Postați importanța fotosintezei pentru om și natură. Sensul și rolul fotosintezei. Faza ușoară a fotosintezei

Istoria descoperirii unui fenomen uimitor și atât de important ca fotosinteza are rădăcini adânci în trecut. Cu mai bine de patru secole în urmă, în 1600, omul de știință belgian Jan Van - Helmont a pus la cale un experiment simplu. A pus o ramură de salcie într-o pungă care conținea 80 kg de pământ. Omul de știință a înregistrat greutatea inițială a salciei, iar apoi timp de cinci ani a udat planta exclusiv cu apă de ploaie. Care a fost surpriza lui Jan Van - Helmont când a cântărit din nou salcia. Greutatea plantei a crescut cu 65 kg, iar masa pământului a scăzut cu doar 50 de grame! De unde a obținut planta 64 kg 950 g de nutrienți pentru omul de știință a rămas un mister!

Următorul experiment semnificativ pe calea descoperirii fotosintezei i-a aparținut chimistului englez Joseph Priestley. Omul de știință a pus un șoarece sub capac, iar după cinci ore rozătoarea a murit. Când Priestley a pus o crenguță de mentă cu șoarecele și a acoperit și rozătoarea cu o șapcă, șoarecele a rămas în viață. Acest experiment l-a condus pe om de știință la ideea că există un proces opus respirației. Jan Ingenhaus a stabilit în 1779 faptul că numai părțile verzi ale plantelor sunt capabile să elibereze oxigen. Trei ani mai târziu, omul de știință elvețian Jean Senebier a demonstrat că dioxidul de carbon, sub influența luminii solare, se descompune în organelele verzi ale plantelor. Doar cinci ani mai târziu, omul de știință francez Jacques Bussingault, efectuând cercetări de laborator, a descoperit faptul că absorbția apei de către plante are loc și în timpul sintezei substanțelor organice. O descoperire marcantă în 1864 a fost făcută de botanistul german Julius Sachs. El a reușit să demonstreze că volumul de dioxid de carbon consumat și oxigenul eliberat are loc într-un raport de 1: 1.

Fotosinteza este unul dintre cele mai importante procese biologice

În termeni științifici, fotosinteza (din greaca veche φῶς - lumină și σύνθεσις - conexiune, legare) este un proces în care se formează dioxidul de carbon și apa în lumină materie organică. Rolul principal în acest proces revine segmentelor fotosintetice.

Vorbind la figurat, frunza unei plante poate fi comparată cu un laborator, ale cărui ferestre sunt orientate spre partea însorită. În ea are loc formarea substanțelor organice. Acest proces stă la baza existenței întregii vieți de pe Pământ.

Mulți își vor pune în mod rezonabil întrebarea: ce respiră oamenii care locuiesc în oraș, unde nu numai copaci și nu poți găsi fire de iarbă în timpul zilei cu foc. Răspunsul este foarte simplu. Cert este că plantele terestre reprezintă doar 20% din oxigenul eliberat de plante. Algele joacă un rol major în producerea de oxigen în atmosferă. Acestea reprezintă 80% din oxigenul produs. În limbajul numerelor, atât plantele, cât și algele eliberează 145 de miliarde de tone (!) de oxigen în atmosferă în fiecare an! Nu e de mirare că oceanele lumii sunt numite „plămânii planetei”.

Formula generală pentru fotosinteză este următoarea:

Apă + Dioxid de Carbon + Lumină → Carbohidrați + Oxigen

De ce plantele au nevoie de fotosinteză?

După cum am văzut, fotosinteza este conditie necesara existența umană pe pământ. Cu toate acestea, acesta nu este singurul motiv pentru care organismele fotosintetice produc în mod activ oxigen în atmosferă. Cert este că atât algele, cât și plantele formează anual peste 100 de miliarde de substanțe organice (!), care stau la baza activității lor de viață. Amintindu-ne de experimentul lui Jan Van Helmont, înțelegem că fotosinteza este baza nutriției plantelor. S-a dovedit științific că 95% din recoltă este determinată de substanțe organice obținute de plantă în procesul de fotosinteză, iar 5% - acele îngrășăminte minerale pe care grădinarul le introduce în sol.

Locuitorii moderni de vară se concentrează pe nutriția solului a plantelor, uitând de nutriția aerului acestuia. Nu se știe ce fel de recoltă ar putea obține grădinarii dacă ar fi atenți la procesul de fotosinteză.

Cu toate acestea, nici plantele, nici algele nu ar putea produce oxigen și carbohidrați atât de activ dacă nu ar avea un pigment verde uimitor - clorofila.

Secretul pigmentului verde

Principala diferență între celulele plantelor și celulele altor organisme vii este prezența clorofilei. Apropo, el este vinovat pentru faptul că frunzele plantelor sunt colorate exact în verde. Acest compus organic complex are o proprietate uimitoare: poate absorbi lumina soarelui! Datorită clorofilei, procesul de fotosinteză devine posibil.

Două etape ale fotosintezei

vorbind limbaj simplu Fotosinteza este un proces în care apa și dioxidul de carbon absorbite de o plantă în lumină cu ajutorul clorofilei formează zahăr și oxigen. Astfel, substanțele anorganice sunt transformate în mod miraculos în organice. Zahărul rezultat este sursa de energie a plantelor.

Fotosinteza are două etape: lumină și întuneric.

Faza ușoară a fotosintezei

Apare pe membranele tilacoide.

Tilacoizii sunt structuri delimitate de o membrană. Ele sunt localizate în stroma cloroplastei.

Ordinea evenimentelor fazei de lumină a fotosintezei:

1. Lumina lovește molecula de clorofilă, care este apoi absorbită de pigmentul verde și o aduce într-o stare excitată. Electronul inclus în moleculă merge la un nivel superior, participă la procesul de sinteză.
2. Are loc o scindare a apei, în timpul căreia protonii sub influența electronilor se transformă în atomi de hidrogen. Ulterior, sunt cheltuiți pentru sinteza carbohidraților.
3. În etapa finală a etapei de lumină, ATP (adenozin trifosfat) este sintetizat. Aceasta este o substanță organică care joacă rolul unui acumulator de energie universal în sistemele biologice.

Faza întunecată a fotosintezei

Locul fazei întunecate este stroma cloroplastelor. În timpul fazei întunecate, oxigenul este eliberat și glucoza este sintetizată. Mulți vor crede că această fază a primit un astfel de nume deoarece procesele care au loc în cadrul acestei etape se desfășoară exclusiv pe timp de noapte. De fapt, acest lucru nu este în întregime adevărat. Sinteza glucozei are loc non-stop. Cert este că în această etapă nu se mai consumă energia luminoasă, ceea ce înseamnă că pur și simplu nu este necesară.

Importanța fotosintezei pentru plante

Am identificat deja faptul că plantele au nevoie de fotosinteză nu mai puțin decât noi. Este foarte ușor să vorbim despre scara fotosintezei în limbajul numerelor. Oamenii de știință au calculat că numai plantele terestre stochează atâta energie solară cât ar putea consuma 100 de megaloți în decurs de 100 de ani!

Respirația plantelor este un proces opus fotosintezei. Sensul respirației plantelor este de a elibera energie în procesul de fotosinteză și de a o direcționa către nevoile plantelor. În termeni simpli, recolta este diferența dintre fotosinteză și respirație. Cu cât mai multă fotosinteză și respirația mai scăzută, cu atât recolta este mai mare și invers!

Fotosinteza este un proces uimitor care face viata posibila pe pământ!

Sensul și rolul fotosintezei

Principala sursă de energie

Cuvântul fotosinteză înseamnă literalmente a face sau a asambla ceva sub acțiunea luminii. De obicei, când se vorbește despre fotosinteză, se referă la procesul prin care plantele în lumina soarelui sintetizează compuși organici din materii prime anorganice. Toate formele de viață din univers au nevoie de energie pentru a crește și a susține viața. Algele, plantele superioare și unele tipuri de bacterii captează direct energia radiației solare și o folosesc pentru a sintetiza nutrienții de bază. Animalele nu știu să folosească lumina soarelui direct ca sursă de energie, ele obțin energie mâncând plante sau alte animale care mănâncă plante. Deci, în cele din urmă, sursa de energie pentru toate procesele metabolice de pe planeta noastră este Soarele, iar procesul de fotosinteză este necesar pentru a menține toate formele de viață pe Pământ.

