Metsi peetakse "planeedi rohelisteks kopsudeks" mitte asjata. Mis on fotosüntees ja kuidas see protsess toimub, kaalume üksikasjalikult.

Mis on fotosüntees?

Fotosüntees - biokeemiline protsess, mille käigus orgaanilised tekivad spetsiaalsete taimepigmentide ja anorgaaniliste ainete (süsinikdioksiid, vesi) valgusenergia abil. See on üks olulisemaid protsesse, mille tõttu ilmnes ja eksisteerib planeedil enamus organisme.

Huvitav fakt: Nii maismaataimed kui ka rohelised vetikad on võimelised fotosünteesima. Sel juhul toodavad vetikad (fütoplankton) 80% hapnikku.

Fotosünteesi tähtsus maakera elule

Ilma fotosünteesita oleks paljude elusorganismide asemel meie planeedil vaid baktereid. Selle keemilise protsessi tulemusel saadud energia võimaldas bakteritel areneda.

Igasugused looduslikud protsessid vajavad energiat. Ta on pärit päikesest. Kuid päikesevalgus saab kuju alles pärast taimede muundamist.

Taimed kasutavad ainult osa energiast ja ülejäänu koguneb ta iseenesest. Nad söövad taimtoidulisi, mis on röövloomade toit. Ahela jooksul saab iga lüli vajalikud väärtuslikud ained ja energia.

Reaktsiooni käigus tekkiv hapnik on vajalik, et kõik olendid hingaksid. Hingamine on fotosünteesi vastand. Sel juhul orgaaniline aine oksüdeeritakse, hävitatakse. Saadud energiat kasutavad organismid mitmesuguste elutähtsate ülesannete täitmiseks.

Planeedi eksisteerimise ajal, kui taimi oli vähe, puudus hapnik praktiliselt. Primitiivsed eluvormid said minimaalselt energiat muul viisil. See oli arenguks liiga vähe. Seetõttu on hapniku tõttu hingamine avanud rohkem võimalusi.

Veel üks fotosünteesi funktsioon on organismide kaitsmine ultraviolettvalguse eest. Me räägime osoonikihist, mis asub stratosfääris umbes 20-25 km kõrgusel. See moodustub hapniku toimel, mis muutub päikesevalguse toimel osooniks. Ilma selle kaitseta piirduks elu Maal ainult veealuste organismidega.

Organismid eraldavad hingamise ajal süsinikdioksiidi. See on oluline fotosünteesi element. Vastasel korral koguneks süsinikdioksiid atmosfääri ülemisse ossa, suurendades märkimisväärselt kasvuhooneefekti.

See on tõsine keskkonnaprobleem, mille põhiolemus on negatiivsete tagajärgedega atmosfääri temperatuuri tõus. Nende hulka kuuluvad kliimamuutused (globaalne soojenemine), liustike sulamine, merepinna tõus jne.

Fotosünteesi funktsioonid:

• hapniku evolutsioon;
• energia moodustamine;
• toitainete moodustumine;
• osoonikihi loomine.

Fotosünteesi mõiste ja valem

Mõiste “fotosüntees” pärineb kahe sõna kombinatsioonist: foto ja süntees. Vanakreeka keelest tõlgituna tähendavad nad vastavalt "valgust" ja "ühendust". Seega muundatakse valguse energia orgaaniliste ainete sidemete energiaks.

Skeem:

Süsinikdioksiid + vesi + kerge = süsivesikud + hapnik.

Fotosünteesi teaduslik valem:

6CO₂ + 6H₂O → C₆N₁₂INFO₆ + 6O_2.

Fotosüntees toimub vee ja CO otsesel kokkupuutel₂ pole nähtav.

Fotosünteesi tähtsus taimedele

Taimed vajavad orgaanilist ainet, energiat kasvu ja arengu jaoks. Tänu fotosünteesile varustavad nad end nende komponentidega. Orgaaniliste ainete teke on taimede fotosünteesi peamine eesmärk ja hapniku eraldumist peetakse kõrvalreaktsiooniks.

