Schema generală a fotosintezei. Definiția și caracteristicile generale ale fotosintezei, semnificația fotosintezei. Importanța fotosintezei pentru viața pe Pământ

Prin fotosinteză, plantele terestre produc cca. 1,8·10 11 tone de biomasă uscată pe an; aproximativ aceeași cantitate de biomasă vegetală se formează anual în oceane. tropical pădurea contribuie cu până la 29% la producția totală de fotosinteză pe uscat, iar contribuția pădurilor de toate tipurile este de 68%. Fotosinteza plantelor superioare și algelor este singura sursă de atm. O 2 .

Originea pe Pământ ca. Acum 2,8 miliarde de ani, mecanismul de oxidare a apei cu formarea de O 2 este cel mai important eveniment din biol. evoluție, care a făcut din lumina Soarelui principala sursă de libertate. energia biosferei și apă - o sursă aproape nelimitată de hidrogen pentru sinteza in-in în organismele vii. Drept urmare, o atmosferă modernă compoziție, O 2 a devenit disponibil pentru oxidarea alimentelor (vezi Respirație), iar acest lucru a dus la apariția organismelor înalte. organisme heterotrofe (folosesc materie organică exogenă ca sursă de carbon).

O.K. 7% org. Omul folosește produsele fotosintezei pentru hrană, ca hrană pentru animale și, de asemenea, ca combustibil și construiește. material. Combustibilii fosili sunt, de asemenea, un produs al fotosintezei. Consumul său în con. Secolului 20 aproximativ egală cu creșterea biomasei.

Stocarea totală a energiei radiațiilor solare sub formă de produse de fotosinteză este de cca. 1,6 10 21 kJ pe an, ceea ce este de aproximativ 10 ori mai mare decât cel actual. energic. consumul uman. Aproximativ jumătate din energia radiației solare cade în regiunea vizibilă a spectrului (lungimea de undă l de la 400 la 700 nm), care este folosită pentru fotosinteză (radiație fiziologic activă, sau PAR). Radiația IR nu este potrivită pentru fotosinteza organismelor producătoare de oxigen (plante superioare și alge), dar este folosită de anumite bacterii fotosintetice.

Datorită faptului că carbohidrații sunt masa de produse biosintetice. activități din plante, chimie. Rata de fotosinteză este de obicei scrisă astfel:

Pentru această p-țiune 469,3 kJ/mol, scăderea entropiei este de 30,3 J/(K mol), -479 kJ/mol. Consumul cuantic de fotosinteză pentru algele unicelulare în laborator. condiţiile este de 8-12 cuante per moleculă de CO2. Utilizarea în timpul fotosintezei a energiei radiației solare care ajunge la suprafața pământului nu depășește 0,1% din PAR total. Naib. Plantele productive (de exemplu trestia de zahăr) absorb cca. 2% din energia radiației incidente, iar culturile - până la 1%. De obicei, productivitatea totală a fotosintezei este limitată de conținutul de CO 2 din atmosferă (0,03-0,04% în volum), intensitatea luminii și t-roi. Frunzele mature de spanac într-o atmosferă de compoziție normală la 25 0 C în lumina intensității saturante (sub lumina soarelui) dau mai multe. litri de O 2 pe oră pe gram de clorofilă sau pe kilogram de greutate uscată. Pentru algele Chlorella pyrenoidosa la 35 0 C, o creștere a concentrației de CO 2 de la 0,03 la 3% permite creșterea randamentului de O 2 de 5 ori, astfel de activare este limita.

Fotosinteza bacteriană și viteza totală de fotosinteză. Odată cu fotosinteza plantelor și algelor superioare, însoțită de eliberarea de O 2, se realizează fotosinteza bacteriană în natură, în care substratul oxidat nu este apa, ci alți compuși care au restaurări mai pronunțate. Sf. tu, de exemplu. H2S, SO2. Oxigenul nu este eliberat în timpul fotosintezei bacteriene, de exemplu:

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

Luând în considerare datele despre fotosinteza plantelor superioare, algelor și bacteriilor fotosintetice, ecuația generalizată a fotosintezei poate fi scrisă astfel:

F Otosinteza este împărțită spațial și temporal în două procese relativ separate: etapa luminoasă a oxidării apei și etapa întunecată a reducerii CO2 (Fig. 1). Ambele etape se desfășoară în plante superioare și alge în specialitate. organele celulare – cloroplaste. Excepție fac algele albastre-verzi (cianobacteriile), care nu au un aparat de fotosinteză separat de citoplasmatic. membranelor.

În reacție. centrul fotosintezei, unde excitația este transferată cu probabilitate de aproape 100%, are loc o p-țiune primară între molecula activă fotochimic a clorofilei a (bacterioclorofila în bacterii) și acceptorul primar de electroni (PA). Alte districte în membranele tilacoide apar între moleculele lor principale. stări și nu necesită excitare prin lumină. Aceste districte sunt organizate într-un lanț de transport de electroni - o secvență de purtători de electroni fixați în membrană. Lanțul de transport de electroni al plantelor superioare și al algelor conține două fotochimie. centrii (fotosisteme) care acţionează secvenţial (fig. 2), în lanţul de transport de electroni bacterian - unu (fig. 3).

În fotosistemul II al plantelor și algelor superioare, clorofila a excitată singlet din centrul lui P680 (numărul 680 indică faptul că modificările spectrale maxime ale sistemului la excitarea luminii sunt aproape de 680 nm) donează un electron prin intermediul unui acceptor intermediar feofitinei ( PHEO, un analog al clorofilei fără magneziu), formând un radical cationic. Anionul radical al feofitinei reduse servește în plus ca donor de electroni pentru plastochinona legată (HP*; diferă de ubichinone prin substituenți din inelul chinoid) coordonați cu ionul Fe 3+ (există un complex similar de ubichinonă Fe 3+ în bacterii). ). În plus, electronul este transferat de-a lungul lanțului, care include plastochinona liberă (HRP), care este prezentă în exces față de celelalte componente ale lanțului, apoi citocromii (C) b 6 și f, care formează un complex cu fierul. -centrul de sulf, prin cel care conţine cupruproteina plastocianină (PC; mol. m. 10400) la centrul de reacție al fotosistemului I.

Centrii sunt restaurați rapid, acceptând un electron printr-o serie de goluri. purtători din apă. Formarea O 2 necesită succesiune. excitarea cvadrupla a centrului de reactie al fotosistemului P si este catalizata de un complex membranar ce contine Mn.

Fotosistemul I poate acționa autonom fără contact cu sistemul II. În acest caz, ciclic transferul de electroni (indicat în linie punctată în diagramă) este însoțit de sinteza ATP, și nu NADPH. Formată în stadiul de lumină coenzimă

NADPH și ATP sunt utilizate în stadiul întunecat al fotosintezei, în timpul căruia NADP și ADP se formează din nou.

Lanțurile de transport de electroni ale bacteriilor fotosintetice sunt în principalele lor caracteristici similare cu fragmentele individuale ale celor din clorofilele plantelor superioare. Pe fig. 3 prezintă lanțul de transport de electroni al bacteriilor violete.

Etapa întunecată a fotosintezei. Toate organismele fotosintetice care produc O 2 , precum și unele bacterii fotosintetice, reduc mai întâi CO 2 la fosfați de zahăr în așa-numita. Ciclul Calvin. În bacteriile fotosintetice, aparent, apar și alte mecanisme. Majoritatea enzimelor ciclului Calvin se găsesc în stare solubilă în stroma cloroplastului.

O diagramă ciclului simplificată este prezentată în fig. 4. Prima etapă - carboxilarea ribulozei-1,5-difosfatului și hidroliza produsului cu formarea a două molecule de 3-fosfoglicerol către tine. Acest acid C3 este fosforilat de ATP cu formarea de 3-fosfogliceroilfosfat, care este apoi redus de NADPH la gliceraldehidă-3-fosfat. Trioza fosfat rezultată intră apoi într-o serie de izomerizări, condensare și rearanjamente, dând 3 molecule de ribuloză-5-fosfat. Acesta din urmă este fosforilat cu participarea ATP cu formarea de rio-loso-1,5-difosfat și, astfel, ciclul se închide. Una dintre cele 6 molecule de gliceraldehidă-3-fosfat formate este transformată în glucoză-6-fosfat și apoi folosită pentru sinteza amidonului sau eliberată din cloroplastă în citoplasmă. Gliceraldehida-3-fosfatul poate fi, de asemenea, transformat în 3-glicerofosfat și apoi în lipide. Triosofosfații proveniți din cloroplast sunt transformați în bazici. în zaharoză, care este transferată din frunză în alte părți ale plantei.