Folosim combustibili fosili - cărbune, gaze naturale, petrol etc. Toți acești combustibili nu sunt altceva decât produse de descompunere ai plantelor sau animalelor terestre și marine, iar energia stocată în ei a fost obținută cu milioane de ani în urmă din lumina soarelui. De asemenea, vântul și ploaia își datorează originea energiei solare și, prin urmare, energia morilor de vânt și a centralelor hidroelectrice se datorează în cele din urmă și radiației solare.

Cel mai important mod de reacții chimice în fotosinteză este conversia dioxidului de carbon și a apei în carbon și oxigen. Reacția globală poate fi descrisă prin ecuația CO2 + H20? [CH20]+02

Carbohidrații formați în această reacție conțin mai multă energie decât substanțele originale, adică CO2 și H20. Astfel, datorită energiei Soarelui, substanțele energetice (CO2 și H20) sunt transformate în produse bogate în energie - carbohidrați și oxigen. Niveluri de energie diverse reacții descrise de ecuația generală pot fi caracterizate prin valorile potențialelor redox, măsurate în volți. Valorile potențiale arată câtă energie este stocată sau irosită în fiecare reacție. Deci, fotosinteza poate fi considerată ca fiind procesul de formare a energiei radiante a Soarelui în energia chimică a țesuturilor plantelor.

Conținutul de CO2 din atmosferă rămâne aproape complet, în ciuda faptului că dioxidul de carbon este consumat în procesul de fotosinteză. Adevărul este că toate plantele și animalele respiră. În procesul de respirație în mitocondrii, oxigenul absorbit din atmosferă de țesuturile vii este folosit pentru a oxida carbohidrații și alte componente ale țesutului, formând în cele din urmă dioxid de carbon și apă și cu eliberarea concomitentă de energie. Energia eliberată este stocată în compuși cu înaltă energie - adenozin trifosfat (ATP), care este folosit de organism pentru a îndeplini toate funcțiile vitale. Astfel, respirația duce la consumul de materie organică și oxigen și crește conținutul de CO2 de pe planetă. Pentru procesele de respirație în toate organismele vii și pentru arderea tuturor tipurilor de combustibil care conțin carbon, în total, se consumă aproximativ 10.000 de tone de 02 pe secundă la o scară medie a Pământului. La acest ritm de consum, tot oxigenul din atmosferă ar trebui să se epuizeze în aproximativ 3.000 de ani. Din fericire pentru noi, consumul de materie organică și oxigen atomic este echilibrat prin crearea de carbohidrați și oxigen prin fotosinteză. În condiții ideale, rata fotosintezei în țesuturile plantelor verzi este de aproximativ 30 de ori mai mare decât rata respirației în aceleași țesuturi, astfel fotosinteza este un factor important care reglează conținutul de 02 pe Pământ.

Istoria descoperirii fotosintezei

La începutul secolului al XVII-lea. Doctorul flamand Van Helmont a crescut un copac într-o cadă de pământ, pe care l-a udat doar cu apă de ploaie. A observat că după cinci ani, copacul a crescut la o dimensiune mare, deși cantitatea de pământ din cadă practic nu a scăzut. Van Helmont a concluzionat în mod natural că materialul din care s-a format copacul provine din apa folosită pentru irigare. În 1777, botanistul englez Stephen Hales a publicat o carte în care a relatat că plantele folosesc în principal aerul ca nutrient necesar creșterii. În aceeași perioadă, celebrul chimist englez Joseph Priestley (a fost unul dintre descoperitorii oxigenului) a efectuat o serie de experimente privind arderea și respirația și a ajuns la concluzia că plantele verzi sunt capabile să efectueze toate acele procese respiratorii care au fost găsite în tesuturi animale. Priestley a ars o lumânare într-un volum închis de aer și a constatat că aerul rezultat nu mai poate susține arderea. Un șoarece plasat într-un astfel de vas ar muri. Cu toate acestea, crenguța de mentă a continuat să trăiască în aer timp de săptămâni. În concluzie, Priestley a descoperit că în aer, restabilit de o crenguță de mentă, lumânarea a început să ardă din nou, șoarecele putea să respire. Știm acum că lumânarea a consumat oxigen din volumul închis de aer când s-a ars, dar apoi aerul a fost din nou saturat cu oxigen din cauza fotosintezei care a avut loc în crenguța stângă de mentă. Câțiva ani mai târziu, medicul olandez Ingenhaus a descoperit că plantele oxidează oxigenul doar în lumina soarelui și că doar părțile lor verzi furnizează oxigen. Jean Senebier, care a fost ministru, a confirmat datele lui Ingenhaus și a continuat studiul, arătând că plantele folosesc dioxidul de carbon dizolvat în apă ca nutrient. LA începutul XIX secolului, un alt cercetător elvețian, de Sausedi, a studiat relațiile cantitative dintre dioxidul de carbon absorbit de o plantă, pe de o parte, și substanțele organice sintetizate și oxigenul, pe de altă parte. În urma experimentelor sale, a ajuns la concluzia că apa este consumată și de plantă în timpul asimilării CO2. În 1817, doi chimiști francezi, Pelletier și Cavantoux, au izolat o substanță verde din frunze și au numit-o clorofilă. Următoarea piatră de hotar importantă în istoria studiului fotosintezei a fost afirmația făcută în 1845 de fizicianul german Robert Mayer că plantele verzi transformă energia luminii solare în energie chimică. Ideile despre fotosinteză care se dezvoltaseră până la mijlocul secolului trecut pot fi exprimate prin următoarea relație:

planta verde

CO2 + H2 O + Lumină? O2 + org. substanțe + energie chimică

Raportul dintre cantitatea de CO2 absorbită în timpul fotosintezei și cantitatea de 02 eliberată a fost măsurat cu precizie de către fiziologul francez al plantelor Busengo. În 1864 a descoperit că raportul fotosintetic, adică. raportul dintre volumul de 02 eliberat și volumul de CO2 absorbit este aproape egal cu unitatea. În același an, botanistul german Sachs (care a descoperit și respirația la plante) a demonstrat formarea boabelor de amidon în timpul fotosintezei. Zaks a pus frunzele verzi timp de câteva ore în întuneric, astfel încât să consume amidonul acumulat în ele. Apoi a adus frunzele în lumină, dar în același timp a luminat doar jumătate din fiecare frunză, lăsând cealaltă jumătate de frunză în întuneric. După ceva timp, întreaga frunză a fost tratată cu vapori de iod. Ca urmare, partea iluminată a frunzei a devenit violet închis, indicând formarea unui complex amidon-iod, în timp ce culoarea celeilalte jumătate a frunzei nu s-a schimbat. O legătură directă între eliberarea de oxigen și cloroplaste în frunzele verzi, precum și corespondența dintre spectrul de acțiune al fotosintezei și spectrul absorbit de cloroplaste, a fost stabilită în 1880 de către Engelman. El a plasat pe o lamă de sticlă o algă verde filamentoasă cu cloroplaste răsucite spiralat, luminând-o cu un fascicul îngust și larg de lumină albă. Împreună cu algele, o suspensie de celule de bacterii mobile sensibile la concentrația de oxigen a fost aplicată pe o lamă de sticlă. Lama de sticlă a fost plasată într-o cameră fără aer și iluminată. În aceste condiții, bacteriile mobile ar fi trebuit să migreze în partea în care concentrația de 02 a fost mai mare. După un timp, proba a fost examinată la microscop și a fost calculată distribuția bacteriopopulației. S-a dovedit că bacteriile erau concentrate în jurul dungilor verzi din algele filamentoase. Într-o altă serie de experimente, Engelman a iluminat alge cu raze de compoziție spectrală diferită, plasând o prismă între sursa de lumină și treapta microscopului. În acest caz, cel mai mare număr de bacterii s-a acumulat în jurul acelor zone ale algei care au fost iluminate de regiunile albastre și roșii ale spectrului. Clorofila găsită în alge absoarbe lumina albastră și roșie. Deoarece până atunci se știa deja că fotosinteza necesită absorbția luminii, Engelman a concluzionat că clorofilele participă la sinteza ca pigmenți care sunt fotoreceptori activi. Nivelul de cunoștințe despre fotosinteză la începutul secolului nostru poate fi reprezentat astfel.

