Η φωτοσύνθεση και οι φάσεις της (φως και σκοτάδι). Φωτοσύνθεση: φωτεινή και σκοτεινή φάση

Η φωτοσύνθεση είναι ένα σύνολο διαδικασιών σχηματισμού φωτεινής ενέργειας σε ενέργεια χημικοί δεσμοίοργανικές ουσίες με τη συμμετοχή φωτοσυνθετικών χρωστικών.

Αυτός ο τύπος διατροφής είναι χαρακτηριστικός για φυτά, προκαρυώτες και ορισμένους τύπους 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 είναι απαραίτητο για τη φυσική σύνθεση προέρχεται από τις ρίζες μέσω ιστού αγωγιμότητας του νερού. 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 ελαφρύ στάδιο εμφανίζεται αναγκαστικά με ηλιακό φως.

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. ΣΕ ενεργή κατάστασητα 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 από τη μία πλευρά λόγω του ιόντος υδρογόνου και από την άλλη αρνητικό φορτίο λόγω ηλεκτρονίων.
6. Όταν επιτυγχάνεται 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. Τότε εμφανίζεται ένας μάλλον περίπλοκος κύκλος, συμπεριλαμβανομένου συγκεκριμένο αριθμόαντιδράσεις, με την ολοκλήρωση των οποίων το φωσφογλυκερικό οξύ μετατρέπεται σε φυσικό σάκχαρο - γλυκόζη. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται κύκλος Calvin.

Μαζί με τη ζάχαρη, συμβαίνει και ο σχηματισμός λιπαρών οξέων, αμινοξέων, γλυκερόλης 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, ηλιακό φωςείναι προαιρετική. 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.

- σύνθεση οργανικών ουσιών από διοξείδιο του άνθρακα και νερό με υποχρεωτική χρήση φωτεινής ενέργειας:

6CO 2 + 6H 2 O + Q φως → C 6 H 12 O 6 + 6O 2.

Στα ανώτερα φυτά, το όργανο της φωτοσύνθεσης είναι το φύλλο και τα οργανίδια της φωτοσύνθεσης είναι οι χλωροπλάστες (δομή των χλωροπλαστών - διάλεξη Νο. 7). Οι μεμβράνες των θυλακοειδών των χλωροπλαστών περιέχουν φωτοσυνθετικές χρωστικές: χλωροφύλλες και καροτενοειδή. Υπάρχουν αρκετές ΔΙΑΦΟΡΕΤΙΚΟΙ ΤΥΠΟΙχλωροφύλλη ( Α Β Γ Δ), το κυριότερο είναι η χλωροφύλλη ένα. Στο μόριο της χλωροφύλλης, μπορεί να διακριθεί μια «κεφαλή» πορφυρίνης με ένα άτομο μαγνησίου στο κέντρο και μια «ουρά» φυτόλης. Η «κεφαλή» της πορφυρίνης είναι επίπεδη δομή, είναι υδρόφιλη και επομένως βρίσκεται στην επιφάνεια της μεμβράνης που βλέπει στο υδατικό περιβάλλον του στρώματος. Η «ουρά» της φυτόλης είναι υδρόφοβη και λόγω αυτού διατηρεί το μόριο της χλωροφύλλης στη μεμβράνη.

Οι χλωροφύλλες απορροφούν το κόκκινο και το μπλε-ιώδες φως, αντανακλούν το πράσινο φως και επομένως δίνουν στα φυτά το χαρακτηριστικό πράσινο χρώμα τους. Τα μόρια χλωροφύλλης στις θυλακοειδή μεμβράνες οργανώνονται σε φωτοσυστήματα. Τα φυτά και τα γαλαζοπράσινα φύκια έχουν το φωτοσύστημα-1 και το φωτοσύστημα-2 και τα φωτοσυνθετικά βακτήρια έχουν το φωτοσύστημα-1. Μόνο το φωτοσύστημα-2 μπορεί να αποσυνθέσει το νερό για να απελευθερώσει οξυγόνο και να πάρει ηλεκτρόνια από το υδρογόνο του νερού.

Η φωτοσύνθεση είναι μια πολύπλοκη διαδικασία πολλαπλών σταδίων. Οι αντιδράσεις φωτοσύνθεσης χωρίζονται σε δύο ομάδες: αντιδράσεις ελαφριά φάσηκαι αντιδράσεις σκοτεινή φάση.

Φάση φωτός

Αυτή η φάση εμφανίζεται μόνο με την παρουσία φωτός στις μεμβράνες των θυλακοειδών με τη συμμετοχή της χλωροφύλλης, των πρωτεϊνών μεταφοράς ηλεκτρονίων και του ενζύμου συνθετάση ATP. Υπό την επίδραση ενός κβαντικού φωτός, τα ηλεκτρόνια της χλωροφύλλης διεγείρονται, εγκαταλείπουν το μόριο και εισέρχονται στην εξωτερική πλευρά της μεμβράνης του θυλακοειδούς, η οποία τελικά φορτίζεται αρνητικά. Τα μόρια οξειδωμένης χλωροφύλλης μειώνονται, παίρνοντας ηλεκτρόνια από το νερό που βρίσκεται στον ενδοθυλακοειδή χώρο. Αυτό οδηγεί σε διάσπαση ή φωτόλυση του νερού:

H 2 O + Q φως → H + + OH - .

Τα ιόντα υδροξυλίου εγκαταλείπουν τα ηλεκτρόνια τους και γίνονται αντιδραστικές ρίζες.

OH - → .OH + e - .

Οι ρίζες ΟΗ συνδυάζονται για να σχηματίσουν νερό και ελεύθερο οξυγόνο:

4ΟΧΙ. → 2H 2 O + O 2.

Το οξυγόνο αφαιρείται μέσα εξωτερικό περιβάλλον, και τα πρωτόνια συσσωρεύονται μέσα στο θυλακοειδή σε μια «δεξαμενή πρωτονίων». Ως αποτέλεσμα, η θυλακοειδής μεμβράνη, αφενός, φορτίζεται θετικά λόγω H + και αφετέρου, λόγω ηλεκτρονίων, φορτίζεται αρνητικά. Όταν η διαφορά δυναμικού μεταξύ του εξωτερικού και εσωτερικές πλευρέςΗ θυλακοειδής μεμβράνη φτάνει τα 200 mV, τα πρωτόνια ωθούνται μέσω των καναλιών συνθετάσης ATP και η ADP φωσφορυλιώνεται σε ATP. Το ατομικό υδρογόνο χρησιμοποιείται για την αποκατάσταση του συγκεκριμένου φορέα NADP + (νικοταμιδική αδενίνη δινουκλεοτιδική φωσφορική) στο NADPH 2:

2H + + 2e - + NADP → NADPH 2.

Έτσι, στην ελαφριά φάση, λαμβάνει χώρα φωτόλυση του νερού, η οποία συνοδεύεται από τρεις σημαντικές διεργασίες: 1) Σύνθεση ATP. 2) ο σχηματισμός του NADPH 2. 3) ο σχηματισμός οξυγόνου. Το οξυγόνο διαχέεται στην ατμόσφαιρα, το ATP και το NADPH 2 μεταφέρονται στο στρώμα του χλωροπλάστη και συμμετέχουν στις διαδικασίες της σκοτεινής φάσης.

1 - στρώμα χλωροπλάστη. 2 - γρανά θυλακοειδή.

Σκοτεινή φάση

Αυτή η φάση εμφανίζεται στο στρώμα του χλωροπλάστη. Οι αντιδράσεις του δεν απαιτούν φωτεινή ενέργεια, επομένως συμβαίνουν όχι μόνο στο φως, αλλά και στο σκοτάδι. Οι αντιδράσεις σκοτεινής φάσης είναι μια αλυσίδα διαδοχικών μετασχηματισμών του διοξειδίου του άνθρακα (που προέρχεται από τον αέρα), που οδηγεί στο σχηματισμό γλυκόζης και άλλων οργανικών ουσιών.

