Обща схема на фотосинтеза. Определение и общи характеристики на фотосинтезата, значението на фотосинтезата. Значението на фотосинтезата за живота на Земята

Благодарение на фотосинтезата, суши растенията образуват прибл. 1,8 · 10 11 тона суха биомаса годишно; приблизително същото количество растителна биомаса се образува годишно в океаните. Тропик. горите допринасят до 29% за общото производство на фотосинтеза на земята, а приносът на горите от всички видове е 68%. Фотосинтезата на висши растения и водорасли е единственият източник на атм. O 2.

Поява на Земята прибл. Преди 2,8 милиарда години механизмът на окисляване на водата с образуването на О 2 е голямо събитие в биол. еволюция, която направи светлината на Слънцето основен без източник. енергия на биосферата, а водата е почти неограничен източник на водород за синтеза на витамини в живите организми. В резултат на това се създаде днешната атмосфера. състав, O 2 стана достъпен за окисляване на храната (вж. Дишане) и това доведе до появата на силно организми. хетеротрофни организми (екзогенни организми се използват като източник на въглерод).

ДОБРЕ. 7% орг. Продуктите на фотосинтезата се използват от хората за храна, като храна за животни, както и под формата на гориво и натрупвания. материал. Изкопаемите горива също са продукт на фотосинтезата. Консумацията му в кон. 20-ти век приблизително равно на увеличаването на биомасата.

Общото съхранение на енергия от слънчевата радиация под формата на фотосинтетични продукти е приблизително. 1,6 · 10 21 kJ годишно, което е около 10 пъти по -високо от днешното. енергичен. консумация на човечност. Приблизително половината от енергията на слънчевата радиация пада върху видимата област на спектъра (дължина на вълната l от 400 до 700 nm), ръбовете се използват за фотосинтеза (физиологично активно излъчване или PAR). Инфрачервеното лъчение не е подходящо за фотосинтеза на кислород-освобождаващи организми (висши растения и водорасли), но се използва от някои фотосинтетични бактерии.

Поради факта, че въглехидратите са основни. маса биосинтетични продукти. дейност на растенията, хим. Ур-ния на фотосинтезата обикновено се пише под формата:

За тази р -ция 469,3 kJ / mol намалението на ентропията е 30,3 J / (K mol), -479 kJ / mol. Квантова консумация на фотосинтеза за едноклетъчни водорасли в лабораторията. условия е 8-12 кванта на молекула CO 2. Използването по време на фотосинтеза на енергията на слънчевата радиация, достигаща до земната повърхност, е не повече от 0,1% от общия PAR. Найб. продуктивни растения (например захарна тръстика) асимилират прибл. 2% от енергията на падащата радиация, а зърнените култури - до 1%. Обикновено общата производителност на фотосинтезата е ограничена от съдържанието на CO 2 в атмосферата (0,03-0,04 обемни%), интензитета на светлината и т.н. Зрелите листа от спанак в атмосфера с нормален състав при 25 0 C в светлината на насищащия интензитет (със слънчева светлина) дават няколко. литра О 2 на час на грам хлорофил или на килограм сухо тегло. За водораслите Chlorella pyrenoidosa при 35 0 C, увеличаването на концентрацията на CO 2 от 0,03 на 3% позволява увеличаване на добива на O 2 с фактор 5, такова активиране е незначително.

Бактериална фотосинтеза и общо значение на фотосинтезата.Заедно с фотосинтезата на висши растения и водорасли, придружена от отделянето на О 2, в природата се извършва бактериална фотосинтеза, при която окисляемият субстрат не е вода, а други съединения, които имат по -изразена редукция. Света ти, например. H 2 S, SO 2. Кислородът не се отделя по време на бактериалната фотосинтеза, например:

Фотосинтезиращите бактерии могат да използват не само видимо, но и близко инфрачервено лъчение (до 1000 nm) в съответствие със спектрите на абсорбция на преобладаващите в тях пигменти - бактериохлорофили. Бактериалната фотосинтеза не е от съществено значение за глобалното съхранение на слънчева енергия, но е важна за разбирането на общите механизми на фотосинтезата. В допълнение, локално аноксичната фотосинтеза може да допринесе значително за общата производителност на планктона. Така че в Черно море количеството хлорофил и бактериохлорофил във водния стълб на редица места е приблизително еднакво.

Като се вземат предвид данните за фотосинтеза на висши растения, водорасли и фотосинтетични бактерии, обобщеното ниво на фотосинтеза може да бъде записано като:

F отосинтезата пространствено и във времето е разделена на два относително отделни процеса: светлият етап на окисляване на водата и тъмният етап на редукция на CO 2 (фиг. 1). И двата етапа се извършват във висши растения и водорасли по специализиран начин. клетъчни органели - хлоропласти. Изключение правят синьо-зелените водорасли (цианобактерии), които нямат фотосинтетичен апарат, отделен от цитоплазмата. мембрани.

В реакция. центърът на фотосинтезата, където възбуждането се прехвърля с почти 100% вероятност, има първична реакция между фотохимично активната молекула хлорофил а (при бактериите - бактериохлорофил) и първичния електронен акцептор (РА). Допълнителни р-тиони в тилакоидните мембрани се срещат между молекулите в тяхната основа. състояния и не изискват възбуждане от светлина. Тези р -ти са организирани в електронна транспортна верига - последователност от електронни носители, фиксирани в мембраната. Транспортната електронна верига на висшите растения и водорасли съдържа две фотохимикали. център (фотосистема), действащ последователно (фиг. 2), в бактериалната транспортна електронна верига - един (фиг. 3).

Във фотосистема II на висши растения и водорасли, единично възбуден хлорофил а в центъра на Р680 (числото 680 означава, че максимумът на спектралните промени в системата при възбуждане от светлина е близо 680 nm) подарява електрон през междинен акцептор на феофитин (FEO, аналог на хлорофил без магнезий), образуващ катионен радикал. Редуцираният анион на радикала на феофитин допълнително служи като донор на електрони за свързан пластохинон (HR *; се различава от убихиноните чрез заместители в хиноидния пръстен), координиран с Fe 3+ йона (бактериите имат подобен Fe 3+ -убихинонов комплекс). След това електронът се пренася по веригата, която включва свободен пластохинон (HRP), който присъства в излишък по отношение на останалите компоненти на веригата, след това цитохроми (C) b 6 и f, образувайки комплекс с желязо-сярата център, през съдържащите медпротеин пластоцианин (PC; молекулно тегло 10400) към реакционния център на фотосистема I.

Центровете се възстановяват бързо, приемайки електрон чрез поредица от междинни. носители от вода. Образуването на О 2 изисква последователно. четирикратно възбуждане на реакционния център на фотосистема II и се катализира от мембранен комплекс, съдържащ Mn.

Photosystem I може да работи автономно, без да се свързва със система II. В този случай циклично. трансферът на електрони (показан от пунктираната линия на диаграмата) е придружен от синтеза на АТФ, а не на НАДФН. Образува се на светлинен етап коензим

NADPH и ATP се използват в тъмния стадий на фотосинтезата, в хода на рязане отново се образуват NADP и ADP.

Електронните транспортни вериги на фотосинтетичните бактерии по своите основни характеристики са подобни на отделни фрагменти от тези в хлорофитите на висшите растения. На фиг. 3 показва електронно -транспортната верига на лилави бактерии.

Тъмният етап на фотосинтезата.Всички фотосинтезиращи организми, които отделят О 2, както и някои фотосинтетични бактерии, първо редуцират СО 2 до захарни фосфати в т.нар. Цикъл на Калвин. Очевидно при фотосинтезиращите бактерии се срещат и други механизми. Повечето от ензимите на цикъла на Калвин са разтворими в стромата на хлоропласта.

Опростена диаграма на цикъла е показана на фиг. 4. Първият етап е карбоксилирането на рибулоза-1,5-дифосфат и хидролизис на продукта с образуването на две молекули 3 -фосфоглицерол към - вас. Тази С3 киселина се фосфорилира от АТФ за образуване на 3-фосфоглицероил фосфат, който след това се редуцира от NADPH до глицералдехид-3-фосфат. Полученият триозен фосфат след това влиза в поредица от p-тиони на изомеризация, кондензация и пренареждане, давайки 3 молекули рибулоза-5-фосфат. Последният се фосфорилира с участието на АТФ с образуването на риулозо-1,5-дифосфат и по този начин цикълът се затваря. Една от 6-те образувани молекули глицералдехид-3-фосфат се превръща в глюкоза-6-фосфат и след това се използва за синтез на нишесте или се освобождава от хлоропласта в цитоплазмата. Глицералдехид-3-фосфатът може също да се превърне в 3-глицерол-фосфат и след това в липиди. Триософосфатите, идващи от хлоропласта, се превръщат в основни. в захароза, ръбовете се прехвърлят от листа към други части на растението.

