Lesy sa nepovažujú za „zelené pľúca planéty“ zbytočne. Čo je to fotosyntéza a ako tento proces prebieha, budeme sa podrobne zaoberať.
Čo je to fotosyntéza?
fotosyntéza - Biochemický proces, počas ktorého vznikajú organické procesy pomocou špeciálnych rastlinných pigmentov a svetelnej energie z anorganických látok (oxid uhličitý, voda). Toto je jeden z najdôležitejších procesov, vďaka ktorým sa väčšina organizmov objavila a stále existuje na planéte.
Zaujímavý fakt: Pozemské rastliny, ako aj zelené riasy, sú schopné fotosyntézy. V tomto prípade riasy (fytoplanktón) produkujú 80% kyslíka.
Dôležitosť fotosyntézy pre život na Zemi
Bez fotosyntézy by na našej planéte namiesto mnohých živých organizmov existovali iba baktérie. Je to energia získaná v dôsledku tohto chemického procesu, ktorý umožnil vývoj baktérií.
Všetky prírodné procesy potrebujú energiu. Pochádza zo slnka. Ale slnečné svetlo sa formuje až po transformácii rastlinami.
Rastliny využívajú iba časť energie a zvyšok sami akumulujú. Jesť bylinožravce, ktoré sú potravou pre dravcov. V priebehu reťazca dostáva každý článok potrebné cenné látky a energiu.
Kyslík produkovaný počas reakcie je nevyhnutný na to, aby všetky zvieratá dýchali. Dýchanie je opak fotosyntézy. V tomto prípade sa organická hmota oxiduje, ničí. Výslednú energiu využívajú organizmy na vykonávanie rôznych životne dôležitých úloh.
Počas existencie planéty, keď bolo málo rastlín, kyslík prakticky neexistoval. Primitívne formy života dostali minimum energie inými spôsobmi. Na rozvoj to bolo príliš málo. Preto dýchanie v dôsledku kyslíka otvorilo viac príležitostí.
Ďalšou funkciou fotosyntézy je ochrana organizmov pred vystavením ultrafialovému svetlu. Hovoríme o ozónovej vrstve, ktorá sa nachádza vo stratosfére v nadmorskej výške asi 20 - 25 km. Tvorí sa vďaka kyslíku, ktorý sa vplyvom slnečného žiarenia mení na ozón. Bez tejto ochrany by sa život na Zemi obmedzil iba na podvodné organizmy.
Organizácie uvoľňujú oxid uhličitý počas dýchania. Je nevyhnutným prvkom fotosyntézy. Inak by sa oxid uhličitý jednoducho hromadil v hornej atmosfére, čo by výrazne zlepšilo skleníkový efekt.
Ide o závažný environmentálny problém, ktorého podstatou je zvýšenie teploty atmosféry s negatívnymi dôsledkami. Medzi ne patrí zmena klímy (globálne otepľovanie), topiace sa ľadovce, stúpajúca hladina morí atď.
Funkcie fotosyntézy:
- vývoj kyslíka;
- tvorba energie;
- tvorba živín;
- vytvorenie ozónovej vrstvy.
Definícia a vzorec fotosyntézy
Termín „fotosyntéza“ vychádza z kombinácie dvoch slov: fotografie a syntézy. Preložené zo starogréčtiny znamenajú „svetlo“ a „spojenie“. Energia svetla sa tak premení na energiu väzieb organických látok.
schéma:
Oxid uhličitý + voda + svetlo = uhľohydrát + kyslík.
Vedecký vzorec pre fotosyntézu:
6CO2 + 6H2O → C6N12O6 + 6O2.
Fotosyntéza prebieha tak, že priamy kontakt vody a CO2 neviditeľný.
Dôležitosť fotosyntézy pre rastliny
Rastliny vyžadujú pre rast a rozvoj organickú hmotu, energiu. Vďaka fotosyntéze poskytujú tieto komponenty. Tvorba organických látok je hlavným cieľom fotosyntézy rastlín a uvoľňovanie kyslíka sa považuje za vedľajšiu reakciu.
