Ce se formează în procesul de fotosinteză. Procesul biologic al fotosintezei și semnificația acestuia în natură

DEFINIȚIE: Fotosinteza este procesul de formare a substanțelor organice din dioxid de carbon și apă, la lumină, cu eliberare de oxigen.

O scurtă explicație a fotosintezei

Procesul de fotosinteză implică:

1) cloroplaste,

3) dioxid de carbon,

5) temperatura.

Avea plante superioare fotosinteza are loc în cloroplaste de formă ovală - plastide (organite semi-autonome) care conțin pigmentul de clorofilă, datorită culorii verzi a cărei părți ale plantelor au și o culoare verde.

În alge, clorofila este conținută în cromatofori (celule care conțin pigment și care reflectă lumina). Algele brune și roșii care trăiesc la o adâncime considerabilă, unde lumina soarelui nu ajunge bine, au alți pigmenți.

Dacă te uiți la piramida alimentară a tuturor viețuitoarelor, organismele fotosintetice sunt în partea de jos, ca parte a autotrofelor (organisme care sintetizează materie organică din anorganice). Prin urmare, ele sunt o sursă de hrană pentru toată viața de pe planetă.

În timpul fotosintezei, oxigenul este eliberat în atmosferă. V straturile superioare atmosferă, din aceasta se formează ozon. Un scut de ozon protejează suprafața Pământului de radiațiile ultraviolete dure, permițând vieții să scape din mare pe uscat.

Oxigenul este esențial pentru respirația plantelor și animalelor. Când glucoza este oxidată cu participarea oxigenului, mitocondriile stochează de aproape 20 de ori mai multă energie decât fără ea. Acest lucru face ca utilizarea alimentelor să fie mult mai eficientă, rezultând nivel inalt metabolismul la păsări și mamifere.

Mai mult descriere detaliata procesul de fotosinteză a plantelor

Progresul fotosintezei:

Procesul de fotosinteză începe cu pătrunderea luminii pe cloroplaste - organele semi-autonome intracelulare care conțin un pigment verde. Sub influența luminii, cloroplastele încep să consume apa din sol, împărțind-o în hidrogen și oxigen.

O parte din oxigen este eliberată în atmosferă, cealaltă parte merge la procesele oxidative din plantă.

Zahărul se combină cu azotul, sulful și fosforul provenind din sol, în acest fel plantele verzi produc amidon, grăsimi, proteine, vitamine și alți compuși complecși necesari vieții lor.

Fotosinteza este influențată cel mai bine de lumina soarelui totuși, unele plante se pot mulțumi cu iluminatul artificial.

O descriere complexă a mecanismelor fotosintezei pentru cititorul avansat

Până în anii 60 ai secolului XX, oamenii de știință cunoșteau un singur mecanism de fixare. dioxid de carbon- prin calea C3-pentozei fosfat. Cu toate acestea, recent, un grup de oameni de știință australieni a reușit să demonstreze că la unele plante reducerea dioxidului de carbon are loc prin ciclul acidului C4-dicarboxilic.

La plantele cu reacția C3, fotosinteza are loc cel mai activ în condiții de temperatură și iluminare moderată, în principal în păduri și în locuri întunecate. Aceste plante includ aproape toate plante cultivateși majoritatea legumelor. Ele formează baza dietei umane.

La plantele cu o reacție C4, fotosinteza are loc cel mai activ în condiții temperatura ridicata si iluminare. Astfel de plante includ, de exemplu, porumb, sorg și trestie de zahăr, care cresc în climatul cald și tropical.

Metabolismul plantelor în sine a fost descoperit destul de recent, când s-a putut afla că la unele plante care au țesuturi speciale pentru stocarea apei, dioxidul de carbon se acumulează sub formă de acizi organici și se fixează în carbohidrați abia o zi mai târziu. Acest mecanism ajută plantele să economisească rezervele de apă.

Cum are loc procesul de fotosinteză?

Planta absoarbe lumina cu o substanță verde numită clorofilă. Clorofila se găsește în cloroplaste, care se găsesc în tulpini sau fructe. Sunt deosebit de abundente în frunze, deoarece, datorită structurii lor foarte plate, frunza poate atrage multă lumină și, în consecință, primește mult mai multă energie pentru procesul de fotosinteză.

După absorbție, clorofila este în stare de excitatși transferă energie altor molecule ale organismului vegetal, în special celor care sunt direct implicate în fotosinteză. A doua etapă a procesului de fotosinteză are loc fără participarea obligatorie a luminii și constă în obținerea legătură chimică cu participarea dioxidului de carbon obținut din aer și apă. În această etapă se sintetizează diverse substanțe, foarte utile vieții, precum amidonul și glucoza.

