Η σημασία της φωτοσύνθεσης για την ύπαρξη ζωής στη γη. Πώς και πού γίνεται η φωτοσύνθεση στα φυτά; Η σημασία της φωτοσύνθεσης στη φύση και τη ζωή του ανθρώπου

- σύνθεση οργανικών ουσιών από διοξείδιο του άνθρακα και νερό με υποχρεωτική χρήση φωτεινής ενέργειας:

6CO 2 + 6H 2 O + Q φως → C 6 H 12 O 6 + 6O 2.

Στα ανώτερα φυτά, το όργανο της φωτοσύνθεσης είναι το φύλλο, τα οργανίδια της φωτοσύνθεσης είναι οι χλωροπλάστες (η δομή των χλωροπλαστών είναι η διάλεξη Νο. 7). Οι θυλακοειδείς μεμβράνες των χλωροπλαστών περιέχουν φωτοσυνθετικές χρωστικές: χλωροφύλλες και καροτενοειδή. Υπάρχουν διάφοροι τύποι χλωροφύλλης ( Α Β Γ Δ), το κυριότερο είναι η χλωροφύλλη ένα. Στο μόριο της χλωροφύλλης, μπορεί να διακριθεί μια «κεφαλή» πορφυρίνης με ένα άτομο μαγνησίου στο κέντρο και μια «ουρά» φυτόλης. Η «κεφαλή» της πορφυρίνης είναι μια επίπεδη δομή, είναι υδρόφιλη και επομένως βρίσκεται στην επιφάνεια της μεμβράνης που βλέπει στο υδάτινο περιβάλλον του στρώματος. Η «ουρά» της φυτόλης είναι υδρόφοβη και έτσι διατηρεί το μόριο της χλωροφύλλης στη μεμβράνη.

Η χλωροφύλλη απορροφά το κόκκινο και το μπλε-ιώδες φως, αντανακλά το πράσινο και ως εκ τούτου δίνει στα φυτά το χαρακτηριστικό πράσινο χρώμα τους. Τα μόρια χλωροφύλλης στις θυλακοειδή μεμβράνες οργανώνονται σε φωτοσυστήματα. Τα φυτά και τα γαλαζοπράσινα φύκια έχουν το φωτοσύστημα-1 και το φωτοσύστημα-2· τα φωτοσυνθετικά βακτήρια έχουν το φωτοσύστημα-1. Μόνο το φωτοσύστημα-2 μπορεί να αποσυνθέσει το νερό με την απελευθέρωση οξυγόνου και να πάρει ηλεκτρόνια από το υδρογόνο του νερού.

Η φωτοσύνθεση είναι μια πολύπλοκη διαδικασία πολλαπλών σταδίων. Οι αντιδράσεις φωτοσύνθεσης χωρίζονται σε δύο ομάδες: αντιδράσεις ελαφριά φάσηκαι αντιδράσεις σκοτεινή φάση.

ελαφριά φάση

Αυτή η φάση εμφανίζεται μόνο με την παρουσία φωτός στις μεμβράνες των θυλακοειδών με τη συμμετοχή της χλωροφύλλης, των πρωτεϊνών-φορέων ηλεκτρονίων και του ενζύμου συνθετάση ATP. Κάτω από τη δράση ενός κβαντικού φωτός, τα ηλεκτρόνια της χλωροφύλλης διεγείρονται, εγκαταλείπουν το μόριο και εισέρχονται στην εξωτερική πλευρά της μεμβράνης του θυλακοειδούς, η οποία τελικά φορτίζεται αρνητικά. Τα μόρια της οξειδωμένης χλωροφύλλης αποκαθίστανται λαμβάνοντας ηλεκτρόνια από το νερό που βρίσκεται στον ενδοθυλακοειδή χώρο. Αυτό οδηγεί σε αποσύνθεση ή φωτόλυση του νερού:

H 2 O + Q φως → H + + OH -.

Τα ιόντα υδροξυλίου δίνουν τα ηλεκτρόνια τους και μετατρέπονται σε αντιδραστικές ρίζες.

OH - → .OH + e - .

Οι ρίζες.ΟΗ συνδυάζονται για να σχηματίσουν νερό και ελεύθερο οξυγόνο:

4ΟΧΙ. → 2H 2 O + O 2.

Σε αυτή την περίπτωση, το οξυγόνο απομακρύνεται στο εξωτερικό περιβάλλον και τα πρωτόνια συσσωρεύονται μέσα στο θυλακοειδή στη «δεξαμενή πρωτονίων». Ως αποτέλεσμα, η θυλακοειδής μεμβράνη, αφενός, φορτίζεται θετικά λόγω H +, αφετέρου αρνητικά λόγω ηλεκτρονίων. Όταν η διαφορά δυναμικού μεταξύ της εξωτερικής και της εσωτερικής πλευράς της μεμβράνης του θυλακοειδούς φτάσει τα 200 mV, τα πρωτόνια ωθούνται μέσω των καναλιών της συνθετάσης ATP και η ADP φωσφορυλιώνεται σε ATP. Το ατομικό υδρογόνο χρησιμοποιείται για την αποκατάσταση του συγκεκριμένου φορέα NADP + (νικοτιναμίδιο αδενινο δινουκλεοτιδικό φωσφορικό) στο NADP H 2:

2H + + 2e - + NADP → NADP H 2.

Έτσι, η φωτόλυση του νερού λαμβάνει χώρα στην ελαφριά φάση, η οποία συνοδεύεται από τρεις κύριες διεργασίες: 1) Σύνθεση ATP. 2) ο σχηματισμός του NADP·H 2; 3) ο σχηματισμός οξυγόνου. Το οξυγόνο διαχέεται στην ατμόσφαιρα, το ATP και το NADP·H 2 μεταφέρονται στο στρώμα του χλωροπλάστη και συμμετέχουν στις διαδικασίες της σκοτεινής φάσης.

1 - στρώμα του χλωροπλάστη. 2 - γρανά θυλακοειδή.

σκοτεινή φάση

Αυτή η φάση λαμβάνει χώρα στο στρώμα του χλωροπλάστη. Οι αντιδράσεις του δεν απαιτούν την ενέργεια του φωτός, άρα συμβαίνουν όχι μόνο στο φως, αλλά και στο σκοτάδι. Οι αντιδράσεις της σκοτεινής φάσης είναι μια αλυσίδα διαδοχικών μετασχηματισμών του διοξειδίου του άνθρακα (προέρχεται από τον αέρα), που οδηγεί στο σχηματισμό γλυκόζης και άλλων οργανικών ουσιών.

Η πρώτη αντίδραση σε αυτή την αλυσίδα είναι η δέσμευση διοξειδίου του άνθρακα. Ο δέκτης διοξειδίου του άνθρακα είναι ένα σάκχαρο πέντε άνθρακα διφωσφορική ριβουλόζη(RiBF); ένζυμο καταλύει την αντίδραση διφωσφορική καρβοξυλάση ριβουλόζης(RiBP-καρβοξυλάση). Ως αποτέλεσμα της καρβοξυλίωσης της διφωσφορικής ριβουλόζης, σχηματίζεται μια ασταθής ένωση έξι άνθρακα, η οποία αποσυντίθεται αμέσως σε δύο μόρια φωσφογλυκερικό οξύ(FGK). Στη συνέχεια ακολουθεί ένας κύκλος αντιδράσεων κατά τον οποίο, μέσω μιας σειράς ενδιάμεσων προϊόντων, το φωσφογλυκερικό οξύ μετατρέπεται σε γλυκόζη. Αυτές οι αντιδράσεις χρησιμοποιούν τις ενέργειες του ATP και του NADP·H 2 που σχηματίζονται στην ελαφριά φάση. Ο κύκλος αυτών των αντιδράσεων ονομάζεται κύκλος Calvin:

6CO 2 + 24H + + ATP → C 6 H 12 O 6 + 6H 2 O.

Εκτός από τη γλυκόζη, κατά τη φωτοσύνθεση σχηματίζονται άλλα μονομερή πολύπλοκων οργανικών ενώσεων - αμινοξέα, γλυκερίνη και λιπαρά οξέα, νουκλεοτίδια. Επί του παρόντος, υπάρχουν δύο τύποι φωτοσύνθεσης: C 3 - και C 4 - φωτοσύνθεση.

C3-φωτοσύνθεση

Αυτός είναι ένας τύπος φωτοσύνθεσης στην οποία οι ενώσεις τριών άνθρακα (C3) είναι το πρώτο προϊόν. Η C3-φωτοσύνθεση ανακαλύφθηκε πριν από τη C4-φωτοσύνθεση (M. Calvin). Είναι η φωτοσύνθεση C3 που περιγράφεται παραπάνω, κάτω από την επικεφαλίδα "Σκοτεινή φάση". Χαρακτηριστικά γνωρίσματα της φωτοσύνθεσης C 3: 1) Το RiBP είναι δέκτης διοξειδίου του άνθρακα, 2) Η καρβοξυλάση RiBP καταλύει την αντίδραση καρβοξυλίωσης RiBP, 3) ως αποτέλεσμα της καρβοξυλίωσης RiBP, σχηματίζεται μια ένωση έξι άνθρακα, η οποία αποσυντίθεται σε δύο FHA. Το FHA έχει αποκατασταθεί σε φωσφορικές τριόζης(TF). Μέρος του TF χρησιμοποιείται για την αναγέννηση του RiBP, ένα μέρος μετατρέπεται σε γλυκόζη.

1 - χλωροπλάστης; 2 - υπεροξείσωμα; 3 - μιτοχόνδριο.

Αυτή είναι η εξαρτώμενη από το φως πρόσληψη οξυγόνου και η απελευθέρωση διοξειδίου του άνθρακα. Ακόμη και στις αρχές του περασμένου αιώνα, διαπιστώθηκε ότι το οξυγόνο αναστέλλει τη φωτοσύνθεση. Όπως αποδείχθηκε, όχι μόνο το διοξείδιο του άνθρακα, αλλά και το οξυγόνο μπορεί να είναι υπόστρωμα για την καρβοξυλάση RiBP:

O 2 + RiBP → φωσφογλυκολικό (2С) + FHA (3С).

Το ένζυμο ονομάζεται RiBP-οξυγενάση. Το οξυγόνο είναι ένας ανταγωνιστικός αναστολέας της δέσμευσης του διοξειδίου του άνθρακα. Η φωσφορική ομάδα αποκόπτεται και το φωσφογλυκολικό γίνεται γλυκολικό, το οποίο πρέπει να χρησιμοποιήσει το φυτό. Εισέρχεται στα υπεροξισώματα, όπου οξειδώνεται σε γλυκίνη. Η γλυκίνη εισέρχεται στα μιτοχόνδρια, όπου οξειδώνεται σε σερίνη, με την απώλεια ήδη σταθεροποιημένου άνθρακα με τη μορφή CO 2. Ως αποτέλεσμα, δύο μόρια γλυκολικού (2C + 2C) μετατρέπονται σε ένα FHA (3C) και CO 2. Η φωτοαναπνοή οδηγεί σε μείωση της απόδοσης των φυτών C 3 κατά 30-40% ( C 3 -φυτά- φυτά που χαρακτηρίζονται από C 3 -φωτοσύνθεση).

C 4 -φωτοσύνθεση - φωτοσύνθεση, στην οποία το πρώτο προϊόν είναι ενώσεις τεσσάρων άνθρακα (C 4). Το 1965, διαπιστώθηκε ότι σε ορισμένα φυτά (ζαχαροκάλαμο, καλαμπόκι, σόργο, κεχρί) τα πρώτα προϊόντα της φωτοσύνθεσης είναι οξέα τεσσάρων άνθρακα. Τέτοια φυτά ονομάζονται Με 4 φυτά. Το 1966, οι Αυστραλοί επιστήμονες Hatch και Slack έδειξαν ότι τα φυτά C 4 δεν έχουν πρακτικά φωτοαναπνοή και απορροφούν το διοξείδιο του άνθρακα πολύ πιο αποτελεσματικά. Η διαδρομή των μετασχηματισμών άνθρακα στα φυτά C 4 άρχισε να ονομάζεται από Hatch-Slack.

Τα φυτά C 4 χαρακτηρίζονται από μια ειδική ανατομική δομή του φύλλου. Όλες οι αγώγιμες δέσμες περιβάλλονται από ένα διπλό στρώμα κυττάρων: το εξωτερικό είναι κύτταρα μεσόφυλλου, το εσωτερικό είναι κύτταρα επένδυσης. Το διοξείδιο του άνθρακα στερεώνεται στο κυτταρόπλασμα των κυττάρων μεσοφύλλης, ο δέκτης είναι φωσφοενολοπυρουβικό(PEP, 3C), ως αποτέλεσμα της καρβοξυλίωσης PEP, σχηματίζεται οξαλοξικό (4C). Η διαδικασία καταλύεται PEP καρβοξυλάση. Σε αντίθεση με την καρβοξυλάση RiBP, η PEP καρβοξυλάση έχει υψηλή συγγένεια για το CO 2 και, το πιο σημαντικό, δεν αλληλεπιδρά με το O 2 . Στους χλωροπλάστες μεσόφυλλου, υπάρχουν πολλά granae, όπου λαμβάνουν χώρα αντιδράσεις της φωτεινής φάσης. Στους χλωροπλάστες των κυττάρων του περιβλήματος λαμβάνουν χώρα αντιδράσεις της σκοτεινής φάσης.

Το οξαλοξικό (4C) μετατρέπεται σε μηλικό, το οποίο μεταφέρεται μέσω των πλασμοδεσμών στα κύτταρα επένδυσης. Εδώ αποκαρβοξυλιώνεται και αφυδατώνεται για να σχηματίσει πυροσταφυλικό, CO 2 και NADP·H 2 .

Το πυροσταφυλικό επιστρέφει στα κύτταρα μεσοφύλλης και αναγεννάται σε βάρος της ενέργειας ATP στο PEP. Το CO 2 σταθεροποιείται και πάλι από την καρβοξυλάση RiBP με το σχηματισμό FHA. Η αναγέννηση του PEP απαιτεί την ενέργεια του ATP, επομένως χρειάζεται σχεδόν διπλάσια ενέργεια από ότι με τη φωτοσύνθεση C 3.

Η σημασία της φωτοσύνθεσης

Χάρη στη φωτοσύνθεση, δισεκατομμύρια τόνοι διοξειδίου του άνθρακα απορροφώνται κάθε χρόνο από την ατμόσφαιρα, απελευθερώνονται δισεκατομμύρια τόνοι οξυγόνου. η φωτοσύνθεση είναι η κύρια πηγή σχηματισμού οργανικών ουσιών. Το στρώμα του όζοντος σχηματίζεται από οξυγόνο, το οποίο προστατεύει τους ζωντανούς οργανισμούς από την υπεριώδη ακτινοβολία βραχέων κυμάτων.

Κατά τη φωτοσύνθεση, ένα πράσινο φύλλο χρησιμοποιεί μόνο περίπου το 1% της ηλιακής ενέργειας που πέφτει πάνω του, η παραγωγικότητα είναι περίπου 1 g οργανικής ύλης ανά 1 m 2 επιφάνειας ανά ώρα.