CO2 + H2O + Lumină -O2 + Amidon + Energie Chimică

Deci, la începutul secolului nostru, reacția totală a fotosintezei era deja cunoscută. Cu toate acestea, biochimia nu a fost la un nivel atât de înalt pentru a dezvălui pe deplin mecanismele de reducere a dioxidului de carbon la carbohidrați. Din păcate, trebuie să admitem că și acum unele aspecte ale fotosintezei sunt încă destul de slab studiate. Încă din cele mai vechi timpuri s-au făcut încercări de investigare a influenței intensității luminii, temperaturii, concentrației de dioxid de carbon etc. la randamentul total al fotosintezei. Și deși în aceste lucrări au fost studiate plante de diverse specii, majoritatea măsurătorilor au fost efectuate pe alge verzi unicelulare și pe algele unicelulare flageli Euglena. Organismele unicelulare sunt mai convenabile pentru cercetarea calitativă, deoarece pot fi cultivate în toate laboratoarele în condiții destul de standard. Ele pot fi suspendate uniform, adică suspendate în apă soluții tampon, iar volumul necesar al unei astfel de suspensii, sau suspensie, poate fi luat la o astfel de doză, în același mod ca atunci când se lucrează cu plante obișnuite. Cloroplastele pentru experimente sunt cel mai bine izolate din frunzele plantelor superioare. Spanacul este cel mai des folosit deoarece este ușor de cultivat, iar frunzele proaspete sunt bune pentru cercetare; uneori se folosesc frunze de mazăre și salată verde.

Deoarece CO2 este foarte solubil în apă, iar O2 este relativ insolubil în apă, în timpul fotosintezei într-un sistem închis, presiunea gazului din acest sistem se poate modifica. Prin urmare, efectul luminii asupra sistemelor fotosintetice este adesea studiat folosind un respirator Warburg, ceea ce face posibilă înregistrarea modificărilor pragului volumului de O2 din sistem. Respiratorul Warburg a fost folosit pentru prima dată în legătură cu fotosinteza în 1920. Pentru a măsura consumul sau eliberarea de oxigen în timpul reacției, este mai convenabil să utilizați un alt dispozitiv - un electrod de oxigen. Acest dispozitiv se bazează pe utilizarea metodei polarografice. Electrodul de oxigen este suficient de sensibil pentru a detecta concentrații de până la 0,01 mmol pe litru. Dispozitivul constă dintr-un catod de sârmă de platină destul de subțire presat ermetic în placa anodului, care este un inel de sârmă de argint scufundat într-o soluție saturată. Electrozii sunt separați de amestecul în care reacția se desfășoară printr-o membrană permeabilă la 02. Sistemul de reacție este amplasat într-un vas de plastic sau sticlă și este agitat în mod constant de un magnet cu bară rotativă. Când se aplică o tensiune electrozilor, electrodul de platină devine negativ față de electrodul standard, oxigenul din soluție este redus electrolitic. La o tensiune de 0,5 până la 0,8 V, mărimea curentului electric depinde liniar de presiunea parțială a oxigenului din soluție. De obicei, electrodul de oxigen funcționează la o tensiune de aproximativ 0,6 V. Curentul electric este măsurat prin conectarea electrodului la un sistem de înregistrare adecvat. Electrodul împreună cu amestecul de reacție este irigat cu flux de apă de la un termostat. Folosind un electrod de oxigen, efectul luminii și diverse substanțe chimice pentru fotosinteză. Avantajul electrodului de oxigen față de aparatul Warburg este că electrodul de oxigen face posibilă înregistrarea rapidă și continuă a modificărilor conținutului de O2 din sistem. Pe de altă parte, până la 20 de probe cu diferite amestecuri de reacție pot fi analizate simultan în instrumentul Warburg, în timp ce atunci când se lucrează cu un electrod de oxigen, probele trebuie analizate una câte una.

Până la începutul anilor 1930, mulți cercetători din acest domeniu credeau că reacția primară a fotosintezei a fost descompunerea dioxidului de carbon prin acțiunea luminii în carbon și oxigen, urmată de reducerea carbonului la carbohidrați folosind apă în mai multe reacții succesive. Punctul de vedere s-a schimbat în anii 1930 ca urmare a două descoperiri importante. În primul rând, au fost descrise varietăți de bacterii care sunt capabile să asimileze și să sintetizeze carbohidrații fără a utiliza energia luminoasă pentru aceasta. Apoi, microbiologul olandez Van Neel a comparat procesele de fotosinteză în bacterii și a arătat că unele bacterii pot asimila CO2 în lumină fără a elibera oxigen. Astfel de bacterii sunt capabile de fotosinteză numai în prezența unui substrat adecvat donor de hidrogen. Van Neel a sugerat că fotosinteza plantelor verzi și algelor este un caz special când oxigenul din fotosinteză provine din apă și nu din dioxid de carbon.

A doua descoperire importantă a fost făcută în 1937 de R. Hill la Universitatea din Cambridge. Folosind centrifugarea diferențială a unui omogenat de țesut de frunze, el a separat particulele fotosintetice (cloroplaste) de particulele respiratorii. Cloroplastele obținute de Hill nu au eliberat ele însele oxigen atunci când au fost iluminate (posibil din cauza faptului că au fost deteriorate în timpul separării). Cu toate acestea, au început să elibereze oxigen în prezența luminii dacă în suspensie s-au adăugat acceptori de electroni (oxidanți) adecvați, cum ar fi ferioxalat de potasiu sau fericianură de potasiu. În timpul izolării unei molecule 02, patru echivalenți ai agentului de oxidare au fost reduse fotochimic. Mai târziu s-a constatat că multe chinone și coloranți sunt reduse de cloroplaste la lumină. Cu toate acestea, cloroplastele nu au putut recupera CO2, un acceptor natural de electroni în timpul fotosintezei. Acest fenomen, cunoscut acum sub numele de reacția Hill, este transferul de electroni indus de lumină din apă la oxidanți nefiziologici (reactivi lui Hill) împotriva unui gradient de potențial chimic. Semnificația reacției Hill constă în faptul că a demonstrat posibilitatea separării a două procese - eliberarea fotochimică de oxigen și reducerea dioxidului de carbon în timpul fotosintezei.

Descompunerea apei, ducând la eliberarea de oxigen liber în timpul fotosintezei, a fost stabilită de Reuben și Kamen, în California, în 1941. Aceștia au plasat celule fotosintetice în apă îmbogățită cu un izotop de oxigen având masa de 18 unități atomice 180. Compoziția izotopică de oxigen eliberat de celule corespunde compoziției apei, dar nu CO2. În plus, Kamen și Ruben au descoperit izotopul radioactiv 18O, care a fost ulterior folosit cu succes de Bassat și Benson Wien, care au studiat calea de conversie a dioxidului de carbon în timpul fotosintezei. Calvin și colaboratorii săi au descoperit că reducerea dioxidului de carbon la zaharuri are loc ca urmare a proceselor enzimatice întunecate, iar două molecule de ADP redus și trei molecule de ATP sunt necesare pentru a reduce o moleculă de dioxid de carbon. Până în acel moment rolul ATP iar nucleotidele de piridină din țesuturile respiratorii au fost stabilite. Posibilitatea reducerii fotosintetice a ADP la ATP prin clorofile izolate a fost dovedită în 1951 în trei laboratoare diferite. În 1954, Arnon și Allen au demonstrat fotosinteza - au observat asimilarea CO2 și O2 de către cloroplastele izolate de spanac. În următorul deceniu, a fost posibilă izolarea din cloroplaste a proteinelor implicate în transferul electronilor în sinteză - ferredoxină, plastocianina, feroATP reductază, citocromi etc.

Astfel, în frunzele verzi sănătoase, sub acțiunea luminii, se formează ADP și ATP, iar energia hidrolegăturilor este folosită pentru a reduce CO2 la carbohidrați în prezența enzimelor, iar activitatea enzimelor este reglată de lumină.