Huvitav fakt: Taimed on ainulaadsed, kuna nad ei vaja energia saamiseks teisi organisme.Seetõttu moodustavad nad eraldi rühma - autotroofid (tõlgitud vanakreeka keelest “ma söön ise”).

Kuidas toimub fotosüntees?

Fotosüntees toimub otse taimede rohelistes osades - kloroplastid. Nad on osa taimerakkudest. Kloroplastid sisaldavad ainet - klorofüll. See on peamine fotosünteetiline pigment, tänu millele toimub kogu reaktsioon. Lisaks määrab klorofüll taimestiku rohelise värvi.

Seda pigmenti iseloomustab võime absorbeerida valgust. Ja taime rakkudes käivitatakse tõeline biokeemiline “labor”, milles vesi ja CO₂ muutuda hapnikuks, süsivesikuteks.

Vesi siseneb taime juurestiku kaudu ja gaas tungib otse lehtedesse. Valgus toimib energiaallikana. Kui kerge osake toimib klorofülli molekulil, toimub selle aktiveerimine. Veemolekulis H₂O hapnik (O) jääb nõudmata. Nii saab sellest taimede kõrvalsaadus, kuid meie jaoks nii oluline reaktsioonisaadus.

Fotosünteesi faasid

Fotosüntees jaguneb kaheks etapiks: kerge ja tume. Need esinevad üheaegselt, kuid kloroplasti erinevates osades. Iga faasi nimi räägib enda eest. Valgus või valgust sõltuv faas toimub ainult kergete osakeste osalusel. Pimedas või mittelenduvas faasis pole valgust vaja.

Enne iga faasi üksikasjalikumat uurimist tasub aru saada kloroplasti struktuurist, kuna see määrab etappide olemuse ja koha. Kloroplast on mitmesuguseid plastiide ja asub raku sees teistest komponentidest eraldi. Sellel on seemne kuju.

Fotosünteesis osalevad kloroplasti koostisosad:

• 2 membraani;
• stroom (sisemine vedelik);
• tülakoidid;
• luumenid (vahed tülakoidide sees).

Fotosünteesi kerge faas

See voolab tülakoididel, täpsemalt nende membraanidel. Kui valgus neid tabab, vabanevad ja akumuleeruvad negatiivselt laetud elektronid. Nii kaotavad fotosünteetilised pigmendid kõik elektronid, mille järel on vee molekulide pöörde laguneda:

H₂O → H + + OH-

Sellisel juhul on moodustunud vesiniku prootonitel positiivne laeng ja need kogunevad sisemisele tülakoidsele membraanile. Selle tulemusel eraldatakse laenguga plussist prootonid ja elektronid, mille laeng on miinus, ainult membraaniga.

Hapnik toodetakse kõrvalsaadusena:

4OH → O₂ + 2H₂O

Teatud hetkel muutuvad vesiniku elektronide ja prootonite faasid liiga paljuks. Siis siseneb töösse ensüümi ATP süntaas. Selle ülesandeks on vesinikprootonite kandmine tülakoidmembraanist kloroplasti vedelasse keskkonda - strooma.

Selles etapis on vesinik veel ühe kandja - NADP (lühendatult nikotiinamiidnukleotiidfosfaadi) käsutuses. See on ka teatud tüüpi ensüüm, mis kiirendab rakkudes oksüdatiivseid reaktsioone. Sel juhul on tema ülesanne vedada vesiniku prootoneid süsivesikute reaktsioonis.

Selles etapis toimub fotofosfolatsiooni protsess, mille käigus toodetakse tohutul hulgal energiat. Selle allikas on ATP - adenosiintrifosforhape.

Lühike ülevaade:

1. Kvalofaali tabamus klorofüllile.
2. Elektronide valik.
3. Hapniku evolutsioon.
4. NADPH oksüdaasi moodustumine.
5. ATP energia tootmine.