Η πρώτη αντίδραση σε αυτή την αλυσίδα είναι η δέσμευση του διοξειδίου του άνθρακα. Ο δέκτης διοξειδίου του άνθρακα είναι ένα σάκχαρο πέντε άνθρακα. διφωσφορική ριβουλόζη(RiBF); ένζυμο καταλύει την αντίδραση Διφωσφορική καρβοξυλάση ριβουλόζης(Καρβοξυλάση RiBP). Ως αποτέλεσμα της καρβοξυλίωσης της διφωσφορικής ριβουλόζης, σχηματίζεται μια ασταθής ένωση έξι άνθρακα, η οποία διασπάται αμέσως σε δύο μόρια φωσφογλυκερικό οξύ(FGK). Στη συνέχεια λαμβάνει χώρα ένας κύκλος αντιδράσεων κατά τον οποίο το φωσφογλυκερικό οξύ μετατρέπεται σε γλυκόζη μέσω μιας σειράς ενδιαμέσων. Αυτές οι αντιδράσεις χρησιμοποιούν την ενέργεια του ATP και του NADPH 2 που σχηματίζεται στην ελαφριά φάση. Ο κύκλος αυτών των αντιδράσεων ονομάζεται «κύκλος Calvin»:

6CO 2 + 24H + + ATP → C 6 H 12 O 6 + 6H 2 O.

Εκτός από τη γλυκόζη, κατά τη φωτοσύνθεση σχηματίζονται άλλα μονομερή πολύπλοκων οργανικών ενώσεων - αμινοξέα, γλυκερίνη και λιπαρά οξέα, νουκλεοτίδια. Επί του παρόντος, υπάρχουν δύο τύποι φωτοσύνθεσης: C 3 - και C 4 φωτοσύνθεση.

Γ 3-φωτοσύνθεση

Αυτός είναι ένας τύπος φωτοσύνθεσης στην οποία το πρώτο προϊόν είναι ενώσεις τριών άνθρακα (C3). Η φωτοσύνθεση C 3 ανακαλύφθηκε πριν από τη φωτοσύνθεση C 4 (M. Calvin). Είναι η φωτοσύνθεση C 3 που περιγράφεται παραπάνω, υπό τον τίτλο «Σκοτεινή φάση». Χαρακτηριστικά C3-φωτοσύνθεση: 1) ο δέκτης διοξειδίου του άνθρακα είναι RiBP, 2) η αντίδραση καρβοξυλίωσης του RiBP καταλύεται από την καρβοξυλάση RiBP, 3) ως αποτέλεσμα της καρβοξυλίωσης του RiBP, σχηματίζεται μια ένωση έξι άνθρακα, η οποία αποσυντίθεται σε δύο PGAs . Το FGK επαναφέρεται σε φωσφορικές τριόζης(TF). Ένα μέρος του TF χρησιμοποιείται για την αναγέννηση του RiBP και ένα μέρος μετατρέπεται σε γλυκόζη.

1 - χλωροπλάστης; 2 - υπεροξείσωμα; 3 - μιτοχόνδρια.

Αυτή είναι μια εξαρτώμενη από το φως απορρόφηση οξυγόνου και απελευθέρωση διοξειδίου του άνθρακα. Στις αρχές του περασμένου αιώνα διαπιστώθηκε ότι το οξυγόνο καταστέλλει τη φωτοσύνθεση. Όπως αποδείχθηκε, για την καρβοξυλάση RiBP το υπόστρωμα μπορεί να είναι όχι μόνο διοξείδιο του άνθρακα, αλλά και οξυγόνο:

O 2 + RiBP → φωσφογλυκολικό (2C) + PGA (3C).

Το ένζυμο ονομάζεται οξυγενάση RiBP. Το οξυγόνο είναι ένας ανταγωνιστικός αναστολέας της δέσμευσης του διοξειδίου του άνθρακα. Η ομάδα φωσφορικών διαχωρίζεται και το φωσφογλυκολικό γίνεται γλυκολικό, το οποίο πρέπει να χρησιμοποιήσει το φυτό. Εισέρχεται στα υπεροξισώματα, όπου οξειδώνεται σε γλυκίνη. Η γλυκίνη εισέρχεται στα μιτοχόνδρια, όπου οξειδώνεται σε σερίνη, με την απώλεια ήδη σταθεροποιημένου άνθρακα με τη μορφή CO 2. Ως αποτέλεσμα, δύο μόρια γλυκολικού (2C + 2C) μετατρέπονται σε ένα PGA (3C) και CO 2. Η φωτοαναπνοή οδηγεί σε μείωση της απόδοσης των φυτών C3 κατά 30-40% ( Με 3 φυτά- φυτά που χαρακτηρίζονται από φωτοσύνθεση C 3).

Η φωτοσύνθεση C 4 είναι η φωτοσύνθεση στην οποία το πρώτο προϊόν είναι ενώσεις τεσσάρων άνθρακα (C 4). Το 1965 διαπιστώθηκε ότι σε ορισμένα φυτά (ζαχαροκάλαμο, καλαμπόκι, σόργο, κεχρί) τα πρώτα προϊόντα της φωτοσύνθεσης είναι οξέα τεσσάρων ανθράκων. Αυτά τα φυτά ονομάζονταν Με 4 φυτά. Το 1966, οι Αυστραλοί επιστήμονες Hatch και Slack έδειξαν ότι τα φυτά C4 ουσιαστικά δεν έχουν φωτοαναπνοή και απορροφούν το διοξείδιο του άνθρακα πολύ πιο αποτελεσματικά. Το μονοπάτι των μετασχηματισμών άνθρακα στα φυτά C 4 άρχισε να ονομάζεται από Hatch-Slack.

Τα φυτά C 4 χαρακτηρίζονται από μια ειδική ανατομική δομή του φύλλου. Όλες οι αγγειακές δέσμες περιβάλλονται από ένα διπλό στρώμα κυττάρων: το εξωτερικό στρώμα είναι κύτταρα μεσόφυλλου, το εσωτερικό στρώμα είναι κύτταρα θηκών. Το διοξείδιο του άνθρακα στερεώνεται στο κυτταρόπλασμα των κυττάρων μεσοφύλλης, ο δέκτης είναι φωσφοενολοπυρουβικό(PEP, 3C), ως αποτέλεσμα της καρβοξυλίωσης της PEP, σχηματίζεται οξαλοξικό (4C). Η διαδικασία καταλύεται PEP καρβοξυλάση. Σε αντίθεση με την καρβοξυλάση RiBP, η PEP καρβοξυλάση έχει μεγαλύτερη συγγένεια για το CO 2 και, το πιο σημαντικό, δεν αλληλεπιδρά με το O 2 . Οι χλωροπλάστες μεσοφύλλης έχουν πολλούς κόκκους στους οποίους συμβαίνουν ενεργά αντιδράσεις ελαφριάς φάσης. Οι αντιδράσεις σκοτεινής φάσης συμβαίνουν στους χλωροπλάστες των κυττάρων του περιβλήματος.

Το οξαλοξικό (4C) μετατρέπεται σε μηλικό, το οποίο μεταφέρεται μέσω των πλασμοδεσμών στα κύτταρα του περιβλήματος. Εδώ αποκαρβοξυλιώνεται και αφυδρογονώνεται για να σχηματίσει πυροσταφυλικό, CO 2 και NADPH 2 .

Το πυροσταφυλικό επιστρέφει στα κύτταρα της μεσοφύλλης και αναγεννάται χρησιμοποιώντας την ενέργεια του ATP σε PEP. Το CO 2 σταθεροποιείται και πάλι από την καρβοξυλάση RiBP για να σχηματίσει PGA. Η αναγέννηση PEP απαιτεί ενέργεια ATP, επομένως απαιτεί σχεδόν διπλάσια ενέργεια από τη φωτοσύνθεση C 3.

