Allmänt schema för fotosyntes. Definition och allmänna egenskaper för fotosyntes, betydelsen av fotosyntes. Vikten av fotosyntes för livet på jorden

Genom fotosyntes producerar landväxter ca. 1,8·10 11 ton torr biomassa per år; ungefär samma mängd växtbiomassa bildas årligen i haven. tropisk skogen bidrar med upp till 29 % av den totala produktionen av fotosyntes på land, och bidraget från skogar av alla slag är 68 %. Fotosyntes av högre växter och alger är den enda källan till atm. O 2 .

Ursprung på jorden ca. För 2,8 miljarder år sedan var mekanismen för vattenoxidation med bildning av O 2 den viktigaste händelsen i biol. evolutionen, som gjorde solens ljus till den främsta källan till frihet. biosfärens energi och vatten - en nästan obegränsad källa till väte för syntes av in-in i levande organismer. Som ett resultat, en atmosfär av modern sammansättning, O 2 blev tillgänglig för livsmedelsoxidation (se Andning), och detta ledde till uppkomsten av höga organismer. heterotrofa organismer (använder exogent organiskt material som kolkälla).

OK. 7 % org. Människan använder produkterna från fotosyntesen till mat, som djurfoder och även som bränsle och byggnader. material. Fossila bränslen är också en produkt av fotosyntes. Dess förbrukning i kon. 1900-talet ungefär lika med biomassatillväxten.

Den totala lagringen av solstrålningsenergi i form av fotosyntesprodukter är ca. 1,6 10 21 kJ per år, vilket är cirka 10 gånger högre än den nuvarande. energisk. Mänsklig konsumtion. Ungefär hälften av solstrålningens energi faller på det synliga området av spektrumet (våglängd l från 400 till 700 nm), som används för fotosyntes (fysiologiskt aktiv strålning, eller PAR). IR-strålning är inte lämplig för fotosyntes av syreproducerande organismer (högre växter och alger), men används av vissa fotosyntetiska bakterier.

På grund av det faktum att kolhydrater är massa biosyntetiska produkter. anläggningsverksamhet, kemi. Fotosynteshastigheten skrivs vanligtvis som:

För denna p-tion 469,3 kJ / mol är minskningen i entropi 30,3 J / (K mol), -479 kJ / mol. Kvantkonsumtion av fotosyntes för encelliga alger i labbet. förhållandena är 8-12 kvanta per CO2-molekyl. Utnyttjandet under fotosyntesen av energin från solstrålning som når jordens yta är inte mer än 0,1 % av den totala PAR. Naib. Produktiva växter (t.ex. sockerrör) absorberar ca. 2% av energin från den infallande strålningen och grödor - upp till 1%. Vanligtvis begränsas fotosyntesens totala produktivitet av halten CO 2 i atmosfären (0,03-0,04 volymprocent), ljusintensitet och t-svärm. Mogna spenatblad i en atmosfär av normal sammansättning vid 25 0 C i ljuset av mättande intensitet (under solljus) ger flera. liter O 2 per timme per gram klorofyll eller per kilogram torrvikt. För alger Chlorella pyrenoidosa vid 35 0 C tillåter en ökning av koncentrationen av CO 2 från 0,03 till 3 % att öka utbytet av O 2 med 5 gånger, sådan aktivering är gränsen.

Bakteriell fotosyntes och total hastighet av fotosyntes. Tillsammans med fotosyntesen av högre växter och alger, åtföljd av frisättningen av O 2, utförs bakteriell fotosyntes i naturen, där det oxiderade substratet inte är vatten, utan andra föreningar som har mer uttalade återställanden. St du, till exempel. H2S, SO2. Syre frigörs inte under bakteriell fotosyntes, till exempel:

Fotosyntetiska bakterier kan använda inte bara synlig, utan också nära IR-strålning (upp till 1000 nm) i enlighet med absorptionsspektra av pigmenten som råder i dem - bakterioklorofyller. Bakteriell fotosyntes är inte avgörande för den globala lagringen av solenergi, men är viktig för att förstå de allmänna mekanismerna för fotosyntes. Dessutom kan lokalt anoxisk fotosyntes ge ett betydande bidrag till planktonets totala produktivitet. Så i Svarta havet är mängden klorofyll och bakterioklorofyll i vattenpelaren på ett antal platser ungefär densamma.

Med hänsyn till data om fotosyntesen av högre växter, alger och fotosyntetiska bakterier, kan den generaliserade fotosyntesekvationen skrivas som:

F Otosyntes är rumsligt och tidsmässigt uppdelad i två relativt separata processer: det ljusa stadiet av vattenoxidation och det mörka steget av CO2-reduktion (Fig. 1). Båda dessa stadier utförs i högre växter och alger i de specialiserade. cellorganeller - kloroplaster. Undantaget är blågröna alger (cyanobakterier), som inte har en fotosyntesapparat som är skild från cytoplasma. membran.