При една пълна революция на цикъла на Калвин 9 молекули АТФ и 6 молекули NADPH се изразходват, за да образуват една молекула от 3 -фосфоглицерол за вас. Енергичен. ефективността на цикъла (съотношението на енергията на фотоните, необходимо за фотосинтезата на АТФ и NADPH към DG 0 на образуването на въглехидрати от CO 2), като се вземат предвид концентрациите на субстрата, действащи в стромата на хлоропласта, е 83%. В самия цикъл на Калвин няма фотохимия. етапи, но светлинните етапи могат косвено да го повлияят (включително регионите, които не изискват АТФ или NADPH) чрез промени в концентрациите на Mg 2+ и Н + йони, както и нивото на редукция на фередоксин.

Някои висши растения, които са се приспособили към висока интензивност на светлината и топъл климат (например захарна тръстика, царевица), могат да фиксират предварително CO 2 в допълнение. С 4 цикъла. В този случай CO 2 първо е включен в обмена на четири въглеродни дикарбоксилни to-t, които след това се декарбоксилират, където цикълът на Калвин е локализиран. C 4 -цикълът е характерен за растенията със специална анатомична характеристика. Структурата на листата и разделянето на ф-тиите между двата вида, млечница и други устойчиви на суша растения, се характеризират с частично отделяне на фиксацията на CO 2 и фотосинтезата във времето (CAM-обмен или обмен като мастните растения ; CAM съкратено от метаболизма на английската Crassulaceae киселина). Дневни устица (канали, по които се осъществява обмен на газ съгласно закона за запазване на електронната маса. По този начин беше получено потвърждение на идеята за образуване на O 2 чрез окисляване на водата. Това най -накрая беше доказано чрез масспектрометрията метод (С. Рубен, М. Камен, а също А. П. Виноградов и Р. В. Тейс, 1941).

През 1935-41 г. К. Ван Нил обобщава данните за фотосинтезата на висши растения и бактерии и предлага общо уравнение, обхващащо всички видове фотосинтеза.H. Gaffron и K. Wohl, както и L. Duissens през 1936-52 г. въз основа на количества. измерванията на добива на продуктите от фотосинтезата на абсорбираната светлина и съдържанието на хлорофил формулират концепцията за "фотосинтетична единица" - ансамбъл от молекули 650 nm до далечна червена светлина (ефект на усилване или втори ефект на Emerson). На тази основа през 60 -те години. формулира идея за последователно действиев електронно -транспортната верига на фотосинтеза с пикове в спектрите на действие близо до 680 и 700 HM.

Основен закономерностите на образуването на О 2 по време на окисляването на водата при фотосинтезата са установени в произведенията на Б. Кок и П. Джолио (1969-70). Изясняването на кея е към края си. организация на мембранен комплекс, който катализира този процес. През 80 -те години. по метода на рентгеновия структурен анализ, структурата на отделните компоненти на фотосинтезата се изучава подробно. апарати, включително реакционни центрове и комплекси за събиране на светлина (I. Deisenhofer, H. Michel, P. Huber).

Лит.: Clayton R., Photosyntch. Физически механизми и химически модели, транс. от английски, М., 1984; "Ж. Всесъюзно химическо дружество на името на Д. И. Менделеев", 1986, т. 31, No 6; Фотосинтеза, изд. Говинджи, прев. от английски, т. 1-2, М., 1987; Резултати от науката и технологиите, сер. Биофизика, т. 20-22, М., 1987. М.Г. Голдфелд.

Още

Водата и минералите на растението се получават от корените. Листата осигуряват органично хранене на растенията. За разлика от корените, те не са в почвата, а във въздуха, следователно те извършват не почвено, а въздушно хранене.

От историята на изучаването на въздушното хранене на растенията

Знанията за храненето на растенията се натрупват постепенно. Преди около 350 години холандският учен Ян Хелмонт е пионер в изследването на храненето на растенията. В глинен съд с пръст той отглежда върба, добавяйки към нея само вода. Ученият внимателно претегли падналите листа. Пет години по -късно масата на върбата, заедно с падналите листа, се увеличава със 74,5 кг, а масата на почвата намалява само с 57 г. Въз основа на това Хелмонт заключава, че всички вещества в растението се образуват не от почва, но от вода. Мнението, че растението нараства по размер само поради водата, се запазва до края на 18 век.

През 1771 г. английският химик Джоузеф Пристли изучава въглеродния диоксид или, както той го нарича, „замърсен въздух“ и прави забележително откритие. Ако запалите свещ и покриете oo със стъклен капак, след като изгори малко, той ще изгасне. Мишката под такава капачка започва да се задушава. Ако обаче клонката мента е поставена под капака заедно с мишката, мишката не се задушава и продължава да живее. Това означава, че растенията „коригират“ въздуха, развален от дишането на животните, тоест превръщат въглеродния диоксид в кислород.

През 1862 г. немският ботаник Юлиус Сакс експериментално доказа, че зелените растения не само отделят кислород, но и създават органични вещества, които служат като храна за всички други организми.

Фотосинтеза

Основната разлика между зелените растения и другите живи организми е наличието в техните клетки на хлоропласти, съдържащи хлорофил. Хлорофилът има способността да улавя слънчевите лъчи, чиято енергия е необходима за създаване на органични вещества. Процесът на образуване на органични вещества от въглероден диоксид и вода с помощта на слънчева енергия се нарича фотосинтеза (гръцка плотос светлина). В процеса на фотосинтеза се образуват не само органични вещества - захари, но се отделя и кислород.

Процесът на фотосинтеза може схематично да бъде изобразен, както следва:

Водата се абсорбира от корените и се движи по проводимата система на корените и стъблото към листата. Въглеродният диоксид е неразделна част от въздуха. Прониква в листата през отворени устички. Усвояването на въглероден диоксид се улеснява от структурата на листа: плоската повърхност на листните плочи, което увеличава зоната на контакт с въздуха, и наличието на голям брой устица в кожата.

Захарите, образувани в резултат на фотосинтезата, се превръщат в нишесте. Нишестето е органично вещество, което не се разтваря във вода. Kgo е лесен за откриване с йоден разтвор.

Доказателство за образуване на нишесте от листа на светлина

Нека докажем, че нишестето се образува в зелените листа на растенията от въглероден диоксид и вода. За да направите това, помислете за експеримента, който някога е бил поставен от Юлиус Сакс.

Стайно растение (здравец или иглика) се държи два дни на тъмно, така че цялото нишесте да се изразходва за жизненоважни процеси. След това няколко листа са покрити от двете страни с черна хартия, така че само част от тях е покрита. През деня растението е изложено на светлина, а през нощта допълнително се осветява с настолна лампа.

След един ден изследваните листа се отрязват. За да се установи в коя част от листното нишесте се е образувало, листата се сваряват в дивата природа (така че нишестените зърна да набъбнат) и след това се държат в горещ алкохол (хлорофилът се разтваря в този случай и листът се обезцветява). След това листата се измиват във вода и действат върху тях със слаб разтвор на йод. Тс областите на листата, които са били изложени на светлина, придобиват син цвят от действието на йод. Това означава, че нишестето се е образувало в клетките на осветената част на листа. Следователно фотосинтезата се случва само на светлина.

Доказателства за необходимостта от въглероден диоксид за фотосинтеза

За да се докаже, че въглеродният диоксид е необходим за образуването на нишесте в листата, стайното растение също се съхранява предварително на тъмно. След това едно от листата се поставя в колба с малко вар вода. Колбата се затваря с памучен тампон. Растението е изложено на светлина. Въглеродният диоксид се абсорбира от варовиковата вода, така че няма да бъде в колбата. Листът се отрязва и, както в предишния експеримент, се изследва за наличие на нишесте. Отлежава в гореща вода и алкохол, обработва се с йоден разтвор. В този случай обаче резултатът от експеримента ще бъде различен: листът не става син, тъй като нишестето не се съдържа в него. Следователно, за образуването на нишесте, освен светлина и вода, е необходим въглероден диоксид.

Така отговорихме на въпроса каква храна получава растението от въздуха. Опитът показва, че това е въглероден диоксид. Той е необходим за образуването на органични вещества.