Η έννοια της φωτοσύνθεσης

Χάρη στη φωτοσύνθεση, δισεκατομμύρια τόνοι διοξειδίου του άνθρακα απορροφώνται κάθε χρόνο από την ατμόσφαιρα και απελευθερώνονται δισεκατομμύρια τόνοι οξυγόνου. η φωτοσύνθεση είναι η κύρια πηγή σχηματισμού οργανικών ουσιών. Το οξυγόνο σχηματίζει το στρώμα του όζοντος, το οποίο προστατεύει τους ζωντανούς οργανισμούς από την υπεριώδη ακτινοβολία βραχέων κυμάτων.

Κατά τη διάρκεια της φωτοσύνθεσης, ένα πράσινο φύλλο χρησιμοποιεί μόνο το 1% της ηλιακής ενέργειας που πέφτει σε αυτό είναι περίπου 1 g οργανικής ύλης ανά 1 m2 επιφάνειας ανά ώρα.

Χημειοσύνθεση

Η σύνθεση οργανικών ενώσεων από διοξείδιο του άνθρακα και νερό, που πραγματοποιείται όχι λόγω της ενέργειας του φωτός, αλλά λόγω της ενέργειας οξείδωσης ανόργανων ουσιών, ονομάζεται χημειοσύνθεση. Οι χημειοσυνθετικοί οργανισμοί περιλαμβάνουν ορισμένους τύπους βακτηρίων.

Νιτροποιητικά βακτήριαοξειδώνουν την αμμωνία σε άζωτο και στη συνέχεια σε νιτρικό οξύ(NH 3 → HNO 2 → HNO 3).

Βακτήρια σιδήρουμετατρέπουν τον σίδηρο σε οξείδιο του σιδήρου (Fe 2+ → Fe 3+).

Βακτήρια θείουοξειδώστε το υδρόθειο προς θείο ή θειικό οξύ (H 2 S + ½O 2 → S + H 2 O, H 2 S + 2O 2 → H 2 SO 4).

Ως αποτέλεσμα των αντιδράσεων οξείδωσης ανόργανων ουσιών, απελευθερώνεται ενέργεια, η οποία αποθηκεύεται από τα βακτήρια με τη μορφή δεσμών ATP υψηλής ενέργειας. Το ATP χρησιμοποιείται για τη σύνθεση οργανικών ουσιών, η οποία προχωρά παρόμοια με τις αντιδράσεις της σκοτεινής φάσης της φωτοσύνθεσης.

Τα χημειοσυνθετικά βακτήρια συμβάλλουν στη συσσώρευση μετάλλων στο έδαφος, βελτιώνουν τη γονιμότητα του εδάφους και προάγουν τον καθαρισμό Λυμάτωνκαι τα λοιπά.

Παω σε διαλέξεις Νο 11«Η έννοια του μεταβολισμού. Βιοσύνθεση πρωτεϊνών"

Παω σε διαλέξεις Νο 13«Μέθοδοι διαίρεσης ευκαρυωτικών κυττάρων: μίτωση, μείωση, αμίτωση»

Πώς να εξηγήσετε μια τόσο περίπλοκη διαδικασία όπως η φωτοσύνθεση εν συντομία και με σαφήνεια; Τα φυτά είναι οι μόνοι ζωντανοί οργανισμοί που μπορούν να παράγουν την τροφή τους. Πώς το κάνουν; Για ανάπτυξη και λήψη όλων των απαραίτητων ουσιών από περιβάλλον: διοξείδιο του άνθρακα - από τον αέρα, το νερό και - από το έδαφος. Χρειάζονται επίσης ενέργεια, την οποία παίρνουν από τις ακτίνες του ήλιου. Αυτή η ενέργεια πυροδοτεί ορισμένους χημικές αντιδράσεις, κατά την οποία το διοξείδιο του άνθρακα και το νερό μετατρέπονται σε γλυκόζη (τροφή) και είναι φωτοσύνθεση. Η ουσία της διαδικασίας μπορεί να εξηγηθεί σύντομα και ξεκάθαρα ακόμη και σε παιδιά σχολικής ηλικίας.

«Μαζί με το φως»

Η λέξη "φωτοσύνθεση" προέρχεται από δύο ελληνικές λέξεις - "φωτογραφία" και "σύνθεση", ο συνδυασμός των οποίων σημαίνει "μαζί με το φως". Η ηλιακή ενέργεια μετατρέπεται σε χημική ενέργεια. Χημική εξίσωση φωτοσύνθεσης:

6CO 2 + 12H 2 O + φως = C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + 6H 2 O.

Αυτό σημαίνει ότι 6 μόρια διοξειδίου του άνθρακα και δώδεκα μόρια νερού χρησιμοποιούνται (μαζί με το ηλιακό φως) για την παραγωγή γλυκόζης, με αποτέλεσμα έξι μόρια οξυγόνου και έξι μόρια νερού. Εάν το αντιπροσωπεύσετε ως λεκτική εξίσωση, λαμβάνετε τα ακόλουθα:

Νερό + ήλιος => γλυκόζη + οξυγόνο + νερό.

Ο ήλιος είναι πολύ ισχυρή πηγήενέργεια. Οι άνθρωποι προσπαθούν πάντα να το χρησιμοποιούν για να παράγουν ηλεκτρική ενέργεια, να μονώνουν σπίτια, να ζεσταίνουν νερό κ.λπ. Τα φυτά κατάλαβαν πώς να χρησιμοποιούν την ηλιακή ενέργεια πριν από εκατομμύρια χρόνια, επειδή ήταν απαραίτητη για την επιβίωσή τους. Η φωτοσύνθεση μπορεί να εξηγηθεί σύντομα και ξεκάθαρα ως εξής: τα φυτά χρησιμοποιούν φωτεινή ενέργεια από τον ήλιο και τη μετατρέπουν σε χημική ενέργεια, το αποτέλεσμα της οποίας είναι η ζάχαρη (γλυκόζη), η περίσσεια της οποίας αποθηκεύεται ως άμυλο στα φύλλα, τις ρίζες, τους μίσχους και σπόρους του φυτού. Η ενέργεια του ήλιου μεταφέρεται στα φυτά, καθώς και στα ζώα που τρώνε αυτά τα φυτά. Όταν ένα φυτό χρειάζεται ΘΡΕΠΤΙΚΕΣ ουσιεςαχ για την ανάπτυξη και άλλες διαδικασίες ζωής, αυτά τα αποθέματα αποδεικνύονται πολύ χρήσιμα.

Πώς τα φυτά απορροφούν ενέργεια από τον ήλιο;

Μιλώντας για τη φωτοσύνθεση εν συντομία και ξεκάθαρα, αξίζει να αναφερθούμε στο ερώτημα πώς τα φυτά καταφέρνουν να απορροφούν την ηλιακή ενέργεια. Αυτό συμβαίνει λόγω της ειδικής δομής των φύλλων, η οποία περιλαμβάνει πράσινα κύτταρα - χλωροπλάστες, που περιέχουν μια ειδική ουσία που ονομάζεται χλωροφύλλη. Αυτό είναι που δίνει τα φύλλα πράσινο χρώμακαι είναι υπεύθυνος για την απορρόφηση ενέργειας από το ηλιακό φως.

Γιατί τα περισσότερα φύλλα είναι πλατιά και επίπεδα;

Η φωτοσύνθεση συμβαίνει στα φύλλα των φυτών. Καταπληκτικό γεγονόςείναι ότι τα φυτά είναι πολύ καλά προσαρμοσμένα για να συλλαμβάνουν το ηλιακό φως και να απορροφούν διοξείδιο του άνθρακα. Χάρη στη φαρδιά επιφάνεια, θα συλληφθεί πολύ περισσότερο φως. Γι' αυτό το λόγο τα ηλιακά πάνελ, τα οποία μερικές φορές τοποθετούνται στις στέγες των σπιτιών, είναι επίσης φαρδιά και επίπεδα. Πως περισσότερη επιφάνεια, τόσο καλύτερη γίνεται η απορρόφηση.