Factori limitatori

Intensitatea sau viteza procesului de fotosinteză într-o plantă depinde de o serie de factori interni și externi. Dintre factorii interni, cei mai importanți sunt structura frunzei și conținutul de clorofilă din ea, rata de acumulare a produselor de fotosinteză în cloroplaste, influența enzimelor și prezența unor concentrații scăzute de substanțe anorganice esențiale. Parametrii externi sunt cantitatea și calitatea luminii care intră pe frunze, temperatura ambiantă, concentrația de dioxid de carbon și oxigen din atmosfera din apropierea plantei.

Viteza de fotosinteză crește liniar sau direct proporțional cu creșterea intensității luminii. Pe măsură ce intensitatea luminii crește și mai mult, creșterea fotosintezei devine din ce în ce mai puțin pronunțată și se oprește în cele din urmă când iluminarea atinge un anumit nivel de 10.000 de lux. O creștere suplimentară a intensității luminii nu mai afectează rata fotosintezei. Regiunea cu rata stabilă a fotosintezei se numește regiunea de saturație a luminii. Dacă doriți să creșteți rata fotosintezei în această zonă, nu ar trebui să modificați intensitatea luminii, ci alți factori. Intensitatea luminii solare care cade pe suprafața pământului într-o zi senină de vară în multe locuri de pe planeta noastră este de aproximativ 100.000 de lux. În consecință, pentru plante, cu excepția celor care cresc în pădurile dese și la umbră, lumina solară incidentă este suficientă pentru a le satura activitatea fotosintetică (energia cuantelor corespunzătoare părților extreme ale intervalului vizibil - violet și roșu, diferă doar de două ori și toți fotonii din acest interval sunt, în principiu, capabili să declanșeze fotosinteza).

În cazul intensităților luminoase scăzute, viteza fotosintezei la 15 și 25°C este aceeași. Reacțiile care apar la astfel de intensități luminoase care corespund regiunii de limitare a luminii, ca și reacțiile fotochimice adevărate, nu sunt sensibile la temperaturi. Cu toate acestea, la intensități mai mari, viteza fotosintezei la 25°C este mult mai mare decât la 15°C. În consecință, în regiunea saturației luminoase, nivelul fotosintezei depinde nu numai de absorbția fotonilor, ci și de alți factori. Majoritatea plantelor din climatul temperat funcționează bine în intervalul de temperatură de la 10 la 35°C, cele mai favorabile condiții sunt temperaturile în jur de 25°C.

În regiunea limitată de lumină, viteza fotosintezei nu se modifică odată cu scăderea concentrației de CO2. Din aceasta putem concluziona că CO2 este direct implicat în fotografie reactie chimica. În același timp, la intensități mai mari de iluminare care se află în afara regiunii limitatoare, fotosinteza crește semnificativ odată cu creșterea concentrației de CO2. La unele culturi de cereale, fotosinteza a crescut liniar cu o creștere a concentrației de CO2 la 0,5%. (Aceste măsurători au fost efectuate în experimente pe termen scurt, deoarece expunerea pe termen lung la concentrații mari de CO2 dăunează foilor). Viteza de fotosinteză atinge valori ridicate la un conținut de CO2 de aproximativ 0,1%. Concentrația medie de dioxid de carbon în atmosferă este de la 0,03%. Așadar, în condiții normale, plantele nu au suficient CO2 pentru a utiliza cu eficiență maximă lumina soarelui care cade asupra lor. Dacă o plantă amplasată într-un volum închis este iluminată cu lumină de intensitate saturată, atunci concentrația de CO2 în volumul de aer va scădea treptat și va ajunge la un nivel constant, cunoscut sub numele de „punct de compensare CO2”. În acest moment, apariția CO2 în timpul fotosintezei este echilibrată de eliberarea de O2 ca urmare a respirației (întuneric și lumină). La plantele de diferite specii, pozițiile punctelor de compensare sunt diferite.

Reacții luminoase și întunecate.

În 1905, fiziologul englez al plantelor F.F. Blackman, interpretând forma curbei de saturație a luminii fotosintezei, a sugerat că fotosinteza este un proces în două etape care include fotochimia, de exemplu. o reacție fotosensibilă și o reacție non-fotochimică, adică întunecată. Reacția întunecată, fiind enzimatică, decurge mai lent decât reacția luminii și, prin urmare, la intensități mari de lumină, viteza fotosintezei este complet determinată de viteza reacției întunecate. Reacția luminii fie nu depinde deloc de temperatură, fie această dependență este foarte slab exprimată, apoi reacția întunecată, ca toate procesele enzimatice, depinde de temperatură într-o măsură destul de semnificativă. Ar trebui să se înțeleagă clar că reacția numită întuneric poate avea loc atât în ​​întuneric, cât și în lumină. Reacțiile de lumină și întuneric pot fi separate folosind fulgerări de lumină care durează scurte fracțiuni de secundă. Flash-urile de lumină cu o durată mai mică de o milisecundă (10-3 s) pot fi obținute fie folosind un dispozitiv mecanic, plasând un disc rotativ cu o fantă în calea unui fascicul de lumină constant, fie electric, prin încărcarea unui condensator și descarcându-l printr-o lampă cu vid sau cu descărcare în gaz. Laserele rubin cu o lungime de undă de 694 nm sunt, de asemenea, folosite ca surse de lumină. În 1932, Emerson și Arnold au iluminat o suspensie de celule cu fulgere de lumină de la o lampă cu descărcare în gaz cu o durată de aproximativ 10-3 s. Ei au măsurat rata de eliberare a oxigenului în funcție de energia fulgerelor, a duratei intervalului de întuneric dintre fulgere și a temperaturii suspensiei celulare. Odată cu creșterea intensității flash-urilor, saturarea fotosintezei în celulele normale a avut loc atunci când a fost eliberată o moleculă de O2 la 2500 de molecule de clorofilă. Emerson și Arnold au concluzionat că randamentul maxim al fotosintezei este determinat nu de numărul de molecule de clorofilă care absorb lumina, ci de numărul de molecule de enzime care catalizează reacția întunecată. De asemenea, ei au descoperit că atunci când intervalele de întuneric dintre fulgerări succesive au crescut peste 0,06 s, debitul de oxigen per fulger nu mai depindea de durata intervalului de întuneric, în timp ce la intervale mai scurte a crescut odată cu durata intervalului de întuneric (de la 0 la 0,06). s). Astfel, reacția întunecată, care determină nivelul de saturație al fotosintezei, se finalizează în aproximativ 0,06 s. Pe baza acestor date, s-a calculat că timpul mediu care caracterizează viteza de reacție a fost de aproximativ 0,02 s la 25°C.

Organizarea structurală și biochimică a aparatului de fotosinteză

Ideile moderne despre organizarea structurală și funcțională a aparatului fotosintetic includ o gamă largă de probleme legate de caracteristicile compoziție chimică plastide, specificul lor organizarea structurală, modelele fiziologice și genetice ale biogenezei acestor organite și relația lor cu alte structuri funcționale ale celulei. La plantele terestre, frunza servește ca organ special al activității fotosintetice, unde sunt localizate structuri celulare specializate - cloroplaste care conțin pigmenți și alte componente necesare proceselor de absorbție și conversie a energiei luminoase în potențial chimic. În plus față de frunză, cloroplastele active din punct de vedere funcțional sunt prezente în tulpinile plantelor, pețiolele, corzile și solzii de vârf și chiar în rădăcinile iluminate ale unui număr de plante. Cu toate acestea, a fost frunza care s-a format în timpul unei evoluții îndelungate ca organ special pentru a îndeplini funcția principală a unei plante verzi - fotosinteza, prin urmare, anatomia frunzei, localizarea celulelor și țesuturilor care conțin clorofilă, relația lor cu alte elemente ale structurii morfemice a frunzei sunt supuse celui mai eficient curs al procesului de fotosinteză și sunt cele mai multe grade sunt supuse unor schimbări intense sub stresul mediului.

În acest sens, este indicat să luăm în considerare problema organizării structurale și funcționale a aparatului fotosintetic la două niveluri principale - la nivelul frunzei ca organ al fotosintezei și a cloroplastelor, unde este concentrat întregul mecanism al fotosintezei.