Zaujímavý fakt: Rastliny sú jedinečné, pretože na získanie energie nepotrebujú iné organizmy.Preto tvoria samostatnú skupinu - autotrofy (preložené zo starogréckeho jazyka „Ja sám seba“).
Ako prebieha fotosyntéza?
Fotosyntéza prebieha priamo v zelených častiach rastlín - chloroplasty, Sú súčasťou rastlinných buniek. Chloroplasty obsahujú látku - chlorofyl, Toto je hlavný fotosyntetický pigment, vďaka ktorému dochádza k celej reakcii. Okrem toho chlorofyl určuje zelenú farbu vegetácie.
Tento pigment sa vyznačuje schopnosťou absorbovať svetlo. A v bunkách rastliny sa začína skutočné biochemické „laboratórium“, v ktorom voda a CO2 premeniť na kyslík, uhľohydráty.
Voda vstupuje cez koreňový systém rastliny a plyn preniká priamo do listov. Svetlo funguje ako zdroj energie. Ak ľahká častica pôsobí na molekulu chlorofylu, dôjde k jej aktivácii. V molekule vody H2O kyslík (O) zostáva nevyžiadaný. Stáva sa tak vedľajším produktom rastlín, ale pre nás tak dôležitým, reakčným produktom.
Fázy fotosyntézy
Fotosyntéza je rozdelená do dvoch stupňov: svetlo a tma. Vyskytujú sa súčasne, ale v rôznych častiach chloroplastu. Názov každej fázy hovorí za seba. Svetelná alebo svetelne závislá fáza nastáva iba za účasti svetelných častíc. V temnej alebo neprchavej fáze nie je potrebné svetlo.
Pred podrobnejším skúmaním každej fázy je potrebné porozumieť štruktúre chloroplastu, pretože určuje podstatu a miesto fáz. Chloroplast je typ plastidu a je umiestnený vo vnútri bunky oddelene od ostatných zložiek. Má tvar semena.
Zložky chloroplastov zapojené do fotosyntézy:
- 2 membrány;
- stroma (vnútorná tekutina);
- thylakoids;
- lúmeny (medzery vo vnútri tylakoidov).
Svetelná fáza fotosyntézy
Tečie na tylakoidoch, presnejšie ich membránach. Keď ich svetlo zasiahne, uvoľnia sa a akumulujú sa záporne nabité elektróny. Fotosyntetické pigmenty tak strácajú všetky elektróny, po ktorých sa rozpadajú molekuly vody:
H2O → H + + OH-
V tomto prípade majú vytvorené vodíkové protóny kladný náboj a hromadia sa na vnútornej tylakoidovej membráne. Výsledkom je, že protóny s nábojom plus a elektróny s nábojom mínus sú oddelené iba membránou.
Kyslík sa vyrába ako vedľajší produkt:
4OH → O2 + 2H2O
V určitom okamihu je príliš veľa fáz elektrónov a protónov vodíka. Potom vstupuje enzým ATP syntáza. Jeho úlohou je prenášať vodíkové protóny z tylakoidovej membrány do tekutého média chloroplastov - stroma.
V tomto štádiu je vodík k dispozícii ďalšiemu nosiču - NADP (skratka pre nikotínamidín nukleotidfosfát). Je to tiež druh enzýmu, ktorý urýchľuje oxidačné reakcie v bunkách. V tomto prípade je jeho úlohou transportovať vodíkové protóny v uhľohydrátovej reakcii.
V tomto štádiu dochádza k procesu fotofosforylácie, počas ktorého sa vytvára obrovské množstvo energie. Jeho zdrojom je ATP - kyselina adenozíntrifosforečná.
Stručný prehľad:
- Zásah kvantového svetla na chlorofyl.
- Výber elektrónov.
- Vývoj kyslíka.
- Tvorba NADPH oxidázy.
- Výroba energie ATP.
Zaujímavý fakt: Na africkom pobreží Atlantického oceánu rastie reliktná rastlina zvaná Velvichia. Toto je jediný predstaviteľ druhu s minimálnym počtom listov schopných fotosyntézy. Vek Velvichu však dosahuje asi 2000 rokov.