Τι άλλο είναι σημαντικό για τα φυτά;

Όπως οι άνθρωποι, τα φυτά χρειάζονται επίσης ωφέλιμα θρεπτικά συστατικά για να παραμείνουν υγιή, να αναπτυχθούν και να εκτελούν καλά τις ζωτικές τους λειτουργίες. Λαμβάνουν ορυκτά διαλυμένα στο νερό από το έδαφος μέσω των ριζών τους. Εάν το έδαφος δεν έχει μεταλλικά θρεπτικά συστατικά, το φυτό δεν θα αναπτυχθεί κανονικά. Οι αγρότες συχνά δοκιμάζουν το έδαφος για να εξασφαλίσουν ότι έχει αρκετά θρεπτικά συστατικά για να αναπτυχθούν οι καλλιέργειες. Διαφορετικά, καταφύγετε στη χρήση λιπασμάτων που περιέχουν απαραίτητα μέταλλα για τη θρέψη και την ανάπτυξη των φυτών.

Γιατί είναι τόσο σημαντική η φωτοσύνθεση;

Για να εξηγήσουμε συνοπτικά και ξεκάθαρα τη φωτοσύνθεση για τα παιδιά, αξίζει να πούμε ότι αυτή η διαδικασία είναι μια από τις πιο σημαντικές χημικές αντιδράσεις στον κόσμο. Ποιοι λόγοι υπάρχουν για μια τόσο ηχηρή δήλωση; Πρώτον, η φωτοσύνθεση τροφοδοτεί τα φυτά, τα οποία με τη σειρά τους τρέφουν κάθε άλλο ζωντανό ον στον πλανήτη, συμπεριλαμβανομένων των ζώων και των ανθρώπων. Δεύτερον, ως αποτέλεσμα της φωτοσύνθεσης, το οξυγόνο που είναι απαραίτητο για την αναπνοή απελευθερώνεται στην ατμόσφαιρα. Όλα τα ζωντανά όντα εισπνέουν οξυγόνο και εκπνέουν διοξείδιο του άνθρακα. Ευτυχώς, τα φυτά κάνουν το αντίθετο, επομένως είναι πολύ σημαντικά για τους ανθρώπους και τα ζώα, καθώς τους δίνουν την ικανότητα να αναπνέουν.

Καταπληκτική διαδικασία

Τα φυτά, αποδεικνύεται, ξέρουν επίσης πώς να αναπνέουν, αλλά, σε αντίθεση με τους ανθρώπους και τα ζώα, απορροφούν διοξείδιο του άνθρακα από τον αέρα και όχι οξυγόνο. Τα φυτά πίνουν επίσης. Γι' αυτό πρέπει να τα ποτίσετε, διαφορετικά θα πεθάνουν. Με τη βοήθεια του ριζικού συστήματος, το νερό και τα θρεπτικά συστατικά μεταφέρονται σε όλα τα μέρη του σώματος του φυτού και το διοξείδιο του άνθρακα απορροφάται μέσω μικρών οπών στα φύλλα. Το έναυσμα για την έναρξη μιας χημικής αντίδρασης είναι το ηλιακό φως. Όλα τα μεταβολικά προϊόντα που λαμβάνονται χρησιμοποιούνται από τα φυτά για διατροφή, το οξυγόνο απελευθερώνεται στην ατμόσφαιρα. Έτσι μπορείτε να εξηγήσετε σύντομα και ξεκάθαρα πώς συμβαίνει η διαδικασία της φωτοσύνθεσης.

Φωτοσύνθεση: φωτεινές και σκοτεινές φάσεις της φωτοσύνθεσης

Η υπό εξέταση διαδικασία αποτελείται από δύο κύρια μέρη. Υπάρχουν δύο φάσεις φωτοσύνθεσης (περιγραφή και πίνακας παρακάτω). Η πρώτη ονομάζεται φάση φωτός. Εμφανίζεται μόνο με την παρουσία φωτός στις μεμβράνες των θυλακοειδών με τη συμμετοχή της χλωροφύλλης, των πρωτεϊνών μεταφοράς ηλεκτρονίων και του ενζύμου συνθετάση ATP. Τι άλλο κρύβει η φωτοσύνθεση; Φωτίστε και αντικαταστήστε το ένα το άλλο καθώς προχωρούν η ημέρα και η νύχτα (κύκλοι Calvin). Κατά τη σκοτεινή φάση, λαμβάνει χώρα η παραγωγή της ίδιας γλυκόζης, τροφής για τα φυτά. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται επίσης αντίδραση ανεξάρτητη από το φως.

Φάση φωτός

Σκοτεινή φάση

1. Οι αντιδράσεις που συμβαίνουν στους χλωροπλάστες είναι δυνατές μόνο με την παρουσία φωτός. Σε αυτές τις αντιδράσεις, η φωτεινή ενέργεια μετατρέπεται σε χημική ενέργεια 2. Η χλωροφύλλη και άλλες χρωστικές απορροφούν ενέργεια από το ηλιακό φως. Αυτή η ενέργεια μεταφέρεται στα φωτοσυστήματα που είναι υπεύθυνα για τη φωτοσύνθεση 3. Το νερό χρησιμοποιείται για ηλεκτρόνια και ιόντα υδρογόνου και συμμετέχει επίσης στην παραγωγή οξυγόνου 4. Τα ηλεκτρόνια και τα ιόντα υδρογόνου χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία ATP (αποθηκευτικό μόριο ενέργειας), το οποίο χρειάζεται στην επόμενη φάση της φωτοσύνθεσης

1. Στο στρώμα των χλωροπλαστών συμβαίνουν αντιδράσεις υπερβολικού κύκλου 2. Το διοξείδιο του άνθρακα και η ενέργεια από το ATP χρησιμοποιούνται με τη μορφή γλυκόζης

συμπέρασμα

Από όλα τα παραπάνω προκύπτουν τα ακόλουθα συμπεράσματα:

• Η φωτοσύνθεση είναι μια διαδικασία που παράγει ενέργεια από τον ήλιο.
• Η φωτεινή ενέργεια από τον ήλιο μετατρέπεται σε χημική ενέργεια από τη χλωροφύλλη.
• Η χλωροφύλλη δίνει στα φυτά το πράσινο χρώμα τους.
• Η φωτοσύνθεση λαμβάνει χώρα στους χλωροπλάστες των κυττάρων των φύλλων των φυτών.
• Το διοξείδιο του άνθρακα και το νερό είναι απαραίτητα για τη φωτοσύνθεση.
• Το διοξείδιο του άνθρακα εισέρχεται στο φυτό μέσω μικροσκοπικών οπών, στομάτων και εξέρχεται οξυγόνο μέσω αυτών.
• Το νερό απορροφάται στο φυτό μέσω των ριζών του.
• Χωρίς τη φωτοσύνθεση δεν θα υπήρχε τροφή στον κόσμο.