Aceste substanțe organice sunt folosite de plante înseși pentru a-și hrăni diferitele părți, precum și pentru a menține viața normală. În plus, aceste substanțe sunt obținute și de animale, hrănindu-se cu plante. Oamenii obțin aceste substanțe și prin consumul de alimente de origine animală și vegetală.

Condiții pentru fotosinteză

Fotosinteza poate apărea atât sub acțiune lumină artificialăși solare. De regulă, în natură, plantele „lucrează” intens în perioada primăvară-vară, când există multă lumină solară necesară. Toamna este mai puțină lumină, ziua se scurtează, frunzele se îngălbenesc mai întâi și apoi cad. Dar de îndată ce apare soarele cald de primăvară, frunziș verde reapare și „fabricile” verzi își vor relua munca din nou pentru a furniza oxigen, atât de necesar vieții, precum și multe altele nutrienți.

Definiție alternativă a fotosintezei

Fotosinteza (din greaca veche foto - lumină și sinteza - conexiune, pliere, legare, sinteză) - procesul de transformare a energiei luminii în energia legăturilor chimice ale substanțelor organice în lumină de către fotoautotrofe cu participarea pigmenților fotosintetici (clorofila în plante). , bacterioclorofilă și bacteriorhodopsină în bacterii ). În fiziologia modernă a plantelor, fotosinteza este mai des înțeleasă ca o funcție fotoautotrofă - o combinație de procese de absorbție, conversie și utilizare a energiei cuantelor luminoase în diferite reacții endergonice, inclusiv conversia dioxidului de carbon în substanțe organice.

Fazele fotosintezei

Fotosinteza este un proces destul de complex și include două faze: lumina, care apare întotdeauna exclusiv în lumină și întuneric. Toate procesele au loc în cloroplaste pe organe mici speciale - tilakodia. În timpul fazei de lumină, o cantitate de lumină este absorbită de clorofilă, ducând la formarea moleculelor de ATP și NADPH. În acest caz, apa se descompune, formând ioni de hidrogen și eliberând o moleculă de oxigen. Apare întrebarea, care sunt aceste substanțe misterioase de neînțeles: ATP și NADH?

ATP este o moleculă organică specială care se găsește în toate organismele vii și este adesea denumită monedă „energetică”. Aceste molecule conțin legături de înaltă energie și sunt sursa de energie pentru orice sinteză organică și procese chimice din organism. Ei bine, NADPH este de fapt o sursă de hidrogen, este folosit direct în sinteza substanțelor organice cu greutate moleculară mare - carbohidrați, care apare în a doua fază întunecată a fotosintezei folosind dioxid de carbon.

Faza ușoară a fotosintezei

Cloroplastele conțin o mulțime de molecule de clorofilă și toate absorb lumina soarelui. În același timp, lumina este absorbită de alți pigmenți, dar ei nu știu cum să efectueze fotosinteza. Procesul în sine are loc numai în unele molecule de clorofilă, dintre care sunt foarte puține. Alte molecule de clorofilă, carotenoide și alte substanțe formează o antenă specială, precum și complexe de recoltare a luminii (SSC). Ele, ca și antenele, absorb cuante de lumină și transmit excitația către centre de reacție sau capcane speciale. Acești centri sunt localizați în fotosisteme, dintre care plantele au două: fotosistemul II și fotosistemul I. Conțin molecule speciale de clorofilă: respectiv, în fotosistemul II - P680, și în fotosistemul I - P700. Ele absorb lumina exact de această lungime de undă (680 și 700 nm).

Diagrama arată mai clar cum arată totul și cum se întâmplă în timpul fazei de lumină a fotosintezei.

În figură, vedem două fotosisteme cu clorofilele P680 și P700. În figura sunt prezentate și purtătorii prin care are loc transportul electronilor.

Deci: ambele molecule de clorofilă ale celor două fotosisteme absorb o cantitate de lumină și sunt excitate. Electronul e- (roșu în figură) merge la un nivel de energie mai înalt.

Electronii excitați au o energie foarte mare, se desprind și intră într-un lanț purtător special, care este situat în membranele tilacoizilor - structurile interne ale cloroplastelor. Figura arată că din fotosistemul II de la clorofila P680 un electron trece la plastochinonă, iar din fotosistemul I de la clorofila P700 la ferredoxină. În moleculele de clorofilă înseși, în locul electronilor după detașarea lor, se formează găuri albastre cu sarcină pozitivă. Ce sa fac?