Organizarea aparatului fotosintetic la nivelul frunzei poate fi luată în considerare pe baza unei analize a mezostructurii acestuia. Conceptul de „mezostructură” a fost propus în 1975. Conform conceptului de structural şi caracteristici funcționale aparat fotosintetic cu o caracteristică a compoziției chimice, organizării structurale, caracteristicilor fiziologice și genetice ale biogenezei acestor organite și relația lor cu alte structuri funcționale, un organ special al procesului fotosintetic este o frunză, unde sunt localizate formațiuni specializate - cloroplaste care conțin pigmenți necesari proceselor de absorbție și conversie a luminii în potențial chimic. În plus, cloroplastele active sunt prezente în tulpinile, corzile și solzii urechii și chiar în părțile iluminate ale rădăcinilor unor plante. Cu toate acestea, frunza a fost formată de întregul curs al evoluției ca organ special pentru îndeplinirea funcției principale a unei plante verzi - fotosinteza.

Mezostructura include un sistem de caracteristici morfofiziologice ale aparatului fotosintetic al frunzei, clorenchim și clezofile. Principalii indicatori ai mezostructurii fotosintetice

aparatul tic (conform A. T. Mokronosov) includ: aria, numărul de celule, clorofila, proteina, volumul celular, numărul de cloroplaste dintr-o celulă, volumul de cloroplast, aria secțiunii transversale a cloroplastului și suprafața acesteia. Analiza mezostructurii și activității funcționale a aparatului fotosintetic la multe specii de plante ajută la determinarea celor mai comune valori ale parametrilor studiați și a limitelor de variație a caracteristicilor individuale. Conform acestor date, principalii indicatori ai mezostructurii aparatului fotosintetic (Mokronosov, 19V1):

I - zona foii;

II - numărul de celule pe 1 cm2,

III - clorofilă la 1 dm2, enzime cheie la 1 dm2, volumul celulei, mii µm2, numărul de cloroplaste per celulă;

IV - volumul cloroplastului, zona de proiecție a cloroplastului, µm2, suprafața cloroplastului, µm2.

Numărul mediu de cloroplaste dintr-o frunză care a terminat de crescut ajunge de obicei la 10-30, la unele specii depășește 400. Aceasta corespunde cu milioane de cloroplaste la 1 cm2 de suprafață a frunzei. Cloroplastele sunt concentrate în celulele diferitelor țesuturi în cantitate de 15 - 80 de bucăți per celulă. Volumul mediu al unei cloroplaste este de un µm2. La majoritatea plantelor, volumul total al tuturor cloroplastelor este de 10-20%, la plantele lemnoase - până la 35% din volumul celular. Raportul dintre suprafața totală a cloroplastelor și suprafața frunzelor este în intervalul 3-8. Un cloroplast conține un număr diferit de molecule de clorofilă; la speciile iubitoare de umbră, numărul acestora crește. Indicatorii de mai sus pot varia semnificativ în funcție de starea fiziologică și de condițiile de mediu ale creșterii plantelor. Potrivit A. T. Mokronosov, la o frunză tânără, activarea fotosintezei atunci când 50-80% din frunză este îndepărtată este asigurată de o creștere a numărului de cloroplaste din celulă fără a modifica activitatea lor individuală, în timp ce la o frunză care s-a terminat. cresterea, cresterea fotosintezei dupa defoliere are loc ca urmare a cresterii activitatii fiecarui cloroplast fara modificarea numarului acestora. Analiza mezostructurii a arătat că adaptarea la condițiile de iluminare determină o rearanjare care optimizează proprietățile de absorbție a luminii ale foii.

Cloroplastele au cel mai înalt grad de organizare a structurilor membranei interne în comparație cu alte organite celulare. În ceea ce privește gradul de ordonare a structurii, cloroplastele pot fi comparate doar cu celulele receptorilor retinei, care îndeplinesc și funcția de conversie a energiei luminoase. Grad înalt Organizarea structurii interne a cloroplastei este determinată de un număr de puncte:

1) nevoia de separare spațială a fotoproduselor reduse și oxidate rezultate din actele primare de separare a sarcinilor în centrul de reacție;

2) necesitatea ordonării stricte a componentelor centrului de reacție, unde sunt cuplate reacții fotofiziologice rapide și reacții enzimatice mai lente: conversia energetică a unei molecule de pigment fotoexcitată necesită orientarea ei specifică față de acceptorul de energie chimică, ceea ce presupune prezența anumite structuri în care pigmentul și acceptorul sunt orientate rigid unul față de celălalt;

3) organizarea spațială a lanțului de transport de electroni necesită o organizare consistentă și strict orientată a purtătorilor în membrană, care asigură posibilitatea transportului rapid și controlat al electronilor și protonilor;

4) pentru conjugarea transportului de electroni și sinteza ATP, un sistem de cloroplaste este organizat într-un anumit fel.

Membranele lipoproteice ca bază structurală a proceselor energetice apar în primele etape ale evoluției; se presupune că principalele componente lipidice ale membranelor - fosfolipidele - s-au format în anumite condiții biologice. Formarea complexelor lipidice a făcut posibilă includerea diverșilor compuși în ele, care, aparent, au stat la baza funcțiilor catalitice primare ale acestor structuri.

A avut loc în anul trecut Studiile cu microscopul electronic au descoperit structuri membranare organizate în organismele aflate în stadiul cel mai de jos al evoluției. La unele bacterii, structurile celulare de fotosinteză membranară ale organelelor strâns împachetate sunt situate la periferia celulei și sunt asociate cu membranele citoplasmatice; în plus, în celulele algelor verzi, procesul de fotosinteză este asociat cu un sistem de membrane duble închise - tilacoizi, localizate în partea periferică a celulei. În acest grup de organisme fotosintetice, clorofila apare pentru prima dată, iar formarea de organele specializate - cloroplaste are loc în algele criptofite. Ele conțin două cloroplaste care conțin de la unul la mai mulți tilacoizi. O structură similară a aparatului fotosintetic apare și la alte grupe de alge: roșii, maronii etc. În procesul de evoluție, structura membranei procesului fotosintetic devine mai complicată.

Studiile microscopice ale cloroplastei, tehnica crioscopiei au făcut posibilă formularea unui model spațial al organizării volumetrice a cloroplastelor. Cel mai cunoscut este modelul granular-latice de J. Heslop-Harrison (1964).

Astfel, fotosinteza este un proces complex de transformare a energiei luminii în energia legăturilor chimice ale substanțelor organice necesare vieții atât a organismelor fotosintetice în sine, cât și a altor organisme care nu sunt capabile de sinteza independentă a substanțelor organice.

Studiul problemelor fotosintezei, pe lângă cele biologice generale, are și semnificație aplicată. În special, problemele de nutriție, crearea de sisteme de susținere a vieții în cercetarea spațială, utilizarea organismelor fotosintetice pentru a crea diverse dispozitive biotehnice sunt direct legate de fotosinteză.

Bibliografie

1. D. Hull, K. Rao „Photosinteza”. M., 1983

2. Mokronosov A.G. „Reacția fotosintetică și integritatea organismului vegetal”. M., 1983

3. Mokronosov A.G., Gavrilenko V.F. „Fotosinteza: aspecte fiziologice – ecologice și biochimice” M., 1992

4. „Fiziologia fotosintezei”, ed. Nichiporovich A.A., M., 1982

5. Seara A.S. „Plastide din plante”

6. Vinogradov A.P. „Izotopi de oxigen și fotosinteză”

7. Godnev T.N. „Clorofila și structura ei”.

8. Gurinovici G.P., Sevcenko A.N., Soloviev K.N. „Spectroscopia clorofilei”

9. Krasnovsky A.A. „Conversia energiei luminoase în timpul fotosintezei”

Istoria fotosintezei. Timp de mii de ani, oamenii au crezut că planta este hrănită numai cu rădăcini, absorbind cu ajutorul lor toate substanțele necesare din sol. Pentru a verifica acest punct de vedere asumat la începutul secolului al XIX-lea. Naturalistul olandez Jan Van Helmont. A cântărit pământul într-o oală și a sădit acolo un lăstar de salcie. Timp de cinci ani a udat copacul, apoi a uscat pământul și l-a cântărit și planta. Salcia cântărea șaptezeci și cinci de kilograme, în timp ce greutatea pământului se modificase doar cu câteva sute de grame. Concluzia omului de știință a fost următoarea - plantele primesc nutrienți, în primul rând, nu din sol, ci din apă.

Timp de două secole, teoria nutriției cu apă a plantelor a fost stabilită în știință. Frunzele, conform acestei teorii, au ajutat doar planta să evapore excesul de umiditate.