Χημειοσύνθεση

Η σύνθεση οργανικών ενώσεων από διοξείδιο του άνθρακα και νερό, που πραγματοποιείται όχι σε βάρος της φωτεινής ενέργειας, αλλά σε βάρος της ενέργειας οξείδωσης ανόργανων ουσιών, ονομάζεται χημειοσύνθεση. Οι χημειοσυνθετικοί οργανισμοί περιλαμβάνουν ορισμένους τύπους βακτηρίων.

Νιτροποιητικά βακτήριαοξειδώνουν την αμμωνία σε νιτρώδες και στη συνέχεια σε νιτρικό οξύ (NH 3 → HNO 2 → HNO 3).

βακτήρια σιδήρουμετατρέπουν το σίδηρο σε οξείδιο (Fe 2+ → Fe 3+).

Βακτήρια θείουοξειδώστε το υδρόθειο προς θείο ή θειικό οξύ (H 2 S + ½O 2 → S + H 2 O, H 2 S + 2O 2 → H 2 SO 4).

Ως αποτέλεσμα των αντιδράσεων οξείδωσης ανόργανων ουσιών, απελευθερώνεται ενέργεια, η οποία αποθηκεύεται από τα βακτήρια με τη μορφή δεσμών υψηλής ενέργειας ATP. Το ATP χρησιμοποιείται για τη σύνθεση οργανικών ουσιών, η οποία προχωρά παρόμοια με τις αντιδράσεις της σκοτεινής φάσης της φωτοσύνθεσης.

Τα χημειοσυνθετικά βακτήρια συμβάλλουν στη συσσώρευση μετάλλων στο έδαφος, βελτιώνουν τη γονιμότητα του εδάφους, προάγουν την επεξεργασία των λυμάτων κ.λπ.

Παω σε διαλέξεις №11«Η έννοια του μεταβολισμού. Βιοσύνθεση πρωτεϊνών"

Παω σε διαλέξεις №13"Μέθοδοι διαίρεσης ευκαρυωτικών κυττάρων: μίτωση, μείωση, αμίτωση"

Το νόημα και ο ρόλος της φωτοσύνθεσης

Κύρια πηγή ενέργειας

Η λέξη φωτοσύνθεση κυριολεκτικά σημαίνει κατασκευή ή συναρμολόγηση κάτι υπό την επίδραση του φωτός. Συνήθως, όταν μιλάμε για φωτοσύνθεση, εννοούν τη διαδικασία με την οποία τα φυτά στο ηλιακό φως συνθέτουν οργανικές ενώσεις από ανόργανες πρώτες ύλες. Όλες οι μορφές ζωής στο σύμπαν χρειάζονται ενέργεια για να αναπτυχθούν και να διατηρήσουν τη ζωή. Τα φύκια, τα ανώτερα φυτά και ορισμένοι τύποι βακτηρίων συλλαμβάνουν άμεσα την ενέργεια της ηλιακής ακτινοβολίας και τη χρησιμοποιούν για να συνθέσουν βασικά θρεπτικά συστατικά. Τα ζώα δεν ξέρουν πώς να χρησιμοποιούν το φως του ήλιου απευθείας ως πηγή ενέργειας, παίρνουν ενέργεια τρώγοντας φυτά ή άλλα ζώα που τρώνε φυτά. Έτσι, τελικά, η πηγή ενέργειας για όλες τις μεταβολικές διεργασίες στον πλανήτη μας είναι ο Ήλιος και η διαδικασία της φωτοσύνθεσης είναι απαραίτητη για τη διατήρηση όλων των μορφών ζωής στη Γη.

Χρησιμοποιούμε ορυκτά καύσιμα - άνθρακα, φυσικό αέριο, πετρέλαιο, κ.λπ. Όλα αυτά τα καύσιμα δεν είναι παρά προϊόντα αποσύνθεσης χερσαίων και θαλάσσιων φυτών ή ζώων, και η ενέργεια που αποθηκεύεται σε αυτά προέρχεται από το φως του ήλιου πριν από εκατομμύρια χρόνια. Ο άνεμος και η βροχή οφείλουν επίσης την προέλευσή τους στην ηλιακή ενέργεια, και επομένως η ενέργεια των ανεμόμυλων και των υδροηλεκτρικών σταθμών οφείλεται τελικά και στην ηλιακή ακτινοβολία.

Ο σημαντικότερος τρόπος χημικών αντιδράσεων στη φωτοσύνθεση είναι η μετατροπή του διοξειδίου του άνθρακα και του νερού σε άνθρακες και οξυγόνο. Η συνολική αντίδραση μπορεί να περιγραφεί με την εξίσωση CO2 + H20? [CH20]+02

Οι υδατάνθρακες που σχηματίζονται σε αυτή την αντίδραση περιέχουν περισσότερη ενέργεια από τις αρχικές ουσίες, δηλαδή CO2 και H20. Έτσι, λόγω της ενέργειας του Ήλιου, οι ενεργειακές ουσίες (CO2 και H20) μετατρέπονται σε προϊόντα πλούσια σε ενέργεια - υδατάνθρακες και οξυγόνο. Τα επίπεδα ενέργειας των διαφόρων αντιδράσεων που περιγράφονται από τη συνολική εξίσωση μπορούν να χαρακτηριστούν από δυναμικά οξειδοαναγωγής μετρημένα σε βολτ. Οι δυνητικές τιμές δείχνουν πόση ενέργεια αποθηκεύεται ή σπαταλάται σε κάθε αντίδραση. Έτσι, η φωτοσύνθεση μπορεί να θεωρηθεί ως η διαδικασία σχηματισμού της ακτινοβολούμενης ενέργειας του Ήλιου στη χημική ενέργεια των φυτικών ιστών.

Η περιεκτικότητα σε CO2 στην ατμόσφαιρα παραμένει σχεδόν πλήρης, παρά το γεγονός ότι το διοξείδιο του άνθρακα καταναλώνεται στη διαδικασία της φωτοσύνθεσης. Το γεγονός είναι ότι όλα τα φυτά και τα ζώα αναπνέουν. Στη διαδικασία της αναπνοής στα μιτοχόνδρια, το οξυγόνο που απορροφάται από την ατμόσφαιρα από τους ζωντανούς ιστούς χρησιμοποιείται για την οξείδωση υδατανθράκων και άλλων συστατικών του ιστού, σχηματίζοντας τελικά διοξείδιο του άνθρακα και νερό και με την ταυτόχρονη απελευθέρωση ενέργειας. Η απελευθερωμένη ενέργεια αποθηκεύεται σε ενώσεις υψηλής ενέργειας - τριφωσφορική αδενοσίνη (ATP), η οποία χρησιμοποιείται από το σώμα για την εκτέλεση όλων των ζωτικών λειτουργιών. Έτσι, η αναπνοή οδηγεί στην κατανάλωση οργανικής ύλης και οξυγόνου και αυξάνει την περιεκτικότητα του πλανήτη σε CO2. Για τις διαδικασίες της αναπνοής σε όλους τους ζωντανούς οργανισμούς και για την καύση όλων των τύπων καυσίμων που περιέχουν άνθρακα, συνολικά, καταναλώνονται περίπου 10.000 τόνοι 02 ανά δευτερόλεπτο σε μια μέση κλίμακα της Γης. Με αυτόν τον ρυθμό κατανάλωσης, όλο το οξυγόνο στην ατμόσφαιρα θα εξαντληθεί σε περίπου 3.000 χρόνια. Ευτυχώς για εμάς, η κατανάλωση οργανικής ύλης και ατομικού οξυγόνου εξισορροπείται με τη δημιουργία υδατανθράκων και οξυγόνου μέσω της φωτοσύνθεσης. Υπό ιδανικές συνθήκες, ο ρυθμός φωτοσύνθεσης στους πράσινους φυτικούς ιστούς είναι περίπου 30 φορές υψηλότερος από τον ρυθμό αναπνοής στους ίδιους ιστούς, επομένως η φωτοσύνθεση είναι ένας σημαντικός παράγοντας που ρυθμίζει το περιεχόμενο του 02 στη Γη.

Η ιστορία της ανακάλυψης της φωτοσύνθεσης

Στις αρχές του XVII αιώνα. Ο Φλαμανδός γιατρός Van Helmont φύτρωσε ένα δέντρο σε μια μπανιέρα από χώμα, το οποίο πότιζε μόνο με νερό της βροχής. Παρατήρησε ότι μετά από πέντε χρόνια, το δέντρο είχε μεγαλώσει σε μεγάλο μέγεθος, αν και η έκταση της γης στην μπανιέρα δεν είχε πρακτικά μειωθεί. Ο Van Helmont κατέληξε στο συμπέρασμα ότι το υλικό από το οποίο σχηματίστηκε το δέντρο προήλθε από το νερό που χρησιμοποιείται για άρδευση. Το 1777, ο Άγγλος βοτανολόγος Stephen Hales δημοσίευσε ένα βιβλίο στο οποίο ανέφερε ότι τα φυτά χρησιμοποιούν κυρίως τον αέρα ως θρεπτικό συστατικό απαραίτητο για την ανάπτυξη. Την ίδια περίοδο, ο διάσημος Άγγλος χημικός Joseph Priestley (ήταν ένας από τους ανακαλυπτές του οξυγόνου) διεξήγαγε μια σειρά πειραμάτων σχετικά με την καύση και την αναπνοή και κατέληξε στο συμπέρασμα ότι τα πράσινα φυτά είναι ικανά να εκτελέσουν όλες εκείνες τις αναπνευστικές διεργασίες που βρέθηκαν στο ζωικούς ιστούς. Ο Priestley έκαψε ένα κερί σε κλειστό όγκο αέρα και διαπίστωσε ότι ο αέρας που προέκυψε δεν μπορούσε πλέον να υποστηρίξει την καύση. Ένα ποντίκι που τοποθετείται σε ένα τέτοιο σκάφος θα πέθαινε. Ωστόσο, το κλαδάκι της μέντας συνέχισε να ζει στον αέρα για εβδομάδες. Συμπερασματικά, ο Priestley ανακάλυψε ότι στον αέρα, που είχε αποκατασταθεί από ένα κλαδάκι μέντας, το κερί άρχισε να καίει ξανά, το ποντίκι μπορούσε να αναπνεύσει. Γνωρίζουμε τώρα ότι το κερί κατανάλωνε οξυγόνο από τον κλειστό όγκο αέρα όταν κάηκε, αλλά στη συνέχεια ο αέρας ήταν και πάλι κορεσμένος με οξυγόνο λόγω της φωτοσύνθεσης που έλαβε χώρα στο αριστερό κλαδάκι της μέντας. Λίγα χρόνια αργότερα, ο Ολλανδός γιατρός Ingenhaus ανακάλυψε ότι τα φυτά οξειδώνουν το οξυγόνο μόνο στο ηλιακό φως και ότι μόνο τα πράσινα μέρη τους παρέχουν οξυγόνο. Ο Jean Senebier, ο οποίος διετέλεσε υπουργός, επιβεβαίωσε τα δεδομένα του Ingenhaus και συνέχισε τη μελέτη, δείχνοντας ότι τα φυτά χρησιμοποιούν διοξείδιο του άνθρακα διαλυμένο στο νερό ως θρεπτικό συστατικό. Στις αρχές του 19ου αιώνα, ένας άλλος Ελβετός ερευνητής, ο de Sausedi, μελέτησε τις ποσοτικές σχέσεις μεταξύ του διοξειδίου του άνθρακα που απορροφάται από ένα φυτό, αφενός, και των συνθετικών οργανικών ουσιών και οξυγόνου, αφετέρου. Ως αποτέλεσμα των πειραμάτων του, κατέληξε στο συμπέρασμα ότι το νερό καταναλώνεται και από το φυτό κατά την αφομοίωση του CO2. Το 1817, δύο Γάλλοι χημικοί, ο Pelletier και ο Cavantoux, απομόνωσαν μια πράσινη ουσία από τα φύλλα και την ονόμασαν χλωροφύλλη. Το επόμενο σημαντικό ορόσημο στην ιστορία της μελέτης της φωτοσύνθεσης ήταν η δήλωση που έκανε το 1845 ο Γερμανός φυσικός Robert Mayer ότι τα πράσινα φυτά μετατρέπουν την ενέργεια του ηλιακού φωτός σε χημική ενέργεια. Οι ιδέες για τη φωτοσύνθεση που είχαν αναπτυχθεί στα μέσα του περασμένου αιώνα μπορούν να εκφραστούν με την ακόλουθη σχέση:

πράσινο φυτό

CO2 + H2 O + Φως; Ο2 + οργ. ουσίες + χημική ενέργεια

Η αναλογία της ποσότητας του CO2 που απορροφάται κατά τη φωτοσύνθεση προς την ποσότητα του 02 που απελευθερώνεται μετρήθηκε με ακρίβεια από τον Γάλλο φυτοφυσιολόγο Busengo. Το 1864 ανακάλυψε ότι η φωτοσυνθετική αναλογία, δηλ. ο λόγος του όγκου του απελευθερωμένου 02 προς τον όγκο του απορροφούμενου CO2 είναι σχεδόν ίσος με τη μονάδα. Την ίδια χρονιά, ο Γερμανός βοτανολόγος Sachs (ο οποίος ανακάλυψε επίσης την αναπνοή στα φυτά) έδειξε τον σχηματισμό κόκκων αμύλου κατά τη φωτοσύνθεση. Ο Ζακς τοποθέτησε πράσινα φύλλα για αρκετές ώρες στο σκοτάδι, ώστε να εξαντλήσουν το άμυλο που είχε συσσωρευτεί σε αυτά. Έπειτα έφερε τα φύλλα στο φως, αλλά ταυτόχρονα φώτισε μόνο το μισό από κάθε φύλλο, αφήνοντας το άλλο μισό του φύλλου στο σκοτάδι. Μετά από κάποιο χρονικό διάστημα, ολόκληρο το φύλλο υποβλήθηκε σε επεξεργασία με ατμό ιωδίου. Ως αποτέλεσμα, το φωτισμένο μέρος του φύλλου έγινε σκούρο μωβ, υποδηλώνοντας το σχηματισμό ενός συμπλέγματος αμύλου-ιωδίου, ενώ το χρώμα του άλλου μισού του φύλλου δεν άλλαξε. Μια άμεση σύνδεση μεταξύ της απελευθέρωσης οξυγόνου και χλωροπλαστών στα πράσινα φύλλα, καθώς και της αντιστοιχίας μεταξύ του φάσματος δράσης της φωτοσύνθεσης και του φάσματος που απορροφάται από τους χλωροπλάστες, καθιερώθηκε το 1880 από τον Engelman. Τοποθέτησε ένα νηματοειδές πράσινο φύκι με σπειροειδώς στριμμένους χλωροπλάστες σε μια γυάλινη διαφάνεια, φωτίζοντάς το με μια στενή και ευρεία δέσμη λευκού φωτός. Μαζί με τα φύκια, ένα εναιώρημα κυττάρων κινητών βακτηρίων ευαίσθητων στη συγκέντρωση οξυγόνου εφαρμόστηκε σε μια γυάλινη πλάκα. Η γυάλινη διαφάνεια τοποθετήθηκε σε θάλαμο χωρίς αέρα και φωτίστηκε. Υπό αυτές τις συνθήκες, τα κινητικά βακτήρια θα έπρεπε να έχουν μεταναστεύσει στο τμήμα όπου η συγκέντρωση 02 ήταν υψηλότερη. Μετά από κάποιο χρονικό διάστημα, το δείγμα εξετάστηκε σε μικροσκόπιο και υπολογίστηκε η κατανομή του βακτηριοπληθυσμού. Αποδείχθηκε ότι τα βακτήρια συγκεντρώθηκαν γύρω από τις πράσινες λωρίδες στα νηματώδη φύκια. Σε μια άλλη σειρά πειραμάτων, ο Ένγκελμαν φώτισε τα φύκια με ακτίνες διαφορετικής φασματικής σύνθεσης, τοποθετώντας ένα πρίσμα ανάμεσα στην πηγή φωτός και το στάδιο του μικροσκοπίου. Σε αυτή την περίπτωση, ο μεγαλύτερος αριθμός βακτηρίων συσσωρεύτηκε γύρω από εκείνα τα μέρη της άλγης που φωτίζονταν από τις μπλε και κόκκινες περιοχές του φάσματος. Η χλωροφύλλη που βρίσκεται στα φύκια απορροφά το μπλε και το κόκκινο φως. Καθώς τότε ήταν ήδη γνωστό ότι η φωτοσύνθεση απαιτεί την απορρόφηση του φωτός, ο Engelman συμπέρανε ότι οι χλωροφύλλες συμμετέχουν στη σύνθεση ως χρωστικές ουσίες που είναι ενεργοί φωτοϋποδοχείς. Το επίπεδο γνώσης για τη φωτοσύνθεση στις αρχές του αιώνα μας μπορεί να αναπαρασταθεί ως εξής.

