Pădurile sunt considerate „plămânii verzi ai planetei” nu în zadar. Ce este fotosinteza și cum se produce acest proces, vom lua în considerare în detaliu.
Ce este fotosinteza?
Fotosinteză - Proces biochimic în timpul căruia apar organice folosind pigmenți speciali ai plantelor și energie ușoară din substanțe anorganice (dioxid de carbon, apă). Acesta este unul dintre cele mai importante procese datorită cărora majoritatea organismelor au apărut și continuă să existe pe planetă.
Fapt interesant: Plantele terestre, precum și algele verzi, sunt capabile de fotosinteză. În acest caz, algele (fitoplancton) produc 80% oxigen.
Importanța fotosintezei pentru viața pe Pământ
Fără fotosinteză, în locul multor organisme vii, pe planeta noastră ar exista doar bacterii. Energia obținută ca urmare a acestui proces chimic a permis bacteriilor să evolueze.
Orice procese naturale au nevoie de energie. Ea vine de la soare. Dar lumina soarelui capătă formă numai după ce a fost transformată de plante.
Plantele folosesc doar o parte din energie, iar restul se acumulează în ele însele. Ei mănâncă ierbivore, care sunt hrană pentru prădători. În cursul lanțului, fiecare legătură primește substanțele și energia necesară valoroase.
Oxigenul produs în timpul reacției este necesar pentru ca toate viețuitoarele să respire. Respirația este opusă fotosintezei. În acest caz, materia organică este oxidată, distrusă. Energia rezultată este utilizată de organisme pentru a îndeplini diverse sarcini vitale.
În timpul existenței planetei, când erau puține plante, oxigenul era practic absent. Formele de viață primitive au primit un minim de energie în alte moduri. Era prea puțin pentru dezvoltare. Prin urmare, respirația din cauza oxigenului a deschis mai multe oportunități.
O altă funcție a fotosintezei este protejarea organismelor împotriva expunerii la lumina ultravioletă. Vorbim despre stratul de ozon situat în stratosferă la o altitudine de aproximativ 20-25 km. Se formează datorită oxigenului, care se transformă în ozon sub acțiunea luminii solare. Fără această protecție, viața pe Pământ ar fi limitată doar la organismele subacvatice.
Organismele eliberează dioxid de carbon în timpul respirației. Este un element esențial al fotosintezei. Altfel, dioxidul de carbon s-ar acumula pur și simplu în atmosfera superioară, sporind considerabil efectul de seră.
Aceasta este o problemă serioasă de mediu, a cărei esență este creșterea temperaturii atmosferei cu consecințe negative. Acestea includ schimbările climatice (încălzirea globală), topirea ghețarilor, creșterea nivelului mării etc.
Funcții de fotosinteză:
- evolutia oxigenului;
- formarea de energie;
- formarea de nutrienți;
- crearea stratului de ozon.
Definiția și formula fotosintezei
Termenul „fotosinteză” provine dintr-o combinație de două cuvinte: fotografie și sinteză. Traduse din greacă veche, ele înseamnă „lumină” și, respectiv, „conexiune”. Astfel, energia luminii este transformată în energia legăturilor substanțelor organice.
Sistem:
Dioxid de carbon + apă + lumină = carbohidrați + oxigen.
Formula științifică pentru fotosinteză:
6CO2 + 6H2O → C6N12DESPRE6 + 6O2.
Fotosinteza are loc astfel încât contactul direct cu apa și CO2 nu este vizibil.
Importanța fotosintezei pentru plante
Plantele necesită materie organică, energie pentru creștere și dezvoltare. Datorită fotosintezei, aceștia își asigură aceste componente. Crearea substanțelor organice este obiectivul principal al fotosintezei pentru plante, iar eliberarea de oxigen este considerată o reacție laterală.
Fapt interesant: Plantele sunt unice, deoarece nu au nevoie de alte organisme pentru a obține energie.Prin urmare, formează un grup separat - autotrofe (traduse din limba greacă veche „mă mănânc eu”).
Cum apare fotosinteza?
Fotosinteza are loc direct în părțile verzi ale plantelor - cloroplaste. Ele fac parte din celulele plantelor. Cloroplastele conțin o substanță - clorofilă. Acesta este principalul pigment fotosintetic, datorită acestuia are loc întreaga reacție. În plus, clorofila determină culoarea verde a vegetației.
Acest pigment se caracterizează prin capacitatea de a absorbi lumina. Și în celulele plantei, este lansat un adevărat „laborator” biochimic, în care apa și CO2 se transformă în oxigen, carbohidrați.
Apa intră prin sistemul radicular al plantei, iar gazul pătrunde direct în frunze. Lumina acționează ca o sursă de energie. Când o particulă ușoară acționează asupra unei molecule de clorofilă, are loc activarea acesteia. În molecula de apă H2Oxigenul (O) rămâne neclamat. Astfel, devine un produs secundar pentru plante, dar atât de important pentru noi, un produs de reacție.