Организмите, които независимо създават органични вещества за изграждане на тялото си, се наричат ​​автотрофам (гръцки autos - себе си, trofe - храна).

Доказателства за образуването на кислород по време на фотосинтезата

За да докажете, че по време на фотосинтезата растенията отделят кислород в околната среда, помислете за експеримент с водна растителна елодея. Издънките на елодея се потапят в съд с вода и отгоре се покриват с фуния. В края на фунията се поставя епруветка с вода. Растението е изложено на светлина в продължение на два до три дни. На светлина Elodea излъчва газови мехурчета. Те се натрупват в горната част на тръбата, измествайки водата. За да се установи за какъв газ става въпрос, епруветката внимателно се отстранява и в нея се вкарва тлееща отломка. Петното пламва ярко. Това означава, че в колбата се е натрупал газ, който поддържа изгарянето на кислород.

Космическата роля на растенията

Растенията, съдържащи хлорофил, са способни да абсорбират слънчева енергия. Следователно К.А. Тимирязев нарича ролята им на Земята космическа. Част от енергията на Слънцето, съхранявана в органични вещества, може да се съхранява дълго време. Въглищата, торфът, маслото се образуват от вещества, които в далечни геоложки времена са създадени от зелени растения и поглъщат енергията на Слънцето. Изгаряйки естествени горими материали, човек освобождава енергията, съхранявана преди милиони години от зелените растения.

При растенията (главно в листата им) фотосинтезата се осъществява на светлина.

Това е процес, при който от въглероден диоксид и вода се образува органично вещество, наречено глюкоза (вид захар). Освен това глюкозата в клетките се превръща в по -сложно вещество, нишесте. И глюкозата, и нишестето са въглехидрати.

В процеса на фотосинтеза се образува не само органична материя, но и кислородът се отделя като страничен продукт.

Въглеродният диоксид и водата са неорганични, докато глюкозата и нишестето са органични. Затова често се казва, че фотосинтезата е процес на образуване на органични вещества от неорганични в светлината. Само растения, някои едноклетъчни еукариоти и някои бактерии са способни да фотосинтезират. В клетките на животни и гъбички няма такъв процес, така че те са принудени да абсорбират органични вещества от околната среда. В тази връзка растенията се наричат ​​автотрофи, а животните и гъбите се наричат ​​хетеротрофи.

Процесът на фотосинтеза в растенията протича в хлоропласти, които съдържат зеления пигмент хлорофил.

Така че, за хода на фотосинтезата, се нуждаете от:

хлорофил,

въглероден двуокис.

В процеса на фотосинтеза се образуват следните:

органична материя,

кислород.

Растенията са пригодени да улавят светлина.При много тревисти растения листата се събират в т. Нар. Коренова розетка, когато листата не се засенчват. Дърветата се характеризират с листна мозайка, в която листата растат по такъв начин, че да се засенчват възможно най -малко. При растенията листните плочи могат да се обърнат към светлината поради завоите на листните дръжки. С всичко това има сенколюбиви растения, които могат да растат само на сянка.

Водаза фотосинтезапристигав листатаот коренитеот стъблото. Ето защо е важно растението да получава достатъчно влага. При липса на вода и някои минерали, процесът на фотосинтеза се инхибира.

Въглероден двуокисвзети за фотосинтезадиректноот въздухалиста. Кислородът, който се произвежда от растението по време на фотосинтезата, напротив, се освобождава във въздуха. Газообменът се улеснява от междуклетъчните пространства (пространства между клетките).

Органичните вещества, образувани в процеса на фотосинтеза, се използват частично в самите листа, но основно се вливат във всички други органи и се превръщат в други органични вещества, използват се в енергийния метаболизъм и се превръщат в резервни хранителни вещества.

Фотосинтеза на растения

Фотосинтезата е уникален физико -химичен процес, осъществяван на Земята от всички зелени растения и някои бактерии и осигуряващ превръщането на електромагнитната енергия на слънчевите лъчи в енергията на химическите връзки на различни органични съединения. Основата на фотосинтезата е последователна верига от окислително -възстановителни реакции, по време на която електроните се прехвърлят от донор -редуциращия агент (вода, водород) към акцептор -окислител (CO2, ацетат) с образуването на редуцирани съединения (въглехидрати) и освобождаване на О2, ако водата се окисли

Фотосинтезата играе водеща роля в биосферните процеси, водещи в световен мащаб до образуването на органични вещества от неорганични.

Фотосинтезиращите организми, използвайки слънчевата енергия в реакциите на фотосинтеза, свързват живота на Земята с Вселената и в крайна сметка определят цялата й сложност и разнообразие. Хетеротрофните организми - животни, гъби, повечето бактерии, както и безхлорофилни растения и водорасли - дължат своето съществуване на автотрофни организми - фотосинтетични растения, които създават органични вещества на Земята и запълват загубата на кислород в атмосферата. Човечеството все повече осъзнава очевидната истина, за първи път научно обоснована от К.А. Тимирязев и В.И. Вернадски: екологичното благосъстояние на биосферата и съществуването на самото човечество зависи от състоянието на растителната покривка на нашата планета.

Процесите, протичащи в листа

Листът извършва три важни процеса - фотосинтеза, изпаряване на водата и газообмен. В процеса на фотосинтеза органичното вещество се синтезира в листата от вода и въглероден диоксид под въздействието на слънчева светлина. През деня, в резултат на фотосинтеза и дишане, растението отделя кислород и въглероден диоксид, а през нощта - само въглероден диоксид, произведен по време на дишането.

Повечето растения са способни да синтезират хлорофил при слаба светлина. Хлорофилът се синтезира по -бързо при пряка слънчева светлина.
Светлинната енергия, необходима за фотосинтезата, в определени граници се абсорбира колкото повече, толкова по -малко потъмнява листата. Следователно, в процеса на еволюция, растенията са развили способността да обръщат листната плоча към светлина, така че върху нея да пада повече слънчева светлина. Листата по растението са подредени така, че да не се потискат един друг.
Тимирязев доказа, че източникът на енергия за фотосинтеза са главно червените лъчи на спектъра. Това показва спектърът на абсорбция на хлорофил, където най -интензивната абсорбционна лента се наблюдава в червеното, а по -малко интензивното - в синьо -виолетовата част.

Снимка: Nat Tarbox

Хлоропластите заедно с хлорофила съдържат каротин и ксантофилни пигменти. И двата пигмента абсорбират сини и отчасти зелени лъчи и предават червено и жълто. Някои учени приписват каротин и ксантофил на ролята на екрани, които предпазват хлорофила от разрушителните ефекти на сините лъчи.
Процесът на фотосинтеза се състои от редица последователни реакции, някои от които протичат с поглъщане на светлинна енергия, а други в тъмното. Стабилните крайни продукти на фотосинтезата са въглехидрати (захари и след това нишесте), органични киселини, аминокиселини и протеини.
Фотосинтезата при различни условия протича с различна интензивност.

Интензивността на фотосинтезата също зависи от фазата на развитие на растенията. Максималният интензитет на фотосинтезата се наблюдава във фазата на цъфтеж.
Типичното съдържание на въглероден диоксид във въздуха е 0,03 обемни процента. Намаляването на съдържанието на въглероден диоксид във въздуха намалява скоростта на фотосинтезата. Увеличаването на съдържанието на въглероден диоксид до 0,5% увеличава скоростта на фотосинтезата почти пропорционално. Въпреки това, с по -нататъшно увеличаване на съдържанието на въглероден диоксид, интензивността на фотосинтезата не се увеличава и при 1% растението страда.

Растенията се изпаряват или транспортират много големи количества вода. Изпарението на водата е една от причините за възходящия ток. Поради изпаряването на водата от растението, минералите се натрупват в него и понижаването на температурата, благоприятно за растението, се случва по време на слънчево отопление.
Растението регулира процеса на изпаряване на водата чрез работата на устицата. Отлагането на кожички или восъчни отлагания върху епидермиса, образуването на косми и други устройства са насочени към намаляване на нерегламентираната трансплантация.

Процесът на фотосинтеза и постоянно протичащото дишане на живи листни клетки изискват обмен на газ между вътрешните тъкани на листа и атмосферата. В процеса на фотосинтеза асимилираният въглероден диоксид се абсорбира от атмосферата и се връща в атмосферата с кислород.
Използването на метода за анализ на изотопи показа, че кислородът, върнат в атмосферата 16О, принадлежи на водата, а не на въглеродния диоксид във въздуха, в който се улавя другият му изотоп, 15О. По време на дишането на живите клетки (окисляване на органични вещества вътре в клетката чрез свободен кислород до въглероден диоксид и вода) е необходимо да се доставя кислород от атмосферата и да се връща въглероден диоксид. Този обмен на газ също се осъществява главно чрез стомашния апарат.