Pentru a compensa lipsa unui electron, molecula de clorofilă P680 a fotosistemului II primește electroni din apă, în timp ce se formează ioni de hidrogen. În plus, datorită descompunerii apei se formează oxigenul eliberat în atmosferă. Și molecula de clorofilă P700, așa cum se poate observa din figură, compensează lipsa de electroni prin sistemul purtător din fotosistemul II.

În general, oricât de dificil este, așa se procedează faza luminoasa fotosinteza, ea esența principală este transferul de electroni. Se poate observa și din figură că, paralel cu transportul electronilor, ionii de hidrogen H + se deplasează prin membrană și se acumulează în interiorul tilacoidului. Deoarece există o mulțime de ei acolo, se deplasează spre exterior cu ajutorul unui factor de cuplare special, care în figură portocale, înfățișat în dreapta și arată ca o ciupercă.

În concluzie, vedem etapa finală a transportului de electroni, al cărei rezultat este formarea compusului NADH menționat mai sus. Și datorită transferului de ioni H +, se sintetizează o monedă energetică - ATP (văzut în figura din dreapta).

Deci, faza ușoară a fotosintezei este încheiată, oxigenul a fost eliberat în atmosferă, s-au format ATP și NADH. Ce urmeaza? Unde este organicul promis? Și apoi vine etapa întunecată, care constă în principal din procese chimice.

Faza întunecată a fotosintezei

Pentru faza întunecată a fotosintezei, o componentă obligatorie este dioxidul de carbon - CO2. Prin urmare, planta trebuie să o absoarbă în mod constant din atmosferă. În acest scop, pe suprafața frunzei există structuri speciale - stomate. Când se deschid, CO2 intră în interiorul frunzei, se dizolvă în apă și intră în reacția fazei luminoase a fotosintezei.

În timpul fazei de lumină, CO2 din majoritatea plantelor se leagă de cei cinci atomi de carbon compus organic(care este un lanț de cinci molecule de carbon), rezultând două molecule dintr-un compus cu trei atomi de carbon (acid 3-fosfogliceric). pentru că rezultatul principal este tocmai acești compuși cu trei atomi de carbon; plantele cu acest tip de fotosinteză sunt numite plante C3.

Sinteza ulterioară în cloroplaste este destul de dificilă. Ca rezultat, se formează un compus cu șase atomi de carbon din care glucoza, zaharoza sau amidonul pot fi sintetizate în viitor. Sub forma acestor substanțe organice, planta stochează energie. În același timp, doar o mică parte din ele rămâne în frunză, care este folosită pentru nevoile sale, în timp ce restul carbohidraților călătoresc în întreaga plantă, mergând acolo unde este cea mai necesară energie - de exemplu, la punctele de creștere.

Fotosinteza este un proces fizico-chimic unic desfășurat pe Pământ de către toate plantele verzi și unele bacterii și care asigură conversia energiei electromagnetice. razele de soareîn energia legăturilor chimice ale diverșilor compuși organici. Baza fotosintezei este un lanț secvențial de reacții redox, în timpul căruia electronii sunt transferați de la donor - agent reducător (apă, hidrogen) la acceptor - agent de oxidare (CO2, acetat) cu formarea de compuși redusi (carbohidrați) și eliberarea de O2 dacă apa este oxidată

Fotosinteza joacă un rol principal în procesele biosferei, conducând la scară globală la formarea materiei organice din anorganice.

Organismele fotosintetice, folosind energia solară în reacțiile de fotosinteză, leagă viața de pe Pământ cu Universul și în cele din urmă determină toată complexitatea și diversitatea acestuia. Organismele heterotrofe - animale, ciuperci, majoritatea bacteriilor, precum și plante și alge fără clorofilă - își datorează existența organismelor autotrofe - plante fotosintetice care creează materie organică pe Pământ și reînnoiesc pierderile de oxigen din atmosferă. Omenirea este din ce în ce mai conștientă de adevărul evident, mai întâi fundamentat științific de K.A. Timiryazev și V.I. Vernadsky: bunăstarea ecologică a biosferei și existența omenirii în sine depind de starea acoperirii vegetale a planetei noastre.

Procesele care au loc în foaie

Foaia efectuează trei proces important- fotosinteza, evaporarea apei si schimbul de gaze. În procesul de fotosinteză, materia organică este sintetizată în frunze din apă și dioxid de carbon sub influența 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, care se formează în timpul respirației.

Majoritatea plantelor sunt capabile să sintetizeze clorofila în lumină slabă. Cu direct lumina soarelui clorofila se sintetizează mai rapid.
Energia luminoasă necesară fotosintezei, în anumite limite, este absorbită cu atât mai mult, cu cât 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 se observă în roșu și mai puțin intensă în partea albastru-violet.