Într-o tură completă a ciclului Calvin, 9 molecule ATP și 6 molecule NADPH sunt consumate pentru a forma o moleculă de 3-fosfoglicerol pentru tine. Energie eficiența ciclului (raportul dintre energia fotonică necesară pentru fotosinteza ATP și NADPH și DG 0 al formării carbohidraților din CO 2 ), ținând cont de concentrațiile de substrat care acționează în stroma cloroplastică, este de 83%. Nu există substanțe fotochimice în ciclul Calvin în sine. stadiile, dar stadiile ușoare îl pot afecta indirect (inclusiv districtele care nu necesită ATP sau NADPH) prin modificări ale concentrațiilor ionilor de Mg 2+ și H +, precum și ale nivelului de reducere a ferredoxinei.

Unele plante superioare care s-au adaptat la o intensitate ridicată a luminii și la climate calde (de exemplu trestia de zahăr, porumb) sunt capabile să prefixeze CO 2 în plus. C 4 cicluri. În același timp, CO 2 este inclus mai întâi în schimbul de acizi dicarboxilici cu patru atomi de carbon, care sunt apoi decarboxilați acolo unde este localizat ciclul Calvin. C 4 -Ciclul este caracteristic plantelor cu un aspect anatomic deosebit. structura frunzei și împărțirea funcțiilor între cele două tipuri de lapte și alte plante rezistente la secetă se caracterizează printr-o separare parțială a fixării CO 2 și a fotosintezei în timp (schimb CAM, sau schimb de tip Crassulaceae; CAM prescurtat din engleză Crassulaceae metabolism acid). În timpul zilei, stomatele (canale prin care se realizează schimbul de gaze din legea conservării masei electronilor. Astfel, s-a obținut confirmarea ideilor despre formarea O 2 prin oxidarea apei. Acest lucru a fost în final demonstrat prin spectrometria de masă. metoda (S. Ruben, M. Kamen, precum și A.P. Vinogradov și R.V. Teis, 1941).

În 1935-41, K. Van Niel a rezumat datele despre fotosinteza plantelor superioare și a bacteriilor și a propus o ecuație generală care să acopere toate tipurile de fotosinteză.X. Gaffron și K. Wohl, precum și L. Duysens în 1936-52 pe baza cantităților. măsurătorile randamentului produșilor de fotosinteză ai luminii absorbite și ale conținutului de clorofilă au formulat conceptul de „unitate fotosintetică” - un ansamblu de molecule 650 nm până la lumină roșie îndepărtată (efect de amplificare sau al doilea efect Emerson). Pe această bază, în anii ’60 a formulat ideea de a acționa consecventfotosisteme din lanțul de transport de electroni al fotosintezei cu maxime în spectrele de acțiune aproape de 680 și 700 HM.

Principal modelele de formare a O 2 în timpul oxidării apei în fotosinteză au fost stabilite în lucrările lui B. Kok și P. Joliot (1969-70). Clarificarea debarcaderului este aproape de finalizare. organizarea complexului membranar care catalizează acest proces. În anii 80. structura componentelor individuale ale fotosintetice a fost studiată în detaliu prin analiza structurală cu raze X. aparate, inclusiv centre de reacție și complexe de recoltare a luminii (I. Deizenhofer, X. Michel, P. Huber).

Lit.: Clayton R., Photosyntech. Mecanisme fizice și modele chimice, trad. din engleză, M., 1984; „J. All-Russian Chemical Society numit după D.I. Mendeleev”, 1986, v. 31, No. 6; Fotosinteza, ed. Govinji, trad. din engleză, vol. 1-2, M., 1987; Rezultatele științei și tehnologiei, ser. Biophysics, vol. 20-22, M., 1987. M.G. Goldfeld.

Mai mult

Plantele obțin apă și minerale din rădăcini. Frunzele asigură nutriția organică a plantelor. Spre deosebire de rădăcini, ele nu se află în sol, ci în aer, prin urmare nu efectuează sol, ci nutriția aerului.

Din istoria studiului nutriției în aer a plantelor

Cunoștințele despre nutriția plantelor s-au acumulat treptat. În urmă cu aproximativ 350 de ani, omul de știință olandez Jan Helmont a lansat pentru prima dată un experiment privind studiul nutriției plantelor. Într-un vas de lut cu pământ, a crescut o salcie, adăugând acolo doar apă. Omul de știință a cântărit cu grijă frunzele căzute. Cinci ani mai târziu, masa salciei, împreună cu frunzele căzute, a crescut cu 74,5 kg, iar masa solului a scăzut cu doar 57 g. Pe baza acestui fapt, Helmont a ajuns la concluzia că toate substanțele din plantă nu sunt formate din sol. , dar din apă. Opinia că planta crește în dimensiune doar datorită apei a persistat până la sfârșitul secolului al XVIII-lea.

În 1771, chimistul englez Joseph Priestley a studiat dioxidul de carbon sau „aerul stricat”, așa cum l-a numit el, și a făcut o descoperire remarcabilă. Dacă aprindeți o lumânare și o acoperiți cu un capac de sticlă, atunci, după ce ați ars puțin, se va stinge. Un șoarece sub o astfel de șapcă începe să se sufoce. Cu toate acestea, dacă o ramură de mentă este plasată sub capac împreună cu mouse-ul, atunci mouse-ul nu se sufocă și continuă să trăiască. Aceasta înseamnă că plantele „corectează” aerul stricat de respirația animalelor, adică transformă dioxidul de carbon în oxigen.

În 1862, botanistul german Julius Sachs a demonstrat prin experimente că plantele verzi nu numai că eliberează oxigen, ci creează și substanțe organice care servesc drept hrană pentru toate celelalte organisme.

Fotosinteză

Principala diferență dintre plantele verzi și alte organisme vii este prezența în celulele lor a cloroplastelor care conțin clorofilă. Clorofila are capacitatea de a capta razele soarelui, a căror energie este necesară pentru a crea substanțe organice. Procesul de formare a materiei organice din dioxid de carbon și apă cu ajutorul energiei solare se numește fotosinteză (greacă: pholos light). În procesul de fotosinteză, nu se formează doar substanțe organice - zaharuri, ci și oxigen este eliberat.

Schematic, procesul de fotosinteză poate fi descris după cum urmează:

Apa este absorbită de rădăcini și se deplasează prin sistemul conducător al rădăcinilor și tulpinii către frunze. Dioxidul de carbon este un constituent al aerului. Intră în frunze prin stomatele deschise. Structura frunzei contribuie la absorbția dioxidului de carbon: suprafața plană a lamelor frunzelor, care crește aria de contact cu aerul și prezența unui număr mare de stomi în piele.

Zaharurile formate ca urmare a fotosintezei sunt transformate în amidon. Amidonul este o substanță organică care nu se dizolvă în apă. Cine este ușor de detectat cu o soluție de iod.

Dovada formării amidonului în frunzele expuse la lumină

Să demonstrăm că în frunzele verzi ale plantelor, amidonul se formează din dioxid de carbon și apă. Pentru a face acest lucru, luați în considerare experimentul, care la un moment dat a fost pus în scenă de Julius Sachs.

O planta de apartament (muscata sau primula) se pastreaza doua zile la intuneric, astfel incat tot amidonul sa fie consumat pentru procesele vitale. Apoi, mai multe frunze sunt acoperite pe ambele părți cu hârtie neagră, astfel încât doar o parte din ele să fie acoperită. În timpul zilei, planta este expusă la lumină, iar noaptea este iluminată suplimentar cu o lampă de masă.

După o zi, frunzele studiate sunt tăiate. Pentru a afla în ce parte din amidonul frunzelor s-a format, frunzele sunt fierte în voință (pentru ca boabele de amidon să se umfle), apoi ținute în alcool fierbinte (clorofila se dizolvă și frunza se decolorează). Apoi frunzele sunt spălate în apă și tratate cu o soluție slabă de iod. Tc părți ale frunzelor care au fost în lumină capătă o culoare albastră din acțiunea iodului. Aceasta înseamnă că amidonul s-a format în celulele părții iluminate a frunzei. Prin urmare, fotosinteza are loc numai în prezența luminii.

Dovezi pentru necesitatea de dioxid de carbon pentru fotosinteză

Pentru a demonstra că dioxidul de carbon este necesar pentru formarea amidonului în frunze, planta de apartament este de asemenea ținută anterior la întuneric. Apoi una dintre frunze se pune într-un balon cu o cantitate mică de apă de var. Balonul este închis cu un tampon de bumbac. Planta este expusă. Dioxidul de carbon este absorbit de apa de var, deci nu va fi în balon. Frunza este tăiată și, la fel ca în experimentul anterior, este examinată pentru prezența amidonului. Se invechiteaza in apa fierbinte si alcool, tratat cu solutie de iod. Cu toate acestea, în acest caz, rezultatul experimentului va fi diferit: foaia nu devine albastră, deoarece. nu contine amidon. Prin urmare, pentru formarea amidonului, pe lângă lumină și apă, este nevoie de dioxid de carbon.