Σύγκριση σταδίων φωτοσύνθεσης

	Φάση φωτός	Σκοτεινή φάση
Τόπος διεργασιών	Θυλακοειδής μεμβράνες	Στρώμα χλωροπλάστη
Συνθήκες	Φως	Δεν απαιτείται φως
Απαραίτητες ουσίες	Νερό, διοξείδιο του άνθρακα, ADP, NADP	Διοξείδιο του άνθρακα, ATP, NADPH,
Διαδικασίες που συμβαίνουν σε αυτό το στάδιο	Φωτόλυση νερού, Μη κυκλική φωσφορυλίωση (Σχηματισμός ΑΤΡ)	Κύκλος Calvin
Τι σχηματίζεται;	Οξυγόνο (αφαιρείται στην ατμόσφαιρα), ATP, NADP-N.	Γλυκόζη, ADP, NADP

Ως αποτέλεσμα, η συνολική εξίσωση των δύο σταδίων της φωτοσύνθεσης θα μοιάζει με αυτό:

6CO 2 + 6H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 6O 2

1. Ελαφριά φάση φωτοσύνθεσης

Η φωτεινή φάση είναι ένα στάδιο για το οποίο οι αντιδράσεις απαιτούν την απορρόφηση ενός κβαντικού ηλιακής ενέργειας. Σκοπός του είναι να μετατρέψει τη φωτεινή ενέργεια του ήλιου στη χημική ενέργεια των μορίων ATP και άλλων πλούσιων σε ενέργεια μορίων. Αυτές οι αντιδράσεις συμβαίνουν συνεχώς, αλλά είναι ευκολότερο να μελετηθούν χωρίζοντάς τες σε τρία στάδια:

1 . α) Η χλωροφύλλη που χτυπά το φως της προσδίδει αρκετή ενέργεια ώστε ένα ηλεκτρόνιο να μπορεί να αφαιρεθεί από το μόριο.

β) Τα ηλεκτρόνια που απελευθερώνονται από τη χλωροφύλλη συλλαμβάνονται από πρωτεΐνες-φορείς ενσωματωμένες στη θυλακοειδή μεμβράνη, μαζί με τη χλωροφύλλη, και μεταφέρονται μέσω του καναλιού συνθετάσης ATP στην πλευρά της μεμβράνης που βλέπει το στρώμα.

γ) στο στρώμα υπάρχει πάντα μια ουσία που μεταφέρει υδρογόνο, το NADP + (νικοτίνη αμίδιο αδενινο δινουκλεοτιδικό φωσφορικό). Αυτή η ένωση συλλαμβάνει το e και τα πρωτόνια που διεγείρονται από το φως, τα οποία είναι πάντα παρόντα στο στρώμα, και ανάγεται, μετατρέποντας σε NADP H 2.

2 . Τα μόρια του νερού αποσυντίθενται υπό την επίδραση του φωτός (φωτόλυση νερού): σχηματίζονται ηλεκτρόνια, H + και O 2. Τα ηλεκτρόνια αντικαθιστούν το e που χάνεται από τη χλωροφύλλη στο στάδιο 1. Τα πρωτόνια αναπληρώνουν τη δεξαμενή πρωτονίων, η οποία θα χρησιμοποιηθεί στο στάδιο 3. Το οξυγόνο κινείται έξω από το κύτταρο στην ατμόσφαιρα.

3 . Πρωτόνια Προσπαθούν να εξέλθουν μέσω του καναλιού συνθετάσης ATP, αλλά δεν μπορούν. Μετά από κάποιο χρονικό διάστημα με το ζόρι ηλεκτρικό ρεύμα, τα πρωτόνια εκτοξεύονται προς τα έξω από το θυλακοειδή. πρωτόνιαορμή από το θυλακοειδή προς τα έξω - στο στρώμα. Δημιουργείται η έξοδος υψηλό επίπεδοενέργεια που πηγαίνει στη σύνθεση ATP - μη κυκλική φωσφορυλίωση (ADP + Ph n = ATP). Τα προκύπτοντα μόρια ATP μετακινούνται στο στρώμα, όπου συμμετέχουν στις αντιδράσεις σχηματισμού υδατανθράκων.

Έτσι, το αποτέλεσμα της φωτεινής φάσης:

ο σχηματισμός μορίων πλούσιων σε ενέργεια ATP και NADP H 2,

υποπροϊόν – O 2?.

2. Σκοτεινή φάση της φωτοσύνθεσης

Αυτή η φάση λαμβάνει χώρα στο στρώμα του χλωροπλάστη, όπου το CO 2 προέρχεται από τον αέρα, καθώς και τα προϊόντα της ελαφριάς φάσης ATP και NADP H 2. Εδώ αυτές οι ενώσεις χρησιμοποιούνται σε μια σειρά αντιδράσεων που συσσωρεύουν CO 2 με τη μορφή υδατανθράκων, αυτή η διαδικασία είναι Κύκλος Calvin(Βραβείο Νόμπελ 1961).

Για να δημιουργηθεί ένα μόριο γλυκόζης, ο κύκλος πρέπει να επαναληφθεί έξι φορές: κάθε φορά, ένα άτομο άνθρακα από CO 2 προστίθεται στο απόθεμα σταθερού άνθρακα στο φυτό.

Οι ADP, Phn και NADP + από τον κύκλο Calvin επιστρέφουν στην επιφάνεια των μεμβρανών και μετατρέπονται ξανά σε ATP και NADP H 2.

Κατά τη διάρκεια της ημέρας, ενώ ο ήλιος λάμπει, η ενεργή κίνηση αυτών των μορίων στους χλωροπλάστες δεν σταματά: τρέχουν πέρα ​​δώθε σαν σαΐτες, συνδέοντας δύο ανεξάρτητες σειρές αντιδράσεων. Υπάρχουν λίγα από αυτά τα μόρια στους χλωροπλάστες, έτσι το ATP και το NADP H 2 που σχηματίζονται κατά τη διάρκεια της ημέρας, στο φως και μετά το ηλιοβασίλεμα καταναλώνονται γρήγορα σε αντιδράσεις στερέωσης άνθρακα. Στη συνέχεια, η φωτοσύνθεση σταματά μέχρι την αυγή. Με την ανατολή του ηλίου, η σύνθεση του ATP και του NADP·H 2 ξεκινά ξανά και η στερέωση του άνθρακα σύντομα ξαναρχίζει.

αποτέλεσμα της σκοτεινής φάσης: ο σχηματισμός γλυκόζης.

Έτσι, ως αποτέλεσμα της φωτοσύνθεσης, η φωτεινή ενέργεια μετατρέπεται σε ενέργεια χημικών δεσμών στα μόρια των οργανικών ουσιών. Και τα φυτά, επομένως, Ι ενεργούν ως ενδιάμεσοι μεταξύ του Κόσμου και της ζωής στη Γη». Αυτό είναι το σπουδαίο διαστημικό ρόλο(ΧΡΗΣΗ!) πράσινα φυτά!

Κάθε ζωντανό ον στον πλανήτη χρειάζεται τροφή ή ενέργεια για να επιβιώσει. Μερικοί οργανισμοί τρέφονται με άλλα πλάσματα, ενώ άλλοι μπορούν να παράγουν τα δικά τους θρεπτικά συστατικά. Παράγουν τη δική τους τροφή, τη γλυκόζη, σε μια διαδικασία που ονομάζεται φωτοσύνθεση.

Η φωτοσύνθεση και η αναπνοή είναι αλληλένδετα. Το αποτέλεσμα της φωτοσύνθεσης είναι η γλυκόζη, η οποία αποθηκεύεται ως χημική ενέργεια. Αυτή η αποθηκευμένη χημική ενέργεια προκύπτει από τη μετατροπή του ανόργανου άνθρακα (διοξείδιο του άνθρακα) σε οργανικό άνθρακα. Η διαδικασία της αναπνοής απελευθερώνει αποθηκευμένη χημική ενέργεια.

Εκτός από τα προϊόντα που παράγουν, τα φυτά χρειάζονται επίσης άνθρακα, υδρογόνο και οξυγόνο για να επιβιώσουν. Το νερό που απορροφάται από το έδαφος παρέχει υδρογόνο και οξυγόνο. Κατά τη φωτοσύνθεση, ο άνθρακας και το νερό χρησιμοποιούνται για τη σύνθεση των τροφίμων. Τα φυτά χρειάζονται επίσης νιτρικά άλατα για να παράγουν αμινοξέα (ένα αμινοξύ είναι συστατικό για την παραγωγή πρωτεΐνης). Επιπλέον, χρειάζονται μαγνήσιο για να παράγουν χλωροφύλλη.