Huvitav fakt: Atlandi ookeani Aafrika rannikul kasvab relikti taim nimega Velvichia. See on ainus liik, millel on minimaalselt fotosünteesi vajavaid lehti. Velvichi vanus ulatub aga umbes 2000 aastani.

Fotosünteesi tume faas

Valgusest sõltumatu faas toimub otse stroomas. See esindab rea ensümaatilisi reaktsioone. Kerges etapis imendunud süsinikdioksiid lahustus vees ja selles etapis redutseeritakse see glükoosiks. Samuti toodetakse kompleksseid orgaanilisi aineid.

Pimeda faasi reaktsioonid jagunevad kolmeks põhitüübiks ja sõltuvad taimede tüübist (täpsemalt nende metabolismist), mille rakkudes toimub fotosüntees:

• KUI₃-taimed;
• KUI₄-taimed;
• CAM taimed.

K C₃- Taimed hõlmavad enamikku parasvöötmes kasvavaid põllukultuure. Fotosünteesi käigus muutub süsinikdioksiid fosfoglütseriinhappeks.

Subtroopilised ja troopilised liigid, peamiselt umbrohud, kuuluvad C4 taimede hulka. Neid iseloomustab süsinikdioksiidi muundamine oksaloatsetaadiks. CAM-taimed on taimekategooria, millel puudub niiskus. Need erinevad fotosünteesi eriliigist - CAM.

KUI3-fotosüntees

Kõige tavalisem on C₃-fotosüntees, mida nimetatakse ka Calvini tsükliks - Ameerika teadlase Melvin Calvini auks, kes andis nende reaktsioonide uurimisel tohutu panuse ja sai selle eest Nobeli preemia.

Taimi nimetatakse C-ks₃ tulenevalt asjaolust, et tumeda faasi reaktsioonide käigus moodustuvad 3-fosfoglütseriinhappe - 3-PGA 3-süsiniku molekulid. Otseselt on seotud mitmesugused ensüümid.

Täieliku glükoosimolekuli moodustamiseks peavad läbima 6 valgussõltumatu faasi reaktsioonitsüklit. Süsivesikud on Calvini tsükli fotosünteesi peamine toode, kuid lisaks sellele toodetakse rasv- ja aminohappeid, samuti glükolipiide. C₃ taimede fotosüntees toimub eranditult mesofülli rakkudes.

C peamine puudus3fotosüntees

C-rühma taimed₃iseloomustab üks oluline puudus. Kui keskkonnas pole piisavalt niiskust, väheneb oluliselt fotosünteesi võime. Selle põhjuseks on fotorespiratsioon.

Fakt on see, et kui kloroplastides on väike süsinikdioksiidi kontsentratsioon (vähem kui 50: 1 000 000), fikseeritakse süsiniku fikseerimise asemel hapnik. Spetsiaalsed ensüümid aeglustavad märkimisväärselt ja kulutavad päikeseenergiat.

Samal ajal aeglustub taime kasv ja areng, kuna selles puudub orgaaniline aine. Samuti ei eraldu atmosfääri hapnikku.

Huvitav fakt: Elysia chlorotica meriliug on ainulaadne loom, kes fotosünteesib nagu taimed. Toitub vetikatest, mille kloroplastid tungivad seedetrakti rakkudesse ja fotosünteesivad seal kuude kaupa. Valmistatud süsivesikud teenivad nälkjat toiduna.

C4 fotosüntees

Erinevalt C-st₃-süntees, siin viiakse süsinikdioksiidi fikseerimise reaktsioonid läbi erinevates taimerakkudes. Seda tüüpi taimed on võimelised fotorespiratsiooni probleemiga hakkama saama ja nad teevad seda kaheastmelise tsükliga.

Ühelt poolt hoitakse kõrget süsinikdioksiidi taset ja teiselt poolt kontrollitakse madalat hapniku taset kloroplastides. See taktika võimaldab C4 taimedel vältida fotohingamist ja sellega seotud raskusi. Selle rühma taimede esindajad on suhkruroog, mais, hirss jne.