Astfel, am răspuns la întrebarea ce fel de hrană primește planta din aer. Experiența a arătat că este dioxid de carbon. Este necesar pentru formarea materiei organice.

Organismele care creează în mod independent substanțe organice pentru a-și construi corpul se numesc autotrofe (greacă autos - sine, trofe - hrană).

Dovezi pentru formarea de oxigen în timpul fotosintezei

Pentru a demonstra că în timpul fotosintezei, plantele eliberează oxigen în mediul extern, luați în considerare experimentul cu planta acvatică Elodea. Lăstarii de Elodea se coboară într-un vas cu apă și se acoperă cu o pâlnie de sus. Puneți o eprubetă umplută cu apă la capătul pâlniei. Planta este expusă la lumină timp de două până la trei zile. Elodea emană bule de gaz atunci când este expus la lumină. Se acumulează în partea de sus a tubului, deplasând apa. Pentru a afla ce fel de gaz este, eprubeta este îndepărtată cu grijă și se introduce în ea o așchie care mocnește. Torța se aprinde puternic. Aceasta înseamnă că oxigenul s-a acumulat în balon, susținând arderea.

Rolul spațial al plantelor

Plantele care conțin clorofilă sunt capabile să absoarbă energia solară. Prin urmare, K.A. Timiryazev a numit rolul lor pe Pământ cosmic. O parte din energia solară stocată în materia organică poate fi stocată pentru o perioadă lungă de timp. Cărbunele, turba, uleiul sunt formate din substanțe care au fost create de plantele verzi în vremuri geologice străvechi și au absorbit energia Soarelui. Prin arderea materialelor naturale combustibile, o persoană eliberează energia stocată cu milioane de ani în urmă de plantele verzi.

La plante (în principal în frunzele lor), fotosinteza are loc la lumină.

Acesta este un proces în care substanța organică glucoza (un tip de zahăr) se formează din dioxid de carbon și apă. În plus, glucoza din celule este transformată într-o substanță mai complexă, amidonul. Atât glucoza, cât și amidonul sunt carbohidrați.

În procesul de fotosinteză, nu se produce numai materia organică, ci și oxigenul este eliberat ca produs secundar.

Dioxidul de carbon și apa sunt substanțe anorganice, în timp ce glucoza și amidonul sunt organice. Prin urmare, se spune adesea că fotosinteza este procesul de formare a substanțelor organice din substanțe anorganice în lumină. Doar plantele, unele eucariote unicelulare și unele bacterii sunt capabile de fotosinteză. Nu există un astfel de proces în celulele animalelor și ciupercilor, astfel încât acestea sunt forțate să absoarbă substanțe organice din mediu. În acest sens, plantele sunt numite autotrofe, iar animalele și ciupercile sunt numite heterotrofe.

Procesul de fotosinteză la plante are loc în cloroplaste, care conțin pigmentul verde clorofilă.

Deci, pentru ca fotosinteza să aibă loc, aveți nevoie de:

clorofilă,

dioxid de carbon.

Procesul de fotosinteză produce:

materie organică,

oxigen.

Plantele sunt adaptate pentru a capta lumina. La multe plante erbacee, frunzele sunt colectate în așa-numita rozetă bazală, atunci când frunzele nu se umbră unele pe altele. Copacii se caracterizează prin mozaic de frunze, în care frunzele cresc în așa fel încât să se ascundă cât mai puțin una pe cealaltă. La plante, lamele frunzelor se pot întoarce spre lumină datorită îndoirii pețiolelor frunzelor. Cu toate acestea, există plante iubitoare de umbră care pot crește doar la umbră.

Apăpentru fotosintezăajungeîn frunzedin rădăcinide-a lungul tulpinii. Prin urmare, este important ca planta să primească suficientă umiditate. Cu lipsa apei și a anumitor minerale, procesul de fotosinteză este inhibat.

Dioxid de carbonluate pentru fotosintezădirectde nicaierifrunze. Oxigenul, care este produs de plantă în timpul fotosintezei, dimpotrivă, este eliberat în aer. Schimbul de gaze este facilitat de spațiile intercelulare (golurile dintre celule).

Substanțele organice formate în procesul de fotosinteză sunt parțial folosite în frunzele înseși, dar curg în principal în toate celelalte organe și se transformă în alte substanțe organice, sunt folosite în metabolismul energetic și sunt transformate în nutrienți de rezervă.

fotosinteza plantelor

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

Fotosinteza joacă un rol principal în procesele biosferice, conducând la scară globală la formarea materiei organice din materie anorganică.

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

Procese în foaie

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

Majoritatea plantelor sunt capabile să sintetizeze clorofila în lumină slabă. În lumina directă a soarelui, clorofila este sintetizată mai rapid.
Energia luminoasă necesară fotosintezei, în anumite limite, este absorbită cu atât mai mult, cu atât frunza este mai puțin întunecată. Prin urmare, în procesul de evoluție, plantele au dezvoltat capacitatea de a întoarce placa frunzelor spre lumină, astfel încât să cadă mai multă lumină solară asupra ei. Frunzele de pe plantă sunt aranjate astfel încât să nu se asuprească unele pe altele.
Timiryazev a demonstrat că sursa de energie pentru fotosinteză sunt în principal razele roșii ale spectrului. Acest lucru este indicat de spectrul de absorbție al clorofilei, unde banda de absorbție cea mai intensă este observată în roșu, iar mai puțin intensă - în partea albastru-violet.

Foto: Nat Tarbox

În cloroplaste, alături de clorofilă, există pigmenți de caroten și xantofilă. Ambii acești pigmenți absorb razele albastre și parțial verzi și transmit roșu și galben. Unii oameni de știință atribuie carotenului și xantofilei rolul de ecrane care protejează clorofila de efectele dăunătoare ale razelor albastre.
Procesul de fotosinteză constă dintr-un număr de reacții succesive, dintre care unele au loc cu absorbția energiei luminoase, iar altele în întuneric. Produșii finali stabili ai fotosintezei sunt carbohidrații (zaharurile și apoi amidonul), acizii organici, aminoacizii și proteinele.
Fotosinteza în diferite condiții se desfășoară cu intensitate diferită.

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

Plantele se evaporă sau transferă cantități foarte mari de apă. Evaporarea apei este unul dintre motivele curentului ascendent. Datorită evaporării apei de către plantă, în ea se acumulează substanțe minerale, iar în timpul încălzirii solare are loc o scădere a temperaturii utile plantei.
Planta reglează procesul de evaporare a apei prin lucrul stomatelor. Depunerea cuticulei sau a stratului de ceară pe epidermă, formarea firelor de păr și alte adaptări au ca scop reducerea transperării nereglementate.

Procesul de fotosinteză și respirația continuă a celulelor vii ale frunzei necesită schimb de gaze între țesuturile interne ale frunzei și atmosferă. În procesul de fotosinteză, dioxidul de carbon asimilat este absorbit din atmosferă și returnat în atmosferă cu oxigen.
Utilizarea metodei izotopice de analiză a arătat că oxigenul reîntors în atmosferă prin 16O aparține apei, și nu dioxidului de carbon din aer, în care predomină celălalt izotop al acestuia, 15O. În timpul respirației celulelor vii (oxidarea substanțelor organice din interiorul celulei de către oxigenul liber la dioxid de carbon și apă), oxigenul trebuie furnizat din atmosferă și dioxidul de carbon returnat. Acest schimb de gaze se realizează în principal prin aparatul stomatic.

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

Intensitatea fotosintezei la plantele lemnoase variază mult în funcție de interacțiunea multor factori externi și interni, iar aceste interacțiuni se modifică în timp și sunt diferite pentru diferite specii.

Capacitatea fotosintetică este uneori măsurată prin creșterea netă în greutate uscată. Astfel de date sunt de o importanță deosebită deoarece câștigul este creșterea medie reală în greutate pe o perioadă lungă de timp în condiții de mediu care includ solicitări intermitente normale.
Unele specii de angiosperme efectuează o fotosinteză eficientă atât la intensități luminoase scăzute, cât și la cele mari. Multe gimnosperme sunt mult mai productive în condiții de lumină ridicată. Compararea acestor două grupuri la intensitate luminoasă scăzută și ridicată oferă adesea o idee diferită a capacității fotosintetice în ceea ce privește acumularea de nutrienți. În plus, gimnospermele acumulează adesea o parte de substanță uscată în timpul repausului, în timp ce angiospermele de foioase o pierd prin respirație. Prin urmare, o plantă gimnospermă cu o rată de fotosinteză ceva mai mică decât o angiospermă de foioase în perioada de creștere poate acumula la fel de mult sau chiar mai multă masă uscată totală în timpul anului datorită perioadei mult mai lungi de activitate fotosintetică.