Faze de fotosinteză
Fotosinteza este împărțită în două etape: lumină și întuneric. Ele apar simultan, dar în diferite părți ale cloroplastului. Numele fiecărei faze vorbește de la sine. Faza ușoară sau dependentă de lumină are loc numai cu participarea particulelor de lumină. În faza întunecată sau non-volatilă, nu este necesară lumină.
Înainte de a examina mai detaliat fiecare fază, merită să înțelegeți structura cloroplastului, deoarece determină esența și locul etapelor. Cloroplastul este o varietate de plastide și este localizat în interiorul celulei separat de celelalte componente ale acesteia. Are forma unei sămânțe.
Constituenții cloroplastului implicați în fotosinteză:
- 2 membrane;
- stroma (lichid intern);
- tilacoid;
- lumeni (goluri din interiorul tiucoidelor).
Faza ușoară a fotosintezei
Acesta curge pe tilacoizi, mai precis, pe membranele lor. Când lumina îi lovește, electronii încărcați negativ sunt eliberați și acumulați. Astfel, pigmenții fotosintetici pierd toți electronii, după care este rândul moleculelor de apă să se descompună:
H2O → H + + OH-
În acest caz, protonii hidrogeni formați au o încărcătură pozitivă și se acumulează pe membrana tilacoidă interioară. Drept urmare, protonii cu plus de încărcare și electronii cu o minus de încărcare sunt separați doar de o membrană.
Oxigenul este produs ca produs secundar:
4OH → O2 + 2H2O
La un moment dat, fazele electronilor și protonilor de hidrogen devin prea multe. Apoi intră în lucrare enzima ATP sintază. Sarcina sa este de a transfera protoni de hidrogen din membrana tilacoidă în mediul lichid cloroplast - stroma.
În această etapă, hidrogenul este la dispoziția unui alt purtător - NADP (scurt pentru fosfat de nucleotidă de nicotinamidină). Este, de asemenea, un tip de enzimă care accelerează reacțiile oxidative din celule. În acest caz, meseria lui este să transporte protoni de hidrogen într-o reacție de carbohidrați.
În această etapă, are loc procesul de fotofosforare, timp în care se generează o cantitate imensă de energie. Sursa sa este ATP - acidul adenosin trifosforic.
Scurtă descriere:
- Lovitura unei cantități de lumină asupra clorofilei.
- Selectarea electronilor.
- Evoluția oxigenului.
- Formarea NADPH oxidazei.
- Producția de energie ATP.
Fapt interesant: Există o plantă relictă numită Velvichia care crește pe coasta africană a Oceanului Atlantic. Acesta este singurul reprezentant al unui fel cu un minim de frunze capabile să fotosinteze. Cu toate acestea, vârsta Velvich atinge aproximativ 2000 de ani.
Faza întunecată a fotosintezei
Faza independentă de lumină apare direct în stroma. Reprezintă o serie de reacții enzimatice. Dioxidul de carbon absorbit în stadiul ușor dizolvat în apă, iar în acest stadiu este redus la glucoză. Sunt produse și substanțe organice complexe.
Reacțiile fazei întunecate sunt împărțite în trei tipuri principale și depind de tipul de plante (mai precis, metabolismul lor), în celulele cărora are loc fotosinteza:
- CU3-plants;
- CU4-plants;
- Plante CAM.
K C3- Plantele includ cea mai mare parte a culturilor agricole care cresc în climat temperat. În timpul fotosintezei, dioxidul de carbon devine acid fosfogliceric.
Speciile subtropicale și tropicale, în principal buruieni, aparțin plantelor C4. Se caracterizează prin transformarea dioxidului de carbon în oxaloacetat. Plantele CAM sunt o categorie de plante care nu au umiditate. Ele diferă într-un tip special de fotosinteză - CAM.
CU3-fotosinteză
Cel mai frecvent este C3-Fotosinteza, care se numește și ciclul Calvin - în onoarea savantului american Melvin Calvin, care a adus o contribuție uriașă la studiul acestor reacții și a primit premiul Nobel pentru acest lucru.
Plantele se numesc C3 datorită faptului că în timpul reacțiilor din faza întunecată se formează 3 molecule de carbon ale acidului 3-fosfogliceric - 3-PGA. Sunt implicate direct diverse enzime.
Pentru a se forma o moleculă de glucoză completă, trebuie să treacă 6 cicluri de reacții ale fazei independente de lumină. Carbohidratul este principalul produs al fotosintezei în ciclul Calvin, dar pe lângă acesta, sunt produși aminoacizi grași, precum și glicolipide. C3 Fotosinteza plantelor are loc exclusiv în celulele mezofilei.