Oamenii de știință au ajuns la cea mai neașteptată, dar corectă presupunere despre nutriția aerului plantelor abia la începutul secolului al XIX-lea. Un rol important în înțelegerea acestui proces l-a avut descoperirea făcută de chimistul englez Joseph Priestley în 1771. Acesta a pus la punct un experiment, în urma căruia a concluzionat: plantele purifică aerul și îl fac respirabil. Mai târziu s-a dovedit că pentru ca planta să purifice aerul, este nevoie de lumină.

Zece ani mai târziu, oamenii de știință și-au dat seama că planta face mai mult decât să transforme dioxidul de carbon în oxigen. Dioxidul de carbon este necesar pentru ca plantele să trăiască, le servește drept hrană adevărată (împreună cu apă și săruri minerale).

Alimentația cu aer a plantelor se numește fotosinteză. Oxigenul este eliberat în timpul fotosintezei ca un produs neobișnuit.

Acum miliarde de ani nu exista oxigen liber pe pământ. Tot oxigenul pe care îl respiră aproape toate creaturile vii de pe planeta noastră este eliberat de plante în procesul de fotosinteză. Fotosinteza a reușit să schimbe întreaga față a planetei noastre.

Din anii 70. al secolului trecut, în Rusia s-au obținut succese majore în domeniul fotosintezei. Lucrările oamenilor de știință ruși Purievich, Ivanovsky, Rikter, Ivanov, Kostychev au studiat multe aspecte ale acestui proces.

Importanța fotosintezei nu a fost realizată decât relativ recent. Aristotel și alți oameni de știință greci, observând că procesele de viață ale animalelor depind de consumul de alimente, credeau că plantele își iau „hrana” din sol.

Cu puțin peste trei sute de ani în urmă, într-unul dintre primele experimente biologice elaborate, medicul olandez Jan Van Helmont a oferit dovezi că mai mult de un sol hrănește o plantă. Van Helmont a crescut un copac mic de salcie într-un vas de lut, adăugându-i doar apă.

După cinci ani, masa acelor a crescut cu 74,4 kg, în timp ce masa solului a scăzut cu doar 57 g.

LA sfârşitul XVIII-lea Omul de știință englez Joseph Priestley a raportat că „a descoperit accidental o metodă de corectare a aerului, care a fost stricat de arderea lumânărilor”. La 17 august 1771, Priestley „... a pus o crenguță vie de mentă într-un vas închis în care ardea o lumânare de ceară”, iar pe 21 a aceleiași luni a constatat că „...o altă lumânare ar putea din nou să ardă în același vas.” „Principiul corector, pe care natura îl folosește în aceste scopuri”, credea Priestley, „era o plantă”. Și-a extins observațiile și a arătat curând că aerul „corectat” de plantă nu era „destul de nepotrivit pentru șoarece”.

Experimentele lui Priestley au făcut pentru prima dată posibil să se explice de ce aerul de pe Pământ rămâne „curat” și poate susține viața, în ciuda arderii nenumăratelor incendii și a respirației multor organisme vii. El a spus: „Mulțumită acestor descoperiri, suntem încrezători că plantele nu cresc în zadar, ci ne purifică și înnobilează atmosfera”.

Mai târziu, medicul olandez Jan Ingenhaus (1730-1799) a confirmat lucrarea lui Priestley și a arătat că aerul este „corectat” doar de lumina soarelui și doar de părțile verzi ale plantei. În 1796, Ingenhaus a sugerat că dioxidul de carbon se descompune în timpul fotosintezei în C și O 2, iar O 2 este eliberat ca gaz. Ulterior, s-a constatat că raportul dintre atomii de carbon, hidrogen și oxigen din zaharuri și amidon este astfel încât un atom de carbon cade pe o moleculă de apă, așa cum este indicat de cuvântul „carbohidrați”. S-a acceptat în general că carbohidrații sunt formați din C și H2O, iar O2 este eliberat din dioxid de carbon. Această ipoteză destul de rezonabilă a fost acceptată pe scară largă, dar, după cum sa dovedit mai târziu, a fost complet greșită.

Cercetătorul care a respins această teorie general acceptată a fost Cornelius van Niel de la Universitatea Stamford, pe când era încă student absolvent care investiga metabolismul diferitelor bacterii fotosintetice. Un grup de astfel de bacterii, bacteriile cu sulf violet, reduc C la carbohidrați, dar nu eliberează O 2 . Bacteriile cu sulf violet necesită hidrogen sulfurat pentru fotosinteză. Ca rezultat al fotosintezei, particulele de sulf se acumulează în interiorul celulelor bacteriene. Van Niel a descoperit că pentru aceste bacterii, ecuația fotosintezei poate fi scrisă astfel:

CO2 + 2H2S (CH20) + H20 + 2S.

Acest fapt nu a atras atenția cercetătorilor până când van Niel a făcut o declarație îndrăzneață și a propus următoarea ecuație generală a fotosintezei:

CO2 + 2H2A (CH20) + H20 + 2A.

În această ecuație, H2A este fie apă, fie altă substanță oxidabilă, cum ar fi hidrogen sulfurat sau H2 liber. În plantele verzi și alge, H 2 A \u003d H 2 O. Adică, van Niel a sugerat că H 2 O, și nu dioxidul de carbon, se descompune în timpul fotosintezei. Această idee genială, prezentată în anii treizeci, a fost demonstrată experimental mai târziu, când cercetătorii, folosind izotopul greu O 2 (18 O 2), au trasat calea oxigenului de la apă la starea gazoasă:

CO2 + 2H218O2 (CH20) + H2O + 18O2.

Astfel, pentru alge sau plante verzi, în care apa servește ca donor de electroni, ecuația fotosintezei totale se scrie după cum urmează:

6CO2 + 12H20C6H12O6 + 6O2 + 6H2O.

procesele din foaie. Frunza realizează trei procese importante - fotosinteza, evaporarea apei și schimbul de gaze. În procesul de fotosinteză în frunze, substanțele organice sunt sintetizate din apă și dioxid de carbon sub acțiunea luminii solare. În timpul zilei, ca urmare a fotosintezei și a respirației, planta eliberează oxigen și dioxid de carbon, iar noaptea - doar dioxid de carbon format în timpul respirației.

Majoritatea plantelor sunt capabile să sintetizeze clorofila în lumină slabă. În lumina directă a soarelui, clorofila este sintetizată mai rapid.

Energia luminoasă necesară fotosintezei, în anumite limite, este absorbită cu atât mai mult, cu atât frunza este mai puțin întunecată. Prin urmare, în procesul de evoluție, plantele au dezvoltat capacitatea de a întoarce placa frunzelor spre lumină, astfel încât să cadă mai multă lumină solară asupra ei. Frunzele de pe plantă sunt aranjate astfel încât să nu se asuprească unele pe altele.

Timiryazev a demonstrat că sursa de energie pentru fotosinteză sunt în principal razele roșii ale spectrului. Acest lucru este indicat de spectrul de absorbție al clorofilei, unde banda de absorbție cea mai intensă este observată în roșu, iar mai puțin intensă - în partea albastru-violet.

În cloroplaste, alături de clorofilă, există pigmenți de caroten și xantofilă. Ambii acești pigmenți absorb razele albastre și parțial verzi și transmit roșu și galben. Unii oameni de știință atribuie carotenului și xantofilei rolul de ecrane care protejează clorofila de efectele dăunătoare ale razelor albastre.

Procesul de fotosinteză constă dintr-un număr de reacții succesive, dintre care unele au loc cu absorbția energiei luminoase, iar altele în întuneric. Produșii finali stabili ai fotosintezei sunt carbohidrații (zahărul și apoi amidonul), acizii organici, aminoacizii și proteinele.

Fotosinteza la diverse conditii decurge cu intensitate diferită.

Intensitatea fotosintezei depinde și de faza de dezvoltare a plantei. Intensitatea maximă a fotosintezei se observă în faza de înflorire.

Conținutul obișnuit de dioxid de carbon din aer este de 0,03% în volum. Reducerea cantității de dioxid de carbon din aer reduce intensitatea fotosintezei. Creșterea conținutului de dioxid de carbon la 0,5% crește intensitatea fotosintezei aproape proporțional. Cu toate acestea, cu o creștere suplimentară a conținutului de dioxid de carbon, intensitatea fotosintezei nu crește, iar la 1%, planta are de suferit.