CO2 + H2O + Light –O2 + Άμυλο + Χημική Ενέργεια

Έτσι, στις αρχές του αιώνα μας, η συνολική αντίδραση της φωτοσύνθεσης ήταν ήδη γνωστή. Ωστόσο, η βιοχημεία δεν ήταν σε τόσο υψηλό επίπεδο για να αποκαλύψει πλήρως τους μηχανισμούς αναγωγής του διοξειδίου του άνθρακα σε υδατάνθρακες. Δυστυχώς, πρέπει να παραδεχτούμε ότι ακόμη και τώρα ορισμένες πτυχές της φωτοσύνθεσης εξακολουθούν να είναι σχετικά ανεπαρκώς μελετημένες. Από την αρχαιότητα έχουν γίνει προσπάθειες να διερευνηθεί η επίδραση της έντασης του φωτός, της θερμοκρασίας, της συγκέντρωσης διοξειδίου του άνθρακα κ.λπ. στη συνολική απόδοση της φωτοσύνθεσης. Και παρόλο που σε αυτές τις εργασίες μελετήθηκαν φυτά διαφόρων ειδών, οι περισσότερες μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν σε μονοκύτταρα πράσινα φύκια και στα μονοκύτταρα φύκια μαστίγια Euglena. Οι μονοκύτταροι οργανισμοί είναι πιο βολικοί για ποιοτική έρευνα, καθώς μπορούν να καλλιεργηθούν σε όλα τα εργαστήρια κάτω από αρκετά τυπικές συνθήκες. Μπορούν να εναιωρηθούν ομοιόμορφα, δηλ. να εναιωρηθούν σε υδατικά ρυθμιστικά διαλύματα, και ο απαιτούμενος όγκος ενός τέτοιου εναιωρήματος ή εναιωρήματος, μπορεί να ληφθεί σε τέτοια δόση, όπως ακριβώς όταν εργάζεστε με συνηθισμένα φυτά. Οι χλωροπλάστες για πειράματα απομονώνονται καλύτερα από τα φύλλα των ανώτερων φυτών. Το σπανάκι είναι το πιο συχνά χρησιμοποιούμενο επειδή είναι εύκολο να αναπτυχθεί και τα φρέσκα φύλλα είναι καλά για έρευνα. μερικές φορές χρησιμοποιούνται φύλλα μπιζελιού και μαρούλι.

Δεδομένου ότι το CO2 είναι πολύ διαλυτό στο νερό και το O2 είναι σχετικά αδιάλυτο στο νερό, κατά τη φωτοσύνθεση σε ένα κλειστό σύστημα, η πίεση του αερίου σε αυτό το σύστημα μπορεί να αλλάξει. Ως εκ τούτου, η επίδραση του φωτός στα φωτοσυνθετικά συστήματα μελετάται συχνά χρησιμοποιώντας έναν αναπνευστήρα Warburg, ο οποίος καθιστά δυνατή την καταγραφή αλλαγών κατωφλίου στον όγκο O2 στο σύστημα. Ο αναπνευστήρας Warburg χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά σε σχέση με τη φωτοσύνθεση το 1920. Για να μετρήσετε την κατανάλωση ή την απελευθέρωση οξυγόνου κατά τη διάρκεια της αντίδρασης, είναι πιο βολικό να χρησιμοποιήσετε μια άλλη συσκευή - ένα ηλεκτρόδιο οξυγόνου. Αυτή η συσκευή βασίζεται στη χρήση της πολαρογραφικής μεθόδου. Το ηλεκτρόδιο οξυγόνου είναι αρκετά ευαίσθητο ώστε να ανιχνεύει συγκεντρώσεις τόσο χαμηλές όσο 0,01 mmol ανά λίτρο. Η συσκευή αποτελείται από μια μάλλον λεπτή κάθοδο σύρματος πλατίνας που πιέζεται ερμητικά στην πλάκα ανόδου, η οποία είναι ένας δακτύλιος από ασημένιο σύρμα βυθισμένο σε ένα κορεσμένο διάλυμα. Τα ηλεκτρόδια διαχωρίζονται από το μείγμα στο οποίο η αντίδραση προχωρά με μια μεμβράνη διαπερατή στο 02. Το σύστημα αντίδρασης βρίσκεται σε πλαστικό ή γυάλινο δοχείο και αναδεύεται συνεχώς από έναν περιστρεφόμενο ραβδωτό μαγνήτη. Όταν εφαρμόζεται τάση στα ηλεκτρόδια, το ηλεκτρόδιο πλατίνας γίνεται αρνητικό σε σχέση με το τυπικό ηλεκτρόδιο, το οξυγόνο στο διάλυμα μειώνεται ηλεκτρολυτικά. Σε τάση 0,5 έως 0,8 V, το μέγεθος του ηλεκτρικού ρεύματος εξαρτάται γραμμικά από τη μερική πίεση του οξυγόνου στο διάλυμα. Τυπικά, το ηλεκτρόδιο οξυγόνου λειτουργεί με τάση περίπου 0,6 V. Το ηλεκτρικό ρεύμα μετράται συνδέοντας το ηλεκτρόδιο σε ένα κατάλληλο σύστημα καταγραφής. Το ηλεκτρόδιο μαζί με το μίγμα της αντίδρασης ποτίζονται με ρεύμα νερού από θερμοστάτη. Χρησιμοποιώντας ένα ηλεκτρόδιο οξυγόνου, μετράται η επίδραση του φωτός και των διαφόρων χημικών ουσιών στη φωτοσύνθεση. Το πλεονέκτημα του ηλεκτροδίου οξυγόνου έναντι της συσκευής Warburg είναι ότι το ηλεκτρόδιο οξυγόνου καθιστά δυνατή τη γρήγορη και συνεχή καταγραφή αλλαγών στην περιεκτικότητα σε O2 στο σύστημα. Από την άλλη πλευρά, έως και 20 δείγματα με διαφορετικά μείγματα αντίδρασης μπορούν να αναλυθούν ταυτόχρονα στο όργανο Warburg, ενώ κατά την εργασία με ηλεκτρόδιο οξυγόνου, τα δείγματα πρέπει να αναλυθούν ένα προς ένα.

Μέχρι τις αρχές της δεκαετίας του 1930, πολλοί ερευνητές σε αυτό το πεδίο πίστευαν ότι η κύρια αντίδραση της φωτοσύνθεσης ήταν η διάσπαση του διοξειδίου του άνθρακα από τη δράση του φωτός σε άνθρακα και οξυγόνο, ακολουθούμενη από την αναγωγή του άνθρακα σε υδατάνθρακες χρησιμοποιώντας νερό σε αρκετές διαδοχικές αντιδράσεις. Η άποψη άλλαξε τη δεκαετία του 1930 ως αποτέλεσμα δύο σημαντικών ανακαλύψεων. Αρχικά, περιγράφηκαν ποικιλίες βακτηρίων που μπορούν να αφομοιώσουν και να συνθέσουν υδατάνθρακες χωρίς να χρησιμοποιούν φωτεινή ενέργεια για αυτό. Στη συνέχεια, ο Ολλανδός μικροβιολόγος Van Neel συνέκρινε τις διαδικασίες της φωτοσύνθεσης στα βακτήρια και έδειξε ότι ορισμένα βακτήρια μπορούν να αφομοιώσουν το CO2 στο φως χωρίς να απελευθερώσουν οξυγόνο. Τέτοια βακτήρια είναι ικανά για φωτοσύνθεση μόνο με την παρουσία ενός κατάλληλου υποστρώματος δότη υδρογόνου. Ο Van Neel πρότεινε ότι η φωτοσύνθεση των πράσινων φυτών και των φυκών είναι μια ειδική περίπτωση όταν το οξυγόνο στη φωτοσύνθεση προέρχεται από το νερό και όχι από το διοξείδιο του άνθρακα.

Η δεύτερη σημαντική ανακάλυψη έγινε το 1937 από τον R. Hill στο Πανεπιστήμιο του Cambridge. Χρησιμοποιώντας διαφορική φυγοκέντρηση ενός ομογενοποιήματος ιστού φύλλων, διαχώρισε τα φωτοσυνθετικά σωματίδια (χλωροπλάστες) από τα αναπνευστικά σωματίδια. Οι χλωροπλάστες που έλαβε η Hill δεν απελευθέρωσαν οι ίδιοι οξυγόνο όταν φωτίστηκαν (πιθανόν λόγω του γεγονότος ότι υπέστησαν ζημιά κατά τον διαχωρισμό). Ωστόσο, άρχισαν να απελευθερώνουν οξυγόνο παρουσία φωτός εάν στο εναιώρημα προστέθηκαν κατάλληλοι δέκτες ηλεκτρονίων (οξειδωτικά), όπως φερριοοξαλικό κάλιο ή σιδηροκυανιούχο κάλιο. Κατά την απομόνωση ενός μορίου 02, τέσσερα ισοδύναμα του οξειδωτικού παράγοντα ανήχθησαν φωτοχημικά. Αργότερα διαπιστώθηκε ότι πολλές κινόνες και βαφές μειώνονται από τους χλωροπλάστες στο φως. Ωστόσο, οι χλωροπλάστες δεν μπορούσαν να ανακτήσουν το CO2, έναν φυσικό δέκτη ηλεκτρονίων κατά τη φωτοσύνθεση. Αυτό το φαινόμενο, που τώρα είναι γνωστό ως αντίδραση Hill, είναι η επαγόμενη από το φως μεταφορά ηλεκτρονίων από το νερό σε μη φυσιολογικά οξειδωτικά (αντιδραστήρια Hill) έναντι μιας χημικής βαθμίδας δυναμικού. Η σημασία της αντίδρασης Hill έγκειται στο γεγονός ότι απέδειξε τη δυνατότητα διαχωρισμού δύο διεργασιών - τη φωτοχημική απελευθέρωση οξυγόνου και τη μείωση του διοξειδίου του άνθρακα κατά τη φωτοσύνθεση.

Η αποσύνθεση του νερού, που οδηγεί στην απελευθέρωση ελεύθερου οξυγόνου κατά τη φωτοσύνθεση, καθιερώθηκε από τους Reuben και Kamen, στην Καλιφόρνια το 1941. Τοποθέτησαν φωτοσυνθετικά κύτταρα σε νερό εμπλουτισμένο με ισότοπο οξυγόνου με μάζα 18 ατομικών μονάδων 180. Η ισοτοπική σύνθεση Το οξυγόνο που απελευθερώνεται από τα κύτταρα αντιστοιχούσε στη σύνθεση νερό, αλλά όχι CO2. Επιπλέον, οι Kamen και Ruben ανακάλυψαν το ραδιενεργό ισότοπο 18O, το οποίο στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκε με επιτυχία από τους Bassat και Benson Wien, οι οποίοι μελέτησαν το μονοπάτι της μετατροπής του διοξειδίου του άνθρακα κατά τη φωτοσύνθεση. Ο Calvin και οι συνεργάτες του διαπίστωσαν ότι η αναγωγή του διοξειδίου του άνθρακα σε σάκχαρα συμβαίνει ως αποτέλεσμα σκοτεινών ενζυματικών διεργασιών και η μείωση ενός μορίου διοξειδίου του άνθρακα απαιτεί δύο μόρια ανηγμένης ADP και τρία μόρια ATP. Μέχρι εκείνη τη στιγμή, ο ρόλος του ΑΤΡ και των νουκλεοτιδίων πυριδίνης στην αναπνοή των ιστών είχε εδραιωθεί. Η δυνατότητα φωτοσυνθετικής αναγωγής της ADP σε ATP από απομονωμένες χλωροφύλλες αποδείχθηκε το 1951 σε τρία διαφορετικά εργαστήρια. Το 1954, ο Arnon και ο Allen επέδειξαν φωτοσύνθεση - παρατήρησαν την αφομοίωση του CO2 και του O2 από απομονωμένους χλωροπλάστες σπανακιού. Κατά την επόμενη δεκαετία, κατέστη δυνατό να απομονωθούν από τους χλωροπλάστες πρωτεΐνες που εμπλέκονται στη μεταφορά ηλεκτρονίων στη σύνθεση - φερρεδοξίνη, πλαστοκυανίνη, αναγωγάση ferroATP, κυτοχρώματα κ.λπ.

Έτσι, στα υγιή πράσινα φύλλα, υπό τη δράση του φωτός, σχηματίζονται ADP και ATP και η ενέργεια των υδροδεσμών χρησιμοποιείται για τη μείωση του CO2 σε υδατάνθρακες παρουσία ενζύμων και η δραστηριότητα των ενζύμων ρυθμίζεται από το φως.

Περιοριστικοί παράγοντες

Η ένταση ή η ταχύτητα της διαδικασίας φωτοσύνθεσης σε ένα φυτό εξαρτάται από έναν αριθμό εσωτερικών και εξωτερικών παραγόντων. Από τους εσωτερικούς παράγοντες, οι πιο σημαντικοί είναι η δομή του φύλλου και η περιεκτικότητα σε χλωροφύλλη σε αυτό, ο ρυθμός συσσώρευσης προϊόντων φωτοσύνθεσης στους χλωροπλάστες, η επίδραση των ενζύμων και η παρουσία χαμηλών συγκεντρώσεων βασικών ανόργανων ουσιών. Εξωτερικές παράμετροι είναι η ποσότητα και η ποιότητα του φωτός που πέφτει στα φύλλα, η θερμοκρασία περιβάλλοντος, η συγκέντρωση διοξειδίου του άνθρακα και οξυγόνου στην ατμόσφαιρα κοντά στο φυτό.