Som reaktion. fotosyntesens centrum, där excitation överförs med nästan 100 % sannolikhet, uppstår en primär p-tion mellan den fotokemiskt aktiva molekylen klorofyll a (bakterioklorofyll i bakterier) och den primära elektronacceptorn (PA). Ytterligare distrikt i tylakoidmembranen förekommer mellan molekylerna i deras huvudsakliga. tillstånd och kräver inte excitation av ljus. Dessa distrikt är organiserade i en elektrontransportkedja - en sekvens av elektronbärare fixerade i membranet. Elektrontransportkedjan hos högre växter och alger innehåller två fotokemiska ämnen. centra (fotosystem) som verkar sekventiellt (fig. 2), i den bakteriella elektrontransportkedjan - ett (fig. 3).

I fotosystem II av högre växter och alger donerar singlettexciterad klorofyll a i mitten av P680 (talet 680 att de maximala spektrala förändringarna av systemet vid excitation av ljus är nära 680 nm) en elektron genom en mellanacceptor till feofytin ( PHEO, en magnesiumfri analog av klorofyll), som bildar en katjonradikal. Radikalanjonen i det reducerade feofytinet fungerar vidare som en elektrondonator för det bundna plastokinonet (HP*; skiljer sig från ubikinoner genom substituenter i kinoidringen) koordinerade till Fe 3+-jonen (det finns ett liknande Fe 3+ ubikinonkomplex i bakterier ). Vidare överförs elektronen längs kedjan, vilket inkluderar fritt plastokinon (HRP), som är närvarande i överskott i förhållande till de andra komponenterna i kedjan, sedan cytokromer (C) b 6 och f, som bildar ett komplex med järnet -svavelcentrum, genom den kopparhaltigaprotein plastocyanin (PC; mol. m. 10400) till reaktionscentrum för fotosystem I.

Centern återställs snabbt och tar emot en elektron genom en serie luckor. bärare från vatten. Bildningen av O 2 kräver succession. fyrfaldig excitation av reaktionscentrumet i P-fotosystemet och katalyseras av ett membrankomplex innehållande Mn.

Fotosystem I kan agera autonomt utan kontakt med system II. I det här fallet cyklisk elektronöverföring (visas med streckad linje i diagrammet) åtföljs av syntesen av ATP, och inte NADPH. Bildas i ljusstadiet coenzym

NADPH och ATP används i det mörka stadiet av fotosyntesen, under vilket NADP och ADP återigen bildas.

Elektrontransportkedjorna hos fotosyntetiska bakterier liknar i huvudsak enskilda fragment av de i klorofyllerna hos högre växter. På fig. 3 visar elektrontransportkedjan för lila bakterier.

Mörkt stadium av fotosyntesen. Alla fotosyntetiska organismer som producerar O 2, samt vissa fotosyntetiska bakterier, reducerar först CO 2 till sockerfosfater i den sk. Calvin cykel. I fotosyntetiska bakterier förekommer tydligen även andra mekanismer. De flesta enzymerna i Calvincykeln finns i ett lösligt tillstånd i kloroplaststroma.

Ett förenklat cykeldiagram visas i fig. 4. Det första steget - karboxylering av ribulos-1,5-difosfat och hydrolys av produkten med bildning av två molekyler av 3-fosfoglycerol till dig. Denna C3-syra fosforyleras av ATP med bildning av 3-fosfoglyceroylfosfat, som sedan reduceras av NADPH till glyceraldehyd-3-fosfat. Det resulterande triosfosfatet går sedan in i en serie isomerisering, kondensation och omarrangemang, vilket ger 3 molekyler ribulos-5-fosfat. Den senare fosforyleras med deltagande av ATP med bildning av rio-loso-1,5-difosfat och därmed sluter cykeln. En av de 6 bildade glyceraldehyd-3-fosfatmolekylerna omvandlas till glukos-6-fosfat och används sedan för stärkelsesyntes eller frigörs från kloroplasten till cytoplasman. Glyceraldehyd-3-fosfat kan också omvandlas till 3-glycerofosfat och sedan till lipider. Triosofosfater som kommer från kloroplasten omvandlas till basiska. till sackaros, som överförs från bladet till andra delar av växten.