Процесът на фотосинтеза се състои от два последователни и взаимосвързани етапа: светъл (фотохимичен) и тъмен (метаболитен). На първия етап енергията на светлинните кванти, абсорбирана от фотосинтетичните пигменти, се преобразува в енергията на химичните връзки на високоенергийното съединение АТФ и универсалния редуциращ NADPH-всъщност първичните продукти на фотосинтезата, или така наречената „асимилационна сила ". В тъмните реакции на фотосинтезата, АТФ и NADPH, образувани в светлината, се използват в цикъла на фиксиране на въглероден диоксид и последващото му редуциране до въглехидрати.
Във всички фотосинтетични организми фотохимичните процеси на светлинния етап на фотосинтезата протичат в специални мембрани, преобразуващи енергия, наречени тилакоид, и са организирани в така наречената електронна транспортна верига. Тъмните реакции на фотосинтезата се случват извън тилакоидните мембрани (в цитоплазмата при прокариотите и в стромата на хлоропласта в растенията). Така светлият и тъмният етап на фотосинтезата са разделени в пространството и във времето.

Интензивността на фотосинтезата на дървесните растения варира в широки граници в зависимост от взаимодействието на много външни и вътрешни фактори и тези взаимодействия се променят с течение на времето и са различни при различните видове.

Фотосинтетичният капацитет понякога се оценява чрез нетната печалба на сухо вещество. Такива данни са от особено значение, тъй като увеличаването е средното истинско наддаване на тегло за дълъг период от време при условия на околната среда, които включват нормални повтарящи се напрежения.
Някои покритосеменни растения ефективно фотосинтезират както при ниска, така и при висока интензивност на светлината. Много голосеменни са много по -продуктивни при условия на висока осветеност. Сравняването на двете групи при ниска и висока интензивност на светлината често дава различна представа за фотосинтетичния капацитет по отношение на съхранението на хранителни вещества. В допълнение, голосеменните често натрупват малко сухо вещество по време на покой, докато широколистните покритосеменни растения го губят чрез дишане. Следователно, растение с голосеменни растения с малко по -ниска интензивност на фотосинтеза от широколистните покритосеменни растения през периода на растеж може да натрупа същата или дори повече обща суха маса през годината поради много по -продължителната продължителност на периода на фотосинтетична активност.

Първите експерименти по фотосинтеза са проведени от Джоузеф Пристли през 1770 -те и 1780 -те години, когато той обръща внимание на „развалянето“ на въздуха в херметически затворен съд с горяща свещ (въздухът престава да може да поддържа горенето, животните са поставени в него се задушава) и "коригиране" от растения ... Пристли заключава, че растенията отделят кислород, който е необходим за дишането и изгарянето, но не забелязва, че растенията се нуждаят от светлина за това. Това скоро беше показано от Ян Ингенхаус. По -късно беше установено, че освен отделянето на кислород, растенията абсорбират въглероден диоксид и с участието на вода синтезират органични вещества на светлина. През 1842 г. Робърт Майер въз основа на закона за запазване на енергията постулира, че растенията превръщат енергията на слънчевата светлина в енергията на химическите връзки. През 1877 г. W. Pfeffer нарича този процес фотосинтеза.

Н.Ю. ФЕОКТИСТОВА

Нощен живот на растенията

Орхидея Dendrobium speciosum, която цъфти само през нощта

Какво правят растенията през нощта? Искам само да отговоря на този въпрос: „Те си почиват“. В края на краищата изглежда, че целият "активен живот" на растението се случва през деня. През деня цветята се отварят и опрашват с насекоми, листата се разгъват, младите стъбла растат и дърпат върховете си към слънцето. През деня растенията използват слънчева енергия, за да преобразуват въглеродния диоксид, който абсорбират от атмосферния въздух, в захар.

Растението обаче не само синтезира органични вещества - използва ги и в процеса на дишане, като отново се окислява до въглероден диоксид и абсорбира кислород едновременно. Но количеството кислород, необходимо на растенията за дишане, е около 30 пъти по -малко от това, което се отделя от тях в процеса на фотосинтеза. През нощта, на тъмно, фотосинтезата не се осъществява, но дори и по това време растенията консумират толкова малко кислород, че това не влияе най -малко на вас и мен. Следователно старата традиция изнасянето на растения от стаята на пациента през нощта е напълно неоснователна.

Съществуват и редица растителни видове, които консумират въглероден диоксид през нощта. Тъй като енергията на слънчевата светлина, необходима за пълно намаляване на въглерода, понастоящем не е налична, захарта, разбира се, не се образува. Но абсорбираният от въздуха въглероден диоксид се задържа в състава на ябълчена или аспарагинова киселина, които след това, вече на светлина, се разлагат отново, отделяйки CO2. Именно тези молекули въглероден диоксид са включени в цикъла на основните реакции на фотосинтезата - така наречения цикъл на Калвин. В повечето растения този цикъл започва с улавяне на молекула CO2 директно от въздуха. Този „прост“ метод се нарича C3 път на фотосинтезата и ако въглеродният диоксид се съхранява предварително в ябълчена киселина, това е C4 пътят.

Изглежда, защо са необходими допълнителни усложнения? Най -вече с цел спестяване на вода. В края на краищата растението може да абсорбира въглероден диоксид само през отворени устица, през които също се извършва изпаряване на водата. И през деня, в жегата, много повече вода се губи през устицата, отколкото през нощта. А в растенията С4 устицата е затворена през деня и водата не се изпарява. Тези централи обменят газ през хладните нощни часове. В допълнение, пътят на С4 като цяло е по -ефективен; той позволява синтез на повече органични вещества за единица време. Но само при добри светлинни условия и при достатъчно висока температура на въздуха.

Така че фотосинтезата на С4 е характерна за „южняците“ - растения от горещи региони. Той е присъщ на повечето кактуси, някои други сукуленти, редица бромелии - например добре познатия ананас ( Ананас комос), захарна тръстика и царевица.

Интересното е, че още през 1813 г., много преди да станат известни биохимичните реакции, лежащи в основата на фотосинтезата, изследователят Бенджамин Хайн пише до Линейското научно дружество, че листата на редица сукулентни растения имат особено остър вкус сутрин, а след това до средата през деня вкусът им става по -мек.

Способността да се използва СО2, свързан в органичните киселини, се определя генетично, но изпълнението на тази програма също е под контрола на външната среда. При силен дъжд, когато няма заплаха от изсушаване, а осветлението е слабо, растенията С4 могат да отворят устицата си през деня и да преминат към обичайния път на С3.

Какво друго може да се случи с растенията през нощта?

Някои видове са се приспособили да привличат опрашителите си през нощта. За да направят това, те използват различни средства: миризмата, която се усилва към нощта, и цветът, приятен и забележим за окото на нощните опрашители - бял или жълтеникаво -бежов. Към такива цветя летят нощни пеперуди. Те опрашват цветята на жасмина ( Жасмин), гардения ( Гардения), лунни цветя ( Ипомея алба), нощно или нощно виолетово ( Hesperis), всеки двулистов ( Platanthera bifolia), къдрава лилия ( Лилиум мартагон) и редица други растения.

Lilium martagon, реколта рисунка

И има растения (те се наричат ​​хироптерофилни), които се опрашват през нощта от прилепи. Повечето от тези растения са в тропиците на Азия, Америка и Австралия, по -малко в Африка. Това са банани, агави, боабаби, някои представители на семействата мирта, бобови растения, бегонии, геснерии, цианоза.

Цветовете на хироптерофилни растения се отварят едва привечер и не се различават по яркостта на цвета - като правило те са зеленикаво -жълти, кафяви или лилави. Миризмата на такива цветя е много специфична, често неприятна за нас, но вероятно привлекателна за прилепите. В допълнение, цветята на хироптерофилни растения обикновено са големи, със силен околоцветник и са оборудвани с "места за кацане" за техните опрашители. Такива платформи могат да бъдат дебели стъбла и дръжки или безлистни участъци от клони в съседство с цветята.

Някои хироптерофилни растения дори „разговарят“ със своите опрашители, привличайки ги. Когато цветето пълзящо растение Mucuna holtonii, принадлежащ към семейство бобови и растящ в тропическите гори на Централна Америка, става готов за опрашване, едно от венчелистчетата му придобива специфична вдлъбната форма. Това вдлъбнато венчелистче се концентрира и отразява сигнала, излъчен от прилепите в търсене на храна, и по този начин ги информира за местонахождението им.

