Gozdovi veljajo za "zelena pljuča planeta" ne zaman. Kaj je fotosinteza in kako pride do tega procesa, bomo podrobno razmislili.
Kaj je fotosinteza?
Fotosinteza - biokemični postopek, med katerim nastajajo organski z uporabo posebnih rastlinskih pigmentov in svetlobne energije iz anorganskih snovi (ogljikov dioksid, voda). To je eden najpomembnejših procesov, zaradi katerega se je večina organizmov pojavila in še vedno obstaja na planetu.
Zanimivo dejstvo: Kopenske rastline, pa tudi zelene alge, so sposobne fotosinteze. V tem primeru alge (fitoplankton) proizvajajo 80% kisika.
Pomen fotosinteze za življenje na Zemlji
Brez fotosinteze bi namesto številnih živih organizmov na našem planetu obstajale samo bakterije. Energija, pridobljena kot rezultat tega kemičnega procesa, je omogočila, da se bakterije razvijajo.
Vsi naravni procesi potrebujejo energijo. Prihaja s sonca. Toda sončna svetloba se oblikuje šele po preoblikovanju rastlin.
Rastline porabijo le del energije, preostanek pa naberejo v sebi. Jedo rastlinojede, ki so hrana za plenilce. Vsak člen v verigi prejme potrebne dragocene snovi in energijo.
Kisik, ustvarjen med reakcijo, je potreben, da vsa bitja dihajo. Dihanje je nasprotje fotosinteze. V tem primeru se organska snov oksidira, uniči. Dobljeno energijo organizmi uporabljajo za izvajanje različnih življenjskih nalog.
V času obstoja planeta, ko je bilo malo rastlin, je bil kisik praktično odsoten. Primitivne življenjske oblike so na druge načine dobivale najmanj energije. Premalo je bilo za razvoj. Zato je dihanje zaradi kisika odprlo več priložnosti.
Druga funkcija fotosinteze je zaščita organizmov pred izpostavljenostjo ultravijolični svetlobi. Govorimo o ozonski plasti, ki se nahaja v stratosferi na nadmorski višini približno 20-25 km. Nastane zaradi kisika, ki se pod delovanjem sončne svetlobe spremeni v ozon. Brez te zaščite bi bilo življenje na Zemlji omejeno le na podvodne organizme.
Organizmi sproščajo ogljikov dioksid med dihanjem. Je bistven element fotosinteze. V nasprotnem primeru bi se ogljikov dioksid preprosto kopičil v zgornji atmosferi in močno povečal učinek tople grede.
To je resen okoljski problem, katerega bistvo je povišati temperaturo ozračja z negativnimi posledicami. Sem spadajo podnebne spremembe (globalno segrevanje), taljenje ledenikov, naraščanje morske gladine itd.
Funkcije fotosinteze:
- evolucija kisika;
- tvorba energije;
- tvorba hranil;
- ustvarjanje ozonske plasti.
Opredelitev in formula fotosinteze
Izraz „fotosinteza“ izvira iz kombinacije dveh besed: fotografija in sinteza. V prevodu iz starogrščine pomenijo "svetloba" in "povezava". Tako se energija svetlobe pretvori v energijo vezi organskih snovi.
Shema:
Ogljikov dioksid + voda + svetloba = ogljikovi hidrati + kisik.
Znanstvena formula za fotosintezo:
6CO2 + 6H2O → C6N12O NJ6 + 6O2.
Fotosinteza poteka tako, da je neposreden stik vode in CO2 ni vidno.
Pomen fotosinteze za rastline
Rastline potrebujejo organsko snov, energijo za rast in razvoj. Zahvaljujoč fotosintezi se oskrbujejo s temi komponentami. Ustvarjanje organskih snovi je glavni cilj fotosinteze za rastline, sproščanje kisika pa velja za stransko reakcijo.
Zanimivo dejstvo: Rastline so edinstvene, saj ne potrebujejo drugih organizmov, da bi prejemale energijo.Zato tvorijo ločeno skupino - avtotrofe (prevedeno iz starogrškega jezika "jem sam").
Kako poteka fotosinteza?
Fotosinteza poteka neposredno v zelenih delih rastlin - kloroplasti. So del rastlinskih celic. Kloroplasti vsebujejo snov - klorofil. To je glavni fotosintetski pigment, zahvaljujoč njemu se pojavi celotna reakcija. Poleg tega klorofil določa zeleno barvo vegetacije.
Za ta pigment je značilna sposobnost absorpcije svetlobe. V celicah rastline se začne pravi biokemični "laboratorij", v katerem sta voda in CO2 spremenijo v kisik, ogljikove hidrate.