Ο ρυθμός της φωτοσύνθεσης αυξάνεται γραμμικά ή σε ευθεία αναλογία με την αύξηση της έντασης του φωτός. Καθώς η ένταση του φωτός αυξάνεται περαιτέρω, η αύξηση της φωτοσύνθεσης γίνεται όλο και λιγότερο έντονη και τελικά σταματά όταν ο φωτισμός φτάσει σε ένα ορισμένο επίπεδο 10.000 lux. Μια περαιτέρω αύξηση στην ένταση του φωτός δεν επηρεάζει πλέον τον ρυθμό της φωτοσύνθεσης. Η περιοχή σταθερού ρυθμού φωτοσύνθεσης ονομάζεται περιοχή κορεσμού φωτός. Αν θέλετε να αυξήσετε τον ρυθμό της φωτοσύνθεσης σε αυτήν την περιοχή, δεν πρέπει να αλλάξετε την ένταση του φωτός, αλλά κάποιους άλλους παράγοντες. Η ένταση του ηλιακού φωτός που πέφτει στην επιφάνεια της γης μια καθαρή καλοκαιρινή μέρα σε πολλά μέρη του πλανήτη μας είναι περίπου 100.000 lux. Κατά συνέπεια, για τα φυτά, με εξαίρεση εκείνα που αναπτύσσονται σε πυκνά δάση και στη σκιά, το προσπίπτον ηλιακό φως είναι αρκετό για να κορεστεί η φωτοσυνθετική τους δραστηριότητα (η ενέργεια των κβάντων που αντιστοιχεί στα ακραία μέρη της ορατής περιοχής - βιολετί και κόκκινο, διαφέρει μόνο δύο φορές, και όλα τα φωτόνια αυτού του εύρους είναι, καταρχήν, ικανά να πυροδοτήσουν φωτοσύνθεση).

Στην περίπτωση χαμηλών εντάσεων φωτός, ο ρυθμός φωτοσύνθεσης στους 15 και 25°C είναι ο ίδιος. Αντιδράσεις που συμβαίνουν σε τέτοιες εντάσεις φωτός που αντιστοιχούν στην περιοχή περιορισμού του φωτός, όπως οι πραγματικές φωτοχημικές αντιδράσεις, δεν είναι ευαίσθητες στις θερμοκρασίες. Ωστόσο, σε υψηλότερες εντάσεις, ο ρυθμός φωτοσύνθεσης στους 25°C είναι πολύ υψηλότερος από ό,τι στους 15°C. Κατά συνέπεια, στην περιοχή του κορεσμού του φωτός, το επίπεδο της φωτοσύνθεσης εξαρτάται όχι μόνο από την απορρόφηση των φωτονίων, αλλά και από άλλους παράγοντες. Τα περισσότερα φυτά σε εύκρατα κλίματα λειτουργούν καλά στο εύρος θερμοκρασίας από 10 έως 35°C, οι πιο ευνοϊκές συνθήκες είναι οι θερμοκρασίες γύρω στους 25°C.

Στην περιοχή περιορισμένου φωτός, ο ρυθμός φωτοσύνθεσης δεν αλλάζει με τη μείωση της συγκέντρωσης CO2. Από αυτό μπορούμε να συμπεράνουμε ότι το CO2 εμπλέκεται άμεσα στη φωτοχημική αντίδραση. Ταυτόχρονα, σε υψηλότερες εντάσεις φωτισμού που βρίσκονται έξω από την οριακή περιοχή, η φωτοσύνθεση αυξάνεται σημαντικά με την αύξηση της συγκέντρωσης CO2. Σε ορισμένες καλλιέργειες σιτηρών, η φωτοσύνθεση αυξήθηκε γραμμικά με αύξηση της συγκέντρωσης CO2 στο 0,5%. (Οι μετρήσεις αυτές πραγματοποιήθηκαν σε βραχυπρόθεσμα πειράματα, καθώς η μακροχρόνια έκθεση σε υψηλές συγκεντρώσεις CO2 καταστρέφει τα φύλλα). Ο ρυθμός φωτοσύνθεσης φτάνει σε υψηλές τιμές σε περιεκτικότητα σε CO2 περίπου 0,1%. Η μέση συγκέντρωση διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα είναι από 0,03%. Επομένως, υπό κανονικές συνθήκες, τα φυτά δεν έχουν αρκετό CO2 για να χρησιμοποιήσουν το ηλιακό φως που πέφτει πάνω τους με μέγιστη απόδοση. Εάν ένα φυτό τοποθετημένο σε κλειστό όγκο φωτίζεται με φως έντασης κορεσμού, τότε η συγκέντρωση του CO2 στον όγκο του αέρα θα μειωθεί σταδιακά και θα φτάσει σε ένα σταθερό επίπεδο, γνωστό ως «σημείο αντιστάθμισης CO2». Σε αυτό το σημείο, η εμφάνιση του CO2 κατά τη φωτοσύνθεση εξισορροπείται με την απελευθέρωση Ο2 ως αποτέλεσμα της αναπνοής (σκοτάδι και φως). Σε φυτά διαφορετικών ειδών, οι θέσεις των σημείων αντιστάθμισης είναι διαφορετικές.

Αντιδράσεις φωτός και σκοταδιού.

Πίσω στο 1905, ο Άγγλος φυσιολόγος φυτών F.F. Blackman, ερμηνεύοντας το σχήμα της καμπύλης κορεσμού φωτός της φωτοσύνθεσης, πρότεινε ότι η φωτοσύνθεση είναι μια διαδικασία δύο σταδίων που περιλαμβάνει φωτοχημική, δηλ. μια φωτοευαίσθητη αντίδραση και μια μη φωτοχημική, δηλαδή σκοτεινή, αντίδραση. Η σκοτεινή αντίδραση, όντας ενζυματική, προχωρά πιο αργά από την αντίδραση φωτός, και επομένως, σε υψηλές εντάσεις φωτός, ο ρυθμός της φωτοσύνθεσης καθορίζεται πλήρως από τον ρυθμό της αντίδρασης του σκοταδιού. Η αντίδραση φωτός είτε δεν εξαρτάται καθόλου από τη θερμοκρασία, είτε αυτή η εξάρτηση εκφράζεται πολύ ασθενώς, τότε η σκοτεινή αντίδραση, όπως όλες οι ενζυμικές διεργασίες, εξαρτάται από τη θερμοκρασία σε αρκετά σημαντικό βαθμό. Πρέπει να γίνει ξεκάθαρα κατανοητό ότι η αντίδραση που ονομάζεται σκοτάδι μπορεί να προχωρήσει τόσο στο σκοτάδι όσο και στο φως. Οι φωτεινές και οι σκοτεινές αντιδράσεις μπορούν να διαχωριστούν χρησιμοποιώντας λάμψεις φωτός που διαρκούν σύντομα κλάσματα του δευτερολέπτου. Οι λάμψεις φωτός με διάρκεια μικρότερη από ένα χιλιοστό του δευτερολέπτου (10-3 s) μπορούν να ληφθούν είτε χρησιμοποιώντας μια μηχανική συσκευή, τοποθετώντας έναν περιστρεφόμενο δίσκο με μια σχισμή στη διαδρομή μιας σταθερής δέσμης φωτός, είτε ηλεκτρικά, με φόρτιση ενός πυκνωτή και εκφορτώνοντάς το μέσω λυχνίας κενού ή εκκένωσης αερίου. Ως πηγές φωτός χρησιμοποιούνται επίσης ρουμπινί λέιζερ με μήκος κύματος 694 nm. Το 1932, ο Έμερσον και ο Άρνολντ φώτισαν ένα αιώρημα κυψέλης με λάμψεις φωτός από μια λάμπα εκκένωσης αερίου με διάρκεια περίπου 10-3 δευτερόλεπτα. Μέτρησαν τον ρυθμό απελευθέρωσης οξυγόνου ως συνάρτηση της ενέργειας των αναλαμπές, της διάρκειας του σκοτεινού διαστήματος μεταξύ των αναλαμπές και της θερμοκρασίας του κυτταρικού αιωρήματος. Με την αύξηση της έντασης των αναλαμπές, ο κορεσμός της φωτοσύνθεσης σε φυσιολογικά κύτταρα προέκυψε όταν απελευθερώθηκε ένα μόριο Ο2 ανά 2500 μόρια χλωροφύλλης. Οι Emerson και Arnold κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι η μέγιστη απόδοση της φωτοσύνθεσης δεν καθορίζεται από τον αριθμό των μορίων χλωροφύλλης που απορροφούν το φως, αλλά από τον αριθμό των μορίων ενζύμου που καταλύουν τη σκοτεινή αντίδραση. Βρήκαν επίσης ότι όταν τα σκοτεινά μεσοδιαστήματα μεταξύ των διαδοχικών αναλαμπές αυξάνονταν πέραν των 0,06 δευτερολέπτων, η παροχή οξυγόνου ανά λάμψη δεν εξαρτιόταν πλέον από τη διάρκεια του διαστήματος σκότους, ενώ σε μικρότερα διαστήματα αυξανόταν με την αύξηση της διάρκειας του διαστήματος σκότους (από 0 σε 0,06 μικρό). Έτσι, η σκοτεινή αντίδραση, που καθορίζει το επίπεδο κορεσμού της φωτοσύνθεσης, ολοκληρώνεται σε περίπου 0,06 s. Με βάση αυτά τα δεδομένα, υπολογίστηκε ότι ο μέσος χρόνος που χαρακτηρίζει την ταχύτητα αντίδρασης ήταν περίπου 0,02 δευτερόλεπτα στους 25°C.

Δομική και βιοχημική οργάνωση της συσκευής φωτοσύνθεσης

Οι σύγχρονες ιδέες για τη δομική και λειτουργική οργάνωση της φωτοσυνθετικής συσκευής περιλαμβάνουν ένα ευρύ φάσμα θεμάτων που σχετίζονται με τα χαρακτηριστικά της χημικής σύνθεσης των πλαστιδίων, τις ιδιαιτερότητες της δομικής τους οργάνωσης, τα φυσιολογικά και γενετικά πρότυπα της βιογένεσης αυτών των οργανιδίων και τους σχέσεις με άλλες λειτουργικές δομές του κυττάρου. Στα χερσαία φυτά, το φύλλο χρησιμεύει ως ειδικό όργανο φωτοσυνθετικής δραστηριότητας, όπου εντοπίζονται εξειδικευμένες κυτταρικές δομές - χλωροπλάστες που περιέχουν χρωστικές και άλλα συστατικά απαραίτητα για τις διαδικασίες απορρόφησης και μετατροπής της φωτεινής ενέργειας σε χημικό δυναμικό. Εκτός από το φύλλο, λειτουργικά ενεργοί χλωροπλάστες υπάρχουν σε μίσχους φυτών, μίσχους, τέντες και λέπια ακίδων, ακόμη και στις φωτισμένες ρίζες ορισμένων φυτών. Ωστόσο, ήταν το φύλλο που σχηματίστηκε κατά τη διάρκεια μιας μακράς εξέλιξης ως ένα ειδικό όργανο για να εκτελέσει την κύρια λειτουργία ενός πράσινου φυτού - φωτοσύνθεση, επομένως, η ανατομία του φύλλου, η θέση των κυττάρων και ιστών που περιέχουν χλωροφύλλη, η σχέση τους με άλλα στοιχεία της μορφικής δομής των φύλλων υπόκεινται στην πιο αποτελεσματική πορεία της διαδικασίας φωτοσύνθεσης και είναι οι περισσότεροι βαθμοί που υπόκεινται σε έντονες αλλαγές υπό περιβαλλοντική καταπόνηση.

Από αυτή την άποψη, συνιστάται να εξεταστεί το πρόβλημα της δομικής και λειτουργικής οργάνωσης της φωτοσυνθετικής συσκευής σε δύο κύρια επίπεδα - στο επίπεδο του φύλλου ως οργάνου φωτοσύνθεσης και των χλωροπλαστών, όπου συγκεντρώνεται ολόκληρος ο μηχανισμός της φωτοσύνθεσης.

Η οργάνωση της φωτοσυνθετικής συσκευής στο επίπεδο των φύλλων μπορεί να εξεταστεί με βάση μια ανάλυση της μεσοδομής της. Η έννοια της «μεσοδομής» προτάθηκε το 1975. Σύμφωνα με τις ιδέες για τα δομικά και λειτουργικά χαρακτηριστικά της φωτοσυνθετικής συσκευής με χαρακτηριστικό τη χημική σύνθεση, τη δομική οργάνωση, τα φυσιολογικά και γενετικά χαρακτηριστικά της βιογένεσης αυτών των οργανιδίων και τις σχέσεις τους με άλλες λειτουργικές δομές, ένα φύλλο είναι ένα ειδικό όργανο η φωτοσυνθετική διαδικασία, όπου εντοπίζονται εξειδικευμένοι σχηματισμοί - χλωροπλάστες που περιέχουν χρωστικές ουσίες απαραίτητες για διαδικασίες απορρόφησης και μετατροπής του φωτός σε χημικό δυναμικό. Επιπλέον, ενεργοί χλωροπλάστες υπάρχουν στους μίσχους, τις τέντες και τα λέπια του αυτιού, ακόμη και στα φωτισμένα μέρη των ριζών ορισμένων φυτών. Ωστόσο, ήταν το φύλλο που σχηματίστηκε από όλη την πορεία της εξέλιξης ως ειδικό όργανο για την εκτέλεση της κύριας λειτουργίας ενός πράσινου φυτού - της φωτοσύνθεσης.

Η μεσοδομή περιλαμβάνει ένα σύστημα μορφοφυσιολογικών χαρακτηριστικών της φωτοσυνθετικής συσκευής του φύλλου, του χλωρεγχύματος και της κλεσοφύλλης. Οι κύριοι δείκτες της μεσοδομής του φωτοσυνθετικού

Η συσκευή tic (σύμφωνα με τον A. T. Mokronosov) περιλαμβάνει: εμβαδόν, αριθμό κυττάρων, χλωροφύλλη, πρωτεΐνη, όγκο κυττάρου, αριθμό χλωροπλαστών σε ένα κύτταρο, όγκο χλωροπλάστη, περιοχή διατομής χλωροπλάστη και την επιφάνειά του. Η ανάλυση της μεσοδομής και της λειτουργικής δραστηριότητας της φωτοσυνθετικής συσκευής σε πολλά είδη φυτών βοηθά στον προσδιορισμό των πιο κοινών τιμών των μελετημένων παραμέτρων και των ορίων διακύμανσης των επιμέρους χαρακτηριστικών. Σύμφωνα με αυτά τα δεδομένα, οι κύριοι δείκτες της μεσοδομής της φωτοσυνθετικής συσκευής (Mokronosov, 19V1):

I - περιοχή φύλλου.

II - ο αριθμός των κυττάρων ανά 1 cm2,

III - χλωροφύλλη ανά 1 dm2, βασικά ένζυμα ανά 1 dm2, όγκος κυττάρων, χιλιάδες μm2, αριθμός χλωροπλαστών ανά κύτταρο.

IV - όγκος χλωροπλάστη, περιοχή προβολής χλωροπλάστη, μm2, επιφάνεια χλωροπλάστη, μm2.