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

N.Yu.FEOKTISTOVA

planta viata de noapte

Orhideea Dendrobium speciosum, care deschide flori numai noaptea

Ce fac plantele noaptea? Unul ar dori să răspundă la această întrebare: „Odihnă”. La urma urmei, s-ar părea că întreaga „viață activă” a unei plante are loc în timpul zilei. În timpul zilei, florile se deschid și sunt polenizate de insecte, frunzele se desfășoară, tulpinile tinere cresc și își trag vârfurile spre soare. În timpul zilei, plantele folosesc energia solară pentru a transforma dioxidul de carbon pe care îl absorb din aerul atmosferic în zahăr.

Cu toate acestea, planta nu numai că sintetizează substanțe organice, ci le folosește și în procesul de respirație, oxidându-se din nou la dioxid de carbon și absorbind oxigen. Dar cantitatea de oxigen de care plantele au nevoie pentru respirație este de aproximativ 30 de ori mai mică decât cea eliberată în timpul fotosintezei. Noaptea, pe întuneric, fotosinteza nu are loc, dar nici în acest moment, plantele consumă atât de puțin oxigen încât acest lucru nu ne afectează deloc. Prin urmare, vechea tradiție de a scoate plantele din camera bolnavului noaptea este complet nefondată.

Și există o serie de specii de plante care consumă dioxid de carbon noaptea. Deoarece energia luminii solare necesară pentru reducerea completă a carbonului nu este disponibilă în acest moment, zahărul, desigur, nu se formează. Dar dioxidul de carbon absorbit din aer este stocat în compoziția acizilor malic sau aspartic, care apoi, deja la lumină, se descompun din nou, eliberând CO2. Aceste molecule de dioxid de carbon sunt incluse în ciclul reacțiilor de bază ale fotosintezei - așa-numitul ciclu Calvin. La majoritatea plantelor, acest ciclu începe cu captarea unei molecule de CO2 direct din aer. O astfel de metodă „simple” se numește calea C3 a fotosintezei, iar dacă dioxidul de carbon este pre-depozitat în acid malic, aceasta este calea C4.

S-ar părea, de ce avem nevoie de complexitate suplimentară? În primul rând, pentru a economisi apă. La urma urmei, o plantă poate absorbi dioxidul de carbon doar prin stomatele deschise, prin care apa se evaporă. Și în timpul zilei, la căldură, prin stomată se pierde mult mai multă apă decât noaptea. Și la plantele C4, stomatele sunt închise în timpul zilei, iar apa nu se evaporă. Aceste instalații efectuează schimburi de gaze în timpul nopții reci. În plus, calea C4 este în general mai eficientă; permite sinteza unei cantități mai mari de substanțe organice pe unitatea de timp. Dar numai în condiții de iluminare bună și la o temperatură a aerului suficient de ridicată.

Deci fotosinteza C4 este caracteristică „sudicilor” - plante din regiunile fierbinți. Este inerent în majoritatea cactusilor, în alte suculente, în o serie de bromeliade - de exemplu, binecunoscutul ananas ( Ananas comosus), trestie de zahăr și porumb.

Interesant este că încă din 1813, cu mult înainte de a fi cunoscute reacțiile biochimice care stau la baza fotosintezei, cercetătorul Benjamin Hayne a scris Societății Științifice Linnean că frunzele unui număr de plante suculente aveau un gust deosebit de înțepător dimineața, iar apoi, la mijloc, al zilei, gustul lor devine mai moale.

Capacitatea de a utiliza CO2 legat în acizi organici este determinată genetic, dar implementarea acestui program este și sub controlul mediului extern. În ploaie abundentă, când nu există nicio amenințare de uscare, iar iluminarea este scăzută, plantele C4 își pot deschide stomatele în timpul zilei și pot trece la calea normală C3.

Ce se mai poate întâmpla cu plantele noaptea?

Unele specii s-au adaptat pentru a-și atrage polenizatorii noaptea. Pentru a face acest lucru, folosesc diferite mijloace: atât mirosul care se intensifică noaptea, cât și culoarea care este plăcută și vizibilă pentru ochiul polenizatorilor nocturni - alb sau gălbui-bej. Fluturii de noapte zboară spre astfel de flori. Ei sunt cei care polenizează florile de iasomie. Iasminum), gardenii ( Gardenie), flori de luna ( Ipomea alba), serile sau violetele de noapte ( Hesperis), dragoste cu două frunze ( Platanthera bifolia), crini creț ( lilium martagon) și o serie de alte plante.

Lilium martagon, desen de epocă

Și există plante (se numesc chiropterofile) care sunt polenizate noaptea de lilieci. Cele mai multe dintre aceste plante sunt în tropicele din Asia, America și Australia, mai puțin în Africa. Acestea sunt banane, agave, boabab, unii reprezentanți ai familiilor de mirt, leguminoase, begonie, gesneriaceae, cianotice.

Florile plantelor chiropterofile se deschid numai la amurg și nu diferă în luminozitatea culorii - de regulă, sunt galben-verzui, maro sau violet. Mirosul unor astfel de flori este foarte specific, adesea neplăcut pentru noi, dar probabil atractiv pentru lilieci. În plus, florile plantelor chiropterofile sunt de obicei mari, cu un periant puternic și sunt prevăzute cu „terenuri de aterizare” pentru polenizatorii lor. Pedicelele groase și pedunculii sau secțiunile fără frunze de ramuri adiacente florilor pot acționa ca astfel de locuri.

Unele plante chiropterofile chiar „vorbesc” cu polenizatorii lor, atrăgându-le. Când floarea târâtoare Mucuna holtonii, aparținând familiei leguminoase și care crește în pădurile tropicale din America Centrală, devine gata de polenizare, una dintre petalele sale capătă o formă specifică concavă. Acest lob concav concentrează și reflectă semnalul emis de liliecii care au plecat în căutarea hranei și, astfel, îi informează despre locația lor.

Dar nu numai mamiferele chiroptere polenizează florile. La tropice sunt cunoscute peste 40 de specii de animale din alte ordine, care participă activ la polenizarea a aproximativ 25 de specii de plante. Multe dintre aceste plante, precum cele polenizate de lilieci, au flori mari și puternice, adesea urât mirositoare și produc cantități mari de polen și nectar. De obicei, numărul de flori pe astfel de plante sau în inflorescențele lor este mic, florile sunt situate jos deasupra solului și se deschid doar noaptea pentru a asigura un confort maxim pentru animalele nocturne.

Viața de noapte a florilor nu se limitează la atragerea polenizatorilor. Un număr de plante închid petalele noaptea, dar în același timp insectele rămân să petreacă noaptea în interiorul florii. Cel mai faimos exemplu de astfel de „hotel” pentru insecte este crinul Amazon ( Victoria amazonica). Europenii au văzut-o pentru prima dată în 1801, iar o descriere detaliată a plantei a fost făcută în 1837 de botanistul englez Schomburg. Omul de știință a fost pur și simplu uimit atât de frunzele sale gigantice, cât și de florile minunate și a numit floarea „Nymphea Victoria”, în onoarea reginei engleze Victoria.

Semințele de Victoria amazonica au fost trimise pentru prima dată în Europa în 1827, dar apoi nu au germinat. În 1846 semințele au fost trimise din nou în Europa, de data aceasta în sticle de apă. Și nu numai că au îndurat perfect drumul, dar s-au dezvoltat și în plante cu drepturi depline, care au înflorit după 3 ani. S-a întâmplat în grădina botanică „Kew” din Anglia. Vestea că Victoria ar trebui să înflorească s-a răspândit rapid nu numai printre angajații grădinii botanice, ci și printre artiști și reporteri. O mulțime uriașă se adunase în seră. Toată lumea se uita la ceas cu nerăbdare, așteptând să se deschidă floarea. La ora 17, mugurul încă închis s-a ridicat deasupra apei, sepalele i s-au deschis și au apărut petale albe ca zăpada. Un miros minunat de ananas copt răspândit în toată sera. După câteva ore, floarea s-a închis și s-a scufundat sub apă. Din nou, a apărut abia la 19 seara a doua zi. Dar, spre surprinderea tuturor celor prezenți, petalele florii minune nu mai erau albe, ci roz aprins. Curând au început să cadă, în timp ce culoarea lor devenea din ce în ce mai intensă. După căderea completă a petalelor, a început mișcarea activă a staminelor, care, conform celor prezenți, era chiar audibilă.