Но прилепите не са единствените бозайници, които опрашват цветята. Повече от 40 вида животни от други порядки са известни в тропиците, участващи активно в опрашването на около 25 растителни вида. Много от тези растения, като опрашваните от прилепи, имат големи и здрави цветя, често без мирис и произвеждащи големи количества цветен прашец и нектар. Обикновено броят на цветята на такива растения или в техните съцветия е малък, цветята са разположени ниско над земята и се отварят само през нощта, за да осигурят максимално удобство за нощните животни.

Нощният живот на цветята не се ограничава до привличане на опрашители. Редица растения затварят венчелистчетата през нощта, но насекомите остават вътре в цветето, за да пренощуват. Най -известният пример за такъв "хотел" за насекоми е амазонската лилия ( Виктория Амазоника). За първи път европейците го виждат през 1801 г., а подробно описание на растението е направено през 1837 г. от английския ботаник Шомбург. Ученият просто беше шокиран от гигантските си листа и прекрасните цветя и нарече цветето „Нимфея Виктория“, в чест на английската кралица Виктория.

Семената на амазонската Виктория бяха изпратени за първи път в Европа през 1827 г., но след това не поникнаха. През 1846 г. семената отново са изпратени в Европа, този път в бутилка вода. И те не само перфектно понасят пътя, но и се развиват в пълноценни растения, които цъфтят след 3 години. Това се случи в ботаническата градина "Кю" в Англия. Новината, че Виктория трябва да цъфти бързо, се разпространи не само сред служителите на ботаническата градина, но и сред художниците и репортерите. Огромна тълпа се събра в оранжерията. Всички с нетърпение гледаха часовника, чакайки да се разгъне цветето. В 17 часа все още затворената пъпка се издигна над водата, чашелистчетата й се отвориха и се появиха снежнобяли венчелистчета. Чудесна миризма на зрял ананас се разнесе из оранжерията. След няколко часа цветето се затвори и потъна под водата. Той се появи отново едва в 19 часа на следващия ден. Но, за изненада на всички присъстващи, венчелистчетата на цветето чудо вече не бяха бели, а ярко розови. Скоро те започнаха да падат, а цветът им ставаше все по -интензивен. След като листенцата напълно отпаднаха, започна активното движение на тичинките, което според показанията на присъстващите дори се чуваше.

Но освен изключителната красота, цветята на Виктория имат и невероятни черти, свързани с привличането на насекоми. В първия ден температурата в бялото цвете Виктория се повишава в сравнение с околния въздух с около 11 ° C, а до вечерта, с настъпването на прохлада, голям брой насекоми се натрупват на това „топло място“. В допълнение, върху карпелите на цветето се образуват специални хранителни тела, които също привличат опрашители. Когато цветето се затваря и потъва във водата, насекомите се спускат с него. Там прекарват нощта и целия следващ ден, докато цветът отново се издигне на повърхността. Едва сега вече е студено и не ухае, а насекомите, натоварени с прашец, летят в търсене на нови топли и ароматни бели цветя, за да ги опрашат, а в същото време прекарват нощта в следващия топъл и безопасен „хотел”.

Друго, може би не по -малко красиво цвете, също осигурява на своите опрашители нощни апартаменти - това е лотосът. Има два вида лотос. В Стария свят расте ореховият лотос с розови цветя, а в Америка американският лотос с жълти цветя. Лотосът е в състояние да поддържа относително постоянна температура в цветовете си - много по -висока от температурата на околния въздух. Дори външната страна да е само + 10 ° С, вътре в цветето - + 30 ... + 35 ° С!

Лотосовите цветя се затоплят 1-2 дни преди отварянето и в тях се поддържа постоянна температура в продължение на 2-4 дни. През това време прашниците узряват и стигмата на плодника става способна да приема прашец.

Бръмбарите и пчелите опрашват лотоса, за техния активен полет е необходима температура от около 30 ° C. Ако насекомите попаднат в цвете след затварянето му и прекарат нощта на топло и уютно, активно се движат и се покриват с прашец, тогава на сутринта, когато цветето се отвори, те веднага могат да отлетят към други цветя. Така "гостите" на лотоса получават предимство пред вцепенените насекоми, прекарали нощта на студено. Ето как топлината на цветето, пренесено върху насекомото, допринася за просперитета на популацията на лотоси.

Много членове на семейство ароидни, като гигантския аморфофал ( Amorphophallus titanus), добре познатите монстери и филодендрони имат цветни дръжки, които произвеждат топлина през нощта, засилват миризмата и помагат на опрашващите насекоми да прекарат нощта с максимален комфорт. Неприятната миризма на аморфофал привлича например маса бръмбари, които намират сред венчелистчетата на гигантско съцветие топъл апартамент, храна и партньори за чифтосване. Друго интересно растение от семейство ароидни е Typophonium brownii -имитира купища животински изпражнения, привличайки към себе си торни бръмбари, които „улавят“ през нощта и ги карат да носят своя прашец.

Фотосинтезае процес на синтез на органични вещества от неорганични поради енергията на светлината. В по -голямата част от случаите фотосинтезата се осъществява от растения, използващи такива клетъчни органели като хлоропластисъдържащи зеления пигмент хлорофил.

Ако растенията не бяха в състояние да синтезират органични вещества, тогава почти всички други организми на Земята нямаше да имат с какво да се хранят, тъй като животните, гъбите и много бактерии не могат да синтезират органични вещества от неорганични. Те абсорбират само готовите, разделят ги на по-прости, от които отново събират сложни, но вече характерни за тялото им.

Такъв е случаят, ако говорим за фотосинтезата и нейната роля много накратко. За да разберете фотосинтезата, трябва да кажете повече: какви специфични неорганични вещества се използват, как протича синтезът?

Фотосинтезата изисква две неорганични вещества - въглероден диоксид (CO2) и вода (H2O). Първият се абсорбира от въздуха от въздушните части на растенията главно през устицата. Вода - от почвата, откъдето се доставя до фотосинтетичните клетки чрез проводящата система на растението. Също така, фотосинтезата изисква енергията на фотоните (hν), но те не могат да бъдат приписани на материята.

Като цяло фотосинтезата произвежда органични вещества и кислород (О2). Обикновено органичното вещество обикновено се нарича глюкоза (C6H12O6).

Органичните съединения се състоят предимно от въглеродни, водородни и кислородни атоми. Те се намират във въглеродния диоксид и водата. При фотосинтезата обаче се отделя кислород. Неговите атоми са взети от вода.

Накратко и най -общо уравнението на реакцията на фотосинтезата обикновено се записва, както следва:

6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2

Но това уравнение не отразява същността на фотосинтезата, не я прави разбираема. Вижте, въпреки че уравнението е балансирано, то има общо 12 атома в свободен кислород.Но ние казахме, че те идват от вода, а има само 6 от тях.

Всъщност фотосинтезата протича в две фази. Първият се нарича светлина, второто е тъмно... Такива имена се дължат на факта, че светлината е необходима само за светлата фаза, тъмната фаза е независима от нейното присъствие, но това не означава, че тя отива в тъмното. Светлата фаза се появява върху хлоропластовите тилакоидни мембрани, тъмната фаза - в стромата на хлоропласта.

По време на светлинната фаза не се наблюдава свързване на CO2. Има само улавяне на слънчева енергия от хлорофилни комплекси, нейното съхранение в АТФ, използване на енергия за редукция на NADP до NADP * H2. Потокът от енергия от възбудения от светлина хлорофил се осигурява от електрони, които се предават по електронно-транспортната верига от ензими, вградени в тилакоидните мембрани.

Водородът за NADP се взема от вода, която под въздействието на слънчевата светлина се разлага на кислородни атоми, водородни протони и електрони. Този процес се нарича фотолиза... Кислород от вода не е необходим за фотосинтеза. Кислородните атоми от две водни молекули се комбинират, за да образуват молекулен кислород. Уравнението на реакцията за леката фаза на фотосинтезата е накратко, както следва:

H2O + (ADP + P) + NADP → ATP + NADP * H2 + ½O2

По този начин кислородът се отделя по време на светлинната фаза на фотосинтезата. Броят на молекулите на АТФ, синтезирани от ADP и фосфорна киселина при фотолиза на една молекула вода, може да бъде различен: една или две.