Temná fáza fotosyntézy
Fáza nezávislá od svetla sa vyskytuje priamo v stróme. Predstavuje rad enzymatických reakcií. Oxid uhličitý absorbovaný vo svetelnom štádiu sa rozpustí vo vode a v tomto štádiu sa redukuje na glukózu. Vyrábajú sa tiež zložité organické látky.
Reakcie temnej fázy sú rozdelené do troch hlavných typov a závisia od typu rastlín (presnejšie od ich metabolizmu), v ktorých bunkách dochádza k fotosyntéze:
- WITH3-plants;
- WITH4-plants;
- CAM rastliny.
KC3- Rastliny zahŕňajú väčšinu poľnohospodárskych plodín, ktoré rastú v miernom podnebí. Pri fotosyntéze sa oxid uhličitý stáva kyselinou fosfo-glycerovou.
Subtropické a tropické druhy, najmä buriny, patria do rastlín C4. Vyznačujú sa transformáciou oxidu uhličitého na oxaloacetát. Rastliny CAM sú kategóriou rastlín, ktoré nemajú vlhkosť. Líšia sa špeciálnym typom fotosyntézy - CAM.
WITH3-photosynthesis
Najbežnejšia je C.3- fotosyntéza, ktorá sa tiež nazýva Calvinov cyklus - na počesť amerického vedca Melvina Calvina, ktorý k štúdiu týchto reakcií výrazne prispel a za to získal Nobelovu cenu.
Rastliny sa nazývajú C.3 v dôsledku skutočnosti, že pri reakciách temnej fázy sa tvoria 3-uhlíkové molekuly kyseliny 3-fosfoglycerínovej - 3-PGA. Priamo sú zapojené rôzne enzýmy.
Aby sa vytvorila úplná molekula glukózy, musí prejsť 6 cyklov reakcií fázy nezávislej od svetla. Sacharidy sú hlavným produktom fotosyntézy v Calvinovom cykle, ale okrem toho sa vyrábajú mastné a aminokyseliny, ako aj glykolipidy. C3 Fotosyntéza rastlín sa uskutočňuje výlučne v mezofylových bunkách.
Hlavnou nevýhodou C3fotosyntéza
Rastliny skupiny C3sú charakterizované jednou významnou nevýhodou. Ak v prostredí nie je dostatočná vlhkosť, značne sa zníži schopnosť fotosyntézy. Je to kvôli fotorezpirácii.
Faktom je, že pri nízkej koncentrácii oxidu uhličitého v chloroplastoch (menej ako 50: 1 000 000) je namiesto fixácie uhlíka fixovaný kyslík. Špeciálne enzýmy výrazne spomaľujú a strácajú solárnu energiu.
Zároveň rast a vývoj rastliny spomaľuje, pretože jej chýba organická hmota. Taktiež nedochádza k uvoľňovaniu kyslíka do atmosféry.
Zaujímavý fakt: Morský slimák Elysia chlorotica je jedinečné zviera, ktoré fotosyntetizuje podobné rastliny. Živí sa riasami, ktorých chloroplasty prenikajú bunkami tráviaceho traktu a fotosyntetizujú sa tam mesiace. Vyrobené uhľohydráty slúžia ako potrava pre slimáky.
Fotosyntéza C4
Na rozdiel od C.3-syntéza, tu sa reakcie fixácie oxidu uhličitého uskutočňujú v rôznych rastlinných bunkách. Tieto druhy rastlín sú schopné vyrovnať sa s problémom fotodpirácie a robia to dvojstupňovým cyklom.
Na jednej strane je udržiavaná vysoká hladina oxidu uhličitého a na druhej strane je kontrolovaná nízka hladina kyslíka v chloroplastoch. Táto taktika umožňuje rastlinám C4 vyhnúť sa dýchaniu fotografií a súvisiacim problémom. Predstaviteľmi rastlín tejto skupiny sú cukrová trstina, kukurica, proso atď.