Ο μέσος αριθμός χλωροπλαστών σε ένα φύλλο που έχει τελειώσει την ανάπτυξη συνήθως φτάνει τους 10-30, σε ορισμένα είδη ξεπερνά τους 400. Αυτό αντιστοιχεί σε εκατομμύρια χλωροπλάστες ανά 1 cm2 επιφάνειας φύλλων. Οι χλωροπλάστες συγκεντρώνονται στα κύτταρα διαφόρων ιστών σε ποσότητα 15 - 80 τεμαχίων ανά κύτταρο. Ο μέσος όγκος ενός χλωροπλάστη είναι ένα μm2. Στα περισσότερα φυτά, ο συνολικός όγκος όλων των χλωροπλαστών είναι 10-20%, στα ξυλώδη φυτά - έως και 35% του όγκου των κυττάρων. Η αναλογία της συνολικής επιφάνειας των χλωροπλαστών προς την επιφάνεια των φύλλων κυμαίνεται από 3-8. Ένας χλωροπλάστης περιέχει διαφορετικό αριθμό μορίων χλωροφύλλης· στα είδη που αγαπούν τη σκιά, ο αριθμός τους αυξάνεται. Οι παραπάνω δείκτες μπορεί να διαφέρουν σημαντικά ανάλογα με τη φυσιολογική κατάσταση και τις περιβαλλοντικές συνθήκες ανάπτυξης των φυτών. Σύμφωνα με τον A. T. Mokronosov, σε ένα νεαρό φύλλο, η ενεργοποίηση της φωτοσύνθεσης όταν αφαιρείται το 50-80% του φύλλου εξασφαλίζεται από την αύξηση του αριθμού των χλωροπλαστών στο κύτταρο χωρίς να αλλάζει η ατομική τους δραστηριότητα, ενώ σε ένα φύλλο που έχει ολοκληρωθεί ανάπτυξη, η αύξηση της φωτοσύνθεσης μετά την αποφύλλωση συμβαίνει λόγω της αύξησης της δραστηριότητας κάθε χλωροπλάστη χωρίς να αλλάζει ο αριθμός τους. Η ανάλυση της μεσοδομής έδειξε ότι η προσαρμογή στις συνθήκες φωτισμού προκαλεί μια αναδιάταξη που βελτιστοποιεί τις ιδιότητες απορρόφησης φωτός του φύλλου.

Οι χλωροπλάστες έχουν τον υψηλότερο βαθμό οργάνωσης των δομών της εσωτερικής μεμβράνης σε σύγκριση με άλλα κυτταρικά οργανίδια. Όσον αφορά τον βαθμό διάταξης της δομής, οι χλωροπλάστες μπορούν να συγκριθούν μόνο με τα κύτταρα υποδοχέα του αμφιβληστροειδούς, τα οποία εκτελούν επίσης τη λειτουργία της μετατροπής της φωτεινής ενέργειας. Ο υψηλός βαθμός οργάνωσης της εσωτερικής δομής του χλωροπλάστη καθορίζεται από ορισμένα σημεία:

1) την ανάγκη για χωρικό διαχωρισμό ανηγμένων και οξειδωμένων φωτοπροϊόντων που προκύπτουν από πρωτογενείς ενέργειες διαχωρισμού φορτίου στο κέντρο αντίδρασης.

2) η ανάγκη για αυστηρή ταξινόμηση των συστατικών του κέντρου αντίδρασης, όπου συνδυάζονται γρήγορες φωτοφυσιολογικές και βραδύτερες ενζυματικές αντιδράσεις: η μετατροπή ενέργειας ενός μορίου χρωστικής που διεγείρεται από τη φωτογραφία απαιτεί τον ειδικό προσανατολισμό του σε σχέση με τον δέκτη χημικής ενέργειας, που συνεπάγεται την παρουσία ορισμένων δομές όπου η χρωστική και ο δέκτης είναι άκαμπτα προσανατολισμένα μεταξύ τους.

3) η χωρική οργάνωση της αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων απαιτεί μια συνεπή και αυστηρά προσανατολισμένη οργάνωση φορέων στη μεμβράνη, η οποία παρέχει τη δυνατότητα γρήγορης και ελεγχόμενης μεταφοράς ηλεκτρονίων και πρωτονίων.

4) για τη σύζευξη της μεταφοράς ηλεκτρονίων και της σύνθεσης ATP, ένα σύστημα χλωροπλαστών είναι οργανωμένο με συγκεκριμένο τρόπο.

Οι λιποπρωτεϊνικές μεμβράνες ως δομική βάση των ενεργειακών διεργασιών προκύπτουν στα πρώτα στάδια της εξέλιξης· θεωρείται ότι τα κύρια λιπιδικά συστατικά των μεμβρανών - τα φωσφολιπίδια - σχηματίστηκαν κάτω από ορισμένες βιολογικές συνθήκες. Ο σχηματισμός συμπλοκών λιπιδίων κατέστησε δυνατή την συμπερίληψη διαφόρων ενώσεων σε αυτά, οι οποίες, προφανώς, ήταν η βάση των πρωταρχικών καταλυτικών λειτουργιών αυτών των δομών.

Ηλεκτρονικές μικροσκοπικές μελέτες που πραγματοποιήθηκαν τα τελευταία χρόνια έχουν αποκαλύψει οργανωμένες μεμβρανικές δομές σε οργανισμούς στο χαμηλότερο στάδιο εξέλιξης. Σε ορισμένα βακτήρια, οι μεμβρανικές κυτταρικές δομές φωτοσύνθεσης στενά συσκευασμένων οργανιδίων βρίσκονται στην κυτταρική περιφέρεια και συνδέονται με τις κυτταροπλασματικές μεμβράνες. Επιπλέον, στα κύτταρα των πράσινων φυκών, η διαδικασία της φωτοσύνθεσης συνδέεται με ένα σύστημα διπλών κλειστών μεμβρανών - θυλακοειδή, που εντοπίζονται στο περιφερειακό τμήμα του κυττάρου. Σε αυτή την ομάδα φωτοσυνθετικών οργανισμών, εμφανίζεται για πρώτη φορά η χλωροφύλλη και ο σχηματισμός εξειδικευμένων οργανιδίων - χλωροπλάστες συμβαίνει στα κρυπτόφυτα φύκια. Περιέχουν δύο χλωροπλάστες που περιέχουν από ένα έως πολλά θυλακοειδή. Παρόμοια δομή της φωτοσυνθετικής συσκευής εμφανίζεται και σε άλλες ομάδες φυκιών: κόκκινα, καφέ, κ.λπ. Στη διαδικασία της εξέλιξης, η δομή της μεμβράνης της φωτοσυνθετικής διαδικασίας γίνεται πιο περίπλοκη.

Οι μικροσκοπικές μελέτες του χλωροπλάστη, η τεχνική της κρυοσκόπησης κατέστησαν δυνατή τη διαμόρφωση ενός χωρικού μοντέλου της ογκομετρικής οργάνωσης των χλωροπλαστών. Το πιο γνωστό είναι το μοντέλο κοκκώδους πλέγματος του J. Heslop-Harrison (1964).

Έτσι, η φωτοσύνθεση είναι μια πολύπλοκη διαδικασία μετατροπής της φωτεινής ενέργειας σε ενέργεια χημικών δεσμών οργανικών ουσιών που είναι απαραίτητοι για τη ζωή τόσο των ίδιων των φωτοσυνθετικών οργανισμών όσο και άλλων οργανισμών που δεν είναι ικανοί να συνθέσουν ανεξάρτητες οργανικές ουσίες.

Η μελέτη των προβλημάτων της φωτοσύνθεσης, εκτός από τα γενικά βιολογικά, έχει και εφαρμοσμένη σημασία. Συγκεκριμένα, τα προβλήματα της διατροφής, η δημιουργία συστημάτων υποστήριξης της ζωής στη διαστημική έρευνα, η χρήση φωτοσυνθετικών οργανισμών για τη δημιουργία διαφόρων βιοτεχνικών συσκευών σχετίζονται άμεσα με τη φωτοσύνθεση.

Βιβλιογραφία

1. D. Hull, K. Rao «Φωτοσύνθεση». Μ., 1983

2. Mokronosov A.G. «Φωτοσυνθετική αντίδραση και ακεραιότητα φυτικού οργανισμού». Μ., 1983

3. Mokronosov A.G., Gavrilenko V.F. "Φωτοσύνθεση: φυσιολογικές - οικολογικές και βιοχημικές πτυχές" Μ., 1992

4. «Φυσιολογία της φωτοσύνθεσης», εφ. Nichiporovich A.A., M., 1982

5. Εσπερινός Α.Σ. "Πλαστίδια φυτών"

6. Vinogradov A.P. "Ισότοπα οξυγόνου και φωτοσύνθεση"

7. Godnev T.N. «Η χλωροφύλλη και η δομή της».

8. Gurinovich G.P., Sevchenko A.N., Soloviev K.N. "Φασματοσκοπία χλωροφύλλης"

9. Krasnovsky A.A. "Μετατροπή της φωτεινής ενέργειας κατά τη φωτοσύνθεση"

Για την προετοιμασία αυτής της εργασίας, υλικά από τον ιστότοπο http://www.ronl.ru/

Φωτοσύνθεσηείναι η διαδικασία σύνθεσης οργανικών ουσιών από ανόργανες ουσίες με χρήση φωτεινής ενέργειας. Στη συντριπτική πλειοψηφία των περιπτώσεων, η φωτοσύνθεση πραγματοποιείται από φυτά χρησιμοποιώντας κυτταρικά οργανίδια όπως π.χ χλωροπλάστεςπου περιέχει πράσινη χρωστική ουσία χλωροφύλλη.

Εάν τα φυτά δεν ήταν ικανά να συνθέσουν οργανική ύλη, τότε σχεδόν όλοι οι άλλοι οργανισμοί στη Γη δεν θα είχαν τίποτα να φάνε, αφού τα ζώα, οι μύκητες και πολλά βακτήρια δεν μπορούν να συνθέσουν οργανικές ουσίες από ανόργανες. Απορροφούν μόνο τα έτοιμα, τα χωρίζουν σε πιο απλά, από τα οποία πάλι συναρμολογούν πολύπλοκα, αλλά ήδη χαρακτηριστικά του σώματός τους.

Αυτό συμβαίνει αν μιλήσουμε πολύ σύντομα για τη φωτοσύνθεση και τον ρόλο της. Για να κατανοήσετε τη φωτοσύνθεση, πρέπει να πείτε περισσότερα: ποιες συγκεκριμένες ανόργανες ουσίες χρησιμοποιούνται, πώς γίνεται η σύνθεση;

Η φωτοσύνθεση απαιτεί δύο ανόργανες ουσίες - διοξείδιο του άνθρακα (CO 2) και νερό (H 2 O). Το πρώτο απορροφάται από τον αέρα από τα εναέρια μέρη των φυτών κυρίως μέσω των στομάτων. Νερό - από το έδαφος, από όπου παραδίδεται στα φωτοσυνθετικά κύτταρα από το αγώγιμο σύστημα των φυτών. Η φωτοσύνθεση απαιτεί επίσης την ενέργεια των φωτονίων (hν), αλλά δεν μπορούν να αποδοθούν στην ύλη.

Συνολικά, ως αποτέλεσμα της φωτοσύνθεσης, σχηματίζεται οργανική ύλη και οξυγόνο (O 2). Συνήθως, υπό την οργανική ύλη, εννοείται πιο συχνά η γλυκόζη (C 6 H 12 O 6).

Οι οργανικές ενώσεις αποτελούνται κυρίως από άτομα άνθρακα, υδρογόνου και οξυγόνου. Βρίσκονται στο διοξείδιο του άνθρακα και στο νερό. Ωστόσο, η φωτοσύνθεση απελευθερώνει οξυγόνο. Τα άτομά του προέρχονται από το νερό.

Συνοπτικά και γενικά, η εξίσωση για την αντίδραση της φωτοσύνθεσης συνήθως γράφεται ως εξής:

6CO 2 + 6H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 6O 2

Αλλά αυτή η εξίσωση δεν αντικατοπτρίζει την ουσία της φωτοσύνθεσης, δεν την κάνει κατανοητή. Κοίτα, αν και η εξίσωση είναι ισορροπημένη, έχει συνολικά 12 άτομα σε ελεύθερο οξυγόνο.Αλλά είπαμε ότι προέρχονται από το νερό και είναι μόνο 6 από αυτά.

Στην πραγματικότητα, η φωτοσύνθεση γίνεται σε δύο φάσεις. Το πρώτο λέγεται φως, δεύτερο - σκοτάδι. Τέτοιες ονομασίες οφείλονται στο γεγονός ότι το φως χρειάζεται μόνο για τη φάση του φωτός, η σκοτεινή φάση είναι ανεξάρτητη από την παρουσία του, αλλά αυτό δεν σημαίνει ότι πηγαίνει στο σκοτάδι. Η φωτεινή φάση ρέει στις μεμβράνες των θυλακοειδών του χλωροπλάστη, η σκοτεινή φάση - στο στρώμα του χλωροπλάστη.

Στην ελαφριά φάση, η δέσμευση CO 2 δεν λαμβάνει χώρα. Υπάρχει μόνο η δέσμευση της ηλιακής ενέργειας από σύμπλοκα χλωροφύλλης, η αποθήκευση της σε ATP, η χρήση ενέργειας για τη μείωση του NADP σε NADP * H 2. Η ροή ενέργειας από τη χλωροφύλλη που διεγείρεται από το φως παρέχεται από ηλεκτρόνια που μεταδίδονται μέσω της αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων των ενζύμων που είναι ενσωματωμένες στις θυλακοειδή μεμβράνες.

Το υδρογόνο για το NADP λαμβάνεται από το νερό, το οποίο, υπό τη δράση του ηλιακού φωτός, αποσυντίθεται σε άτομα οξυγόνου, πρωτόνια υδρογόνου και ηλεκτρόνια. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται φωτόλυση. Το οξυγόνο από το νερό δεν χρειάζεται για τη φωτοσύνθεση. Τα άτομα οξυγόνου από δύο μόρια νερού συνδυάζονται για να σχηματίσουν μοριακό οξυγόνο. Η εξίσωση αντίδρασης για την ελαφριά φάση της φωτοσύνθεσης μοιάζει εν συντομία ως εξής:

H 2 O + (ADP + F) + NADP → ATP + NADP * H 2 + ½O 2

Έτσι, η απελευθέρωση οξυγόνου συμβαίνει στην ελαφριά φάση της φωτοσύνθεσης. Ο αριθμός των μορίων ATP που συντίθενται από ADP και φωσφορικό οξύ ανά φωτόλυση ενός μορίου νερού μπορεί να είναι διαφορετικός: ένα ή δύο.

Έτσι, το ATP και το NADP * H 2 εισέρχονται στη σκοτεινή φάση από τη φάση του φωτός. Εδώ, η ενέργεια του πρώτου και η δύναμη αποκατάστασης του δεύτερου ξοδεύονται στη δέσμευση του διοξειδίου του άνθρακα. Αυτό το βήμα της φωτοσύνθεσης δεν μπορεί να εξηγηθεί απλά και συνοπτικά, γιατί δεν προχωρά με τέτοιο τρόπο ώστε έξι μόρια CO 2 να συνδυάζονται με υδρογόνο που απελευθερώνεται από τα μόρια NADP * H 2 και να σχηματίζεται γλυκόζη:

6CO 2 + 6NADP * H 2 → C 6 H 12 O 6 + 6NADP
(η αντίδραση γίνεται με τη δαπάνη ενέργειας από το ATP, το οποίο διασπάται σε ADP και φωσφορικό οξύ).