Dar, pe lângă frumusețea extraordinară, florile Victoria au și caracteristici uimitoare asociate cu atragerea insectelor. În prima zi, temperatura în floarea albă Victoria crește cu aproximativ 11 ° C în comparație cu aerul din jur, iar spre seară, odată cu apariția răcorului, un număr mare de insecte se acumulează în acest „loc cald”. În plus, pe carpelele florii se formează corpuri alimentare speciale, care atrag și polenizatorii. Când floarea se închide și se scufundă sub apă, insectele coboară cu ea. Acolo își petrec noaptea și toată ziua următoare, până când floarea iese din nou la suprafață. Numai că acum este deja frig și nu este parfumat, iar insectele încărcate cu polen zboară în căutare de noi flori albe calde și parfumate pentru a le poleniza și, în același timp, petrec noaptea în următorul „hotel” cald și sigur.

O altă floare, poate nu mai puțin frumoasă, oferă și polenizatorilor săi apartamente de noapte - acesta este un lotus. Există două feluri de lotus. În Lumea Veche, lotusul de nuc cu flori roz crește, iar în America - lotusul american cu flori galbene. Lotusul este capabil să mențină o temperatură relativ constantă în interiorul florilor sale - mult mai mare decât temperatura aerului din jur. Chiar dacă afară este doar +10°С, în interiorul florii este +30...+35°С!

Florile de lotus se încălzesc cu 1-2 zile înainte de deschidere și se menține o temperatură constantă în ele timp de 2-4 zile. În acest timp, anterele se coc, iar stigma pistilului devine capabilă să primească polen.

Lotusul este polenizat de gândaci și albine, pentru care zborul activ necesită o temperatură de aproximativ 30 ° C. Dacă insectele se găsesc într-o floare după închiderea acesteia și își petrec noaptea în căldură și confort, mișcându-se activ și acoperindu-se cu polen, atunci dimineața, când floarea se deschide, sunt imediat capabile să zboare către alte flori. Astfel, „oaspeții” lotusului primesc un avantaj față de insectele amorțite care au petrecut noaptea în frig. Deci, căldura florii, transferată insectei, contribuie la prosperitatea populației de lotus.

Mulți membri ai familiei aroid, cum ar fi gigantul amorfofal ( Amorphophallus titanus), cunoscutele monstera și filodendronii au pețiole de flori care produc căldură noaptea, sporind mirosul și ajutând insectele polenizatoare să petreacă noaptea cu confort maxim. Mirosul neplăcut al amorfofalului atrage, de exemplu, o mulțime de gândaci, care găsesc printre petalele unei inflorescențe uriașe un apartament cald, mâncare și parteneri de căsătorie. O altă plantă interesantă din familia aroidului - Typophonium brownii - imită grămezi de excremente de animale, atrăgând gândacii de bălegar, pe care îi „prinde” noaptea și forțează să-și transporte polenul pe sine.

Fotosinteză este procesul de sinteză a substanțelor organice din substanțe anorganice folosind energia luminii. În marea majoritate a cazurilor, fotosinteza este efectuată de plante folosind organele celulare precum cloroplaste care conţine pigmentul verde clorofilă.

Dacă plantele nu ar fi capabile să sintetizeze materie organică, atunci aproape toate celelalte organisme de pe Pământ nu ar avea ce să mănânce, deoarece animalele, ciupercile și multe bacterii nu pot sintetiza substanțe organice din cele anorganice. Ei le absorb doar pe cele gata făcute, le împart în altele mai simple, din care le asamblează din nou pe cele complexe, dar deja caracteristice corpului lor.

Acesta este cazul dacă vorbim foarte pe scurt despre fotosinteză și rolul acesteia. Pentru a înțelege fotosinteza, trebuie să spuneți mai multe: ce substanțe anorganice specifice sunt folosite, cum are loc sinteza?

Fotosinteza necesită două substanțe anorganice - dioxid de carbon (CO2) și apă (H2O). Primul este absorbit din aer de părțile aeriene ale plantelor, în principal prin stomate. Apa - din sol, de unde este livrata celulelor fotosintetice de catre sistemul conductor al plantelor. Fotosinteza necesită și energia fotonilor (hν), dar aceștia nu pot fi atribuiți materiei.

În total, fotosinteza produce materie organică și oxigen (O2). De obicei, prin materie organică se înțelege cel mai adesea glucoza (C6H12O6).

Compușii organici sunt alcătuiți în mare parte din atomi de carbon, hidrogen și oxigen. Se găsesc în dioxid de carbon și apă. Cu toate acestea, fotosinteza eliberează oxigen. Atomii săi provin din apă.

Pe scurt și în general, ecuația pentru reacția fotosintezei este de obicei scrisă după cum urmează:

6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2

Dar această ecuație nu reflectă esența fotosintezei, nu o face de înțeles. Uite, deși ecuația este echilibrată, are în total 12 atomi în oxigen liber.Dar noi am spus că provin din apă și sunt doar 6.

De fapt, fotosinteza are loc în două faze. Primul se numește ușoară, al doilea - întuneric. Astfel de denumiri se datorează faptului că lumina este necesară doar pentru faza luminoasă, faza întunecată este independentă de prezența sa, dar asta nu înseamnă că merge în întuneric. Faza ușoară se desfășoară pe membranele tilacoidelor cloroplastei, faza întunecată - în stroma cloroplastei.

În faza de lumină, legarea CO2 nu are loc. Există doar captarea energiei solare de către complexele de clorofilă, stocarea acesteia în ATP, utilizarea energiei pentru reducerea NADP la NADP*H2. Fluxul de energie din clorofilă excitat de lumină este asigurat de electronii transmiși prin lanțul de transport de electroni al enzimelor construite în membranele tilacoide.

Hidrogenul pentru NADP este luat din apă, care, sub acțiunea luminii solare, se descompune în atomi de oxigen, protoni de hidrogen și electroni. Acest proces se numește fotoliză. Oxigenul din apă nu este necesar pentru fotosinteză. Atomii de oxigen din două molecule de apă se combină pentru a forma oxigen molecular. Ecuația de reacție pentru faza luminoasă a fotosintezei arată pe scurt astfel:

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

Astfel, eliberarea de oxigen are loc în faza luminoasă a fotosintezei. Numărul de molecule de ATP sintetizate din ADP și acid fosforic pe fotoliza unei molecule de apă poate fi diferit: unul sau două.

Deci, ATP și NADP * H2 intră în faza întunecată din faza luminoasă. Aici, energia primului și forța de restabilire a celui de-al doilea sunt cheltuite pentru legarea dioxidului de carbon. Această etapă a fotosintezei nu poate fi explicată simplu și concis, deoarece nu se desfășoară în așa fel încât șase molecule de CO2 să se combine cu hidrogenul eliberat din moleculele NADP*H2 pentru a forma glucoză:

6CO2 + 6NADP*H2 →С6H12O6 + 6NADP
(reacția are loc cu cheltuirea energiei din ATP, care se descompune în ADP și acid fosforic).

Reacția de mai sus este doar o simplificare pentru ușurință de înțelegere. De fapt, moleculele de dioxid de carbon se leagă una câte una, alăturându-se materiei organice cu cinci atomi de carbon deja pregătite. Se formează o substanță organică instabilă cu șase atomi de carbon, care se descompune în molecule de carbohidrați cu trei atomi de carbon. Unele dintre aceste molecule sunt folosite pentru resinteza substanței inițiale cu cinci atomi de carbon pentru legarea CO2. Această resinteză este asigurată Ciclul Calvin. O parte mai mică a moleculelor de carbohidrați, care include trei atomi de carbon, părăsește ciclul. Deja din ele și din alte substanțe, toate celelalte substanțe organice (carbohidrați, grăsimi, proteine) sunt sintetizate.

Adică, de fapt, zaharurile cu trei atomi de carbon, și nu glucoza, ies din faza întunecată a fotosintezei.

Plantele primesc tot ce au nevoie pentru creștere și dezvoltare din mediu. Prin aceasta se deosebesc de alte organisme vii. Pentru ca acestea să se dezvolte bine, au nevoie de sol fertil, udare naturală sau artificială și iluminare bună. Nimic nu va crește în întuneric.

Solul este o sursă de apă și compuși organici nutritivi, oligoelemente. Dar copacii, florile, iarba au nevoie și de energie solară. Sub influența luminii solare apar anumite reacții, în urma cărora dioxidul de carbon absorbit din aer este transformat în oxigen. Acest proces se numește fotosinteză. O reacție chimică care are loc sub influența luminii solare duce, de asemenea, la formarea de glucoză și apă. Aceste substanțe sunt vitale pentru dezvoltarea plantei.