И така, ATP и NADP * H2 влизат в тъмната фаза от светлата фаза. Тук енергията на първата и редуциращата сила на втората се изразходват за свързване на въглероден диоксид. Този етап на фотосинтезата не може да бъде обяснен просто и лаконично, тъй като не протича по начина, по който шест молекули CO2 се комбинират с водорода, освободен от молекулите NADP * H2, за да образуват глюкоза:

6CO2 + 6NADP * H2 → C6H12O6 + 6NADP
(реакцията протича с изразходването на енергия АТФ, която се разлага на АДФ и фосфорна киселина).

Горната реакция е само опростяване, за да се улесни разбирането. Всъщност молекулите на въглеродния диоксид се свързват една по една и се прикрепят към готовата органична материя с пет въглерода. Образува се нестабилна органична материя с шест въглерода, която се разлага на три въглеродни молекули въглехидрати. Някои от тези молекули се използват за ресинтеза на първоначалното вещество с пет въглерода за свързване на CO2. Такава ресинтеза е осигурена Цикъл на Калвин... Малка част от три въглеродните молекули въглехидрати напускат цикъла. Всички други органични вещества (въглехидрати, мазнини, протеини) се синтезират от тях и други вещества.

Тоест всъщност три въглеродни захари, а не глюкоза, се освобождават от тъмната фаза на фотосинтезата.

Растенията получават всичко необходимо за растежа и развитието от околната среда. По това те се различават от другите живи организми. За да се развият добре, са необходими плодородна почва, естествено или изкуствено напояване и добро осветление. Нищо няма да расте в тъмното.

Почвата е източник на вода и хранителни органични съединения, микроелементи. Но дърветата, цветята, тревите също се нуждаят от слънчева енергия. Под влияние на слънчевата светлина възникват определени реакции, в резултат на които въглеродният диоксид, абсорбиран от въздуха, се превръща в кислород. Този процес се нарича фотосинтеза. Химическата реакция, която възниква при излагане на слънчева светлина, също произвежда глюкоза и вода. Тези вещества са жизненоважни за развитието на растението.

На езика на химиците реакцията изглежда така: 6CO2 + 12H2O + светлина = C6H12O6 + 6O2 + 6H2O. Опростена форма на уравнението: въглероден диоксид + вода + светлина = глюкоза + кислород + вода.

Буквално „фотосинтеза“ се превежда като „заедно със светлината“. Тази дума се състои от две прости думи "снимка" и "синтез". Слънцето е много мощен източник на енергия. Хората го използват за генериране на електричество, изолиране на къщи и затопляне на вода. Растенията също се нуждаят от енергия от слънцето, за да поддържат живота. Глюкозата от фотосинтезата е проста захар, която е едно от най -важните хранителни вещества. Растенията го използват за растеж и развитие, а излишъкът се отлага в листа, семена, плодове. Не цялата глюкоза остава непроменена в зелените части на растенията и плодовете. Простите захари са склонни да се превръщат в по -сложни, които включват нишесте. Такива запаси от растения се консумират в периоди на недостиг на хранителни вещества. Именно те определят хранителната стойност на билките, плодовете, цветята, листата за животни и хора, които ядат растителна храна.

Как растенията поглъщат светлината

Процесът на фотосинтеза е доста сложен, но може да бъде описан накратко, така че да стане разбираем дори за децата в училищна възраст. Един от най -често срещаните въпроси се отнася до механизма на поглъщане на светлината. Как светлинната енергия попада в растенията? Процесът на фотосинтеза протича в листата. В листата на всички растения има зелени клетки - хлоропласти. Те съдържат вещество, наречено хлорофил. Хлорофилът е пигментът, който придава на листата зелен цвят и е отговорен за поглъщането на светлинна енергия. Много хора не са се замисляли защо листата на повечето растения са широки и плоски. Оказва се, че природата е предоставила това по някаква причина. Широката повърхност ви позволява да абсорбирате повече слънчева светлина. По същата причина слънчевите панели са направени широки и плоски.

Горната част на листата е защитена с восъчен слой (кутикула) от загуба на вода и неблагоприятни ефекти от времето, вредители. Нарича се палисада. Ако погледнете внимателно листа, можете да видите, че горната страна е по -ярка и гладка. Получава се богат цвят поради факта, че в тази част има повече хлоропласти. Излишната светлина може да намали способността на растението да произвежда кислород и глюкоза. Хлорофилът се уврежда от излагане на ярко слънце и това забавя фотосинтезата. Забавянето се случва и с настъпването на есента, когато светлината намалява, а листата започват да пожълтяват поради разрушаването на хлоропластите в тях.

Ролята на водата във фотосинтезата и растителния живот не може да се подценява. Водата е необходима за:

• осигуряване на растенията с разтворени в него минерали;
• поддържане на тонус;
• охлаждане;
• възможността за химични и физични реакции.

Дървета, храсти, цветя абсорбират вода от почвата от корените, а след това влагата се издига по стъблото, преминава в листата по вените, които са видими дори с невъоръжено око.

Въглеродният диоксид навлиза през малки дупки в долната част на листа - устицата. В долната част на листа клетките са подредени така, че въглеродният диоксид да може да проникне по -дълбоко. Той също така позволява на кислорода, произведен по време на фотосинтезата, лесно да напусне листата. Както всички живи организми, растенията са надарени със способността да дишат. Освен това, за разлика от животните и хората, те абсорбират въглероден диоксид и отделят кислород, а не обратното. Там, където има много растения, въздухът е много чист и свеж. Ето защо е толкова важно да се грижим за дървета, храсти, да разпределяме площади и паркове в големите градове.

Светли и тъмни фази на фотосинтезата

Процесът на фотосинтеза е сложен и се състои от две фази - светла и тъмна. Светлинната фаза е възможна само в присъствието на слънчева светлина. Под въздействието на светлината молекулите на хлорофила йонизират, което води до образуване на енергия, която служи като катализатор за химическа реакция. Редът на събитията в тази фаза изглежда така:

• светлината удря молекулата на хлорофила, която се абсорбира от зеления пигмент и го превръща в възбудено състояние;
• настъпва разделяне на водата;
• Синтезира се АТФ, който е акумулатор на енергия.

Тъмната фаза на фотосинтезата протича без участието на светлинна енергия. На този етап се образуват глюкоза и кислород. Важно е да се разбере, че образуването на глюкоза и кислород става денонощно, а не само през нощта. Тъмната фаза се нарича, защото наличието на светлина вече не е необходимо за нейния поток. Катализаторът е АТФ, който е синтезиран по -рано.

Значението на фотосинтезата в природата

Фотосинтезата е един от най -значимите природни процеси. Необходимо е не само да се поддържа растението, но и целият живот на планетата. Фотосинтезата е необходима за:

• осигуряване на храна на животни и хора;
• отстраняване на въглеродния диоксид и оксидиране на въздуха;
• поддържане на хранителния цикъл.

Всички растения зависят от скоростта на фотосинтезата. Слънчевата енергия може да се разглежда като фактор, който провокира или инхибира растежа. Например в южните райони и регионите на слънцето има много и растенията могат да растат доста високи. Ако вземем предвид как протича процесът във водни екосистеми, на повърхността на моретата, океаните, няма недостиг на слънчева светлина и в тези слоеве се наблюдава обилен растеж на водорасли. В по -дълбоките слоеве вода има недостиг на слънчева енергия, което влияе върху скоростта на растеж на водната флора.

Процесът на фотосинтеза допринася за образуването на озоновия слой в атмосферата. Това е много важно, тъй като помага за защита на целия живот на планетата от вредното въздействие на ултравиолетовите лъчи.

Всяко живо същество на планетата се нуждае от храна или енергия, за да оцелее. Някои организми се хранят с други същества, докато други могат да произвеждат свои собствени хранителни вещества. те сами произвеждат храна, глюкоза, в процес, наречен фотосинтеза.

Фотосинтезата и дишането са взаимосвързани. Резултатът от фотосинтезата е глюкоза, която се съхранява като химическа енергия в. Тази запасена химическа енергия идва от превръщането на неорганичния въглерод (въглероден диоксид) в органичен въглерод. Дихателният процес освобождава запасена химическа енергия.

В допълнение към продуктите, които произвеждат, растенията се нуждаят и от въглерод, водород и кислород, за да оцелеят. Абсорбираната от почвата вода осигурява водород и кислород. По време на фотосинтезата въглеродът и водата се използват за синтезиране на храна. Растенията също се нуждаят от нитрати за производството на аминокиселини (аминокиселината е съставка в производството на протеини). В допълнение към това, те се нуждаят от магнезий за производството на хлорофил.