Plantele evaporă sau transmută cantități foarte mari de apă. Evaporarea apei este unul dintre motivele curentului ascendent. Datorită evaporării apei de către plantă, în ea se acumulează substanțe minerale și în timpul încălzirii solare are loc o scădere a temperaturii, utilă plantei. Uneori transperarea scade temperatura plantei cu 6°C.

Planta reglează procesul de evaporare a apei prin lucrul stomatelor. Depunerea cuticulei sau învelișul ceros pe epidermă, formarea firelor de păr și alte adaptări au ca scop reducerea transperării nereglementate.

Procesul de fotosinteză și respirația continuă a celulelor vii ale frunzei necesită schimb de gaze între țesuturile interne ale frunzei și atmosferă. În procesul de fotosinteză, dioxidul de carbon asimilat este absorbit din atmosferă și returnat în atmosferă cu oxigen.

Utilizarea metodei de analiză izotopică a arătat că oxigenul returnat în atmosferă (16 O) aparține apei, și nu dioxidului de carbon din aer, în care predomină celălalt izotop al acestuia, 15 O. Când celulele vii respiră (oxidare). a substanţelor organice din interiorul celulei prin oxigenul liber la dioxid de carbon gazos şi apă) necesită alimentarea cu oxigen din atmosferă şi returnarea dioxidului de carbon. Acest schimb de gaze se realizează în principal prin aparatul stomatic.

Concepte moderne de fotosinteză. Acum se știe că fotosinteza trece prin două etape, dar numai una dintre ele are loc în lumină. Dovezile pentru procesul în două etape au fost obținute pentru prima dată în 1905 de către fiziologul englez F.F. Blacklin, care a studiat efectul luminii și temperaturii asupra cantității de fotosinteză.

Pe baza experimentelor, Blacklin a făcut următoarele concluzii.

1. Există un grup de reacții dependente de lumină care nu depind de temperatură. Volumul acestor reacții în intervalul de iluminare scăzută ar putea crește cu creșterea iluminării, dar nu și cu creșterea temperaturii.

2. Există un al doilea grup de reacții care depind de temperatură, și nu de lumină. S-a dovedit că ambele grupuri de reacții sunt necesare pentru implementarea fotosintezei. Creșterea volumului unui singur grup de reacții crește volumul întregului proces, dar numai până când al doilea grup de reacții începe să-l mențină pe primul. După aceea, este necesar să se accelereze al doilea grup de reacții, astfel încât primul să poată continua fără restricții.

Astfel, s-a demonstrat că ambele etape sunt dependente de lumină: „luminos și întuneric”. Este important să ne amintim că reacțiile întunecate au loc în mod normal în lumină și necesită produse din stadiul de lumină. Expresia „reacții întunecate” înseamnă pur și simplu că lumina ca atare nu participă la ele.

Volumul reacțiilor întunecate crește odată cu creșterea temperaturii, dar numai până la 30°, apoi începe să scadă. Pe baza acestui fapt, s-a sugerat că reacțiile întunecate sunt catalizate de enzime, deoarece schimbul de reacții enzimatice este astfel dependent de temperatură. Ulterior, s-a dovedit că această concluzie a fost făcută incorect.

În prima etapă a fotosintezei (reacții luminoase), energia luminoasă este utilizată pentru a forma ATP (moleculă de adenozin trifosfat) și purtători de electroni de înaltă energie. În a doua etapă a fotosintezei (reacții întunecate), produșii energetici formați în reacțiile luminoase sunt utilizați pentru a reduce CO 2 la un zahăr simplu (glucoză).

Procesul de fotosinteză atrage din ce în ce mai mult atenția oamenilor de știință. Știința este aproape de a rezolva cea mai importantă problemă - crearea artificială de substanțe organice valoroase din substanțe anorganice răspândite folosind energia luminii. Problema fotosintezei este dezvoltată intens de botanişti, chimişti, fizicieni şi alţi specialişti.

Recent, a fost deja posibilă obținerea artificială a sintezei formaldehidei și a substanțelor zaharoase din soluții apoase de acid carbonat; în acest caz, rolul de absorbant al energiei luminoase a fost jucat de carbonați de cobalt și nichel în locul clorofilei. Molecula de clorofilă a fost recent sintetizată.

Succesele științei în domeniul sintezei substanțelor organice dau o lovitură zdrobitoare doctrinei idealiste - vitalismul, care a demonstrat că o „forță vitală” specială este necesară pentru formarea substanțelor organice din substanțe anorganice și că o persoană nu poate sintetiza complexe. substante organice.

Fotosinteza la plante are loc în cloroplaste. Include: transformarea energiei (procesul luminii), transformarea materiei (procesul întunericului). Procesul de lumină are loc în hilacoizi, în timp ce procesul de întuneric are loc în stroma cloroplastelor. Circulația generalizată a fotosintezei este următoarea:

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

Cele două procese de fotosinteză sunt exprimate prin ecuații separate:

12H2O12H2 + 6O2 + energie ATP;

(proces ușor)

12H 2 + 6O 2 + energie ATP C 6 H 12 O 6 + H 2 O.

(proces întunecat)

Importanța fotosintezei în natură. Fotosinteza este singurul proces din biosferă care duce la o creștere a energiei sale libere datorită unei surse externe. Energia stocată în produsele fotosintezei este principala sursă de energie pentru omenire.

În fiecare an, ca urmare a fotosintezei de pe Pământ, se formează 150 de miliarde de tone de materie organică și se eliberează aproximativ 200 de milioane de tone de oxigen liber.

Circulația oxigenului, carbonului și a altor elemente implicate în fotosinteză menține compoziția modernă a atmosferei necesară vieții pe Pământ. Fotosinteza previne creșterea concentrației de CO 2, prevenind supraîncălzirea Pământului din cauza așa-numitului „efect de seră”.

Deoarece plantele verzi sunt baza alimentară directă sau indirectă pentru toate celelalte organisme heterotrofe, fotosinteza satisface necesarul de hrană al tuturor viețuitoarelor de pe planeta noastră. Este cea mai importantă bază a agriculturii și silviculturii. Deși posibilitățile de a-l influența sunt încă mici, ele sunt încă folosite într-o oarecare măsură. Cu o creștere a concentrației de dioxid de carbon din aer la 0,1% (față de 0,3% în atmosfera naturală), a fost posibil, de exemplu, să se tripleze randamentul de castraveți și roșii.

Un metru pătrat de suprafață a frunzei produce aproximativ un gram de zahăr într-o oră; aceasta înseamnă că toate plantele, conform unei estimări aproximative, elimină din atmosferă între 100 și 200 de miliarde de tone de C pe an. Aproximativ 60% din această cantitate este absorbită de păduri, care ocupă 30% din suprafața terenului neacoperită cu gheață, 32% sunt terenuri cultivate, iar restul de 8% sunt plante ale stepelor și locurilor deșertice, precum și orașe și orașe. .

O plantă verde nu poate doar să folosească dioxid de carbon și să creeze zahăr, ci și să transforme compușii de azot și compușii de sulf în substanțe care alcătuiesc corpul său. Prin sistemul radicular, planta primește ioni de nitrat dizolvați în apa din sol și îi prelucrează în celulele sale în aminoacizi - componentele principale ale tuturor compușilor proteici. Componentele grăsimilor apar și din compuși formați în procesele metabolice și energetice. Din acizi grași și glicerol iau naștere grăsimi și uleiuri, care servesc în principal ca substanțe de rezervă pentru plantă. Semințele a aproximativ 80% din toate plantele conțin grăsimi ca substanță de rezervă bogată în energie. Obținerea semințelor, grăsimilor și uleiurilor joacă un rol important în industria agricolă și alimentară.

Procesul de fotosinteză este unul dintre cele mai importante procese biologice care au loc în natură, deoarece datorită acestuia se formează substanțe organice din dioxid de carbon și apă sub acțiunea luminii, acest fenomen se numește fotosinteză. Și cel mai important, în procesul de fotosinteză, are loc o alocare, care este vitală pentru existența vieții pe uimitoarea noastră planetă.