Voda vstopi skozi koreninski sistem rastline, plin pa prodre neposredno v liste. Svetloba deluje kot vir energije. Ko lahki delci delujejo na molekulo klorofila, pride do njegove aktivacije. V molekuli vode H2O kisik (O) ostane neprijavljen. Tako postane stranski proizvod za rastline, vendar za nas tako pomemben reakcijski produkt.
Faze fotosinteze
Fotosinteza je razdeljena na dve stopnji: svetlo in temno. Pojavljajo se hkrati, vendar na različnih delih kloroplasta. Ime vsake faze govori samo zase. Faza, ki je odvisna od svetlobe ali svetlobe, se pojavi le s sodelovanjem svetlobnih delcev. V temni ali nehlapni fazi svetloba ni potrebna.
Preden podrobneje preučimo vsako fazo, je vredno razumeti strukturo kloroplasta, saj določa bistvo in kraj stopenj. Kloroplast je vrsta plastid in se nahaja znotraj celice ločeno od ostalih komponent. Ima obliko semena.
Sestavine kloroplasta, vključene v fotosintezo:
- 2 membrani;
- stroma (notranja tekočina);
- tilakoidi;
- lumeni (vrzeli znotraj tilakoidov).
Svetlobna faza fotosinteze
Teče po tilakoidih, natančneje njihovih membranah. Ko svetloba zadene, se negativno nabiti elektroni sprostijo in akumulirajo. Tako fotosintetski pigmenti izgubijo vse elektrone, po katerih pride na vrsto razpadanje molekul vode:
H2O → H + + OH-
V tem primeru imajo tvorjeni vodikovi protoni pozitiven naboj in se kopičijo na notranji tilakoidni membrani. Kot rezultat, se protoni z nabojem plus in elektroni z minusom naboja ločijo samo z membrano.
Kisik se proizvaja kot stranski proizvod:
4OH → O2 + 2H2O
V določenem trenutku postanejo faze elektronov in protonov vodika preveč. Nato encim ATP sintaza vstopi v delo. Njegova naloga je prenos vodikovih protonov iz tilakoidne membrane v tekoči medij kloroplasta - stromo.
Na tej stopnji ima vodik na voljo drug nosilec - NADP (kratek za nikotinamidinski nukleotid fosfat). Je tudi vrsta encima, ki pospeši oksidativne reakcije v celicah. V tem primeru je njegova naloga transport vodikovih protonov v reakciji z ogljikovimi hidrati.
Na tej stopnji pride do procesa fotofosfolacije, med katerim nastane ogromna količina energije. Njen vir je ATP - adenozin trifosforjeva kislina.
Kratek oris:
- Zadetek kvantne svetlobe na klorofilu.
- Izbor elektronov.
- Evolucija kisika.
- Tvorba NADPH oksidaze.
- ATP proizvodnja energije.
Zanimivo dejstvo: Na afriški obali Atlantskega oceana raste reliktna rastlina z imenom Velvichia. To je edini predstavnik vrste z najmanj listi, ki so sposobni fotosinteze. Vendar pa starost Velviča doseže približno 2000 let.
Temna faza fotosinteze
Faza, ki ni odvisna od svetlobe, se pojavi neposredno v stromi. Predstavlja vrsto encimskih reakcij. Ogljikov dioksid, absorbiran na lahki stopnji, se raztopi v vodi, v tej fazi pa se zmanjša na glukozo. Pridelujejo se tudi kompleksne organske snovi.
Reakcije temne faze so razdeljene na tri glavne vrste in so odvisne od vrste rastlin (natančneje, od njihove presnove), v celicah katerih fotosinteza poteka:
- Z3-rastline;
- Z4-rastline;
- CAM rastline.
K C3- Rastline vključujejo večino kmetijskih pridelkov, ki rastejo v zmernem podnebju. Med fotosintezo ogljikov dioksid postane fosfoglicerna kislina.
Subtropske in tropske vrste, v glavnem pleveli, spadajo med rastline C4. Zanje je značilno, da se ogljikov dioksid pretvori v oksaloacetat. CAM rastline so kategorija rastlin, ki jim primanjkuje vlage. Razlikujejo se v posebni vrsti fotosinteze - CAM.
Z3-fosintetiza
Najpogostejši je C3-fosintetiza, ki ji pravimo tudi cikel Calvin - v čast ameriškega znanstvenika Melvina Calvina, ki je ogromno prispeval k preučevanju teh reakcij in za to prejel Nobelovo nagrado.
Rastline se imenujejo C3 zaradi dejstva, da se med reakcijami temne faze tvorijo 3-ogljikove molekule 3-fosfoglicerne kisline - 3-PGA. Neposredno sodelujejo različni encimi.
Da se tvori popolna molekula glukoze, mora preteči 6 ciklov reakcij svetlobne faze. Ogljikovi hidrati so glavni produkt fotosinteze v ciklusu Calvin, vendar poleg njega nastajajo maščobne in aminokisline ter glikolipidi. C3 fotosinteza rastlin poteka izključno v celicah mezofila.