Η παραπάνω αντίδραση είναι απλώς μια απλοποίηση για ευκολία κατανόησης. Στην πραγματικότητα, τα μόρια του διοξειδίου του άνθρακα συνδέονται ένα κάθε φορά, ενώνοντας την ήδη παρασκευασμένη οργανική ύλη πέντε άνθρακα. Σχηματίζεται μια ασταθής οργανική ουσία έξι άνθρακα, η οποία διασπάται σε μόρια υδατανθράκων τριών ανθράκων. Μερικά από αυτά τα μόρια χρησιμοποιούνται για την επανασύνθεση της αρχικής ουσίας πέντε άνθρακα για δέσμευση CO 2. Αυτή η επανασύνθεση παρέχεται Κύκλος Calvin. Ένα μικρότερο μέρος των μορίων υδατανθράκων, που περιλαμβάνει τρία άτομα άνθρακα, φεύγει από τον κύκλο. Ήδη από αυτά και άλλες ουσίες συντίθενται όλες οι άλλες οργανικές ουσίες (υδατάνθρακες, λίπη, πρωτεΐνες).

Δηλαδή, στην πραγματικότητα, τα σάκχαρα τριών άνθρακα, και όχι η γλυκόζη, βγαίνουν από τη σκοτεινή φάση της φωτοσύνθεσης.

Η φωτοσύνθεση είναι μια διαδικασία που έχει ως αποτέλεσμα το σχηματισμό και την απελευθέρωση οξυγόνου από τα φυτικά κύτταρα και ορισμένους τύπους βακτηρίων.

Βασική ιδέα

Η φωτοσύνθεση δεν είναι παρά μια αλυσίδα μοναδικών φυσικών και χημικών αντιδράσεων. Τι είναι αυτό? Τα πράσινα φυτά, καθώς και ορισμένα βακτήρια, απορροφούν τις ακτίνες του ήλιου και τις μετατρέπουν σε ηλεκτρομαγνητική ενέργεια. Το τελικό αποτέλεσμα της φωτοσύνθεσης είναι η ενέργεια των χημικών δεσμών διαφόρων οργανικών ενώσεων.

Σε ένα φυτό που φωτίζεται από τις ακτίνες του ήλιου, οι οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις συμβαίνουν με μια συγκεκριμένη σειρά. Το νερό και το υδρογόνο, που είναι αναγωγικοί δότες, μετακινούνται με τη μορφή ηλεκτρονίων σε έναν οξειδωτικό δέκτη (διοξείδιο του άνθρακα και οξικό άλας). Ως αποτέλεσμα, σχηματίζονται ανηγμένες ενώσεις υδατανθράκων, καθώς και οξυγόνο, το οποίο εκκρίνεται από τα φυτά.

Ιστορία της μελέτης της φωτοσύνθεσης

Για πολλές χιλιετίες, ο άνθρωπος έχει πειστεί ότι η θρέψη ενός φυτού γίνεται μέσω του ριζικού του συστήματος μέσω του εδάφους. Στις αρχές του δέκατου έκτου αιώνα, ο Ολλανδός φυσιοδίφης Jan Van Helmont πραγματοποίησε ένα πείραμα με την καλλιέργεια ενός φυτού σε γλάστρα. Αφού ζύγισε το έδαφος πριν από τη φύτευση και αφού το φυτό είχε φτάσει σε ένα συγκεκριμένο μέγεθος, κατέληξε στο συμπέρασμα ότι όλοι οι εκπρόσωποι της χλωρίδας λαμβάνουν θρεπτικά συστατικά κυρίως από το νερό. Αυτή τη θεωρία ακολούθησαν οι μελετητές για τους επόμενους δύο αιώνες.

Απροσδόκητο για όλους, αλλά η σωστή υπόθεση για τη διατροφή των φυτών έγινε το 1771 από έναν χημικό από την Αγγλία, τον Joseph Priestley. Τα πειράματά του απέδειξαν πειστικά ότι τα φυτά είναι σε θέση να καθαρίσουν τον αέρα που προηγουμένως ήταν ακατάλληλος για την ανθρώπινη αναπνοή. Λίγο αργότερα, συνήχθη το συμπέρασμα ότι αυτές οι διαδικασίες είναι αδύνατες χωρίς τη συμμετοχή του ηλιακού φωτός. Οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι τα πράσινα φύλλα των φυτών κάνουν περισσότερα από το να μετατρέπουν απλώς το διοξείδιο του άνθρακα που λαμβάνουν σε οξυγόνο. Χωρίς αυτή τη διαδικασία η ζωή τους είναι αδύνατη. Μαζί με το νερό και τα μεταλλικά άλατα, το διοξείδιο του άνθρακα χρησιμεύει ως τροφή για τα φυτά. Αυτή είναι η κύρια σημασία της φωτοσύνθεσης για όλους τους εκπροσώπους της χλωρίδας.

Ο ρόλος του οξυγόνου για τη ζωή στη Γη

Τα πειράματα που έγιναν από τον Άγγλο χημικό Priestley βοήθησαν την ανθρωπότητα να εξηγήσει γιατί ο αέρας στον πλανήτη μας παραμένει αναπνεύσιμος. Εξάλλου, η ζωή διατηρείται, παρά την ύπαρξη τεράστιου αριθμού ζωντανών οργανισμών και το κάψιμο αμέτρητων πυρκαγιών.

Η εμφάνιση ζωής στη Γη πριν από δισεκατομμύρια χρόνια ήταν απλώς αδύνατη. Η ατμόσφαιρα του πλανήτη μας δεν περιείχε ελεύθερο οξυγόνο. Όλα άλλαξαν με την έλευση των φυτών. Όλο το οξυγόνο στην ατμόσφαιρα σήμερα είναι το αποτέλεσμα της φωτοσύνθεσης στα πράσινα φύλλα. Αυτή η διαδικασία άλλαξε το πρόσωπο της Γης και έδωσε ώθηση στην ανάπτυξη της ζωής. Αυτή η ανεκτίμητη αξία της φωτοσύνθεσης συνειδητοποιήθηκε πλήρως από την ανθρωπότητα μόλις στα τέλη του 18ου αιώνα.

Δεν είναι υπερβολή να ισχυριστούμε ότι η ίδια η ύπαρξη των ανθρώπων στον πλανήτη μας εξαρτάται από την κατάσταση του φυτικού κόσμου. Η σημασία της φωτοσύνθεσης έγκειται στον ηγετικό της ρόλο για την πορεία διαφόρων διεργασιών της βιοσφαιρικής. Σε παγκόσμια κλίμακα, αυτή η εκπληκτική φυσικοχημική αντίδραση οδηγεί στον σχηματισμό οργανικών ουσιών από ανόργανες.

Ταξινόμηση διαδικασιών φωτοσύνθεσης

Τρεις σημαντικές αντιδράσεις λαμβάνουν χώρα στο πράσινο φύλλο. Είναι φωτοσύνθεση. Ο πίνακας στον οποίο εισάγονται αυτές οι αντιδράσεις χρησιμοποιείται στη μελέτη της βιολογίας. Εισαγάγετε στις γραμμές του:

Φωτοσύνθεση;
- ανταλλαγή αερίων.
- εξάτμιση νερού.

Αυτές οι φυσικοχημικές αντιδράσεις που συμβαίνουν στο φυτό στο φως της ημέρας επιτρέπουν στα πράσινα φύλλα να απελευθερώσουν διοξείδιο του άνθρακα και οξυγόνο. Τη νύχτα, μόνο το πρώτο από αυτά τα δύο συστατικά.

Η σύνθεση της χλωροφύλλης σε ορισμένα φυτά συμβαίνει ακόμη και σε χαμηλό και διάχυτο φως.

Κύρια βήματα

Υπάρχουν δύο φάσεις της φωτοσύνθεσης, οι οποίες συνδέονται στενά. Στο πρώτο στάδιο, η ενέργεια των ακτίνων φωτός μετατρέπεται σε ενώσεις ATP υψηλής ενέργειας και σε γενικούς παράγοντες μείωσης NADPH. Αυτά τα δύο στοιχεία είναι τα κύρια προϊόντα της φωτοσύνθεσης.

Στο δεύτερο (σκοτεινό) στάδιο, τα λαμβανόμενα ATP και NADPH χρησιμοποιούνται για τη στερέωση του διοξειδίου του άνθρακα μέχρι να μετατραπεί σε υδατάνθρακες. Οι δύο φάσεις της φωτοσύνθεσης διαφέρουν όχι μόνο χρονικά. Εμφανίζονται επίσης σε διαφορετικούς χώρους. Για όσους μελετούν το θέμα της «φωτοσύνθεσης» στη βιολογία, ένας πίνακας με ακριβή ένδειξη των χαρακτηριστικών των δύο φάσεων θα βοηθήσει στην ακριβέστερη κατανόηση της διαδικασίας.

Μηχανισμός παραγωγής οξυγόνου

Αφού τα φυτά απορροφήσουν διοξείδιο του άνθρακα, συνθέτουν θρεπτικά συστατικά. Αυτή η διαδικασία πραγματοποιείται σε πράσινες χρωστικές που ονομάζονται χλωροφύλλες, υπό την επίδραση του ηλιακού φωτός. Τα κύρια συστατικά αυτής της εκπληκτικής αντίδρασης είναι:

Φως;
- χλωροπλάστες.
- νερό?
- διοξείδιο του άνθρακα;
- θερμοκρασία.

Ακολουθία φωτοσύνθεσης

Η παραγωγή οξυγόνου από τα φυτά πραγματοποιείται σταδιακά. Τα κύρια στάδια της φωτοσύνθεσης είναι τα ακόλουθα:

Απορρόφηση φωτός από χλωροφύλλες.
- διαίρεση με χλωροπλάστες (ενδοκυτταρικά οργανίδια πράσινης χρωστικής) του νερού που λαμβάνεται από το έδαφος σε οξυγόνο και υδρογόνο.
- η κίνηση ενός μέρους του οξυγόνου στην ατμόσφαιρα και του άλλου - για την εφαρμογή της αναπνευστικής διαδικασίας από τα φυτά.
- σχηματισμός μορίων σακχάρου σε πρωτεϊνικούς κόκκους (πυρενοειδή) φυτών.
- παραγωγή αμύλου, βιταμινών, λιπών κ.λπ. με ανάμειξη ζάχαρης με άζωτο.

Παρά το γεγονός ότι η φωτοσύνθεση απαιτεί ηλιακό φως, αυτή η αντίδραση μπορεί επίσης να συμβεί κάτω από τεχνητό φωτισμό.

Ο ρόλος του φυτικού κόσμου για τη Γη

Οι κύριες διεργασίες που συμβαίνουν στο πράσινο φύλλο έχουν ήδη μελετηθεί πλήρως από την επιστήμη της βιολογίας. Η σημασία της φωτοσύνθεσης για τη βιόσφαιρα είναι τεράστια. Αυτή είναι η μόνη αντίδραση που οδηγεί σε αύξηση της ποσότητας της ελεύθερης ενέργειας.

Κατά τη διαδικασία της φωτοσύνθεσης, σχηματίζονται εκατόν πενήντα δισεκατομμύρια τόνοι οργανικής ύλης κάθε χρόνο. Επιπλέον, σχεδόν 200 εκατομμύρια τόνοι οξυγόνου απελευθερώνονται από τα φυτά κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου. Από αυτή την άποψη, μπορεί να υποστηριχθεί ότι ο ρόλος της φωτοσύνθεσης είναι τεράστιος για όλη την ανθρωπότητα, καθώς αυτή η διαδικασία είναι η κύρια πηγή ενέργειας στη Γη.

Στη διαδικασία μιας μοναδικής φυσικοχημικής αντίδρασης, ο άνθρακας, το οξυγόνο και πολλά άλλα στοιχεία ανακυκλώνονται. Μια άλλη σημαντική σημασία της φωτοσύνθεσης στη φύση προκύπτει από αυτό. Αυτή η αντίδραση διατηρεί μια ορισμένη σύνθεση της ατμόσφαιρας, στην οποία είναι δυνατή η ζωή στη Γη.

Η διαδικασία που συμβαίνει στα φυτά περιορίζει την ποσότητα του διοξειδίου του άνθρακα, χωρίς να το επιτρέπει να συσσωρεύεται σε αυξημένες συγκεντρώσεις. Είναι επίσης σημαντικό για τη φωτοσύνθεση. Στη Γη, χάρη στα πράσινα φυτά, δεν δημιουργείται το λεγόμενο φαινόμενο του θερμοκηπίου. Η χλωρίδα προστατεύει αξιόπιστα τον πλανήτη μας από την υπερθέρμανση.

Ο φυτικός κόσμος ως βάση της διατροφής

Ο ρόλος της φωτοσύνθεσης είναι σημαντικός για τη δασοκομία και τη γεωργία. Ο φυτικός κόσμος είναι η θρεπτική βάση για όλους τους ετερότροφους οργανισμούς. Ωστόσο, η σημασία της φωτοσύνθεσης δεν έγκειται μόνο στην απορρόφηση του διοξειδίου του άνθρακα από τα πράσινα φύλλα και στην παραγωγή ενός τέτοιου τελικού προϊόντος μιας μοναδικής αντίδρασης όπως η ζάχαρη. Τα φυτά είναι σε θέση να μετατρέψουν αζωτούχες και θειικές ενώσεις στις ουσίες που αποτελούν το σώμα τους.

Πώς συμβαίνει; Ποια είναι η σημασία της φωτοσύνθεσης στη ζωή των φυτών; Αυτή η διαδικασία πραγματοποιείται μέσω της παραγωγής νιτρικών ιόντων από το φυτό. Αυτά τα στοιχεία βρίσκονται στο νερό του εδάφους. Εισέρχονται στο φυτό μέσω του ριζικού συστήματος. Τα κύτταρα ενός πράσινου οργανισμού επεξεργάζονται νιτρικά ιόντα σε αμινοξέα, τα οποία σχηματίζουν πρωτεϊνικές αλυσίδες. Κατά τη διαδικασία της φωτοσύνθεσης, σχηματίζονται επίσης συστατικά λίπους. Είναι σημαντικές εφεδρικές ουσίες για τα φυτά. Έτσι, οι σπόροι πολλών φρούτων περιέχουν θρεπτικό λάδι. Αυτό το προϊόν είναι επίσης σημαντικό για τον άνθρωπο, καθώς χρησιμοποιείται στη βιομηχανία τροφίμων και στη γεωργία.

