlingsprocess kallas fotosyntes. Andra levande organismer får tillgång till denna energi genom att äta växter. Detta skapar en näringskedja som stödjer det planetariska ekosystemet.

Dessutom är luften vi andas mättad med syre tack vare fotosyntesen. Den övergripande ekvationen för fotosyntes ser ut så här:

vatten + koldioxid + ljus → kolhydrater + syre

Växter absorberar koldioxid som produceras under andning och frigör syre, en avfallsprodukt från växter ( centimeter. glykolys och andning). Dessutom spelar fotosyntesen en avgörande roll i kolets kretslopp i naturen.

Det verkar förvånande att, trots vikten av fotosyntes, började forskare inte studera det så länge. Efter Van Helmonts experiment, utfört på 1600-talet, blev det ett lugn och först 1905 genomförde den engelske växtfysiologen Frederick Blackman (1866-1947) forskning och etablerade de grundläggande processerna för fotosyntes. Han visade att fotosyntesen börjar i svagt ljus, att fotosynteshastigheten ökar med ökande ljusflöde, men från en viss nivå leder ytterligare ökningar av belysningen inte längre till en ökning av fotosyntetisk aktivitet. Blackman visade att ökad temperatur under svaga ljusförhållanden inte hade någon effekt på fotosynteshastigheten, men att när temperatur och ljus ökades samtidigt ökade fotosynteshastigheten betydligt mer än med enbart ökat ljus.

Från dessa experiment drog Blackman slutsatsen att två processer inträffade: den ena var starkt beroende av ljusnivån men inte temperaturen, medan den andra var starkt påverkad av temperaturen oavsett ljusnivån. Denna insikt låg till grund för moderna idéer om fotosyntes. De två processerna kallas ibland för "ljusa" och "mörka" reaktioner, vilket inte är helt korrekt, eftersom det visade sig att även om reaktionerna i den "mörka" fasen sker i frånvaro av ljus, kräver de produkter av "ljuset" fas.

Fotosyntesen börjar när fotoner som emitteras av solen kommer in i speciella pigmentmolekyler som finns i bladet - molekyler klorofyll. Klorofyll finns i bladceller och i membranen hos cellorganeller kloroplaster(det är de som ger bladet dess gröna färg). Processen för energifångning består av två steg och utförs i separata kluster av molekyler - dessa kluster kallas vanligtvis Fotosystem I Och Fotosystem II. Klusternumren återspeglar i vilken ordning dessa processer upptäcktes, och detta är en av de roliga vetenskapliga konstigheterna, eftersom reaktionerna i Photosystem II först inträffar i bladet och först sedan i Photosystem I.

När en foton kolliderar med 250-400 molekyler av Photosystem II ökar energin abrupt och överförs till klorofyllmolekylen. Vid denna tidpunkt inträffar två kemiska reaktioner: klorofyllmolekylen förlorar två elektroner (som accepteras av en annan molekyl, kallad en elektronacceptor) och vattenmolekylen splittras. Elektronerna i de två väteatomerna som var en del av vattenmolekylen ersätter de två elektronerna som förloras av klorofyll.

Efter detta överförs den högenergiska ("snabba") elektronen till varandra som en het potatis av de molekylära bärarna samlade i en kedja. I det här fallet går en del av energin till bildningen av adenosintrifosfatmolekylen (ATP), en av de viktigaste energibärarna i cellen ( centimeter. biologiska molekyler). Samtidigt absorberar en något annorlunda Photosystem I-klorofyllmolekyl fotonens energi och donerar en elektron till en annan acceptormolekyl. Denna elektron ersätts i klorofyll av en elektron som anlände längs kedjan av bärare från Fotosystem II. Energin hos elektronen från Fotosystem I och de vätejoner som tidigare bildats under uppdelningen av en vattenmolekyl används för att bilda NADP-H, en annan bärarmolekyl.

Som ett resultat av ljusinfångningsprocessen lagras energin hos två fotoner i de molekyler som används av cellen för att utföra reaktioner, och ytterligare en syremolekyl bildas. (Jag noterar att som ett resultat av en annan, mycket mindre effektiv process som involverar enbart Fotosystem I, bildas också ATP-molekyler.) Efter att solenergi har absorberats och lagrats är det turen att bilda kolhydrater. Den grundläggande mekanismen för syntesen av kolhydrater i växter upptäcktes av Melvin Calvin, som på 1940-talet genomförde en rad experiment som nu blivit klassiker. Calvin och hans medarbetare odlade algerna i närvaro av koldioxid som innehåller radioaktivt kol-14. De kunde fastställa den mörka fasens kemiska reaktioner genom att avbryta fotosyntesen i olika stadier.