Principalul dezavantaj al C3fotosinteză
Plantele din grupa C3se caracterizează printr-un dezavantaj semnificativ. Dacă în mediu nu este suficientă umiditate, capacitatea de fotosinteză este semnificativ redusă. Acest lucru se datorează fotorepirației.
Faptul este că, cu o concentrație scăzută de dioxid de carbon în cloroplaste (mai puțin de 50: 1 000 000), oxigenul este fixat în loc de fixarea carbonului. Enzimele speciale încetinesc semnificativ și risipesc energia solară.
În același timp, creșterea și dezvoltarea plantei încetinește, deoarece lipsește materia organică. De asemenea, nu există eliberare de oxigen în atmosferă.
Fapt interesant: Mlaștina de mare Elysia chlorotica este un animal unic care se fotosintetizează precum plantele. Se hrănește cu alge, cloroplastele care pătrund în celulele tractului digestiv și se fotosintetizează acolo luni întregi. Carbohidrații produși servesc balaia ca aliment.
Fotosinteza C4
Spre deosebire de C3-sinteză, aici reacțiile de fixare a dioxidului de carbon sunt efectuate în diferite celule vegetale. Aceste tipuri de plante sunt capabile să facă față problemei de fotorepirație și fac acest lucru cu un ciclu în două etape.
Pe de o parte, se menține un nivel ridicat de dioxid de carbon, iar pe de altă parte, se controlează un nivel scăzut de oxigen în cloroplaste. Această tactică permite plantelor C4 să evite respirația foto și dificultățile asociate. Reprezentanții plantelor din acest grup sunt cana de zahăr, porumb, mei etc.
Comparativ cu plantele C3 ei sunt capabili să efectueze procese de fotosinteză mult mai intens în condițiile temperaturii ridicate și a lipsei de umiditate. În prima etapă, dioxidul de carbon este fixat în celulele mezofilei, unde se formează acidul 4-carbonic. Apoi acidul trece în coajă și se descompune acolo într-un compus cu 3 carbon și dioxid de carbon.
În a doua etapă, dioxidul de carbon rezultat începe să funcționeze în ciclul Calvin, unde sunt produse gliceraldehida-3-fosfat și carbohidrați, care sunt necesare pentru metabolismul energetic.
Datorită fotosintezei în două etape la plantele C4, se formează o cantitate suficientă de dioxid de carbon pentru ciclul Kelvin. Prin urmare, enzimele funcționează în plină forță și nu risipesc energie degeaba.
Dar acest sistem are dezavantajele sale. În special, se consumă o cantitate mai mare de energie ATP - este necesară pentru transformarea acizilor 4-carbon în 3-acizi și în direcția opusă. Deci C3-Fotosinteza este întotdeauna mai productivă decât C4 cu cantitatea corespunzătoare de apă și lumină.
Ce afectează rata fotosintezei?
Fotosinteza poate avea loc cu viteze diferite. Acest proces depinde de condițiile de mediu:
- apă;
- lungimea de undă a luminii;
- dioxid de carbon;
- temperatura.
Apa este un factor fundamental, așa că atunci când lipsește, reacțiile încetinesc. Pentru fotosinteză, cele mai favorabile sunt undele spectrului roșu și albastru-violet. De asemenea, este de preferat un grad ridicat de iluminare, dar numai la o anumită valoare - atunci când este atinsă, conexiunea dintre iluminare și rata de reacție dispare.
O concentrație ridicată de dioxid de carbon asigură procese fotosintetice rapide și invers. Anumite temperaturi sunt importante pentru enzimele care accelerează reacțiile. Condițiile ideale pentru ei sunt de aproximativ 25-30 ℃.
Foto respirație
Toate lucrurile vii au nevoie de respirație, iar plantele nu fac excepție. Cu toate acestea, acest proces în ele are loc puțin diferit decât la oameni și animale, motiv pentru care se numește fotorespirație.
În general, suflare - un proces fizic în timpul căruia un organism viu și mediul său schimbă gaze. Ca toate lucrurile vii, plantele au nevoie de oxigen pentru a respira. Dar îl consumă mult mai puțin decât produc.
În timpul fotosintezei, care apare numai în lumina soarelui, plantele își creează alimente pentru ele. În timpul foto-respirației, care se desfășoară în continuu, acești nutrienți sunt absorbiți de aceștia pentru a sprijini metabolismul în celule.
Fapt interesant: în timpul unei zile însorite, un teren forestier de 1 hectar consumă de la 120 la 280 kg dioxid de carbon și emite de la 180 la 200 kg oxigen.
Oxigenul (precum dioxidul de carbon) pătrunde în celulele plantelor prin deschideri speciale - stomate. Sunt localizate în partea inferioară a frunzelor. Aproximativ 1000 stomate pot fi localizate pe o foaie.