V porovnaní s rastlinami C3 dokážu oveľa intenzívnejšie vykonávať fotosyntetické procesy za podmienok vysokej teploty a nedostatku vlhkosti. V prvom stupni je oxid uhličitý fixovaný v mezofylových bunkách, kde sa tvorí kyselina 4-uhličitá. Kyselina potom prechádza do obalu a rozkladá sa na 3-uhlíkovú zlúčeninu a oxid uhličitý.
V druhej fáze získaný oxid uhličitý začína pracovať v Calvinovom cykle, kde sa produkujú glyceraldehyd-3-fosfát a uhľohydráty, ktoré sú potrebné pre energetický metabolizmus.
Vďaka dvojkrokovej fotosyntéze v rastlinách C4 sa vytvára dostatočné množstvo oxidu uhličitého pre Kelvinov cyklus. Enzýmy preto pracujú v plnej sile a zbytočne neplýtvajú energiou.
Tento systém má však svoje nevýhody. Najmä sa spotrebúva väčšie množstvo energie ATP - je potrebné na premenu 4-uhlíkových kyselín na 3-uhlíkové kyseliny a v opačnom smere. Takže C3- Fotosyntéza je vždy produktívnejšia ako C4 so správnym množstvom vody a svetla.
Čo ovplyvňuje rýchlosť fotosyntézy?
Fotosyntéza sa môže vyskytovať pri rôznych rýchlostiach. Tento proces závisí od podmienok prostredia:
- voda;
- vlnová dĺžka svetla;
- oxid uhličitý;
- teplotu.
Voda je zásadným faktorom, takže keď jej chýba, spomaľujú sa reakcie. Pre fotosyntézu sú najpriaznivejšie vlny červeného a modrofialového spektra. Výhodný je tiež vysoký stupeň osvetlenia, ale iba na určitú hodnotu - keď sa dosiahne, spojenie medzi osvetlením a rýchlosťou reakcie zmizne.
Vysoká koncentrácia oxidu uhličitého poskytuje rýchle fotosyntetické procesy a naopak. Určité teploty sú dôležité pre enzýmy, ktoré urýchľujú reakcie. Ideálne podmienky pre nich sú asi 25 - 30 ℃.
Foto dych
Všetky živé veci potrebujú dýchanie a rastliny nie sú výnimkou. Tento proces sa však v nich vyskytuje trochu inak ako u ľudí a zvierat, preto sa nazýva fotorezi.
všeobecne platí, dych - fyzikálny proces, počas ktorého si živý organizmus a jeho prostredie vymieňajú plyny. Podobne ako všetky živé veci, rastliny potrebujú kyslík na dýchanie. Konzumujú ho však oveľa menej, ako vyrábajú.
Počas fotosyntézy, ktorá sa vyskytuje iba na slnečnom svetle, si rastliny vytvárajú jedlo pre seba. Počas foto-dýchania, ktoré sa vykonáva nepretržite, sa tieto živiny absorbujú, aby podporovali metabolizmus v bunkách.
Zaujímavý fakt: počas slnečného dňa sa na 1 hektárovom lesnom pozemku spotrebuje 120 až 280 kg oxidu uhličitého a emituje sa 180 až 200 kg kyslíka.
Kyslík (ako oxid uhličitý) preniká do rastlinných buniek špeciálnymi otvormi - stómami. Sú umiestnené na spodnej časti listov. Na jeden list je možné umiestniť asi 1 000 stómov.
Výmena plynov rastlín v závislosti od osvetlenia
Proces výmeny plynov pri rôznom osvetlení je uvedený nasledovne:
- Jasné svetlo, Počas fotosyntézy sa používa oxid uhličitý. Rastliny produkujú viac kyslíka, ako konzumujú. Jeho prebytky vstupujú do atmosféry. Oxid uhličitý sa spotrebúva rýchlejšie, ako sa uvoľňuje dýchaním. Nepoužité uhľohydráty sú v závode uložené na budúce použitie.
- Slabé svetlo, K výmene plynov s prostredím nedochádza, pretože rastlina spotrebúva všetok kyslík, ktorý produkuje.
- Nedostatok svetla, Vyskytujú sa iba dýchacie procesy. Oxid uhličitý sa uvoľňuje a kyslík sa spotrebúva.