Бележката:Наричат ​​се живи същества, които зависят от други храни. Тревопасните животни като крави, както и растенията, които ядат насекоми, са примери за хетеротрофи. Наричат ​​се живи същества, които произвеждат собствена храна. Зелените растения и водорасли са примери за автотрофи.

В тази статия ще научите повече за това как протича фотосинтезата в растенията и условията, необходими за този процес.

Определяне на фотосинтезата

Фотосинтезата е химическият процес, при който растенията, някои и водораслите произвеждат глюкоза и кислород от въглероден диоксид и вода, използвайки само светлина като източник на енергия.

Този процес е изключително важен за живота на Земята, защото благодарение на него се отделя кислород, от който зависи целият живот.

Защо растенията се нуждаят от глюкоза (храна)?

Подобно на хората и другите живи същества, растенията също се нуждаят от храна, за да ги поддържат живи. Стойността на глюкозата за растенията е, както следва:

• Глюкозата от фотосинтезата се използва по време на дишането за освобождаване на енергия, необходима на растението за други жизненоважни процеси.
• Растителните клетки също превръщат част от глюкозата в нишесте, което се използва при необходимост. Поради тази причина мъртвите растения се използват като биомаса, тъй като съхраняват химическа енергия.
• Глюкозата е необходима и за производството на други химикали като протеини, мазнини и растителна захар, които са необходими за растежа и други важни процеси.

Фази на фотосинтеза

Процесът на фотосинтеза е разделен на две фази: светла и тъмна.

Лека фаза на фотосинтеза

Както подсказва името, светлинните фази се нуждаят от слънчева светлина. При светлозависими реакции енергията на слънчевата светлина се абсорбира от хлорофил и се превръща в запасена химическа енергия под формата на молекула на електронен носител NADPH (никотинамид аденин динуклеотид фосфат) и енергийна молекула АТФ (аденозин трифосфат). В тилакоидните мембрани в хлоропласта се появяват леки фази.

Тъмната фаза на фотосинтезата или цикълът на Калвин

В тъмната фаза или цикъла на Калвин възбудените електрони от светлата фаза осигуряват енергия за образуването на въглехидрати от молекулите на въглеродния диоксид. Независимо от светлината фази понякога се наричат ​​цикъл на Калвин поради цикличността на процеса.

Въпреки че тъмните фази не използват светлината като реагент (и в резултат на това могат да се появят през деня или нощта), те се нуждаят от продуктите на светло-зависимите реакции, за да функционират. Леко независимите молекули зависят от молекулите на енергийния носител - АТФ и NADPH - за създаване на нови молекули въглехидрати. След прехвърлянето на енергия молекулите на енергийните носители се връщат към светлинните фази, за да получат по -енергични електрони. В допълнение, няколко ензима от тъмна фаза се активират от светлина.

Схема на фазите на фотосинтеза

Бележката:Това означава, че тъмните фази няма да продължат, ако растенията са лишени от светлина твърде дълго, тъй като използват продукти от светла фаза.

Структура на листата на растенията

Не можем да проучим напълно фотосинтезата, без да знаем повече за структурата на листата. Листът е пригоден да играе жизненоважна роля в процеса на фотосинтеза.

Външна структура на листата

• Квадрат

Една от най -важните характеристики на растенията е тяхната голяма площ на листата. Повечето зелени растения имат широки, плоски и отворени листа, които могат да улавят толкова слънчева енергия (слънчева светлина), колкото е необходимо за фотосинтезата.

• Централна вена и дръжка

Централната вена и дръжката са свързани заедно и образуват основата на листа. Дръжката позиционира листа така, че да получава възможно най -много светлина.

• Листно острие

Простите листа имат една листна плоча, докато сложните листа имат няколко. Листната плочка е един от най -важните компоненти на листа, който участва пряко в процеса на фотосинтеза.

• Вени

Мрежа от вени в листата пренася вода от стъблата към листата. Освободената глюкоза също се насочва към други части на растението от листата през вените. В допълнение, тези части на листа поддържат и поддържат плочата от ламарина плоска, за да улавя повече слънчева светлина. Разположението на вените (венеция) зависи от вида на растението.

• Основата на листа

Основата на листа е най -ниската му част, която е съчленена със стъблото. Често в основата на листа се намира сдвоен брой прилистници.

• Ръб на листа

В зависимост от вида на растението, ръбът на листата може да има различна форма, включително: цели ръбове, назъбени, назъбени, назъбени, набраздени и т.н.

• Горната част на листа

Подобно на ръба на листа, върхът се предлага в различни форми, включително: остри, заоблени, тъпи, удължени, изтеглени и т.н.

Вътрешна структура на листата

По -долу е подобна диаграма на вътрешната структура на листните тъкани:

• Кутикула

Кутикулата действа като основен защитен слой на повърхността на растението. Обикновено е по -дебел в горната част на листа. Кутикулата е покрита с восъкоподобно вещество, което предпазва растението от вода.

• Епидермис

Епидермисът е слой от клетки, който е покривната тъкан на листа. Основната му функция е да предпазва вътрешните тъкани на листа от дехидратация, механични повреди и инфекции. Той също така регулира процеса на обмен на газ и транспирация.

• Мезофил

Мезофилът е основната растителна тъкан. Тук протича процесът на фотосинтеза. При повечето растения мезофилът е разделен на два слоя: горният е палисаден, а долният е гъбест.

• Защитни клетки

Защитните клетки са специализирани клетки в епидермиса на листата, които се използват за контрол на газообмена. Те имат защитна функция за устицата. Стомашните пори стават големи, когато водата е свободно достъпна; в противен случай защитните клетки стават бавни.

• Стома

Фотосинтезата зависи от проникването на въглероден диоксид (CO2) от въздуха през устицата в мезофилната тъкан. Кислородът (O2), произведен като страничен продукт от фотосинтезата, напуска растението през устицата. Когато устицата е отворена, водата се губи чрез изпаряване и трябва да се попълни чрез потока на транспирация с вода, абсорбирана от корените. Растенията са принудени да балансират количеството на абсорбирания CO2 от въздуха и загубата на вода през стомашните пори.

Условия за фотосинтеза

По -долу са условията, от които растенията трябва да извършват процеса на фотосинтеза:

• Въглероден двуокис.Безцветен природен газ без мирис, открит във въздуха и има научно обозначение CO2. Образува се при изгаряне на въглерод и органични съединения, а също така се появява по време на дишането.
• Вода... Бистър течен химикал, без мирис и вкус (при нормални условия).
• Светлина.Докато изкуствената светлина е подходяща и за растенията, естествената слънчева светлина има тенденция да създава най -добрите условия за фотосинтеза, тъй като съдържа естествено UV лъчение, което има положителен ефект върху растенията.
• Хлорофил.Това е зелен пигмент, който се намира в листата на растенията.
• Хранителни вещества и минерали.Химикали и органични съединения, които корените на растенията абсорбират от почвата.

Какво се образува в резултат на фотосинтезата?

• Глюкоза;
• Кислород.

(Светлинната енергия е показана в скоби, тъй като няма значение)

Бележката:Растенията получават CO2 от въздуха през листата си, а водата от почвата чрез корените си. Светлинната енергия идва от слънцето. Полученият кислород се освобождава във въздуха от листата. Получената глюкоза може да се превърне в други вещества, като нишесте, което се използва като запас от енергия.

Ако фактори, които стимулират фотосинтезата, отсъстват или присъстват в недостатъчни количества, това може да повлияе негативно на растението. Например, по -малко светлина създава благоприятни условия за насекоми, които изяждат листата на растението, а липсата на вода се забавя.

Къде протича фотосинтезата?

Фотосинтезата се осъществява вътре в растителните клетки, в малки пластиди, наречени хлоропласти. Хлоропластите (намиращи се главно в мезофилния слой) съдържат зелено вещество, наречено хлорофил. По -долу са другите части на клетката, които работят с хлоропласта за извършване на фотосинтеза.

Структура на растителните клетки

Функции на части от растителни клетки

• : осигурява структурна и механична опора, защитава клетките, фиксира и определя формата на клетката, контролира скоростта и посоката на растеж и придава форма на растенията.
• : осигурява платформа за повечето от ензимните контролирани химични процеси.
• : действа като бариера, контролирайки движението на вещества във и извън клетката.
• : както е описано по -горе, те съдържат хлорофил, зелено вещество, което поглъща светлинна енергия по време на фотосинтезата.
• : кухина в клетъчната цитоплазма, която съхранява вода.
• : съдържа генетична марка (ДНК), която контролира клетъчната активност.