În limbajul chimiștilor, reacția arată astfel: 6CO2 + 12H2O + lumină = C6H12O6 + 6O2 + 6H2O. Ecuație simplificată: dioxid de carbon + apă + lumină = glucoză + oxigen + apă.

Literal, „fotosinteza” este tradusă ca „împreună cu lumina”. Acest cuvânt este format din două cuvinte simple „foto” și „sinteză”. Soarele este o sursă foarte puternică de energie. Oamenii îl folosesc pentru a genera electricitate, a izola casele și a încălzi apa. De asemenea, plantele au nevoie de energia soarelui pentru a susține viața. Glucoza, produsă în timpul fotosintezei, este un zahăr simplu care este unul dintre cei mai importanți nutrienți. Plantele îl folosesc pentru creștere și dezvoltare, iar excesul este depus în frunze, semințe și fructe. Nu toată cantitatea de glucoză rămâne neschimbată în părțile verzi ale plantelor și fructelor. Zaharurile simple tind să se transforme în altele mai complexe, care includ amidonul. Plantele folosesc aceste rezerve în perioadele de deficit de nutrienți. Ei sunt cei care determină valoarea nutritivă a ierburilor, fructelor, florilor, frunzelor pentru animale și oameni care mănâncă alimente vegetale.

Cum absorb plantele lumina?

Procesul de fotosinteză este destul de complex, dar poate fi descris pe scurt, astfel încât să devină de înțeles chiar și pentru copiii de vârstă școlară. Una dintre cele mai frecvente întrebări se referă la mecanismul de absorbție a luminii. Cum ajunge energia luminoasă în plante? Procesul de fotosinteză are loc în frunze. În frunzele tuturor plantelor există celule verzi - cloroplaste. Conțin o substanță numită clorofilă. Clorofila este pigmentul care conferă frunzelor culoarea verde și este responsabil pentru absorbția energiei luminoase. Mulți oameni nu s-au gândit de ce frunzele majorității plantelor sunt largi și plate. Se pare că natura nu asigură acest lucru întâmplător. Suprafața largă vă permite să absorbiți mai multă lumină solară. Din același motiv, panourile solare sunt făcute late și plate.

Partea superioară a frunzelor este protejată de un strat de ceară (cuticulă) de pierderea apei și de efectele adverse ale intemperiilor, dăunătorilor. Se numește palisada. Dacă te uiți cu atenție la frunză, poți vedea că partea superioară a acesteia este mai strălucitoare și mai netedă. Culoarea saturată se obține datorită faptului că în această parte sunt mai multe cloroplaste. Excesul de lumină poate reduce capacitatea plantei de a produce oxigen și glucoză. Sub influența soarelui strălucitor, clorofila este deteriorată și acest lucru încetinește fotosinteza. O încetinire are loc și odată cu apariția toamnei, când există mai puțină lumină, iar frunzele încep să se îngălbenească din cauza distrugerii cloroplastelor din ele.

Rolul apei în cursul fotosintezei și în menținerea vieții plantelor nu poate fi subestimat. Apa este necesară pentru:

• furnizarea plantelor cu minerale dizolvate în ea;
• menținerea tonului;
• răcire;
• posibilitatea unor reacții chimice și fizice.

Copacii, arbuștii, florile absorb apa din sol cu ​​rădăcinile lor, iar apoi umiditatea crește de-a lungul tulpinii, trece în frunze de-a lungul venelor care sunt vizibile chiar și cu ochiul liber.

Dioxidul de carbon intră prin mici găuri din partea inferioară a frunzei - stomate. În partea de jos a frunzei, celulele sunt dispuse în așa fel încât dioxidul de carbon să poată pătrunde mai adânc. De asemenea, permite oxigenului produs prin fotosinteză să părăsească cu ușurință frunza. Ca toate organismele vii, plantele sunt dotate cu capacitatea de a respira. În același timp, spre deosebire de animale și oameni, ei absorb dioxidul de carbon și eliberează oxigen, și nu invers. Acolo unde sunt multe plante, aerul este foarte curat și proaspăt. De aceea este atât de important să aveți grijă de copaci, arbuști, să aranjați piețe și parcuri în orașele mari.

Fazele luminoase și întunecate ale fotosintezei

Procesul de fotosinteză este complex și constă din două faze - lumină și întuneric. Faza de lumină este posibilă numai în prezența luminii solare. Sub influența luminii, moleculele de clorofilă sunt ionizate, ducând la formarea energiei, care servește ca catalizator pentru o reacție chimică. Ordinea evenimentelor care au loc în această fază este următoarea:

• lumina intră în molecula de clorofilă, care este absorbită de pigmentul verde și o pune într-o stare excitată;
• are loc divizarea apei;
• Se sintetizează ATP, care este un acumulator de energie.

Faza întunecată a fotosintezei se desfășoară fără participarea energiei luminoase. În această etapă, se formează glucoză și oxigen. Este important să înțelegem că formarea glucozei și a oxigenului are loc non-stop, și nu doar noaptea. Faza întunecată este numită deoarece prezența luminii nu mai este necesară pentru ca aceasta să continue. Catalizatorul este ATP, care a fost sintetizat mai devreme.

Importanța fotosintezei în natură

Fotosinteza este unul dintre cele mai importante procese naturale. Este necesar nu numai pentru întreținerea vieții plantelor, ci și pentru toată viața de pe planetă. Fotosinteza este necesară pentru:

• asigurarea animalelor și oamenilor cu hrană;
• eliminarea dioxidului de carbon și saturarea aerului cu oxigen;
• menținerea ciclului nutrienților.

Toate plantele depind de viteza de fotosinteză. Energia solară poate fi văzută ca un factor care încurajează sau inhibă creșterea. De exemplu, în regiunile și regiunile sudice există mult soare și plantele pot crește destul de înalte. Dacă luăm în considerare modul în care se desfășoară procesul în ecosistemele acvatice, nu lipsește lumina solară pe suprafața mărilor și oceanelor, iar în aceste straturi se observă o creștere abundentă a algelor. În straturile mai adânci de apă există o lipsă de energie solară, ceea ce afectează rata de creștere a florei acvatice.

Procesul de fotosinteză contribuie la formarea stratului de ozon în atmosferă. Acest lucru este foarte important, deoarece ajută la protejarea întregii vieți de pe planetă de efectele nocive ale razelor ultraviolete.

Fiecare ființă vie de pe planetă are nevoie de hrană sau energie pentru a supraviețui. Unele organisme se hrănesc cu alte creaturi, în timp ce altele își pot produce propriile nutrienți. Ei își produc singuri hrana, glucoza, într-un proces numit fotosinteză.

Fotosinteza și respirația sunt interconectate. Rezultatul fotosintezei este glucoza, care este stocată ca energie chimică în organism. Această energie chimică stocată provine din conversia carbonului anorganic (dioxid de carbon) în carbon organic. Procesul de respirație eliberează energia chimică stocată.

Pe lângă produsele pe care le produc, plantele au nevoie și de carbon, hidrogen și oxigen pentru a supraviețui. Apa absorbită din sol oferă hidrogen și oxigen. În timpul fotosintezei, carbonul și apa sunt folosite pentru a sintetiza alimentele. Plantele au nevoie și de nitrați pentru a produce aminoacizi (un aminoacid este un ingredient pentru producerea proteinelor). În plus, au nevoie de magneziu pentru a produce clorofilă.

Nota: Se numesc viețuitoare care depind de alte alimente. Ierbivorele, cum ar fi vacile, precum și plantele care mănâncă insecte, sunt exemple de heterotrofe. Se numesc ființe vii care își produc propria hrană. Plantele verzi și algele sunt exemple de autotrofe.

În acest articol, veți afla mai multe despre cum are loc fotosinteza la plante și despre condițiile necesare pentru acest proces.

Definiţia photosynthesis

Fotosinteza este procesul chimic prin care plantele, unele și algele produc glucoză și oxigen din dioxid de carbon și apă, folosind doar lumina ca sursă de energie.

Acest proces este extrem de important pentru viața de pe Pământ, deoarece eliberează oxigen, de care depinde toată viața.

De ce plantele au nevoie de glucoză (hrană)?