Foto: Nat Tarbox

Cloroplastele împreună cu clorofila conțin pigmenți de caroten și xantofilă. Ambii acești pigmenți absorb razele albastre și, parțial, verzi și transmit roșu și galben. Unii oameni de știință atribuie carotenul și xantofila rolului ecranelor care protejează clorofila de efectele distructive ale razelor albastre.
Procesul de fotosinteză este compus dintr-un număr de reacții secvențiale, dintre care unele au loc cu absorbția energiei luminoase, iar altele în întuneric. Produșii finali stabili ai fotosintezei sunt carbohidrații (zaharurile și apoi amidonul), acizii organici, aminoacizii și proteinele.
Fotosinteza la conditii diferite 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 tipic de dioxid de carbon în aer este de 0,03% în volum. O scădere a conținutului de dioxid de carbon din aer reduce viteza fotosintezei. O creștere a conținutului de dioxid de carbon cu până la 0,5% crește rata de fotosinteză 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 se evaporă sau transpira foarte mult un numar mare de apă. Evaporarea apei este una dintre cauzele curentului ascendent. Datorită evaporării apei de către plantă, aceasta se acumulează minerale, și există un beneficiu pentru reducerea temperaturii plantei în timpul încălzirii solare.
Planta reglează procesul de evaporare a apei prin lucrul stomatelor. Depunerea cuticulelor sau a depunerilor de ceară pe epidermă, formarea firelor de păr și alte dispozitive au ca scop reducerea transperării nereglementate.

Procesul de fotosinteză și respirația curgătoare constantă a celulelor vii ale frunzelor necesită schimb de gaze între țesuturile interioare 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 a izotopilor a arătat că oxigenul returnat în atmosfera de 16O aparține apei, și nu dioxidului de carbon din aer, în care dobândește celălalt izotop al său, 15O. Când celulele vii respiră (oxidarea substanțelor organice din interiorul celulei cu oxigen liber la dioxid de carbon și apă), este necesar să se furnizeze oxigen din atmosferă și să se returneze dioxid de carbon. Acest schimb de gaze se realizează în principal prin aparatul stomatic.

Procesul de fotosinteză constă din două etape secvenţiale şi interconectate: lumină (fotochimică) şi întuneric (metabolic). În prima etapă, energia cuantelor de lumină absorbită de pigmenții fotosintetici este transformată în energia legăturilor chimice ale compusului de înaltă energie ATP și agentul reducător universal NADPH - de fapt produsele primare ale fotosintezei, sau așa-numita „asimilare”. forta". În reacțiile întunecate ale fotosintezei, ATP și NADPH formate în lumină sunt utilizate în ciclul de fixare a dioxidului de carbon și reducerea ulterioară a acestuia la carbohidrați.
În toate organismele fotosintetice, procesele fotochimice ale etapei luminoase a fotosintezei au loc în membrane speciale de conversie a energiei, numite tilacoid, și sunt organizate în așa-numita lanț de transport de electroni. Reacțiile întunecate ale fotosintezei apar în afara membranelor tilacoide (în citoplasmă la procariote și în stroma cloroplastică la plante). Astfel, etapele luminoase și întunecate ale fotosintezei sunt separate în spațiu și în timp.

Intensitatea fotosintezei plantelor lemnoase variază foarte mult în funcție de interacțiunea multor factori externi și interni, iar aceste interacțiuni se modifică în timp și diferă în diferite specii.

Capacitatea fotosintetică este uneori evaluată prin câștigul net de substanță uscată. Astfel de date sunt de o importanță deosebită deoarece câștigul este creșterea medie reală în greutate pe o perioadă lungă de timp în condiții de mediu care includ solicitări intermitente normale.
Unele angiosperme sunt eficiente la fotosinteză la intensități luminoase scăzute și mari. Multe gimnosperme sunt mult mai productive în condiții de lumină ridicată. Compararea celor două grupuri la intensitate luminoasă scăzută și ridicată oferă adesea perspective diferite asupra capacității fotosintetice în ceea ce privește stocarea nutrienților. În plus, gimnospermele acumulează adesea o parte din materie uscată în timpul repausului, în timp ce angiospermele de foioase o pierd prin respirație. Prin urmare, o plantă gimnospermă cu o intensitate a fotosintezei ceva mai mică decât o angiospermă de foioase în perioada de creștere poate acumula aceeași sau chiar mai multă masă uscată totală pe parcursul anului datorită duratei mult mai mari a perioadei de activitate fotosintetică.