Ο ρόλος της φωτοσύνθεσης στη φυτική παραγωγή

Στην παγκόσμια πρακτική του έργου των γεωργικών επιχειρήσεων, τα αποτελέσματα της μελέτης των κύριων προτύπων ανάπτυξης και ανάπτυξης των φυτών χρησιμοποιούνται ευρέως. Όπως γνωρίζετε, η βάση του σχηματισμού των καλλιεργειών είναι η φωτοσύνθεση. Η έντασή του, με τη σειρά του, εξαρτάται από το υδατικό καθεστώς των καλλιεργειών, καθώς και από τη μεταλλική τους διατροφή. Πώς επιτυγχάνει ένα άτομο αύξηση της πυκνότητας των καλλιεργειών και του μεγέθους των φύλλων, έτσι ώστε το φυτό να αξιοποιεί στο έπακρο την ενέργεια του Ήλιου και να παίρνει διοξείδιο του άνθρακα από την ατμόσφαιρα; Για αυτό, βελτιστοποιούνται οι συνθήκες ορυκτής διατροφής και ύδρευσης των γεωργικών καλλιεργειών.

Έχει αποδειχθεί επιστημονικά ότι η απόδοση εξαρτάται από την περιοχή των πράσινων φύλλων, καθώς και από την ένταση και τη διάρκεια των διεργασιών που συμβαίνουν σε αυτά. Αλλά ταυτόχρονα, η αύξηση της πυκνότητας των καλλιεργειών οδηγεί σε σκίαση των φύλλων. Το ηλιακό φως δεν μπορεί να διεισδύσει σε αυτά και λόγω της επιδείνωσης του αερισμού των μαζών αέρα, το διοξείδιο του άνθρακα εισέρχεται σε μικρούς όγκους. Ως αποτέλεσμα, υπάρχει μείωση της δραστηριότητας της διαδικασίας φωτοσύνθεσης και μείωση της παραγωγικότητας των φυτών.

Ο ρόλος της φωτοσύνθεσης για τη βιόσφαιρα

Σύμφωνα με τις πιο πρόχειρες εκτιμήσεις, μόνο τα αυτότροφα φυτά που ζουν στα νερά του Παγκόσμιου Ωκεανού μετατρέπουν ετησίως από 20 έως 155 δισεκατομμύρια τόνους άνθρακα σε οργανική ύλη. Και αυτό παρά το γεγονός ότι η ενέργεια του ηλιακού φωτός χρησιμοποιείται από αυτούς μόνο κατά 0,11%. Όσον αφορά τα χερσαία φυτά, απορροφούν ετησίως από 16 έως 24 δισεκατομμύρια τόνους άνθρακα. Όλα αυτά τα δεδομένα δείχνουν πειστικά πόσο σημαντική είναι η φωτοσύνθεση στη φύση. Μόνο ως αποτέλεσμα αυτής της αντίδρασης, η ατμόσφαιρα αναπληρώνεται με το μοριακό οξυγόνο που είναι απαραίτητο για τη ζωή, το οποίο είναι απαραίτητο για την καύση, την αναπνοή και διάφορες βιομηχανικές δραστηριότητες. Ορισμένοι επιστήμονες πιστεύουν ότι όταν η περιεκτικότητα σε διοξείδιο του άνθρακα στην ατμόσφαιρα αυξάνεται, ο ρυθμός της φωτοσύνθεσης αυξάνεται. Ταυτόχρονα, η ατμόσφαιρα αναπληρώνεται με το οξυγόνο που λείπει.

Κοσμικός ρόλος της φωτοσύνθεσης

Τα πράσινα φυτά είναι μεσολαβητές μεταξύ του πλανήτη μας και του Ήλιου. Αιχμαλωτίζουν την ενέργεια του ουράνιου σώματος και παρέχουν τη δυνατότητα ύπαρξης ζωής στον πλανήτη μας.

Η φωτοσύνθεση είναι μια διαδικασία για την οποία μπορούμε να μιλήσουμε σε κοσμική κλίμακα, καθώς κάποτε συνέβαλε στη μεταμόρφωση της εικόνας του πλανήτη μας. Λόγω της αντίδρασης που λαμβάνει χώρα στα πράσινα φύλλα, η ενέργεια των ακτίνων του ήλιου δεν διαχέεται στο διάστημα. Περνά στη χημική ενέργεια νεοσχηματισμένων οργανικών ουσιών.

Η ανθρώπινη κοινωνία χρειάζεται τα προϊόντα της φωτοσύνθεσης όχι μόνο για τρόφιμα, αλλά και για οικονομικές δραστηριότητες.

Ωστόσο, όχι μόνο αυτές οι ακτίνες του ήλιου που πέφτουν στη Γη μας αυτή τη στιγμή είναι σημαντικές για την ανθρωπότητα. Εξαιρετικά απαραίτητα για τη ζωή και την υλοποίηση των παραγωγικών δραστηριοτήτων είναι εκείνα τα προϊόντα φωτοσύνθεσης που ελήφθησαν πριν από εκατομμύρια χρόνια. Βρίσκονται στα έγκατα του πλανήτη με τη μορφή στρωμάτων άνθρακα, εύφλεκτου αερίου και πετρελαίου, κοιτασμάτων τύρφης.

1. Φωτοσύνθεση. Διαστημικός ρόλος των φυτών.

1. Η φωτοσύνθεση είναι ένας ειδικός τύπος μεταβολισμού που συμβαίνει στα φυτικά κύτταρα και σε έναν αριθμό βακτηρίων που περιέχουν χλωροφύλλη και χλωροπλάστες. Φωτοσύνθεση - η διαδικασία σχηματισμού οργανικών ουσιών σε χλωροπλάστες από διοξείδιο του άνθρακα και νερό χρησιμοποιώντας ενέργεια

ηλιακό φως. Η συνολική εξίσωση φωτοσύνθεσης είναι:

2. Η χλωροφύλλη είναι μια πολύ δραστική οργανική ουσία,

πράσινη χρωστική ουσία, ο ρόλος της στη φωτοσύνθεση: απορρόφηση της ηλιακής ενέργειας,

που χρησιμοποιείται για τον σχηματισμό οργανικών ουσιών πλούσιων σε ενέργεια από

ανόργανες ουσίες φτωχές σε ενέργεια - διοξείδιο του άνθρακα και νερό.

3. Τα κυτταρικά οργανίδια είναι χλωροπλάστες με πολλούς

εκφύσεις στην εσωτερική μεμβράνη, αυξάνοντας την επιφάνειά της. Ενσωματωμένος σε

μόρια gran μεμβράνης χλωροφύλλης και ένζυμα απαραίτητα για την απορρόφηση και

μετατροπή της φωτεινής ενέργειας, η υλοποίηση αντιδράσεων φωτοσύνθεσης.

4. Απορρόφηση νερού και μετάλλων από τις ρίζες των φυτών

ουσίες από το έδαφος, την κίνηση τους μέσω των αγγείων του αγώγιμου ιστού στα φύλλα.

Η είσοδός τους με διάχυση στα κύτταρα. Η πρόσληψη διοξειδίου του άνθρακα από

ατμόσφαιρα μέσω των στομάτων στους μεσοκυττάριους χώρους και από εκεί στα κύτταρα του κύριου

(φωτοσυνθετικός) ιστός.

5. Απορρόφηση της ηλιακής ενέργειας από τη χλωροφύλλη

η διάσπαση των μορίων του νερού σε άτομα υδρογόνου και οξυγόνου, η απελευθέρωση μοριακού

οξυγόνο μέσω των στομάτων στην ατμόσφαιρα. Η χρήση της ηλιακής ενέργειας για

η σύνθεση μορίων ΑΤΡ, πλούσιων σε ενέργεια, με τη βοήθεια των οποίων

αναγωγή του διοξειδίου του άνθρακα με υδρογόνο σε γλυκόζη. συμμετοχή σε όλα

χημικές αντιδράσεις των ενζύμων.

6. Η χλωροφύλλη είναι ο μεσολαβητής μεταξύ του Ήλιου και της Γης,

επιτελεί κοσμικό ρόλο στον πλανήτη μας, καθώς απορροφά και χρησιμοποιεί

η ενέργεια του ηλιακού φωτός για τη σύνθεση οργανικών ουσιών από ανόργανες.

Η αξία της φωτοσύνθεσης: παροχή τροφής σε όλη τη ζωή στη Γη (οργανική

ουσίες), ενέργεια, οξυγόνο.

2. Χαρακτηριστικά της ανώτερης νευρικής δραστηριότητας ενός ατόμου.

1. Υψηλότερη νευρική δραστηριότητα

(ΑΕΕ) - η δραστηριότητα των κύριων τμημάτων του κεντρικού νευρικού συστήματος, παρέχοντας

προσαρμογή των ζώων και των ανθρώπων στο περιβάλλον. βάση του ανώτερου νευρικού

δραστηριότητες – αντανακλαστικά (χωρίς όρους και υπό όρους). Εμφάνιση σε διαδικασία

η ζωτική δραστηριότητα του οργανισμού νέων ρυθμισμένων αντανακλαστικών, που του επιτρέπουν να

Συνιστάται να ανταποκρίνεστε σε εξωτερικά ερεθίσματα και έτσι να προσαρμοστείτε

στις συνεχώς μεταβαλλόμενες περιβαλλοντικές συνθήκες. Ξεθώριασμα ή ξεθώριασμα

προηγουμένως ανεπτυγμένα αντανακλαστικά λόγω αναστολής όταν αλλάζει το περιβάλλον.

2. Δραστηριότητα συλλογισμού. Σκέψη. Στοιχεία

νοητική δραστηριότητα στα ζώα. Άμεση εξάρτηση του επιπέδου του ορθολογικού

δραστηριότητα στο επίπεδο ανάπτυξης του νευρικού συστήματος. Η μεγαλύτερη εξέλιξη

η ορθολογική δραστηριότητα στους ανθρώπους, η εκδήλωσή της με τη μορφή σκέψης. 3.

Χαρακτηριστικά της εμφάνισης ενός ατόμου. Ερεθίσματα για εξαρτημένα αντανακλαστικά σε ανθρώπους: όχι

μόνο περιβαλλοντικοί παράγοντες (ζέστη, κρύο, φως, απόθεμα), αλλά και λέξεις,

που δηλώνει ένα συγκεκριμένο αντικείμενο, φαινόμενο. Εξαιρετική Ανθρώπινη Ικανότητα

(σε αντίθεση με τα ζώα) να αντιλαμβάνονται την έννοια της λέξης, τις ιδιότητες των αντικειμένων, τα φαινόμενα,

ανθρώπινες εμπειρίες, γενικευμένη σκέψη, επικοινωνία μεταξύ τους χρησιμοποιώντας

ομιλία. Έξω από την κοινωνία, ένα άτομο δεν μπορεί να μάθει να μιλάει, να αντιλαμβάνεται γραπτά

και του προφορικού λόγου, για τη μελέτη της εμπειρίας που αποκτήθηκε στα πολλά χρόνια ύπαρξης

την ανθρωπότητα και να τη μεταδώσουν στους απογόνους τους.

Φωτοσύνθεση, η σημασία της. Κοσμικός ρόλος των πράσινων φυτών. Κοσμικός ρόλος των πράσινων φυτών.

Fr.Sound

Η φωτοσύνθεση είναι η διαδικασία σχηματισμού οργανικών ουσιών από το διοξείδιο του άνθρακα και το νερό χρησιμοποιώντας την ενέργεια του ηλιακού φωτός. (από το ελληνικό "φωτογραφία" - φως, "σύνθεση" - εκπαίδευση)

Το πράσινο χρώμα των φυτών είναι το χρώμα της χημικής ουσίας χλωροφύλλη (από το ελληνικό "chloros" - πράσινο, "philos" - φύλλο), η οποία βρίσκεται στα πλαστίδια του κυττάρου στους χλωροπλάστες. Αυτή η ουσία παίζει σημαντικό ρόλο στη φωτοσύνθεση. Η διαδικασία της φωτοσύνθεσης είναι πολλαπλών σταδίων. Πυροδοτείται όταν ένα σωματίδιο φωτός (φωτόνιο) χτυπά ένα μόριο χλωροφύλλης. Υπάρχουν δύο φάσεις στη διαδικασία της φωτοσύνθεσης. Η φωτεινή φάση εμφανίζεται μόνο στο φως και η μακρύτερη, σκοτεινή φάση δεν χρειάζεται φως. Στην ελαφριά φάση απελευθερώνεται οξυγόνο, παράγεται ενέργεια, στη σκοτεινή φάση συντίθεται υδατάνθρακας (γλυκόζη).

Ένας ιδιαίτερος ρόλος από αυτή την άποψη ανήκει στα πράσινα φυτά, ρόλο που ο K. A. Timiryazev ονόμασε Cosmic. Βρίσκεται στο γεγονός ότι «ο πράσινος κόκκος της χλωροφύλλης είναι μια εστία, ένα σημείο στον παγκόσμιο χώρο, μέσα στο οποίο ρέει η ενέργεια του ήλιου από το ένα άκρο και όλες οι εκδηλώσεις της ζωής στη Γη προέρχονται από το άλλο».
Κάθε χρόνο, η Γη λαμβάνει μια τεράστια ποσότητα ηλιακής ενέργειας (1,26-1024 θερμίδες), το 42% της οποίας αντανακλάται στον παγκόσμιο χώρο. Χρησιμοποιώντας μέρος της ενέργειας των ακτίνων του ήλιου, τα πράσινα φυτά χρησιμοποιούν το διοξείδιο του άνθρακα του αέρα ως πηγή άνθρακα στη διαδικασία σύνθεσης οργανικών ουσιών. Αλλά ένα πράσινο φυτό όχι μόνο λαμβάνει τροφή για τον εαυτό του από την ανόργανη φύση, αλλά, σύμφωνα με τον Timiryazev, είναι ένας ενδιάμεσος μεταξύ ουρανού και γης. Η ενέργεια που λαμβάνεται από τις ακτίνες του ήλιου συσσωρεύεται στο φυτό και με αυτή τη μορφή, μαζί με την οργανική ύλη που συσσωρεύεται στο σώμα του, εισέρχεται στο σώμα άλλων φυτών ή ζώων που τρώνε φυτικές τροφές. Τα τελευταία, με τη σειρά τους, χρησιμεύουν ως τροφή για άλλους ετερότροφους οργανισμούς.
Το οξυγόνο που απελευθερώνεται στη διαδικασία της φωτοσύνθεσης είναι απαραίτητο για τη ζωή όλων των αερόβιων οργανισμών, οι οποίοι, κατά τη διαδικασία της αναπνοής, το απορροφούν από τον αέρα, ενώ ταυτόχρονα απελευθερώνουν διοξείδιο του άνθρακα. Μια τέτοια σταθερή παροχή διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα έχει μεγάλη σημασία στον κύκλο της ύλης. Σύμφωνα με πρόχειρους υπολογισμούς, η φυτική κάλυψη του πλανήτη αφομοιώνει ετησίως περισσότερους από 140 δισεκατομμύρια τόνους άνθρακα από διοξείδιο του άνθρακα, που είναι περίπου 3 g ανά εκτάριο. Συνολικά, η ατμόσφαιρα περιέχει περίπου δύο χιλιάδες δισεκατομμύρια κιλά διοξειδίου του άνθρακα, το οποίο δεν θα ήταν αρκετό ούτε για 100 χρόνια, αν δεν έμπαινε στην ατμόσφαιρα και την υδρόσφαιρα κατά τη διάρκεια της ζωής των οργανισμών.

φωτοσύνθεση διαστημικού ρόλου φυτά

Ρακούν ε

Φωτοσύνθεση. Διαστημικός ρόλος των φυτών.