Το σημείωμα:Τα έμβια όντα που εξαρτώνται από άλλες τροφές ονομάζονται . Τα φυτοφάγα ζώα όπως οι αγελάδες και τα φυτά που τρώνε έντομα είναι παραδείγματα ετερότροφων. Τα έμβια όντα που παράγουν τη δική τους τροφή ονομάζονται. Τα πράσινα φυτά και τα φύκια είναι παραδείγματα αυτότροφων.

Σε αυτό το άρθρο θα μάθετε περισσότερα για το πώς γίνεται η φωτοσύνθεση στα φυτά και τις συνθήκες που είναι απαραίτητες για αυτή τη διαδικασία.

Ορισμός της φωτοσύνθεσης

Η φωτοσύνθεση είναι η χημική διαδικασία με την οποία τα φυτά, ορισμένα φύκια, παράγουν γλυκόζη και οξυγόνο από διοξείδιο του άνθρακα και νερό, χρησιμοποιώντας μόνο το φως ως πηγή ενέργειας.

Αυτή η διαδικασία είναι εξαιρετικά σημαντική για τη ζωή στη Γη γιατί απελευθερώνει οξυγόνο, από το οποίο εξαρτάται όλη η ζωή.

Γιατί τα φυτά χρειάζονται γλυκόζη (τροφή);

Όπως οι άνθρωποι και άλλα έμβια όντα, τα φυτά χρειάζονται επίσης διατροφή για να επιβιώσουν. Η σημασία της γλυκόζης για τα φυτά είναι η εξής:

• Η γλυκόζη που παράγεται από τη φωτοσύνθεση χρησιμοποιείται κατά την αναπνοή για να απελευθερώσει την ενέργεια που χρειάζεται το φυτό για άλλες ζωτικές διαδικασίες.
• Τα φυτικά κύτταρα μετατρέπουν επίσης μέρος της γλυκόζης σε άμυλο, το οποίο χρησιμοποιείται ανάλογα με τις ανάγκες. Για το λόγο αυτό, τα νεκρά φυτά χρησιμοποιούνται ως βιομάζα γιατί αποθηκεύουν χημική ενέργεια.
• Η γλυκόζη είναι επίσης απαραίτητη για την παραγωγή άλλων χημικών ουσιών όπως πρωτεΐνες, λίπη και φυτικά σάκχαρα που απαιτούνται για την υποστήριξη της ανάπτυξης και άλλων σημαντικών διεργασιών.

Φάσεις φωτοσύνθεσης

Η διαδικασία της φωτοσύνθεσης χωρίζεται σε δύο φάσεις: το φως και το σκοτεινό.

Η ελαφριά φάση της φωτοσύνθεσης

Όπως υποδηλώνει το όνομα, οι φωτεινές φάσεις απαιτούν ηλιακό φως. Στις αντιδράσεις που εξαρτώνται από το φως, η ενέργεια από το φως του ήλιου απορροφάται από τη χλωροφύλλη και μετατρέπεται σε αποθηκευμένη χημική ενέργεια με τη μορφή του μορίου ηλεκτρονίου-φορέα NADPH (νικοταμιδική αδενίνη δινουκλεοτιδική φωσφορική) και του μορίου ενέργειας ATP (τριφωσφορική αδενοσίνη). Φάσεις φωτόςεμφανίζονται σε θυλακοειδή μεμβράνες εντός του χλωροπλάστου.

Σκοτεινή φάση φωτοσύνθεσης ή κύκλος Calvin

Στη σκοτεινή φάση ή τον κύκλο του Calvin, τα διεγερμένα ηλεκτρόνια από την φωτεινή φάση παρέχουν ενέργεια για το σχηματισμό υδατανθράκων από μόρια διοξειδίου του άνθρακα. Οι ανεξάρτητες από το φως φάσεις ονομάζονται μερικές φορές κύκλος Calvin λόγω της κυκλικής φύσης της διαδικασίας.

Αν και οι σκοτεινές φάσεις δεν χρησιμοποιούν το φως ως αντιδραστήριο (και, ως αποτέλεσμα, μπορεί να εμφανιστούν κατά τη διάρκεια της ημέρας ή της νύχτας), απαιτούν τα προϊόντα των αντιδράσεων που εξαρτώνται από το φως για να λειτουργήσουν. Τα ανεξάρτητα από το φως μόρια εξαρτώνται από τα μόρια ενεργειακού φορέα ATP και NADPH για να δημιουργήσουν νέα μόρια υδατανθράκων. Μόλις μεταφερθεί η ενέργεια, τα μόρια του ενεργειακού φορέα επιστρέφουν στις φωτεινές φάσεις για να παράγουν περισσότερα ενεργητικά ηλεκτρόνια. Επιπλέον, αρκετά ένζυμα σκοτεινής φάσης ενεργοποιούνται από το φως.

Διάγραμμα φάσεων φωτοσύνθεσης

Το σημείωμα:Αυτό σημαίνει ότι οι σκοτεινές φάσεις δεν θα συνεχιστούν εάν τα φυτά στερηθούν το φως για πολύ καιρό, καθώς χρησιμοποιούν τα προϊόντα των φωτεινών φάσεων.

Η δομή των φύλλων των φυτών

Δεν μπορούμε να μελετήσουμε πλήρως τη φωτοσύνθεση χωρίς να γνωρίζουμε περισσότερα για τη δομή του φύλλου. Το φύλλο είναι προσαρμοσμένο να παίζει ζωτικό ρόλο στη διαδικασία της φωτοσύνθεσης.

Εξωτερική δομή των φύλλων

• τετράγωνο

Ένα από τα πιο σημαντικά χαρακτηριστικά των φυτών είναι η μεγάλη επιφάνεια των φύλλων τους. Τα περισσότερα πράσινα φυτά έχουν πλατιά, επίπεδα και ανοιχτά φύλλα που είναι ικανά να συλλάβουν τόση ηλιακή ενέργεια (ηλιακό φως) όση χρειάζεται για τη φωτοσύνθεση.

• Κεντρική φλέβα και μίσχος

Η κεντρική φλέβα και ο μίσχος ενώνονται και σχηματίζουν τη βάση του φύλλου. Ο μίσχος τοποθετεί το φύλλο έτσι ώστε να δέχεται όσο το δυνατόν περισσότερο φως.

• Λεπίδα φύλλου

Τα απλά φύλλα έχουν μια λεπίδα φύλλου, ενώ τα πολύπλοκα έχουν αρκετές. Η λεπίδα του φύλλου είναι ένα από τα πιο σημαντικά συστατικά του φύλλου, το οποίο εμπλέκεται άμεσα στη διαδικασία της φωτοσύνθεσης.

• Φλέβες

Ένα δίκτυο φλεβών στα φύλλα μεταφέρει νερό από τους μίσχους στα φύλλα. Η απελευθερωμένη γλυκόζη στέλνεται επίσης σε άλλα μέρη του φυτού από τα φύλλα μέσω των φλεβών. Επιπλέον, αυτά τα μέρη φύλλων υποστηρίζουν και διατηρούν τη λεπίδα του φύλλου επίπεδη για μεγαλύτερη δέσμευση του ηλιακού φωτός. Η διάταξη των φλεβών (venation) εξαρτάται από τον τύπο του φυτού.

• Βάση φύλλων

Η βάση του φύλλου είναι το χαμηλότερο τμήμα του, το οποίο αρθρώνεται με το στέλεχος. Συχνά, στη βάση του φύλλου υπάρχουν ένα ζευγάρι ραβδάκια.

• Άκρη φύλλου

Ανάλογα με τον τύπο του φυτού, η άκρη του φύλλου μπορεί να έχει διαφορετικά σχήματα, μεταξύ των οποίων: ολόκληρη, οδοντωτή, οδοντωτή, οδοντωτή, οδοντωτή, κ.λπ.