La fel ca oamenii și alte viețuitoare, și plantele au nevoie de hrană pentru a rămâne în viață. Valoarea glucozei pentru plante este următoarea:

• Glucoza obtinuta din fotosinteza este folosita in timpul respiratiei pentru a elibera energia necesara plantei pentru alte procese vitale.
• Celulele vegetale transformă, de asemenea, o parte din glucoză în amidon, care este utilizat după cum este necesar. Din acest motiv, plantele moarte sunt folosite ca biomasă deoarece înmagazinează energie chimică.
• Glucoza este, de asemenea, necesară pentru a produce alte substanțe chimice, cum ar fi proteinele, grăsimile și zaharurile din plante necesare creșterii și altor procese esențiale.

Fazele fotosintezei

Procesul de fotosinteză este împărțit în două faze: lumină și întuneric.

Faza ușoară a fotosintezei

După cum sugerează și numele, fazele luminoase au nevoie de lumina soarelui. În reacțiile dependente de lumină, energia luminii solare este absorbită de clorofilă și transformată în energie chimică stocată sub forma moleculei purtătoare de electroni NADPH (nicotinamidă adenin dinucleotidă fosfat) și a moleculei energetice ATP (adenozin trifosfat). Fazele de lumină apar în membranele tilacoide din cloroplast.

Faza întunecată a fotosintezei sau ciclul Calvin

În faza întunecată sau ciclul Calvin, electronii excitați din faza luminoasă furnizează energie pentru formarea carbohidraților din moleculele de dioxid de carbon. Fazele independente de lumină sunt uneori numite ciclu Calvin din cauza naturii ciclice a procesului.

Deși fazele întunecate nu folosesc lumina ca reactant (și ca rezultat pot apărea ziua sau noaptea), ele necesită produsele reacțiilor dependente de lumină pentru a funcționa. Moleculele independente de lumină depind de moleculele purtătoare de energie ATP și NADPH pentru a crea noi molecule de carbohidrați. După transferul de energie către molecule, purtătorii de energie revin la fazele de lumină pentru a obține electroni mai energici. În plus, mai multe enzime în fază întunecată sunt activate de lumină.

Diagrama fazelor fotosintezei

Nota: Aceasta înseamnă că fazele întunecate nu vor continua dacă plantele sunt lipsite de lumină prea mult timp, deoarece folosesc produsele fazelor luminoase.

Structura frunzelor plantelor

Nu putem înțelege pe deplin fotosinteza fără a ști mai multe despre structura frunzelor. Frunza este adaptată să joace un rol vital în procesul de fotosinteză.

Structura externă a frunzelor

• Pătrat

Una dintre cele mai importante caracteristici ale plantelor este suprafața mare a frunzelor. Majoritatea plantelor verzi au frunze largi, plate și deschise, care sunt capabile să capteze atâta energie solară (lumina solară) cât este necesară pentru fotosinteză.

• Vena centrală și pețiol

nervura mediană și pețiolul se unesc și formează baza frunzei. Pețiolul poziționează frunza în așa fel încât să primească cât mai multă lumină.

• limbul frunzei

Frunzele simple au o singură limbă, în timp ce frunzele compuse au mai multe. Lama frunzei este una dintre cele mai importante componente ale frunzei, care este direct implicată în procesul de fotosinteză.

• venelor

O rețea de vene din frunze transportă apa de la tulpini la frunze. Glucoza eliberată este trimisă și în alte părți ale plantei din frunze prin vene. În plus, aceste părți ale frunzei susțin și țin placa frunzei plată pentru o captare mai bună a luminii solare. Dispunerea nervurilor (venația) depinde de tipul de plantă.

• baza frunzelor

Baza frunzei este partea sa cea mai inferioară, care este articulată cu tulpina. Adesea, la baza frunzei există o pereche de stipule.

• marginea frunzei

In functie de tipul de planta, marginea frunzei poate avea diverse forme, printre care: intreaga, zimtata, zimtata, crestata, crenata etc.

• Vârful frunzei

La fel ca marginea frunzei, vârful vine într-o varietate de forme, inclusiv: ascuțit, rotund, tocit, alungit, retras etc.

Structura internă a frunzelor

Mai jos este o diagramă apropiată a structurii interne a țesuturilor frunzelor:

• Cuticulă

Cuticula acționează ca principalul strat protector pe suprafața plantei. De regulă, este mai gros pe partea de sus a foii. Cuticula este acoperită cu o substanță asemănătoare ceară care protejează planta de apă.

• Epidermă

Epiderma este un strat de celule care este țesutul tegumentar al frunzei. Funcția sa principală este de a proteja țesuturile interne ale frunzei de deshidratare, deteriorări mecanice și infecții. De asemenea, reglează procesul de schimb de gaze și transpirație.

• Mezofila

Mezofila este țesutul principal al plantei. Aici are loc procesul de fotosinteză. La majoritatea plantelor, mezofila este împărțită în două straturi: cel superior este palisat și cel inferior este spongios.

• Celulele protectoare

Celulele de gardă sunt celule specializate din epiderma frunzelor care sunt utilizate pentru a controla schimbul de gaze. Ele îndeplinesc o funcție de protecție a stomatelor. Porii stomatici devin mari atunci cand apa este disponibila in mod liber, in caz contrar celulele protectoare devin letargice.

• Stoma

Fotosinteza depinde de pătrunderea dioxidului de carbon (CO2) din aer prin stomate în țesuturile mezofile. Oxigenul (O2), obținut ca produs secundar al fotosintezei, iese din plantă prin stomată. Când stomatele sunt deschise, apa se pierde prin evaporare și trebuie completată prin fluxul de transpirație de către apa preluată de rădăcini. Plantele sunt nevoite să echilibreze cantitatea de CO2 absorbită din aer și pierderea de apă prin porii stomatici.

Condiții necesare pentru fotosinteză

Următoarele sunt condițiile de care plantele au nevoie pentru a efectua procesul de fotosinteză:

• Dioxid de carbon. Un gaz natural incolor, inodor găsit în aer și are denumirea științifică CO2. Se formează în timpul arderii carbonului și a compușilor organici și apare și în timpul respirației.
• Apă. Substanță chimică lichidă transparentă, inodoră și fără gust (în condiții normale).
• Ușoară. Deși lumina artificială este potrivită și pentru plante, lumina naturală a soarelui creează, în general, cele mai bune condiții pentru fotosinteză, deoarece conține radiații ultraviolete naturale, care au un efect pozitiv asupra plantelor.
• Clorofilă. Este un pigment verde care se găsește în frunzele plantelor.
• Nutrienți și minerale. Produse chimice și compuși organici pe care rădăcinile plantelor îi absorb din sol.

Ce se formează în urma fotosintezei?

• Glucoză;
• Oxigen.

(Energia luminoasă este afișată în paranteze deoarece nu este o substanță)

Nota: Plantele iau CO2 din aer prin frunze și apa din sol prin rădăcini. Energia luminii vine de la Soare. Oxigenul rezultat este eliberat în aer din frunze. Glucoza rezultată poate fi transformată în alte substanțe, cum ar fi amidonul, care este folosit ca depozit de energie.

Dacă factorii care favorizează fotosinteza sunt absenți sau prezenți în cantități insuficiente, acest lucru poate afecta negativ planta. De exemplu, mai puțină lumină creează condiții favorabile pentru insectele care mănâncă frunzele unei plante, în timp ce lipsa apei o încetinește.

Unde are loc fotosinteza?

Fotosinteza are loc în interiorul celulelor plantelor, în plastide mici numite cloroplaste. Cloroplastele (se găsesc mai ales în stratul mezofil) conțin o substanță verde numită clorofilă. Mai jos sunt alte părți ale celulei care lucrează cu cloroplastul pentru a efectua fotosinteza.

Structura unei celule vegetale

Funcțiile părților celulelor vegetale

• : oferă suport structural și mecanic, protejează celulele de bacterii, fixează și definește forma celulei, controlează viteza și direcția de creștere și dă formă plantelor.
• : oferă o platformă pentru majoritatea proceselor chimice controlate de enzime.
• : acționează ca o barieră, controlând mișcarea substanțelor în și în afara celulei.
• : așa cum este descris mai sus, ele conțin clorofilă, o substanță verde care absoarbe energia luminoasă în timpul fotosintezei.
• : o cavitate din citoplasma celulară care stochează apă.
• : conține o marcă genetică (ADN) care controlează activitatea celulei.

Clorofila absoarbe energia luminoasă necesară pentru fotosinteză. Este important de reținut că nu toate lungimile de undă de culoare ale luminii sunt absorbite. Plantele absorb în principal lungimile de undă roșii și albastre - nu absorb lumina în intervalul verde.

Dioxid de carbon în timpul fotosintezei

Plantele iau dioxid de carbon din aer prin frunzele lor. Dioxidul de carbon se infiltrează printr-o mică gaură din partea inferioară a frunzei - stomatele.