Võrreldes taimedega C₃ nad on võimelised fotosünteesi protsesse intensiivsemalt läbi viima kõrge temperatuuri ja niiskuse puudumise tingimustes. Esimeses etapis fikseeritakse süsinikdioksiid mesofülli rakkudes, kus moodustub 4-süsihape. Seejärel hape kandub kesta ja laguneb seal 3-süsinikuühendiks ja süsinikdioksiidiks.

Teises etapis hakkab saadud süsinikdioksiid toimima Calvini tsüklis, kus toodetakse glütseraldehüüd-3-fosfaati ja süsivesikuid, mis on vajalikud energia metabolismiks.

Kaheetapilise fotosünteesi tõttu C4 taimedes moodustub Kelvini tsükli jaoks piisav kogus süsihappegaasi. Seetõttu töötavad ensüümid täies jõus ega kuluta energiat asjata.

Kuid sellel süsteemil on oma puudused. Eelkõige kulub suurem kogus ATP energiat - see on vajalik 4-süsinikhapete muundamiseks 3-süsinikhapeteks ja vastupidises suunas. Seega C₃-Fotosüntees on õige vee ja valguse korral alati produktiivsem kui C4.

Mis mõjutab fotosünteesi kiirust?

Fotosüntees võib toimuda erineva kiirusega. See protsess sõltub keskkonnatingimustest:

• vesi;
• valguse lainepikkus;
• süsinikdioksiid;
• temperatuur.

Vesi on oluline tegur, nii et kui seda pole, reaktsioonid aeglustuvad. Fotosünteesi jaoks on kõige soodsamad punase ja sinise-violetse spektri lained. Samuti on eelistatav kõrge valgustuse aste, kuid ainult teatud väärtuseni - kui see on saavutatud, kaob ühendus valgustuse ja reaktsioonikiiruse vahel.

Suur süsinikdioksiidi kontsentratsioon tagab kiirete fotosünteesi protsesside ja vastupidi. Reaktsioone kiirendavate ensüümide jaoks on oluline teatud temperatuur. Ideaalsed tingimused nende jaoks on umbes 25-30 ℃.

Foto hingeõhk

Kõik elusolendid vajavad hingamist ja taimed pole erand. Kuid see protsess toimub neis pisut teisiti kui inimestel ja loomadel, mistõttu seda nimetatakse fotorespiratsiooniks.

Üldiselt hingetõmme - füüsiline protsess, mille käigus elusorganism ja selle keskkond vahetavad gaase. Nagu kõik elusolendid, vajavad taimed hingamiseks hapnikku. Kuid nad tarbivad seda palju vähem kui nad toodavad.

Ainult päikesevalguses toimuva fotosünteesi ajal loovad taimed ise toitu. Ööpäev läbi toimuva fotohingamise ajal imenduvad need toitained rakkudesse ainevahetuse toetamiseks.

Huvitav fakt: päikselisel päeval tarbib 1 hektari suurune metsamaa 120–280 kg süsinikdioksiidi ja eraldab 180–200 kg hapnikku.

Hapnik (nagu süsinikdioksiid) tungib taimerakkudesse läbi spetsiaalsete avade - stomata. Need asuvad lehtede allosas. Ühel lehel võib asuda umbes 1000 stomatat.

Taimede gaasivahetus sõltuvalt valgustusest

Gaasivahetusprotsess erineva valgustusega on esitatud järgmiselt:

1. Ere valgus. Fotosünteesi käigus kasutatakse süsinikdioksiidi. Taimed toodavad rohkem hapnikku kui tarbivad. Selle ülejäägid sisenevad atmosfääri. Süsinikdioksiid kulub kiiremini kui hingamisel eraldub. Kasutamata süsivesikuid säilitab taim edaspidiseks kasutamiseks.
2. Hämaras. Gaasivahetust keskkonnaga ei toimu, kuna taim tarbib kogu enda toodetava hapniku.
3. Valguse puudumine. Toimuvad ainult hingamisprotsessid. Süsinikdioksiid eraldub ja hapnik kulub.