• Μύτη φύλλου

Όπως η άκρη ενός φύλλου, η κορυφή είναι διάφορα σχήματα, συμπεριλαμβανομένων: απότομο, στρογγυλό, αμβλύ, επίμηκες, τραβηγμένο κ.λπ.

Εσωτερική δομή των φύλλων

Παρακάτω είναι ένα κοντινό διάγραμμα εσωτερική δομήιστοί φύλλων:

• Επιδερμίδα

Η επιδερμίδα λειτουργεί ως το κύριο, προστατευτικό στρώμα στην επιφάνεια του φυτού. Κατά κανόνα, είναι πιο χοντρό στην κορυφή του φύλλου. Η επιδερμίδα καλύπτεται με μια ουσία που μοιάζει με κερί που προστατεύει το φυτό από το νερό.

• Επιδερμίδα

Η επιδερμίδα είναι ένα στρώμα κυττάρων που είναι ο καλυπτικός ιστός του φύλλου. Η κύρια λειτουργία του είναι να προστατεύει τους εσωτερικούς ιστούς του φύλλου από αφυδάτωση, μηχανικές βλάβες και μολύνσεις. Ρυθμίζει επίσης τη διαδικασία ανταλλαγής αερίων και διαπνοής.

• Μεσοφύλλη

Η μεσοφύλλη είναι ο κύριος ιστός ενός φυτού. Εδώ συμβαίνει η διαδικασία της φωτοσύνθεσης. Στα περισσότερα φυτά, η μεσόφυλλη χωρίζεται σε δύο στρώματα: το πάνω είναι παλίσαρο και το κάτω είναι σπογγώδες.

• Κλουβιά άμυνας

Τα προστατευτικά κύτταρα είναι εξειδικευμένα κύτταρα στην επιδερμίδα των φύλλων που χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο της ανταλλαγής αερίων. Επιτελούν προστατευτική λειτουργία για το στόμα. Οι πόροι του στομάχου γίνονται μεγάλοι όταν το νερό είναι ελεύθερα διαθέσιμο, διαφορετικά τα προστατευτικά κύτταρα γίνονται υποτονικά.

• Στόμα

Η φωτοσύνθεση εξαρτάται από τη διείσδυση του διοξειδίου του άνθρακα (CO2) από τον αέρα μέσω των στομάτων στον ιστό της μεσόφυλλης. Το οξυγόνο (O2), που παράγεται ως υποπροϊόν της φωτοσύνθεσης, φεύγει από το φυτό μέσω των στομάτων. Όταν τα στομία είναι ανοιχτά, το νερό χάνεται μέσω της εξάτμισης και πρέπει να αντικατασταθεί μέσω του ρεύματος διαπνοής από νερό που απορροφάται από τις ρίζες. Τα φυτά αναγκάζονται να εξισορροπήσουν την ποσότητα του CO2 που απορροφάται από τον αέρα και την απώλεια νερού μέσω των στοματικών πόρων.

Συνθήκες που απαιτούνται για τη φωτοσύνθεση

Ακολουθούν οι συνθήκες που χρειάζονται τα φυτά για να πραγματοποιήσουν τη διαδικασία της φωτοσύνθεσης:

• Διοξείδιο του άνθρακα.Ένα άχρωμο, άοσμο, φυσικό αέριο που βρίσκεται στον αέρα και έχει την επιστημονική ονομασία CO2. Σχηματίζεται κατά την καύση άνθρακα και οργανικών ενώσεων και εμφανίζεται επίσης κατά την αναπνοή.
• Νερό. Διαφανές υγρό Χημική ουσίαάοσμο και άγευστο (υπό κανονικές συνθήκες).
• Φως.Αν και το τεχνητό φως είναι επίσης κατάλληλο για φυτά, το φυσικό ηλιακό φως τείνει να δημιουργεί Καλύτερες συνθήκεςγια φωτοσύνθεση, γιατί περιέχει φυσικό υπεριωδης ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ, που έχει θετική επιρροήστα φυτά.
• Χλωροφύλλη.Είναι μια πράσινη χρωστική ουσία που βρίσκεται στα φύλλα των φυτών.
• Θρεπτικά συστατικά και μέταλλα.Χημικές ουσίες και οργανικές ενώσεις που απορροφούν οι ρίζες των φυτών από το έδαφος.

Τι παράγεται ως αποτέλεσμα της φωτοσύνθεσης;

• Γλυκόζη;
• Οξυγόνο.

(Η φωτεινή ενέργεια εμφανίζεται σε παρένθεση γιατί δεν είναι ύλη)

Το σημείωμα:Τα φυτά λαμβάνουν CO2 από τον αέρα μέσω των φύλλων τους και νερό από το έδαφος μέσω των ριζών τους. Η φωτεινή ενέργεια προέρχεται από τον Ήλιο. Το οξυγόνο που προκύπτει απελευθερώνεται στον αέρα από τα φύλλα. Η γλυκόζη που προκύπτει μπορεί να μετατραπεί σε άλλες ουσίες, όπως το άμυλο, το οποίο χρησιμοποιείται ως αποθήκη ενέργειας.

Εάν οι παράγοντες που προάγουν τη φωτοσύνθεση απουσιάζουν ή υπάρχουν σε ανεπαρκείς ποσότητες, το φυτό μπορεί να επηρεαστεί αρνητικά. Για παράδειγμα, το λιγότερο φως δημιουργεί ευνοϊκές συνθήκες για τα έντομα που τρώνε τα φύλλα του φυτού και η έλλειψη νερού το επιβραδύνει.

Πού γίνεται η φωτοσύνθεση;

Η φωτοσύνθεση συμβαίνει μέσα στα φυτικά κύτταρα, σε μικρά πλαστίδια που ονομάζονται χλωροπλάστες. Οι χλωροπλάστες (που βρίσκονται κυρίως στο στρώμα της μεσοφύλλης) περιέχουν μια πράσινη ουσία που ονομάζεται χλωροφύλλη. Παρακάτω είναι άλλα μέρη του κυττάρου που συνεργάζονται με τον χλωροπλάστε για να πραγματοποιήσουν φωτοσύνθεση.

Δομή φυτικού κυττάρου

Λειτουργίες μερών φυτικών κυττάρων

• : παρέχει δομική και μηχανική υποστήριξη, προστατεύει τα κύτταρα από, διορθώνει και καθορίζει το σχήμα των κυττάρων, ελέγχει τον ρυθμό και την κατεύθυνση της ανάπτυξης και δίνει σχήμα στα φυτά.
• : παρέχει μια πλατφόρμα για τους περισσότερους χημικές διεργασίεςελέγχεται από ένζυμα.
• : δρα ως φραγμός, ελέγχοντας την κίνηση των ουσιών μέσα και έξω από το κύτταρο.
• : όπως περιγράφεται παραπάνω, περιέχουν χλωροφύλλη, μια πράσινη ουσία που απορροφά την φωτεινή ενέργεια μέσω της διαδικασίας της φωτοσύνθεσης.
• : μια κοιλότητα μέσα στο κυτταρόπλασμα του κυττάρου που αποθηκεύει νερό.
• : περιέχει ένα γενετικό σήμα (DNA) που ελέγχει τις δραστηριότητες του κυττάρου.

Η χλωροφύλλη απορροφά την ενέργεια φωτός που απαιτείται για τη φωτοσύνθεση. Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι δεν απορροφώνται όλα τα έγχρωμα μήκη κύματος φωτός. Τα φυτά απορροφούν κυρίως τα κόκκινα και μπλε μήκη κύματος - δεν απορροφούν φως στην πράσινη περιοχή.

Διοξείδιο του άνθρακα κατά τη φωτοσύνθεση

Τα φυτά προσλαμβάνουν διοξείδιο του άνθρακα από τον αέρα μέσω των φύλλων τους. Το διοξείδιο του άνθρακα διαρρέει μέσω μιας μικρής τρύπας στο κάτω μέρος του φύλλου - της στομίας.