Chemosynthesis
Niektoré živé organizmy sú tiež schopné tvoriť monokarbohydráty z vody a oxidu uhličitého, zatiaľ čo nepotrebujú slnečné svetlo. Patria sem baktérie a proces premeny energie sa nazýva chemosyntéza.
Chemosynthesis Je to proces, pri ktorom sa syntetizuje glukóza, ale namiesto slnečnej energie sa používajú chemikálie. Tečie v oblastiach s dostatočne vysokou teplotou, vhodnou na fungovanie enzýmov a bez svetla. Môžu to byť oblasti v blízkosti hydrotermálnych prameňov, úniky metánu v morských hĺbkach atď.
História objavenia fotosyntézy
História objavenia a štúdia fotosyntézy sa datuje do roku 1600, keď sa Jan Baptiste van Helmont rozhodol v tom čase pochopiť naliehavú otázku: čo jedia rastliny a odkiaľ získajú užitočné látky?
V tom čase sa verilo, že pôda je zdrojom cenných prvkov. Vedec umiestnil vŕbu vetvičku do nádoby so zemou, ale predtým meral svoju hmotnosť. Po dobu 5 rokov sa staral o strom, zalieval ho a potom znova vykonal meracie postupy.
Ukázalo sa, že hmotnosť zeme klesla o 56 g, ale strom bol 30-krát ťažší. Tento objav vyvrátil názor, že rastliny sa živia pôdou a viedli k novej teórii - výžive vody.
V budúcnosti sa to mnohí vedci pokúsili vyvrátiť.Napríklad Lomonosov veril, že čiastočne štrukturálne komponenty vstupujú do rastlín cez listy. Vedú ho rastliny, ktoré úspešne rastú vo vyprahnutých oblastiach. Túto verziu však nebolo možné dokázať.
Najbližšou skutočnou situáciou bol Joseph Priestley, chemický vedec a kňaz na čiastočný úväzok. Akonáhle objavil mŕtvu myš v nádobe hore nohami a tento incident ho prinútil uskutočniť sériu pokusov s hlodavcami, sviečkami a nádobami v 70. rokoch 20. storočia.
Priestley zistil, že sviečka vždy zhasne rýchlo, ak ju zakryte nádobou na vrchu. Živý organizmus tiež nemôže prežiť. Vedec dospel k záveru, že existujú určité sily, vďaka ktorým je vzduch vhodný pre život, a pokúsil sa spojiť tento jav s rastlinami.
Pokračoval v experimentovaní, ale tentoraz sa pokúsil umiestniť hrniec s rastúcou mätou pod sklenenú nádobu. K veľkému prekvapeniu sa rastlina naďalej aktívne vyvíjala. Potom Priestley umiestnil rastlinu a myš pod jednu nádobu a iba zviera pod druhú nádobu. Výsledok je zrejmý - pod prvým tankom zostal hlodavec nezranený.
Úspech chemika sa stal motiváciou pre ostatných vedcov z celého sveta opakovať experiment. Úlovok však spočíval v tom, že kňaz počas dňa experimentoval. A napríklad lekárnik Karl Scheele - v noci, keď bol voľný čas. V dôsledku toho vedec obvinil Priestleyho z klamstva, pretože jeho experimentálne subjekty nedokázali obstáť v experimente s rastlinou.
Medzi chemikmi prepukla skutočná vedecká konfrontácia, ktorá priniesla významné výhody a umožnila ďalší objav - že rastliny potrebujú obnoviť vzduch, potrebujú slnečné svetlo.
Samozrejme, potom nikto nenazval tento jav fotosyntézu a stále bolo veľa otázok. V roku 1782 však botanik Jean Senebier dokázal, že v prítomnosti slnečného žiarenia sú rastliny schopné rozkladať oxid uhličitý na bunkovej úrovni. A v roku 1864 sa nakoniec objavili experimentálne dôkazy, že rastliny absorbujú oxid uhličitý a produkujú kyslík. To je zásluha vedca z Nemecka - Julius Sachs.