Primele experimente de fotosinteză au fost efectuate de Joseph Priestley în anii 1770 și 1780, când a atras atenția asupra „alterării” aerului într-un vas ermetic cu o lumânare aprinsă (aerul a încetat să mai susțină arderea, animalele puse în ea sufocat) și „repararea” de către plante... Priestley a concluzionat că plantele eliberează oxigen, care este necesar pentru respirație și ardere, dar nu a observat că plantele au nevoie de lumină pentru aceasta. Acest lucru a fost în curând arătat de Jan Ingenhaus. Mai târziu s-a constatat că, pe lângă eliberarea de oxigen, plantele absorb dioxidul de carbon și, cu participarea apei, sintetizează materia organică în lumină. În 1842, Robert Meyer, pe baza legii conservării energiei, a postulat că plantele transformă energia luminii solare în energia legăturilor chimice. În 1877 V. Pfeffer a numit acest proces fotosinteză

Fotosinteza este un proces destul de complex și include două faze: lumina, care apare întotdeauna exclusiv în lumină și întuneric. Toate procesele au loc în interiorul cloroplastelor pe organe mici speciale - tilacoizi. În timpul fazei de lumină, o cantitate de lumină este absorbită de clorofilă, ducând la formarea moleculelor de ATP și NADPH. În acest caz, apa se descompune, formând ioni de hidrogen și eliberând o moleculă de oxigen. Apare întrebarea, care sunt aceste substanțe misterioase de neînțeles: ATP și NADH?

Faza ușoară a fotosintezei

Diagrama arată mai clar cum arată totul și cum se întâmplă în timpul fazei de lumină a fotosintezei.

În figură, vedem două fotosisteme cu clorofilele P680 și P700. În figura sunt prezentate și purtătorii prin care are loc transportul electronilor.

Deci: ambele molecule de clorofilă ale celor două fotosisteme absorb o cantitate de lumină și sunt excitate. Electronul e- (roșu în figură) merge la un nivel de energie mai înalt.

În general, oricât de dificil este, așa decurge faza luminoasă a fotosintezei, esența sa principală constă în transferul de electroni. Se poate observa și din figură că, paralel cu transportul electronilor, ionii de hidrogen H + se deplasează prin membrană și se acumulează în interiorul tilacoidului. Deoarece există o mulțime de ei acolo, se deplasează spre exterior cu ajutorul unui factor de cuplare special, care este portocaliu în figură, afișat în dreapta și arată ca o ciupercă.

Faza întunecată a fotosintezei

În timpul fazei de lumină, la majoritatea plantelor, CO2 se leagă de un compus organic cu cinci atomi de carbon (care este un lanț de molecule de cinci atomi de carbon), rezultând două molecule dintr-un compus cu trei atomi de carbon (acid 3-fosfogliceric). pentru că rezultatul principal este tocmai acești compuși cu trei atomi de carbon; plantele cu acest tip de fotosinteză sunt numite plante C3.

Sinteza ulterioară în cloroplaste este destul de complicată. În cele din urmă, se formează un compus cu șase atomi de carbon, din care pot fi apoi sintetizate glucoza, zaharoza sau amidonul. Este sub forma acestor substanțe organice că planta acumulează energie. Doar o mică parte din ele rămâne în foaie și este folosită pentru nevoile sale. Restul carbohidraților călătoresc prin planta și merg exact acolo unde este cea mai necesară energie, de exemplu, către punctele de creștere.

Odată cu formarea O 2 este eveniment major v . , ceea ce a făcut ca lumina Soarelui să fie principală fără sursă. energie, dar - o sursă practic nelimitată pt sinteza in viu . Drept urmare, s-a format ziua de azi. compoziție, O 2 a devenit disponibil pentru hrană (vezi), iar acest lucru a dus la apariția unor organisme înalt. heterotrof (folosit ca sursă de substanțe organice exogene).

BINE. 7% org. o persoană folosește produse de fotosinteză pentru hrană, ca hrană pentru animale, precum și în formă și construiește. material. Fosila este, de asemenea, un produs al fotosintezei. Consumul său în con. Secolului 20 aproximativ egal cu creşterea biomasei.

Stocarea totală de energie a radiației solare sub formă de produse fotosintetice este de cca. 1,6 · 10 21 kJ pe an, ceea ce este de aproximativ 10 ori mai mare decât rata actuală. energic consum de umanitate. Aproximativ jumătate din energia radiației solare cade în regiunea vizibilă a spectrului (lungimea de undă l de la 400 la 700 nm), marginile sunt folosite pentru fotosinteză (radiația fiziologic activă, sau PAR). Radiația IR nu este potrivită pentru fotosinteza celor emițătoare de oxigen (plante superioare și alge), dar este folosită de unele bacterii fotosintetice.