Το κάτω μέρος του φύλλου έχει κελιά σε χαλαρή απόσταση για να επιτρέψει στο διοξείδιο του άνθρακα να φτάσει σε άλλα κύτταρα στα φύλλα. Αυτό επιτρέπει επίσης στο οξυγόνο που παράγεται από τη φωτοσύνθεση να φύγει εύκολα από το φύλλο.

Το διοξείδιο του άνθρακα υπάρχει στον αέρα που αναπνέουμε σε πολύ χαμηλές συγκεντρώσεις και είναι απαραίτητος παράγοντας στη σκοτεινή φάση της φωτοσύνθεσης.

Φως κατά τη φωτοσύνθεση

Το φύλλο έχει συνήθως μεγάλη επιφάνεια ώστε να μπορεί να απορροφήσει πολύ φως. Η επάνω επιφάνειά του προστατεύεται από την απώλεια νερού, τις ασθένειες και την έκθεση στις καιρικές συνθήκες με ένα κηρώδες στρώμα (επιδερμίδα). Το πάνω μέρος του φύλλου είναι το σημείο που χτυπά το φως. Αυτό το στρώμα μεσοφύλλης ονομάζεται παλίσα. Είναι προσαρμοσμένο να απορροφά μεγάλη ποσότηταφως, γιατί περιέχει πολλούς χλωροπλάστες.

Σε φάσεις φωτός, η διαδικασία της φωτοσύνθεσης αυξάνεται με περισσότερο φως. Περισσότερα μόρια χλωροφύλλης ιονίζονται και περισσότερα ATP και NADPH δημιουργούνται εάν τα φωτόνια φωτός συγκεντρωθούν σε ένα πράσινο φύλλο. Αν και το φως είναι εξαιρετικά σημαντικό στις φωτοφάσεις, πρέπει να σημειωθεί ότι οι υπερβολικές ποσότητες μπορούν να βλάψουν τη χλωροφύλλη και να μειώσουν τη διαδικασία της φωτοσύνθεσης.

Οι φωτεινές φάσεις δεν εξαρτώνται πολύ από τη θερμοκρασία, το νερό ή το διοξείδιο του άνθρακα, αν και όλες χρειάζονται για να ολοκληρωθεί η διαδικασία της φωτοσύνθεσης.

Νερό κατά τη φωτοσύνθεση

Τα φυτά λαμβάνουν το νερό που χρειάζονται για τη φωτοσύνθεση μέσω των ριζών τους. Έχουν τρίχες ρίζας που φυτρώνουν στο έδαφος. Οι ρίζες χαρακτηρίζονται από μεγάλη επιφάνεια και λεπτά τοιχώματα, που επιτρέπουν στο νερό να περνάει εύκολα από μέσα τους.

Η εικόνα δείχνει φυτά και τα κύτταρά τους με αρκετό νερό (αριστερά) και έλλειψη (δεξιά).

Το σημείωμα:Τα ριζικά κύτταρα δεν περιέχουν χλωροπλάστες γιατί συνήθως βρίσκονται στο σκοτάδι και δεν μπορούν να φωτοσυνθέσουν.

Εάν το φυτό δεν απορροφά αρκετό νερό, μαραίνεται. Χωρίς νερό, το φυτό δεν θα είναι σε θέση να φωτοσυνθέσει αρκετά γρήγορα και μπορεί ακόμη και να πεθάνει.

Ποια είναι η σημασία του νερού για τα φυτά;

• Παρέχει διαλυμένα μέταλλα που υποστηρίζουν την υγεία των φυτών.
• Είναι ένα μέσο για τη μεταφορά?
• Διατηρεί σταθερότητα και ευθύτητα.
• Δροσίζει και κορεστεί με υγρασία.
• Καθιστά δυνατή τη διεξαγωγή διαφόρων χημικών αντιδράσεων στα φυτικά κύτταρα.

Η σημασία της φωτοσύνθεσης στη φύση

Η βιοχημική διαδικασία της φωτοσύνθεσης χρησιμοποιεί ενέργεια από το ηλιακό φως για να μετατρέψει το νερό και το διοξείδιο του άνθρακα σε οξυγόνο και γλυκόζη. Η γλυκόζη χρησιμοποιείται ως δομικό στοιχείο στα φυτά για την ανάπτυξη των ιστών. Έτσι, η φωτοσύνθεση είναι η μέθοδος με την οποία σχηματίζονται οι ρίζες, οι μίσχοι, τα φύλλα, τα άνθη και οι καρποί. Χωρίς τη διαδικασία της φωτοσύνθεσης, τα φυτά δεν θα μπορούν να αναπτυχθούν ή να αναπαραχθούν.

• Παραγωγοί

Λόγω της φωτοσυνθετικής τους ικανότητας, τα φυτά είναι γνωστά ως παραγωγοί και χρησιμεύουν ως βάση σχεδόν κάθε τροφικής αλυσίδας στη Γη. (Τα φύκια είναι το ισοδύναμο των φυτών σε). Όλα τα τρόφιμα που τρώμε προέρχονται από οργανισμούς που είναι φωτοσυνθετικοί. Τρώμε αυτά τα φυτά απευθείας ή τρώμε ζώα όπως αγελάδες ή χοίρους που καταναλώνουν φυτικές τροφές.

• Η βάση της τροφικής αλυσίδας

Στα υδάτινα συστήματα, τα φυτά και τα φύκια αποτελούν επίσης τη βάση της τροφικής αλυσίδας. Τα φύκια χρησιμεύουν ως τροφή, τα οποία, με τη σειρά τους, λειτουργούν ως πηγή διατροφής για μεγαλύτερους οργανισμούς. Χωρίς τη φωτοσύνθεση σε υδάτινα περιβάλλοντα, η ζωή δεν θα ήταν δυνατή.

• Αφαίρεση διοξειδίου του άνθρακα

Η φωτοσύνθεση μετατρέπει το διοξείδιο του άνθρακα σε οξυγόνο. Κατά τη φωτοσύνθεση, το διοξείδιο του άνθρακα από την ατμόσφαιρα εισέρχεται στο φυτό και στη συνέχεια απελευθερώνεται ως οξυγόνο. Στον σημερινό κόσμο, όπου τα επίπεδα διοξειδίου του άνθρακα αυξάνονται με ανησυχητικούς ρυθμούς, κάθε διαδικασία που απομακρύνει το διοξείδιο του άνθρακα από την ατμόσφαιρα είναι περιβαλλοντικά σημαντική.

• Ανακύκλωση θρεπτικών συστατικών

Τα φυτά και άλλοι φωτοσυνθετικοί οργανισμοί παίζουν ζωτικό ρόλο στον κύκλο των θρεπτικών συστατικών. Το άζωτο στον αέρα στερεώνεται στον φυτικό ιστό και γίνεται διαθέσιμο για τη δημιουργία πρωτεϊνών. Τα μικροθρεπτικά συστατικά που βρίσκονται στο έδαφος μπορούν επίσης να ενσωματωθούν στον φυτικό ιστό και να γίνουν διαθέσιμα σε φυτοφάγα ζώα πιο ψηλά στην τροφική αλυσίδα.

• Φωτοσυνθετική εξάρτηση

Η φωτοσύνθεση εξαρτάται από την ένταση και την ποιότητα του φωτός. Στον ισημερινό, όπου το ηλιακό φως είναι άφθονο όλο το χρόνο και το νερό δεν είναι περιοριστικός παράγοντας, τα φυτά έχουν υψηλούς ρυθμούς ανάπτυξης και μπορούν να γίνουν αρκετά μεγάλα. Αντίθετα, η φωτοσύνθεση συμβαίνει λιγότερο συχνά στα βαθύτερα μέρη του ωκεανού, επειδή το φως δεν διαπερνά αυτά τα στρώματα, με αποτέλεσμα ένα πιο άγονο οικοσύστημα.