Partea inferioară a frunzei are celule puțin distanțate pentru a permite dioxidului de carbon să ajungă la alte celule ale frunzei. De asemenea, permite oxigenului produs prin fotosinteză să părăsească cu ușurință frunza.

Dioxidul de carbon este prezent în aerul pe care îl respirăm în concentrații foarte scăzute și este un factor necesar în faza întunecată a fotosintezei.

Lumina în procesul de fotosinteză

Foaia are de obicei o suprafață mare, astfel încât poate absorbi multă lumină. Suprafața sa superioară este protejată de pierderea apei, boli și intemperii printr-un strat ceros (cuticulă). Partea de sus a foii este locul unde cade lumina. Acest strat de mezofilă se numește palisadă. Este adaptat să absoarbă o cantitate mare de lumină, deoarece conține multe cloroplaste.

În fazele de lumină, procesul de fotosinteză crește cu mai multă lumină. Mai multe molecule de clorofilă sunt ionizate și se generează mai mult ATP și NADPH dacă fotonii de lumină sunt concentrați pe o frunză verde. Deși lumina este extrem de importantă în fazele luminoase, trebuie remarcat faptul că prea multă ea poate deteriora clorofila și poate reduce procesul de fotosinteză.

Fazele de lumină nu depind prea mult de temperatură, apă sau dioxid de carbon, deși toate sunt necesare pentru a finaliza procesul de fotosinteză.

Apa în timpul fotosintezei

Plantele primesc apa de care au nevoie pentru fotosinteză prin rădăcini. Au fire de păr de rădăcină care cresc în sol. Rădăcinile se caracterizează printr-o suprafață mare și pereți subțiri, ceea ce permite trecerea cu ușurință a apei prin ele.

Imaginea prezintă plante și celulele lor cu suficientă apă (stânga) și lipsa acesteia (dreapta).

Nota: Celulele radiculare nu conțin cloroplaste, deoarece sunt de obicei în întuneric și nu pot fotosintetiza.

Dacă planta nu absoarbe suficientă apă, se va ofili. Fără apă, planta nu va putea fotosintetiza suficient de repede și poate chiar să moară.

Care este importanța apei pentru plante?

• Oferă minerale dizolvate care susțin sănătatea plantelor;
• Este mijlocul de transport;
• Sprijină stabilitatea și corectitudinea;
• Se răcește și se saturează cu umiditate;
• Face posibilă desfășurarea diferitelor reacții chimice în celulele vegetale.

Importanța fotosintezei în natură

Procesul biochimic al fotosintezei folosește energia luminii solare pentru a transforma apa și dioxidul de carbon în oxigen și glucoză. Glucoza este folosită ca elemente de bază în plante pentru creșterea țesuturilor. Astfel, fotosinteza este modul în care se formează rădăcinile, tulpinile, frunzele, florile și fructele. Fără procesul de fotosinteză, plantele nu pot crește sau se pot reproduce.

• Producătorii

Datorită capacității lor fotosintetice, plantele sunt cunoscute ca producători și servesc drept coloana vertebrală a aproape fiecărui lanț alimentar de pe Pământ. (Algele sunt echivalentul plantei). Toate alimentele pe care le mâncăm provin de la organisme care sunt fotosintetice. Mâncăm aceste plante direct sau mâncăm animale precum vacile sau porcii care consumă alimente vegetale.

• Baza lanțului trofic

În cadrul sistemelor acvatice, plantele și algele formează, de asemenea, baza lanțului trofic. Algele servesc drept hrană pentru care, la rândul lor, acționează ca o sursă de hrană pentru organismele mai mari. Fără fotosinteză în mediul acvatic, viața ar fi imposibilă.

• Eliminarea dioxidului de carbon

Fotosinteza transformă dioxidul de carbon în oxigen. În timpul fotosintezei, dioxidul de carbon din atmosferă intră în plantă și apoi este eliberat sub formă de oxigen. În lumea de astăzi, în care nivelurile de dioxid de carbon cresc într-un ritm alarmant, orice proces care elimină dioxidul de carbon din atmosferă este important pentru mediu.

• Ciclul nutrienților

Plantele și alte organisme fotosintetice joacă un rol vital în ciclul nutrienților. Azotul din aer este fixat în țesuturile plantelor și devine disponibil pentru fabricarea proteinelor. Oligoelementele găsite în sol pot fi, de asemenea, încorporate în țesutul vegetal și puse la dispoziție ierbivorelor mai în sus în lanțul trofic.

• dependență de fotosinteză

Fotosinteza depinde de intensitatea și calitatea luminii. La ecuator, unde lumina soarelui este din belșug pe tot parcursul anului, iar apa nu este factorul limitativ, plantele au rate mari de creștere și pot deveni destul de mari. În schimb, fotosinteza este mai puțin frecventă în părțile mai adânci ale oceanului, deoarece lumina nu pătrunde în aceste straturi și, ca urmare, acest ecosistem este mai steril.

Fotosinteza este un proces complex care include un întreg sistem de reacții chimice. Se prelungește în timp și constă din două faze. Prima fază are loc numai în lumină și se numește lumină. A doua fază, întunecată, nu depinde de energia luminii și are loc atât în ​​lumină, cât și în întuneric.

in lumina

Faza de lumină începe cu lovirea cuantelor de lumină asupra moleculelor de clorofilă, care se află în interiorul tilacoidelor - rezervoare cu membrană plate în formă de disc.

Orez. 1. Structura cloroplastei.

În acest caz, moleculele de clorofilă intră într-o stare excitată și pierd electroni. În loc de electroni pierduți, ei adaugă electroni ai moleculelor de H₂O sau ioni OH¯.

Are loc descompunerea apei (fotoliza) inițiată de clorofilă și eliberarea de oxigen gazos. Din două molecule de apă se formează o moleculă de oxigen.

2Н₂О → 4Н⁺ + 4е¯ + О₂

TOP 4 articolecare citesc împreună cu asta

Electronii liberi și hidrogenul trec printr-un lanț complex de substanțe purtătoare și sunt fixați în molecule de NADPH₂.

Orez. 2. Schema fazei luminoase a fotosintezei.

Datorită energiei electronilor excitați, moleculele de ATP sunt de asemenea sintetizate din ADP și acid fosforic.

Dacă oxigenul este considerat un produs secundar al fazei luminoase, atunci ATP poate fi considerat principalul, deoarece energia sa va fi cheltuită pentru formarea de substanțe organice din CO₂ în faza întunecată.

Astfel, energia luminii devine energia legăturilor chimice ale ATP.

În lumină și în întuneric

Reacțiile fazei întunecate au loc în afara tilacoizilor, în stroma cloroplastei, care este un biocoloid în proprietățile sale.

Esența proceselor acestei faze este conversia dioxidului de carbon atmosferic în diferite substanțe organice.

plante C₃ și C₄

Există două moduri de fotosinteză caracteristice diferitelor specii de plante. Majoritatea speciilor aparțin plantelor C₃. Aceasta înseamnă că formează hidrocarburi triatomice în prima etapă a fazei întunecate:

CO₂ + ribuloză difosfat (RDP) + H₂O → 2 molecule de acid fosfogliceric (PGA).

RDP: 5 atomi de C. FHA: 3 atomi de C.

Substanțele organice se formează nu prin adăugarea de molecule de CO₂, ci prin adăugarea de CO₂ la carbohidrații deja existenți.

Astfel, CO₂ este, parcă, implicat în metabolismul intracelular al plantei.

În plantele C₄, are loc formarea acizilor tetraatomici:

• măr;
• oxalacetic;
• aspartic.

C₄ - plantele sunt de origine tropicală și sunt foarte fotofile. Acestea sunt sorgul, meiul, porumbul, trestia de zahăr etc.

Produsele primei etape trec printr-un ciclu de reacții, formând o varietate de substanțe utilizate de celulă.

În toate plantele, faza întunecată se termină cu formarea de glucoză, fructoză și alți carbohidrați cu șase atomi.

S-a dovedit că fotosinteza sintetizează și proteine ​​și alte produse.

Orez. 3. Schema fazei întunecate a fotosintezei.

Semnele fazelor fotosintezei, precum și rezultatele proceselor care au loc în ambele faze, sunt prezentate în tabel:

Ce am învățat?

După ce am efectuat o caracteristică comparativă a celor două faze ale fotosintezei, am stabilit că faza luminoasă este pregătitoare. În timpul fazei de lumină: se produce oxigen, se stochează energia sub formă de ATP, se acumulează hidrogen. Faza întunecată utilizează resursele obținute în timpul fazei de lumină și se termină cu formarea unei varietăți de compuși organici.

Test cu subiecte

Raport de evaluare

Rata medie: 4.6. Evaluări totale primite: 195.