Datorită faptului că ele constituie principalele. masa de produse biosintetice. activitatea plantelor, chimic. ur-niy de fotosinteză este de obicei scris sub forma:

Pentru acest district 469,3 kJ /, o scădere de 30,3 J / (K · mol), -479 kJ /. Consumul cuantic al fotosintezei pentru algele unicelulare în laborator. condițiile este de 8-12 cuante per CO2. Utilizarea în timpul fotosintezei a energiei radiației solare care ajunge la suprafața pământului nu depășește 0,1% din PAR total. Naib. plantele productive (ex. trestia de zahăr) asimilează cca. 2% din energia radiației incidente, iar culturile de cereale - până la 1%. De obicei, productivitatea totală a fotosintezei este limitată de conținutul de CO 2 (0,03-0,04% în volum), intensitatea luminii etc. Frunzele de spanac coapte în compoziție normală la 25 0 C în lumina intensității saturante (în lumina soarelui) dau mai multe. litri de O 2 pe oră per gram sau kilogram uscat. Pentru algele Chlorella pyrenoidosa la 35 0 C, o creștere a CO 2 de la 0,03 la 3% face posibilă creșterea randamentului de O 2 cu un factor de 5, o astfel de activare este marginală.

Fotosinteza bacteriană și ur-ția generală a fotosintezei. Odată cu fotosinteza plantelor superioare și a algelor, însoțită de eliberarea de O 2, se realizează fotosinteza bacteriană în natură, în care nu este oxidată, ci alți compuși care au o reducere mai pronunțată. Sf. tu, de exemplu. H2S, SO2. în timpul fotosintezei bacteriene nu este eliberată, de exemplu:

Bacteriile fotosintetice sunt capabile să utilizeze nu numai radiația vizibilă, ci și aproape IR (până la 1000 nm) în conformitate cu spectrele de absorbție ale bacterioclorofilelor predominante în ele. Fotosinteza bacteriană nu este esențială în stocarea globală a energiei solare, dar este importantă pentru înțelegerea mecanismelor generale ale fotosintezei. În plus, fotosinteza anoxică locală poate avea o contribuție semnificativă la productivitatea totală a planctonului. Deci, în Marea Neagră, cantitatea de bacterioclorofilă din coloană este aproximativ aceeași în mai multe locuri.

Luând în considerare datele despre fotosinteza plantelor superioare, algelor și bacteriilor fotosintetice, nivelul generalizat al fotosintezei poate fi scris astfel:

F otosinteza spațial și în timp este împărțită în două procese relativ separate: stadiul de lumină și stadiul de întuneric al CO 2 (Fig. 1). Ambele etape sunt efectuate în plante superioare și alge într-un mod specializat. organele -. Excepție fac algele albastre-verzi (cianobacteriile), care nu au un aparat fotosintetic separat de cel citoplasmatic. ...

În reacție. centrul fotosintezei, unde excitația este transferată cu probabilitate de aproape 100%, are loc o reacție primară între a fotochimic activ (în bacterii - bacterioclorofilă) și acceptorul primar (PA). Alte districte în tilacoid apar între baza lor. stări și nu necesită excitare prin lumină. Aceste districte sunt organizate într-un lanț de transport de electroni - o secvență de vectori fixați. Lanțul de transport de electroni al plantelor superioare și al algelor conține două substanțe fotochimice. centru (fotosistem), acţionând secvenţial (Fig. 2), în lanţul de transport de electroni bacterian - unu (Fig. 3).

În fotosistemul II al plantelor și algelor superioare, excitat simplu a în centrul lui P680 (numărul 680 înseamnă că maximul modificărilor spectrale în sistem la excitarea cu lumină este aproape de 680 nm) dă printr-un acceptor intermediar feofitinei (FEO, un analog fără magneziu), formând. Anionul radical feofitină redus servește în plus pentru plastochinona legată (HR *; diferă de substituenții din ciclul chinoid), coordonat cu Fe3+ (bacteriile au un complex Fe3+-ubichinonă similar). Apoi este transferat de-a lungul lanțului, inclusiv plastochinona liberă (HRP), care este prezentă în exces față de restul componentelor lanțului, apoi (C) b 6 și f, formând un complex cu centrul fier-sulf, prin cel care conţine cupruplastocianina (PC; greutate moleculară 10400) la centrul de reacție al fotosistemului I.

Centrele se recuperează rapid, luând o serie de intermedieri. transportatorii din. Formarea O 2 necesită consistentă. excitarea de patru ori a centrului de reacție al fotosistemului II și este catalizată de un complex membranar care conține Mn.

Sistem foto I poate funcționa autonom fără contact cu sistemul II. În acest caz, ciclic. carry (indicat în linie punctată în diagramă) este însoțit, nu NADPH. Format în stadiul de lumină

NADPH și sunt utilizate în stadiul întunecat al fotosintezei, în cursul unei tăieturi NADP se formează din nou și.