Glavna pomanjkljivost C3fotosinteza
Rastline skupine C3je značilna ena pomembna pomanjkljivost. Če je v okolju premalo vlage, se sposobnost fotosinteze znatno zmanjša. To je posledica fotorespiracije.
Dejstvo je, da je z nizko koncentracijo ogljikovega dioksida v kloroplastih (manj kot 50: 1 000 000) namesto fiksacije ogljika fiksiran kisik. Posebni encimi se močno upočasnijo in zapravijo sončno energijo.
Hkrati se rast in razvoj rastline upočasnjujeta, saj ji primanjkuje organske snovi. Prav tako ne pride do sproščanja kisika v ozračje.
Zanimivo dejstvo: Morski polž Elysia chlorotica je edinstvena žival, ki fotosintezira kot rastline. Prehranjuje se z algami, katerih kloroplasti prodirajo v celice prebavnega trakta in tam mesece fotosintezirajo. Proizvedeni ogljikovi hidrati slug služijo kot hrana.
C4 fotosinteza
Za razliko od C3-sinteza, tu potekajo reakcije fiksacije ogljikovega dioksida v različnih rastlinskih celicah. Te vrste rastlin se lahko spopadejo s problemom fotorespiracije in to storijo z dvostopenjskim ciklom.
Na eni strani se vzdržuje visoka raven ogljikovega dioksida, na drugi pa se nadzoruje nizka raven kisika v kloroplastih. Ta taktika omogoča rastlinam C4, da se izognejo foto-dihanju in s tem povezanim težavam. Predstavniki rastlin te skupine so sladkorni trs, koruza, proso itd.
V primerjavi z rastlinami C3 so sposobni izvajati procese fotosinteze veliko intenzivneje pod pogojem visoke temperature in pomanjkanja vlage. Na prvi stopnji se ogljikov dioksid fiksira v celicah mezofila, kjer nastane 4-ogljikova kislina. Nato kislina preide v lupino in tam razpade na 3-ogljikovo spojino in ogljikov dioksid.
V drugi fazi nastali ogljikov dioksid začne delovati v ciklusu Calvin, kjer nastajajo gliceraldehid-3-fosfat in ogljikovi hidrati, ki so potrebni za presnovo energije.
Zaradi dvostopenjske fotosinteze v rastlinah C4 nastaja zadostna količina ogljikovega dioksida za Kelvin cikel. Zato encimi delujejo s polno močjo in ne izgubljajo energije zaman.
Toda ta sistem ima svoje pomanjkljivosti. Zlasti se porabi večja količina energije ATP - potrebna je za pretvorbo 4-ogljikovih kislin v 3-ogljikove kisline in v obratni smeri. Torej C3-Fosinosinteza je ob ustrezni količini vode in svetlobe vedno bolj produktivna kot C4.
Kaj vpliva na hitrost fotosinteze?
Fotosinteza se lahko pojavi z različno hitrostjo. Ta postopek je odvisen od okoljskih razmer:
- voda;
- valovna dolžina svetlobe;
- ogljikov dioksid;
- temperatura.
Voda je temeljni dejavnik, zato ko je primanjkuje, se reakcije upočasnijo. Za fotosintezo so najugodnejši valovi rdečega in modro-vijoličnega spektra. Zaželena je tudi visoka stopnja osvetlitve, vendar le do določene vrednosti - ko dosežemo, povezava med osvetlitvijo in hitrostjo reakcije izgine.
Visoka koncentracija ogljikovega dioksida zagotavlja hitre fotosintetske procese in obratno. Določene temperature so pomembne za encime, ki pospešujejo reakcije. Idealni pogoji zanje so približno 25-30 ℃.
Foto dih
Vsa živa bitja potrebujejo dihanje in rastline niso izjema. Vendar se ta proces pri njih dogaja nekoliko drugače kot pri ljudeh in živalih, zato ga imenujemo fotorespiracija.
Na splošno, sapo - fizikalni proces, med katerim živi organizem in njegovo okolje izmenjujeta pline. Kot vsa živa bitja tudi rastline potrebujejo kisik za dihanje. Vendar ga porabijo veliko manj, kot ga proizvedejo.
Med fotosintezo, ki se pojavi le na sončni svetlobi, rastline ustvarjajo hrano zase. Med foto-dihanjem, ki ga izvajamo neprekinjeno, jih ta hranila absorbirajo, da podpirajo metabolizem v celicah.
Zanimivo dejstvo: v sončnem dnevu gozdna parcela na 1 hektar porabi od 120 do 280 kg ogljikovega dioksida in odda od 180 do 200 kg kisika.
Kisik (kot ogljikov dioksid) prodre v rastlinske celice skozi posebne odprtine - stomate. Nahajajo se na dnu listov. Na enem listu je lahko približno 1000 želodcev.