Schimbul de gaze al instalațiilor în funcție de iluminare
Procesul de schimb de gaze la diferite iluminări este prezentat după cum urmează:
- Lumină puternică. Dioxidul de carbon este utilizat în timpul fotosintezei. Plantele produc mai mult oxigen decât consumă. Excedentele sale intră în atmosferă. Dioxidul de carbon este consumat mai repede decât este eliberat prin respirație. Carbohidrații neutilizați sunt depozitați de către plantă pentru utilizare ulterioară.
- Lumina slaba. Schimbul de gaze cu mediul înconjurător nu are loc, deoarece planta consumă tot oxigenul pe care îl produce.
- Lipsa de lumină. Numai procesele de respirație apar. Dioxidul de carbon este eliberat și oxigenul este consumat.
Chemosynthesis
Unele organisme vii sunt, de asemenea, capabile să formeze monocarbohidrați din apă și dioxid de carbon, în timp ce nu au nevoie de lumina soarelui. Acestea includ bacteriile, iar procesul de conversie a energiei se numește chemosinteză.
chemosynthesis Este un proces în timpul căruia se sintetizează glucoza, dar substanțele chimice sunt utilizate în locul energiei solare. Acesta curge în zone cu o temperatură suficient de ridicată, potrivită pentru funcționarea enzimelor și în absența luminii. Acestea pot fi zone în apropierea izvoarelor hidrotermale, scurgeri de metan la adâncimile mării etc.
Istoria descoperirii fotosintezei
Istoria descoperirii și studiului fotosintezei datează din 1600, când Jan Baptiste van Helmont a decis să înțeleagă întrebarea urgentă la acea vreme: ce mănâncă plantele și de unde provin substanțe utile?
La acea vreme, se credea că sursa elementelor valoroase era solul. Savantul a așezat o crenguță de salcie într-un recipient cu pământ, dar a măsurat anterior greutatea lor. Timp de 5 ani, a avut grijă de copac, udându-l, după care a efectuat din nou proceduri de măsurare.
S-a dovedit că greutatea pământului a scăzut cu 56 g, dar copacul a devenit de 30 de ori mai greu. Această descoperire a respins părerea că plantele se hrănesc cu sol și au dat naștere unei noi teorii - nutriția apei.
În viitor, mulți oameni de știință au încercat să-l infirme.De exemplu, Lomonosov credea că componentele parțial structurale intră în plante prin frunze. El a fost ghidat de plante care cresc cu succes în zonele aride. Cu toate acestea, nu a fost posibil să se dovedească această versiune.
Cel mai apropiat lucru de starea reală a lucrurilor a fost Joseph Priestley, un om de știință chimică și preot cu normă parțială. Odată a descoperit un șoarece mort într-un borcan cu capul în jos, iar acest incident l-a obligat să efectueze o serie de experimente cu rozătoare, lumânări și containere în anii 1770.
Priestley a descoperit că lumânarea se stinge întotdeauna rapid dacă o acoperi cu un borcan deasupra. De asemenea, un organism viu nu poate supraviețui. Omul de știință a ajuns la concluzia că există anumite forțe care fac aerul potrivit pentru viață și a încercat să conecteze acest fenomen cu plantele.
A continuat să stabilească experimente, dar de această dată a încercat să plaseze un vas cu mentă în creștere sub un recipient de sticlă. Spre marea surpriză, planta a continuat să se dezvolte activ. Apoi Priestley a așezat o plantă și un șoarece sub un borcan și doar un animal sub cel de-al doilea. Rezultatul este evident - sub primul rezervor, rozătoarea a rămas nevătămată.
Realizarea chimistului a devenit motivația pentru alți oameni de știință din întreaga lume să repete experimentul. Dar prinderea a fost că preotul a efectuat experimente în timpul zilei. Și, de exemplu, farmacistul Karl Scheele - noaptea, când era timp liber. Drept urmare, savantul l-a acuzat pe Priestley de înșelăciune, deoarece subiecții săi experimentali nu au putut suporta experimentul cu planta.
O adevărată confruntare științifică a izbucnit între chimiști, ceea ce a adus beneficii semnificative și a făcut posibilă o altă descoperire - că plantele trebuie să restabilească aerul, că au nevoie de lumina soarelui.
Desigur, atunci nimeni nu a numit acest fenomen fotosinteză și încă mai erau multe întrebări. Cu toate acestea, în 1782, botanistul Jean Senebier a reușit să demonstreze că, în prezența razelor solare, plantele sunt capabile să descompună dioxidul de carbon la nivel celular. Și în 1864, în sfârșit, au apărut dovezi experimentale că plantele absorb dioxidul de carbon și secretă oxigenul. Acesta este meritul omului de știință din Germania - Julius Sachs.