Lanțurile de transport de electroni ale bacteriilor fotosintetice în caracteristicile lor de bază sunt similare cu fragmentele individuale ale celor din clorofitele plantelor superioare. În fig. 3 prezintă lanțul de transport de electroni al bacteriilor violete.

Etapa întunecată a fotosintezei. Toate bacteriile fotosintetice care emit O 2, precum și unele bacterii fotosintetice, reduc mai întâi CO 2 la așa-numitul. ciclul Calvin. În bacteriile fotosintetice, aparent, apar și alte mecanisme. Cea mai mare parte a ciclului Calvin este solubilă în stromă.

O diagramă simplificată a ciclului este prezentată în Fig. 4. Prima etapă - ribuloză-1,5-difosfat și hidroliza produsului cu formarea a doi 3-fosfoglicerol la - tine. Acest acid C3 este fosforilat pentru a forma 3-fosfogliceroil fosfat, care este apoi redus de NADPH la gliceraldehidă-3-fosfat. Trioza fosfat rezultată intră apoi într-un număr de p-țiuni și rearanjamente, dând 3 ribuloză-5-fosfat. Acesta din urmă este fosforilat cu participarea cu formarea ryouloso-1,5-difosfat și astfel ciclul este închis. Unul dintre cei 6 gliceraldehidă-3-fosfat formați este transformat în gluco-zo-6-fosfat și este apoi utilizat pentru sinteză sau izolat din c. Gliceraldehida-3-fosfatul poate fi, de asemenea, transformat în 3-glicerol fosfat și apoi în. Triosoprovenind din, se transformă în DOS. c, marginile sunt transferate de la frunză în alte părți ale plantei.

Într-una viraj complet Ciclul lui Calvin consumă 9 și 6 NADPH pentru formarea unui 3-fosfoglicerol pentru - tine. Energetic. randamentul ciclului (raportul dintre energia fotonilor necesara fotosintezei si formarii NADPH-ului DG 0 din CO 2), luand in considerare cei care actioneaza in stroma, este de 83%. Nu există fotochimie în ciclul Calvin în sine. stadiile, dar stadiile ușoare îl pot afecta indirect (inclusiv regiunile care nu necesită sau NADPH) prin modificări ale Mg 2+ și H +, precum și ale nivelului de recuperare.

Anumite plante superioare care s-au adaptat la o intensitate ridicată a luminii și la climate calde (de exemplu trestia de zahăr, porumb) sunt capabile să prefixeze CO 2 în plus. Cu 4 cicluri. În acest caz, CO2 este mai întâi inclus în schimbul de patru atomi de carbon dicarboxilic to-t, care sunt apoi decarboxilați acolo unde este localizat ciclul Calvin. C 4 -Ciclul este tipic pentru plantele cu un aspect anatomic special. Structura frunzei și împărțirea f-țiunilor între două tipuri de cactusi, lăptele și alte plante rezistente la secetă se caracterizează printr-o separare parțială a fixării CO 2 și a fotosintezei în timp (schimb CAM, sau schimb ca plantele grase). ; CAM prescurtat din limba engleză Crassulaceae acid metabolism). În timpul zilei, stomatele (canale prin care se realizează schimbul de gaze) sunt închise pentru a se reduce. În acest caz, furnizarea de CO 2 este, de asemenea, împiedicată. Noaptea, stomatele se deschid, fixarea CO2 are loc sub formă de acid fosfoenol-piruvic cu formarea de acizi C4, care sunt decarboxilați în timpul zilei, iar CO2 eliberat în același timp este inclus în Calvin. ciclu (Fig. 6).

Fotosinteza halobacteriilor. Singura non-clorofilă cunoscută în natură pentru a stoca energia luminoasă este realizată de bacteria Halobacterium halobium. În lumină puternică, cu concentrație redusă de clorofilă. Acest lucru a fost în cele din urmă dovedit prin spectrometrie de masă. metoda (S. Ruben, M. Kamen, precum și A.P. Vinogradov și R.V. Teis, 1941).

În 1935-41 K. Van Niel a rezumat datele despre fotosinteza plantelor superioare și bacteriilor și a propus o ecuație generală care să acopere toate tipurile de fotosinteză.H. Gaffron și K. Wohl, precum și L. Duissens în 1936-52 pe baza cantităților. măsurătorile randamentului produselor fotosintezei luminii absorbite și conținutul a formulat conceptul de „unitate fotosintetică” - un ansamblu care realizează colectarea luminii și servește fotochimiei. Centru.