Хлорофилът абсорбира светлинна енергия, необходима за фотосинтезата. Важно е да се отбележи, че не всички цветни дължини на вълната на светлината се абсорбират. Растенията поглъщат предимно червени и сини вълни - те не абсорбират светлина в зелената гама.

Въглероден диоксид от фотосинтеза

Растенията получават въглероден диоксид от въздуха през листата си. Въглеродният диоксид прониква през малка дупка в долната част на листа, наречена стомаха.

Долната част на листа има свободно разположени клетки, за да позволи на въглеродния диоксид да достигне до други клетки в листата. Той също така позволява на кислорода, произведен по време на фотосинтезата, лесно да напусне листата.

Въглеродният диоксид присъства във въздуха, който дишаме в много ниски концентрации и е необходим фактор в тъмната фаза на фотосинтезата.

Светлина в процеса на фотосинтеза

Листът обикновено има голяма площ, така че може да абсорбира много светлина. Горната му повърхност е защитена от загуба на вода, болести и атмосферни влияния чрез восъчен слой (кутикула). Върхът на листа е мястото, където пада светлината. Този мезофилен слой се нарича палисада. Той е пригоден да абсорбира голямо количество светлина, тъй като съдържа много хлоропласти.

В светлинните фази процесът на фотосинтеза се увеличава с повече светлина. Повече молекули хлорофил се йонизират и се генерират повече АТФ и NADPH, ако светлинните фотони са фокусирани върху зеленото листо. Въпреки че светлината е изключително важна в светлинните фази, трябва да се отбележи, че прекомерните й количества могат да увредят хлорофила и да намалят фотосинтезата.

Светлинните фази не са много зависими от температурата, водата или въглеродния диоксид, въпреки че всички те са необходими за завършване на процеса на фотосинтеза.

Водата в процеса на фотосинтеза

Растенията получават необходимата вода за фотосинтеза чрез корените си. Те имат коренови косми, които растат в почвата. Корените имат голяма повърхност и тънки стени, които позволяват на водата да преминава лесно.

Изображението показва растенията и техните клетки с достатъчно вода (вляво) и липса на вода (вдясно).

Бележката:Кореновите клетки не съдържат хлоропласти, защото обикновено са на тъмно и не могат да фотосинтезират.

Ако растението не абсорбира достатъчно вода, то изсъхва. Без вода растението няма да може да фотосинтезира достатъчно бързо и дори може да умре.

Колко важна е водата за растенията?

• Осигурява разтворени минерали, които подпомагат здравето на растенията;
• Е средство за транспортиране;
• Поддържа стабилност и изправеност;
• Охлажда и овлажнява;
• Това дава възможност да се провеждат различни химични реакции в растителните клетки.

Значението на фотосинтезата в природата

Биохимичният процес на фотосинтеза използва енергия от слънчевата светлина, за да преобразува водата и въглеродния диоксид в кислород и глюкоза. Глюкозата се използва като градивни елементи в растенията за растеж на тъканите. По този начин фотосинтезата е начинът, по който се образуват корени, стъбла, листа, цветя и плодове. Без процеса на фотосинтеза растенията не могат да растат или да се размножават.

• Производители

Поради своите фотосинтетични способности растенията са известни като производители и служат като гръбнак на почти всяка хранителна верига на Земята. (Водораслите са еквивалент на растенията в). Цялата храна, която ядем, идва от фотосинтезиращи организми. Ние ядем директно тези растения или ядем животни като крави или прасета, които консумират растителна храна.

• Гръбнакът на хранителната верига

В рамките на водните системи растенията и водораслите също формират гръбнака на хранителната верига. Водораслите служат като храна, която от своя страна действа като източник на храна за по -големи организми. Без фотосинтеза във водната среда животът би бил невъзможен.

• Отстраняване на въглероден диоксид

Фотосинтезата превръща въглеродния диоксид в кислород. По време на фотосинтезата въглеродният диоксид от атмосферата навлиза в растението и след това се освобождава като кислород. В днешния свят, където нивата на въглероден диоксид се повишават с тревожна скорост, всеки процес, който премахва въглеродния диоксид от атмосферата, е важен за околната среда.

• Хранителен цикъл

Растенията и други фотосинтетични организми играят жизненоважна роля в хранителния цикъл. Азотът във въздуха се фиксира в растителните тъкани и става достъпен за производството на протеини. Микроелементите, открити в почвата, също могат да бъдат включени в растителната тъкан и да бъдат достъпни за тревопасните по -нататък по хранителната верига.

• Фотосинтетична зависимост

Фотосинтезата зависи от интензитета и качеството на светлината. На екватора, където слънчевата светлина е изобилна през цялата година и водата не е ограничаващ фактор, растенията растат с високи темпове и могат да станат доста големи. Обратно, фотосинтезата в по -дълбоките части на океана е по -рядка, тъй като светлината не прониква в тези слоеве и в резултат на това тази екосистема е по -стерилна.

Фотосинтезата е сложен процес, който включва цяла система от химични реакции. Тя се разтяга във времето и се състои от две фази. Първата фаза протича само в светлината и се нарича светлина. Втората, тъмна фаза не зависи от светлинната енергия и се извършва както на светлина, така и на тъмно.

В светлината

Светлинната фаза започва с удара на светлинните кванти върху молекулите на хлорофила, които се намират вътре в тилакоидите - плоски мембранни казанчета с форма на диск.

Ориз. 1. Структурата на хлоропласта.

В този случай молекулите на хлорофила преминават в възбудено състояние и губят електрони. Вместо загубените електрони, те прикрепят електрони от молекули Н₂О или йони ОН¯.

Настъпва разграждането на водата, причинено от хлорофил (фотолиза) и отделянето на газообразен кислород. Една молекула кислород се образува от две молекули вода.

2Н₂О → 4Н⁺ + 4е¯ + О₂

ТОП-4 статиикоито четат заедно с това

Свободните електрони и водород преминават през сложна верига от носители и са фиксирани в молекули NADPH₂.

Ориз. 2. Схема на светлинната фаза на фотосинтезата.

Поради енергията на възбудените електрони също се случва синтезът на молекули АТФ от АДФ и фосфорна киселина.

Ако кислородът се счита за страничен продукт на светлата фаза, тогава АТФ може да се счита за основния, тъй като енергията му ще се изразходва за образуването на органични вещества от CO₂ в тъмната фаза.

Така енергията на светлината става енергия на химичните връзки на АТФ.

На светло и на тъмно

Реакциите на тъмната фаза протичат извън тилакоидите, в стромата на хлоропласта, която е биоколоид по своите свойства.

Същността на процесите на тази фаза е превръщането на атмосферния въглероден диоксид в различни органични вещества.

C₃ и C₄ растения

Има два пътя на фотосинтеза, които са специфични за различните растителни видове. Повечето от видовете са C₃ - растения. Това означава, че на първия етап от тъмната фаза те образуват триатомни въглеводороди:

CO₂ + рибулоза дифосфат (RDF) + H₂O → 2 молекули фосфоглицеринова киселина (FGA).

RDF: 5 C атоми FGC: 3 C атоми

Органичните вещества се образуват не чрез добавяне на молекули CO₂, а чрез добавяне на CO₂ към вече съществуващи въглехидрати.

По този начин, СО₂ е така или иначе включен във вътреклетъчния метаболизъм на растението.

В C₄ - растенията се образуват тетратомни киселини:

• ябълка;
• оксалеоцетна;
• аспарагинова.

С₄ - растенията са от тропически произход и са много светлоизискващи. Това са сорго, просо, царевица, захарна тръстика и др.

Продуктите от първия етап преминават през цикъл от реакции, образувайки разнообразни вещества, използвани от клетката.

Във всички растения тъмната фаза завършва с образуването на глюкоза, фруктоза и други шестоатомни въглехидрати.

Доказано е, че по време на фотосинтезата се синтезират и протеини и други продукти.

Ориз. 3. Схема на тъмната фаза на фотосинтезата.

Признаците на фазите на фотосинтеза, както и резултатите от процесите, протичащи в двете фази, са представени в таблицата:

Какво научихме?

След като направихме сравнително описание на двете фази на фотосинтезата, установихме, че светлинната фаза е подготвителна. По време на светлинната фаза: образува се кислород, енергията се съхранява под формата на АТФ, водородът се натрупва. Тъмната фаза използва ресурсите, получени по време на светлата фаза и завършва с образуването на различни органични съединения.

Тест по тема

Оценка на доклада

Среден рейтинг: 4.6. Общо получени оценки: 195.