1. Η φωτοσύνθεση είναι ένας ειδικός τύπος μεταβολισμού,

Εμφανίζεται στα κύτταρα των φυτών και σε έναν αριθμό βακτηρίων που περιέχουν χλωροφύλλη και χλωροπλάστες. Η φωτοσύνθεση είναι η διαδικασία σχηματισμού οργανικών ουσιών στους χλωροπλάστες από διοξείδιο του άνθρακα και νερό χρησιμοποιώντας την ενέργεια του ηλιακού φωτός. Η συνολική εξίσωση φωτοσύνθεσης είναι:

2. Χλωροφύλλη - μια εξαιρετικά δραστική οργανική ουσία, μια πράσινη χρωστική ουσία, ο ρόλος της στη φωτοσύνθεση: η απορρόφηση της ενέργειας του ηλιακού φωτός, η οποία χρησιμοποιείται για να σχηματίσει οργανικές ουσίες πλούσιες σε ενέργεια από ανόργανες ουσίες φτωχές σε ενέργεια - διοξείδιο του άνθρακα και νερό.

3. Κυτταρικά οργανίδια – χλωροπλάστες με πολλές αποφύσεις στην εσωτερική μεμβράνη, αυξάνοντας την επιφάνειά της. Μόρια χλωροφύλλης και ένζυμα ενσωματωμένα στις μεμβράνες του gran, απαραίτητα για την απορρόφηση και μετατροπή της φωτεινής ενέργειας, την υλοποίηση των αντιδράσεων φωτοσύνθεσης.

4. Απορρόφηση νερού και μετάλλων από το έδαφος από τις ρίζες των φυτών, μετακίνηση τους μέσω των αγγείων του αγώγιμου ιστού στα φύλλα. Η είσοδός τους με διάχυση στα κύτταρα. Η ροή του διοξειδίου του άνθρακα από την ατμόσφαιρα μέσω των στομάτων στους μεσοκυττάριους χώρους και από εκεί στα κύτταρα του κύριου (φωτοσυνθετικού) ιστού.

5. Απορρόφηση ενέργειας του ηλιακού φωτός από τη χλωροφύλλη, διάσπαση των μορίων του νερού σε άτομα υδρογόνου και οξυγόνου, απελευθέρωση μοριακού οξυγόνου μέσω των στομάτων στην ατμόσφαιρα. Η χρήση της ενέργειας του ηλιακού φωτός για τη σύνθεση πλούσιων σε ενέργεια μορίων ATP, με τη βοήθεια των οποίων το διοξείδιο του άνθρακα ανάγεται από το υδρογόνο σε γλυκόζη. Συμμετοχή σε όλες τις χημικές αντιδράσεις των ενζύμων.

6. Η χλωροφύλλη - ένας ενδιάμεσος μεταξύ του Ήλιου και της Γης, εκτελεί κοσμικό ρόλο στον πλανήτη μας, καθώς απορροφά και χρησιμοποιεί την ενέργεια του ηλιακού φωτός για να συνθέσει οργανικές ουσίες από ανόργανες. Η αξία της φωτοσύνθεσης: παροχή σε όλη τη ζωή στη Γη με τροφή (οργανικές ουσίες), ενέργεια, οξυγόνο.

Η ιστορία της ανακάλυψης ενός εκπληκτικού και τόσο ζωτικής σημασίας φαινομένου όπως η φωτοσύνθεση έχει τις ρίζες του βαθιά στο παρελθόν. Πριν από περισσότερους από τέσσερις αιώνες, το 1600, ο Βέλγος επιστήμονας Jan Van - Helmont δημιούργησε ένα απλό πείραμα. Τοποθέτησε ένα κλαδί ιτιάς σε μια σακούλα που περιείχε 80 κιλά χώμα. Ο επιστήμονας κατέγραψε το αρχικό βάρος της ιτιάς και στη συνέχεια για πέντε χρόνια πότιζε το φυτό αποκλειστικά με νερό της βροχής. Ποια ήταν η έκπληξη του Jan Van - Helmont όταν ξαναζύγισε την ιτιά. Το βάρος του φυτού αυξήθηκε κατά 65 κιλά και η μάζα της γης μειώθηκε μόνο κατά 50 γραμμάρια! Από πού πήρε το φυτό 64 κιλά 950 γραμμάρια θρεπτικών συστατικών για τον επιστήμονα παρέμεινε μυστήριο!

Το επόμενο σημαντικό πείραμα στην πορεία προς την ανακάλυψη της φωτοσύνθεσης ανήκε στον Άγγλο χημικό Joseph Priestley. Ο επιστήμονας έβαλε ένα ποντίκι κάτω από το καπάκι και μετά από πέντε ώρες το τρωκτικό πέθανε. Όταν ο Priestley τοποθέτησε ένα κλαδάκι μέντας με το ποντίκι και επίσης κάλυψε το τρωκτικό με ένα καπάκι, το ποντίκι παρέμεινε ζωντανό. Αυτό το πείραμα οδήγησε τον επιστήμονα στην ιδέα ότι υπάρχει μια διαδικασία αντίθετη από την αναπνοή. Ο Jan Ingenhaus το 1779 καθιέρωσε το γεγονός ότι μόνο τα πράσινα μέρη των φυτών είναι ικανά να απελευθερώνουν οξυγόνο. Τρία χρόνια αργότερα, ο Ελβετός επιστήμονας Jean Senebier απέδειξε ότι το διοξείδιο του άνθρακα, υπό την επίδραση του ηλιακού φωτός, αποσυντίθεται στα πράσινα οργανίδια των φυτών. Μόλις πέντε χρόνια αργότερα, ο Γάλλος επιστήμονας Jacques Bussingault, πραγματοποιώντας εργαστηριακή έρευνα, ανακάλυψε το γεγονός ότι η απορρόφηση νερού από τα φυτά συμβαίνει και κατά τη σύνθεση οργανικών ουσιών. Μια ανακάλυψη ορόσημο το 1864 έγινε από τον Γερμανό βοτανολόγο Julius Sachs. Μπόρεσε να αποδείξει ότι ο όγκος του διοξειδίου του άνθρακα που καταναλώνεται και το οξυγόνο που απελευθερώνεται εμφανίζεται σε αναλογία 1:1.

Η φωτοσύνθεση είναι μια από τις πιο σημαντικές βιολογικές διεργασίες

Με επιστημονικούς όρους, η φωτοσύνθεση (από τα αρχαία ελληνικά φῶς - φως και σύνθεσις - σύνδεση, δέσμευση) είναι μια διαδικασία κατά την οποία σχηματίζονται οργανικές ουσίες από το διοξείδιο του άνθρακα και το νερό στο φως. Ο κύριος ρόλος σε αυτή τη διαδικασία ανήκει στα φωτοσυνθετικά τμήματα.

Μιλώντας μεταφορικά, το φύλλο ενός φυτού μπορεί να συγκριθεί με ένα εργαστήριο, τα παράθυρα του οποίου βλέπουν στην ηλιόλουστη πλευρά. Σε αυτό συμβαίνει ο σχηματισμός οργανικών ουσιών. Αυτή η διαδικασία είναι η βάση για την ύπαρξη όλης της ζωής στη Γη.

Πολλοί θα θέσουν εύλογα το ερώτημα: τι αναπνέουν οι άνθρωποι που ζουν στην πόλη, όπου όχι μόνο δέντρα, και δεν μπορείτε να βρείτε λεπίδες χόρτου κατά τη διάρκεια της ημέρας με φωτιά. Η απάντηση είναι πολύ απλή. Το γεγονός είναι ότι τα φυτά της γης αντιπροσωπεύουν μόνο το 20% του οξυγόνου που απελευθερώνεται από τα φυτά. Τα φύκια παίζουν σημαντικό ρόλο στην παραγωγή οξυγόνου στην ατμόσφαιρα. Αντιπροσωπεύουν το 80% του παραγόμενου οξυγόνου. Στη γλώσσα των αριθμών, τόσο τα φυτά όσο και τα φύκια απελευθερώνουν 145 δισεκατομμύρια τόνους (!) οξυγόνου στην ατμόσφαιρα κάθε χρόνο! Δεν είναι περίεργο που οι ωκεανοί του κόσμου ονομάζονται «πνεύμονες του πλανήτη».

Ο γενικός τύπος για τη φωτοσύνθεση έχει ως εξής:

Νερό + Διοξείδιο του Άνθρακα + Φως → Υδατάνθρακες + Οξυγόνο

Γιατί τα φυτά χρειάζονται φωτοσύνθεση;

Όπως καταλάβαμε, η φωτοσύνθεση είναι απαραίτητη προϋπόθεση για την ύπαρξη του ανθρώπου στη Γη. Ωστόσο, αυτός δεν είναι ο μόνος λόγος για τον οποίο οι φωτοσυνθετικοί οργανισμοί παράγουν ενεργά οξυγόνο στην ατμόσφαιρα. Γεγονός είναι ότι τόσο τα φύκια όσο και τα φυτά σχηματίζουν ετησίως περισσότερες από 100 δισεκατομμύρια οργανικές ουσίες (!), οι οποίες αποτελούν τη βάση της δραστηριότητας της ζωής τους. Θυμόμαστε το πείραμα του Jan Van Helmont, καταλαβαίνουμε ότι η φωτοσύνθεση είναι η βάση της διατροφής των φυτών. Έχει αποδειχθεί επιστημονικά ότι το 95% της καλλιέργειας καθορίζεται από οργανικές ουσίες που λαμβάνονται από το φυτό κατά τη διαδικασία της φωτοσύνθεσης και το 5% - αυτά τα ορυκτά λιπάσματα που εισάγει ο κηπουρός στο έδαφος.

Οι σύγχρονοι καλοκαιρινοί κάτοικοι επικεντρώνονται στη διατροφή του εδάφους των φυτών, ξεχνώντας τη διατροφή του με τον αέρα. Δεν είναι γνωστό τι είδους συγκομιδή θα μπορούσαν να πάρουν οι κηπουροί αν ήταν προσεκτικοί στη διαδικασία της φωτοσύνθεσης.

Ωστόσο, ούτε τα φυτά ούτε τα φύκια θα μπορούσαν να παράγουν οξυγόνο και υδατάνθρακες τόσο ενεργά αν δεν είχαν μια καταπληκτική πράσινη χρωστική ουσία - χλωροφύλλη.

Το μυστικό της πράσινης χρωστικής

Η κύρια διαφορά μεταξύ των φυτικών κυττάρων και των κυττάρων άλλων ζωντανών οργανισμών είναι η παρουσία χλωροφύλλης. Παρεμπιπτόντως, είναι αυτός που είναι ο ένοχος του γεγονότος ότι τα φύλλα των φυτών είναι χρωματισμένα ακριβώς σε πράσινο. Αυτή η πολύπλοκη οργανική ένωση έχει μια εκπληκτική ιδιότητα: μπορεί να απορροφήσει το ηλιακό φως! Χάρη στη χλωροφύλλη, η διαδικασία της φωτοσύνθεσης καθίσταται δυνατή.

Δύο στάδια φωτοσύνθεσης

Με απλά λόγια, η φωτοσύνθεση είναι μια διαδικασία κατά την οποία το νερό και το διοξείδιο του άνθρακα που απορροφάται από ένα φυτό στο φως με τη βοήθεια της χλωροφύλλης σχηματίζουν σάκχαρο και οξυγόνο. Έτσι, οι ανόργανες ουσίες μετατρέπονται ως εκ θαύματος σε οργανικές. Η ζάχαρη που προκύπτει είναι η πηγή ενέργειας των φυτών.

Η φωτοσύνθεση έχει δύο στάδια: το φως και το σκοτεινό.

Η ελαφριά φάση της φωτοσύνθεσης

Εμφανίζεται στις θυλακοειδείς μεμβράνες.

Τα θυλακοειδή είναι δομές που οριοθετούνται από μια μεμβράνη. Βρίσκονται στο στρώμα του χλωροπλάστη.

Η σειρά των γεγονότων του φωτεινού σταδίου της φωτοσύνθεσης:

1. Το φως χτυπά το μόριο της χλωροφύλλης, το οποίο στη συνέχεια απορροφάται από την πράσινη χρωστική ουσία και το φέρνει σε διεγερμένη κατάσταση. Το ηλεκτρόνιο που περιλαμβάνεται στο μόριο πηγαίνει σε υψηλότερο επίπεδο, συμμετέχει στη διαδικασία σύνθεσης.
2. Υπάρχει μια διάσπαση του νερού, κατά την οποία τα πρωτόνια υπό την επίδραση ηλεκτρονίων μετατρέπονται σε άτομα υδρογόνου. Στη συνέχεια, δαπανώνται για τη σύνθεση υδατανθράκων.
3. Στο τελικό στάδιο του ελαφρού σταδίου, συντίθεται ATP (τριφωσφορική αδενοσίνη). Αυτή είναι μια οργανική ουσία που παίζει το ρόλο ενός παγκόσμιου συσσωρευτή ενέργειας σε βιολογικά συστήματα.

Σκοτεινή φάση της φωτοσύνθεσης

Η θέση της σκοτεινής φάσης είναι το στρώμα των χλωροπλαστών. Κατά τη σκοτεινή φάση απελευθερώνεται οξυγόνο και συντίθεται γλυκόζη. Πολλοί θα σκεφτούν ότι αυτή η φάση πήρε τέτοιο όνομα επειδή οι διεργασίες που λαμβάνουν χώρα σε αυτό το στάδιο πραγματοποιούνται αποκλειστικά τη νύχτα. Στην πραγματικότητα, αυτό δεν είναι απολύτως αλήθεια. Η σύνθεση γλυκόζης γίνεται όλο το εικοσιτετράωρο. Το γεγονός είναι ότι σε αυτό το στάδιο η φωτεινή ενέργεια δεν καταναλώνεται πλέον, πράγμα που σημαίνει ότι απλά δεν χρειάζεται.

Η σημασία της φωτοσύνθεσης για τα φυτά

Έχουμε ήδη εντοπίσει το γεγονός ότι τα φυτά χρειάζονται φωτοσύνθεση όχι λιγότερο από εμάς. Είναι πολύ εύκολο να μιλήσουμε για την κλίμακα της φωτοσύνθεσης στη γλώσσα των αριθμών. Οι επιστήμονες έχουν υπολογίσει ότι μόνο τα χερσαία φυτά αποθηκεύουν τόση ηλιακή ενέργεια όση θα μπορούσαν να εξαντλήσουν 100 μεγαλουπόλεις μέσα σε 100 χρόνια!

Η αναπνοή των φυτών είναι μια διαδικασία αντίθετη από τη φωτοσύνθεση. Η έννοια της αναπνοής των φυτών είναι να απελευθερώνει ενέργεια στη διαδικασία της φωτοσύνθεσης και να την κατευθύνει στις ανάγκες των φυτών. Με απλά λόγια, η συγκομιδή είναι η διαφορά μεταξύ φωτοσύνθεσης και αναπνοής. Όσο περισσότερη φωτοσύνθεση και μικρότερη αναπνοή, τόσο μεγαλύτερη είναι η συγκομιδή και το αντίστροφο!

Η φωτοσύνθεση είναι η εκπληκτική διαδικασία που κάνει δυνατή τη ζωή στη Γη!