Cykeln för omvandling av solenergi till kolhydrater - den så kallade Calvin-cykeln - liknar Krebs-cykeln ( centimeter. Glykolys och andning: Den består också av en serie kemiska reaktioner som börjar med kombinationen av en inkommande molekyl med en "hjälpar"-molekyl, följt av initieringen av andra kemiska reaktioner. Dessa reaktioner leder till bildandet av slutprodukten och reproducerar samtidigt "hjälparmolekylen", och cykeln börjar igen. I Calvin-cykeln spelas rollen som en sådan "hjälpar"-molekyl av ribulosdifosfat med fem kolatomer (RDP). Calvin-cykeln börjar med koldioxidmolekyler som kombineras med RDP. På grund av energin från solljus som lagras i form av ATP och NADP-H, inträffar först kemiska reaktioner av kolfixering för att bilda kolhydrater, och sedan inträffar reaktioner av rekonstruktion av ribulosdifosfat. Under cykelns sex varv införlivas sex kolatomer i molekylerna från prekursorerna till glukos och andra kolhydrater. Denna cykel av kemiska reaktioner kommer att fortsätta så länge som energi tillförs. Tack vare denna cykel blir solljusets energi tillgänglig för levande organismer.

I de flesta växter förekommer den ovan beskrivna Calvin-cykeln, där koldioxid, som direkt deltar i reaktioner, binder till ribulosdifosfat. Dessa växter kallas C 3-växter eftersom koldioxid-ribulosdifosfatkomplexet bryts ner i två mindre molekyler som var och en består av tre kolatomer. Vissa växter (som majs och sockerrör, och många tropiska gräs, inklusive krypande ogräs) fungerar annorlunda. Faktum är att koldioxid normalt tränger igenom hål i ytan av arket, kallad stomata. Vid höga temperaturer stänger stomata, vilket skyddar växten från överdriven fuktförlust. I C 3-växter, när stomata är stängda, upphör också tillförseln av koldioxid, vilket leder till en avmattning av fotosyntesen och en förändring av fotosyntesreaktionerna. När det gäller majs, binder koldioxid till en trekolsmolekyl på bladets yta, för att sedan flytta till bladets inre, där koldioxiden frigörs och Calvin-cykeln börjar. Tack vare denna ganska komplexa process sker fotosyntes i majs även i mycket varmt, torrt väder. Vi kallar växter där denna process sker för C 4 växter, eftersom koldioxid transporteras som en fyrkolsmolekyl i början av cykeln. C 3 -växter är huvudsakligen tempererade växter, medan C 4 -växter främst finns i tropikerna.

Van Niel hypotes

Processen för fotosyntes beskrivs av följande kemiska reaktion:

CO 2 + H 2 O + lätt → kolhydrat + O 2

I början av 1900-talet trodde man att det syre som frigjordes vid fotosyntesen bildades som ett resultat av nedbrytningen av koldioxid. Denna synpunkt motbevisades på 1930-talet av Cornelis Bernardus Van Niel (1897-1986), då doktorand vid Stanford University i Kalifornien. Han studerade den lila svavelbakterien (bilden), som kräver svavelväte (H 2 S) för fotosyntes och frigör atomärt svavel som en biprodukt. För sådana bakterier ser fotosyntesekvationen ut så här:

CO 2 + H 2 S + lätt → kolhydrat + 2S.

Baserat på likheten mellan dessa två processer, föreslog Van Niel att i vanlig fotosyntes är källan till syre inte koldioxid, utan vatten, eftersom i svavelbakterier, som metaboliserar svavel istället för syre, återgår fotosyntesen detta svavel, som är en bi- produkt av fotosyntetiska reaktioner. Den moderna detaljerade förklaringen av fotosyntes bekräftar denna gissning: det första steget i fotosyntesprocessen (som genomförs i Fotosystem II) är splittringen av en vattenmolekyl.