Kemosüntees

Mõned elusorganismid on võimelised moodustama veest ja süsinikdioksiidist ka monoküsivesikuid, samal ajal kui nad ei vaja päikesevalgust. Nende hulka kuuluvad bakterid ja energia muundamise protsessi nimetatakse kemosünteesiks.

Kemosüntees See on protsess, mille käigus sünteesitakse glükoos, kuid päikeseenergia asemel kasutatakse kemikaale. See voolab piisavalt kõrge temperatuuriga piirkondades, mis sobib ensüümide tööks ja valguse puudumisel. Need võivad olla hüdrotermiliste allikate lähedal asuvad piirkonnad, metaanilekked meresügavustes jne.

Fotosünteesi avastamise ajalugu

Fotosünteesi avastamise ja uurimise ajalugu ulatub aastasse 1600, kui Jan Baptiste van Helmont otsustas mõista tol ajal pakilist küsimust: mida taimed söövad ja kust nad kasulikke aineid saavad?

Sel ajal usuti, et muld on väärtuslike elementide allikas. Teadlane asetas paju oksa mullaga konteinerisse, kuid mõõtis eelnevalt nende kaalu. 5 aastat hoolitses ta puu eest, kasta seda, mille järel viis uuesti läbi mõõtmisprotseduure.

Selgus, et maa mass vähenes 56 g, kuid puu muutus 30 korda raskemaks. See avastus lükkas ümber arvamuse, et taimed toituvad pinnasest, ja andis aluse uuele teooriale - vee toitumine.

Edaspidi üritasid paljud teadlased seda ümber lükata.Näiteks arvas Lomonosov, et osaliselt struktuurikomponendid sisenevad taimedesse lehtede kaudu. Teda juhendasid taimed, mis kasvavad edukalt kuivadel aladel. Seda versiooni ei olnud aga võimalik tõestada.

Kõige lähemal tegelikule olukorrale oli keemiateadlane ja osalise tööajaga preester Joseph Priestley. Kord avastas ta tagurpidi purgis surnud hiire ja see juhtum sundis teda 1770. aastatel läbi viima mitmeid katseid näriliste, küünlate ja konteineritega.

Priestley leidis, et küünal kustub alati kiiresti, kui katate selle peal oleva purgiga. Samuti ei suuda elusorganism ellu jääda. Teadlane jõudis järeldusele, et on olemas teatud jõud, mis muudavad õhu eluks sobivaks, ja püüdis seda nähtust taimedega ühendada.

Ta jätkas katsete seadmist, kuid seekord üritas ta klaasanuma alla panna potti kasvava piparmündiga. Suureks üllatuseks jätkas taim aktiivset arengut. Siis pani Priestley ühe purgi alla taime ja hiire ning teise alla ainult looma. Tulemus on ilmne - esimese paagi all jäi näriline vigastamata.

Keemiku saavutus sai motivatsiooniks teistele teadlastele kogu maailmas katset korrata. Kuid saak oli see, et preester tegi päevasel ajal katseid. Ja näiteks proviisor Karl Scheele - öösel, kui oli vaba aega. Selle tulemusel süüdistas teadlane Priestleyt petmises, kuna tema katsealused ei suutnud taimega katsetust taluda.

Keemikute vahel puhkes tõeline teaduslik vastasseis, mis tõi märkimisväärset kasu ja võimaldas teha veel ühe avastuse - et taimed peavad õhku taastama, nad vajavad päikesevalgust.

Muidugi, siis ei nimetanud keegi seda nähtust fotosünteesiks ja küsimusi oli veel palju. Botaanik Jean Senebier suutis aga 1782. aastal tõestada, et päikesevalguse mõjul suudavad taimed raku tasandil süsinikdioksiidi lagundada. Ja 1864. aastal ilmusid lõpuks eksperimentaalsed tõendid selle kohta, et taimed neelavad süsihappegaasi ja toodavad hapnikku. See on Saksamaa teadlase - Julius Sachsi - teene.