Izmenjava plinov rastlin glede na osvetlitev
Postopek izmenjave plina pri različnih osvetlitvah je predstavljen na naslednji način:
- Svetloba. Ogljikov dioksid se uporablja med fotosintezo. Rastline proizvajajo več kisika, kot ga porabijo. Njeni presežki vstopijo v ozračje. Ogljikov dioksid se porabi hitreje, kot se sprosti pri dihanju. Neuporabljene ogljikove hidrate rastlina shrani za nadaljnjo uporabo.
- Medla svetloba. Izmenjava plina z okoljem ne pride, saj rastlina porabi ves kisik, ki ga proizvede.
- Pomanjkanje svetlobe. Pojavijo se samo procesi dihanja. Ogljikov dioksid se sprošča in porabi kisik.
Kemosinteza
Nekateri živi organizmi so sposobni tvoriti tudi ogljikove hidrate iz vode in ogljikovega dioksida, medtem ko ne potrebujejo sončne svetlobe. Sem spadajo bakterije, postopek pretvorbe energije pa imenujemo kemosinteza.
Kemosinteza Gre za postopek, med katerim se sintetizira glukoza, vendar se namesto sončne energije uporabljajo kemikalije. Teče na območjih z dovolj visoko temperaturo, ki je primerna za delovanje encimov in v odsotnosti svetlobe. To so lahko območja v bližini hidrotermalnih izvirov, uhajanja metana v morskih globinah itd.
Zgodovina odkritja fotosinteze
Zgodovina odkritja in preučevanja fotosinteze sega v leto 1600, ko se je Jan Baptiste van Helmont odločil, da bo takrat razumel nujno vprašanje: kaj jedo rastline in od kod dobivajo koristne snovi?
Takrat je veljalo, da so tla vir dragocenih elementov. Znanstvenik je postavil vejico vrbe v posodo z zemljo, prej pa je izmeril njihovo težo. 5 let je skrbel za drevo, ga zalival, nakar je spet opravil merilne postopke.
Izkazalo se je, da se je teža zemlje zmanjšala za 56 g, drevo pa je postalo 30-krat težje. To odkritje je ovrglo stališče, da se rastline hranijo s tlemi in je ustvarilo novo teorijo - prehrano z vodo.
V prihodnosti so jo mnogi znanstveniki poskušali ovrgli.Na primer, Lomonosov je verjel, da delno strukturne komponente vstopajo v rastline skozi liste. Vodili so ga rastline, ki uspešno uspevajo na sušnih območjih. Vendar te različice ni bilo mogoče dokazati.
Resničnim razmeram je bil najbližji Joseph Priestley, kemični znanstvenik in honorarni duhovnik. Ko je v mrtvem kozarcu odkril mrtvo miško in ga je ta incident v 1770-ih prisilil v vrsto poskusov z glodalci, svečami in zabojniki.
Priestley je ugotovil, da se sveča vedno ugasne, če jo pokrijete s kozarcem na vrhu. Prav tako živ organizem ne more preživeti. Znanstvenik je prišel do zaključka, da obstajajo določene sile, zaradi katerih je zrak primeren za življenje, in skušal povezati ta pojav z rastlinami.
Še naprej je postavljal poskuse, tokrat pa je poskušal pod stekleno posodo postaviti lonec z rastočo meto. Na veliko presenečenje je rastlina še naprej aktivno razvijala. Nato je Priestley postavil rastlino in miško pod en kozarec, pod drugo pa samo žival. Rezultat je očiten - pod prvim rezervoarjem je glodalec ostal nepoškodovan.
Kemični dosežek je postal motivacija za druge znanstvenike po vsem svetu, da so poskus ponovili. Toda ulov je bil, da je duhovnik podnevi izvajal poskuse. In na primer farmacevt Karl Scheele - ponoči, ko je bil prosti čas. Zaradi tega je znanstvenik Priestleya obtožil prevare, ker njegovi eksperimentalni subjekti niso mogli zdržati eksperimenta z rastlino.
Med kemiki je izbruhnilo pravo znanstveno spopadanje, ki je prineslo pomembne koristi in omogočilo še eno odkritje - rastline morajo obnoviti zrak, potrebujejo sončno svetlobo.
Seveda takrat tega pojava nihče ni imenoval fotosinteza in bilo je še veliko vprašanj. Vendar je leta 1782 botanik Jean Senebier uspel dokazati, da lahko rastline ob prisotnosti sončne svetlobe razgradijo ogljikov dioksid na celični ravni. In leta 1864 so se končno pojavili eksperimentalni dokazi, da rastline absorbirajo ogljikov dioksid in proizvajajo kisik. To je zasluga znanstvenika iz Nemčije - Juliusa Sachsa.