În anii 40-50. M. Calvin, folosind 14 C, a dezvăluit mecanismul de fixare a CO 2 . D. Arnon (1954) a descoperit fotofosforilarea (iniţiată de lumina din şi H 3 PO 4) şi a formulat conceptul de transport de electroni în. P. Emerson și C.M. Lewis (1942-43) a constatat o scădere bruscă a eficienței fotosintezei la 700 nm (picătură roșie sau primul efect Emerson), iar în 1957 Emerson a observat o creștere non-aditivă a fotosintezei atunci când a fost adăugată lumină de intensitate scăzută.650 nm până la lumină roșie îndepărtată (efect de amplificare sau al doilea efect Emerson). Despre asta în anii 60. a formulat ideea de a acționa consecventîn lanțul de transport de electroni al fotosintezei cu maxime în spectrele de acțiune în apropiere de 680 și 700 HM.

Principal regularităţile formării O 2 în timpul fotosintezei au fost stabilite în lucrările lui B. Coca şi P. Joliot (1969-70). Clarificarea debarcaderului este aproape de finalizare. organizarea unui complex membranar care catalizează acest proces. În anii 80. metoda a studiat în detaliu structura componentelor individuale ale fotosintetice. aparate, inclusiv centre de reacție și complexe de recoltare a luminii (I. Deisenhofer, H. Michel, P. Huber).

Lit.: Clayton R., Photosyntch. Mecanisme fizice și modele chimice, trad. din engleză, M., 1984; „Zh. All-Union Chemical Society numită după DI Mendeleev”, 1986, v. 31, No. 6; Fotosinteza, ed. Govindzhi, trad. din engleză, v. 1-2, M., 1987; Rezultatele științei și tehnologiei,. Biofizica, t. 20-22, M., 1987. M.G. Goldfeld.

Inca

Știți că fiecare frunză verde este o „fabrică” în miniatură de nutrienți și oxigen, care este necesar pentru viața normală nu numai pentru animale, ci și pentru oameni. Fotosinteza este procesul de producere a acestor substanțe din apă și dioxid de carbon din atmosferă. Acesta este un proces chimic foarte complex care implică lumină. Fără îndoială, toată lumea este interesată de modul în care are loc procesul de fotosinteză. Procesul constă din două etape: prima etapă este absorbția cuantelor de lumină, iar a doua etapă este utilizarea în diferite reacții chimice energiile lor.

Cum are loc procesul de fotosinteză?
Cu ajutorul unei substanțe verzi numită clorofilă, planta absoarbe lumina. Clorofila este conținută în cloroplaste, care se găsesc în fructe și tulpini. Dar mai ales un număr mare dintre ele se află în frunze, deoarece frunza, datorită structurii sale destul de simple, poate atrage o cantitate mare de lumină, respectiv, pentru a primi mult mai multă energie pentru procesul de fotosinteză.
Clorofila, după absorbție, se află într-o stare excitată și transferă energie altor molecule din organismul plantei, în special cele care sunt direct implicate în fotosinteză o primesc. A doua etapă a procesului de fotosinteză are loc fără participarea obligatorie a luminii și constă în obținerea unei legături chimice cu participarea dioxidului de carbon, care se obține din apă și aer. În această etapă, o sinteză a diverselor foarte nutrienți pentru funcții vitale precum glucoza și amidonul.

Plantele însele folosesc aceste substanțe organice pentru a hrăni diverse părți ale acesteia, precum și pentru a menține activitatea vitală normală. În plus, aceste substanțe sunt obținute de animalele care se hrănesc cu plante. Omul obține aceste substanțe prin consumul de alimente de origine vegetală și animală.

Condiții de fotosinteză
Procesul de fotosinteză poate avea loc nu numai sub influența luminii artificiale, ci și sub influența soarelui. În natură, de regulă, plantele își desfășoară activ activitățile în perioada primăvară-vară, adică într-un moment în care este nevoie de multă lumină solară. Lumină intră perioada de toamna mai puțin, ziua se scurtează, frunzele se îngălbenesc și apoi cad. Dar de îndată ce apare soarele cald de primăvară, frunzișul verde se trezește și „fabricile” verzi își reiau activitatea pentru a furniza o cantitate mare de nutrienți și oxigen, atât de necesar vieții.

Unde are loc procesul de fotosinteză?
Fotosinteza are loc în principal, așa cum am spus mai sus, dacă vă amintiți, în frunzele plantelor, pentru că acestea au capacitatea de a prelua o cantitate mare de lumină, atât de necesară procesului de fotosinteză.

În concluzie, putem rezuma și spune că un proces precum fotosinteza este o parte integrantă a vieții plantelor. Sperăm că articolul nostru i-a ajutat pe mulți să înțeleagă ce este fotosinteza și de ce este necesară.