Istoria descoperirii fotosintezei

Istoria descoperirii fenomenului fotosintezei datează de patru secole în trecut, când în 1600 un anume om de știință belgian Jan Van Helmont a pus la cale un experiment simplu. El a pus o ramură de salcie (înregistrându-i anterior greutatea inițială) într-o pungă, care conținea și 80 kg de pământ. Și apoi, timp de cinci ani, planta a fost udată exclusiv cu apă. Care a fost surpriza omului de știință când, după cinci ani, greutatea plantei a crescut cu 60 kg, în ciuda faptului că masa pământului a scăzut cu doar 50 de grame, de unde a venit o creștere în greutate atât de impresionantă, a rămas un mister pentru omul de știință.

Următorul experiment important și interesant, care a devenit pragul pentru descoperirea fotosintezei, a fost realizat de omul de știință englez Joseph Priestley în 1771 (este curios că, prin natura profesiei sale, domnul Priestley era preot. Biserica Anglicană, dar a intrat în istorie ca un om de știință remarcabil). Ce a făcut domnul Priestley? A pus un șoarece sub o șapcă și cinci zile mai târziu a murit. Apoi a pus din nou un alt șoarece sub capac, dar de data aceasta, împreună cu șoarecele sub capac, era o crenguță de mentă și, ca urmare, șoarecele a rămas în viață. Rezultatul obținut l-a condus pe om de știință la ideea că există un proces opus respirației. O altă concluzie importantă a acestui experiment a fost descoperirea oxigenului ca fiind vital pentru toate ființele vii (primul șoarece a murit din absența lui, în timp ce al doilea a supraviețuit datorită unei crengute de mentă, care a creat oxigen în timpul fotosintezei).

Astfel, s-a stabilit faptul că părțile verzi ale plantelor sunt capabile să elibereze oxigen. Apoi, deja în 1782, omul de știință elvețian Jean Senebier a demonstrat că dioxidul de carbon se descompune în plante verzi sub influența luminii - de fapt, a fost descoperită o altă latură a fotosintezei. Apoi, după încă 5 ani, omul de știință francez Jacques Busengo a descoperit că absorbția apei de către plante are loc și în timpul sintezei substanțelor organice.

Iar coarda finală dintr-o serie de descoperiri științifice legate de fenomenul fotosintezei a fost descoperirea botanistului german Julius Sachs, care în 1864 a reușit să demonstreze că volumul de dioxid de carbon consumat și oxigenul eliberat are loc într-un raport de 1:1.

Importanța fotosintezei în viața umană

Dacă vă imaginați la figurat, frunza oricărei plante poate fi comparată cu un mic laborator, ale cărui ferestre sunt orientate spre partea însorită. Chiar în acest laborator are loc formarea substanțelor organice și a oxigenului, care stă la baza existenței vieții organice pe Pământ. Într-adevăr, fără oxigen și fotosinteză, viața pur și simplu nu ar exista pe Pământ.

Dar dacă fotosinteza este atât de importantă pentru viață și eliberarea de oxigen, atunci cum trăiesc oamenii (și nu numai oamenii), de exemplu, într-un deșert în care există un minim de plante verzi sau, de exemplu, într-un oraș industrial unde copacii sunt rari. Faptul este că plantele terestre reprezintă doar 20% din oxigenul eliberat în atmosferă, în timp ce restul de 80% sunt eliberați de mare și de algele oceanice, nu este degeaba că oceanele sunt uneori numite „plămânii planetei noastre”. .

Formula de fotosinteză

Formula generală pentru fotosinteză poate fi scrisă după cum urmează:

Apă + Dioxid de Carbon + Lumină > Carbohidrați + Oxigen

Și aceasta este formula reacției chimice a fotosintezei

6CO 2 + 6H 2 O \u003d C6H 12 O 6 + 6O 2

Importanța fotosintezei pentru plante

Și acum să încercăm să răspundem la întrebarea de ce plantele au nevoie de fotosinteză. De fapt, furnizarea de oxigen atmosferei planetei noastre este departe de singurul motiv pentru apariția fotosintezei, acest proces biologic este vital nu numai pentru oameni și animale, ci și pentru plante în sine, deoarece substanțele organice care se formează în timpul fotosinteza formează baza vieții plantelor.

Cum se întâmplă fotosinteza

Motorul principal al fotosintezei este clorofila - un pigment special conținut în celulele vegetale, care, printre altele, este responsabil pentru culoarea verde a copacilor și a altor plante. Clorofila este un compus organic complex, care are și o proprietate importantă - capacitatea de a absorbi lumina soarelui. Absorbând-o, clorofila este cea care activează acel mic laborator biochimic conținut în fiecare frunzuliță, în fiecare iarbă și în fiecare algă. Apoi are loc fotosinteza (vezi formula de mai sus), în timpul căreia are loc transformarea apei și a dioxidului de carbon în carbohidrați necesari plantelor și oxigen necesar tuturor viețuitoarelor. Mecanismele fotosintezei sunt o creație strălucitoare a naturii.

Fazele fotosintezei

De asemenea, procesul de fotosinteză constă în două etape: lumină și întuneric. Și mai jos vom scrie în detaliu despre fiecare dintre ele.

Fotosinteza este procesul de viață al plantelor verzi, singurul din biosferă asociat cu acumularea de energie solară. Semnificația sa constă în asigurarea versatilă a vieții pe Pământ.

Formarea biomasei

Ființele vii - plante, ciuperci, bacterii și animale - sunt compuse din substanțe organice. Întreaga masă de materie organică se formează inițial în procesul de fotosinteză, care are loc în organismele autotrofe - plante și unele bacterii.

Orez. 1. Organisme auto- și heterotrofe.

Organismele heterotrofe, care mănâncă plante, modifică doar materia organică fără a crește biomasa totală a planetei. Unicitatea fotosintezei constă în faptul că în timpul sintezei substanțelor organice are loc depozitarea în acestea legături chimice energia solară. De fapt, organismele fotosintetice „legănesc” energia solară de Pământ.

Suport de viață

Fotosinteza formează constant substanțe organice din dioxid de carbon și apă, care sunt hrană și habitat pentru diferite animale și oameni.

Toată energia folosită în viața organismelor vii este inițial solară. Fotosinteza captează această energie pe Pământ și o transferă tuturor locuitorilor planetei.

Materia și energia stocate în timpul fotosintezei sunt utilizate pe scară largă de oameni:

TOP 3 articolecare citesc împreună cu asta

• resurse energetice fosile;
• lemn;
• plantele sălbatice ca materie primă și resursă estetică;
• producția alimentară și tehnică a culturilor.

1 hectar de pădure sau parc absoarbe 8 kg de dioxid de carbon într-o oră vara. Această sumă este alocată pentru același timp de două sute de persoane.

Atmosfera

Compoziția atmosferei s-a schimbat tocmai datorită procesului de fotosinteză. Cantitatea de oxigen a crescut treptat, crescând capacitatea organismelor de a supraviețui. Inițial, primul rol în formarea oxigenului a aparținut algelor verzi, iar acum pădurilor.

Orez. 2. Graficul modificărilor conținutului de O₂ din atmosferă în timpul evoluției.

Una dintre consecințele creșterii conținutului de oxigen din atmosferă este formarea unui strat de ozon care protejează organismele vii de radiațiile solare nocive.

Se crede că viața pe uscat a devenit posibilă după formarea stratului de ozon.

Fotosinteza este atât o sursă primară, cât și un factor în dezvoltarea vieții pe Pământ.

Importanța fotosintezei pe stadiul prezent a căpătat o nouă dimensiune. Fotosinteza inhibă creșterea concentrației de CO₂ în aer, care se datorează arderii combustibilului în transport și industrie. Acest lucru reduce efectul de seră. Intensitatea fotosintezei crește odată cu creșterea concentrației de CO₂ până la o anumită limită.

Orez. 3. Graficul dependenței fotosintezei de conținutul de CO₂ din aer.

Ce am învățat?

Pentru a înțelege importanța fotosintezei în natură, este necesar să se evalueze amploarea biomasei formate pe Pământ și rolul oxigenului pentru viața tuturor organismelor. Fotosinteza este una dintre forțele care au creat aspectul modern al planetei și asigură în mod constant procesele vitale de nutriție și respirație.

Test cu subiecte

Raport de evaluare

Rata medie: 4.7. Evaluări totale primite: 168.