I en hel tur av Calvin-cykeln förbrukas 9 ATP-molekyler och 6 NADPH-molekyler för att bilda en molekyl 3-fosfoglycerol till dig. Energi cykeleffektivitet (förhållandet mellan fotonenergi som krävs för ATP- och NADPH-fotosyntes och DG 0 för kolhydratbildning från CO 2), med hänsyn till substratkoncentrationerna som verkar i kloroplaststroma, är 83 %. Det finns inga fotokemikalier i själva Calvincykeln. stadier, men ljusstadier kan indirekt påverka det (inklusive distrikt som inte kräver ATP eller NADPH) genom förändringar i koncentrationerna av Mg 2+ och H+ joner, samt nivån av reduktion av ferredoxin.

Vissa högre växter som har anpassat sig till hög ljusintensitet och varma klimat (t.ex. sockerrör, majs) kan dessutom prefixera CO 2. C 4-cykel. Samtidigt ingår först CO 2 i utbytet av fyrkols dikarboxylsyror, som sedan dekarboxyleras där Calvin-cykeln är lokaliserad. C 4 -Cykel är karakteristisk för växter med en speciell anatomisk. bladets struktur och funktionsfördelningen mellan de två typerna av mjölkgräs och andra torkbeständiga växter kännetecknas av en partiell separation av CO 2 -fixering och fotosyntes i tid (CAM-utbyte, eller Crassulaceae-typ utbyte; CAM förkortat från engelska Crassulaceae syrametabolism). Under dagen erhölls stomata (kanaler genom vilka gasutbyte utförs från lagen om bevarande av elektronmassa. Således erhölls bekräftelse av idéerna om bildandet av O 2 genom oxidation av vatten. Detta bevisades slutligen med masspektrometrin metod (S. Ruben, M. Kamen och även A.P. Vinogradov och R.V. Teis, 1941).

1935-41 sammanfattade K. Van Niel data om fotosyntesen av högre växter och bakterier och föreslog en generell ekvation som täcker alla typer av fotosyntes.X. Gaffron och K. Wohl samt L. Duysens 1936—52 på grundval av kvantiteter. mätningar av utbytet av fotosyntesprodukter av absorberat ljus och innehållet av klorofyll formulerade konceptet med en "fotosyntetisk enhet" - en ensemble av molekyler 650 nm till långt rött ljus (förstärkningseffekt eller andra Emerson-effekt). På denna grund, på 1960-talet formulerade idén om att konsekvent agerafotosystem i fotosyntesens elektrontransportkedja med maxima i aktionsspektra nära 680 och 700 HM.

Main mönstren för O 2 bildning under vattenoxidation i fotosyntesen fastställdes i verk av B. Kok och P. Joliot (1969-70). Klargörandet av piren närmar sig sitt slut. organisering av membrankomplexet som katalyserar denna process. På 80-talet. strukturen hos enskilda komponenter av fotosyntetik studerades i detalj genom röntgenstrukturanalys. apparater, inklusive reaktionscentra och ljusupptagningskomplex (I. Deizenhofer, X. Michel, P. Huber).

Lit.: Clayton R., Photosyntech. Fysikaliska mekanismer och kemiska modeller, trans. från English, M., 1984; "J. All-Russian Chemical Society uppkallad efter D.I. Mendeleev", 1986, v. 31, nr 6; Fotosyntes, red. Govinji, övers. från English, vol 1-2, M., 1987; Resultat av vetenskap och teknik, ser. Biophysics, vol 20-22, M., 1987. M.G. Goldfeld.

Mer

Växter får vatten och mineraler från sina rötter. Blad ger ekologisk växtnäring. Till skillnad från rötter är de inte i jorden, utan i luften, därför utför de inte jord, utan luftnäring.

Från historien om studiet av luftnäring av växter

Kunskapen om växtnäring har ackumulerats gradvis. För cirka 350 år sedan startade den holländska forskaren Jan Helmont för första gången ett experiment för att studera växtnäring. I en lerkruka med jord odlade han en pil och tillsatte bara vatten där. Forskaren vägde noggrant de nedfallna löven. Fem år senare ökade pilmassan tillsammans med nedfallna löv med 74,5 kg, och jordmassan minskade med endast 57 g. Utifrån detta kom Helmont till slutsatsen att alla ämnen i växten inte bildas från jord , men från vatten. Åsikten att växten ökar i storlek endast på grund av vatten kvarstod till slutet av 1700-talet.

År 1771 studerade den engelske kemisten Joseph Priestley koldioxid, eller "bortskämd luft" som han kallade det, och gjorde en anmärkningsvärd upptäckt. Om du tänder ett ljus och täcker det med en glaskåpa, slocknar det, efter att ha bränt lite. En mus under en sådan mössa börjar kvävas. Men om en myntagren placeras under mössan tillsammans med musen, så kvävs inte musen utan fortsätter att leva. Det betyder att växter "korrigerar" luften som förstörs av djurens andedräkt, det vill säga de omvandlar koldioxid till syre.

År 1862 bevisade den tyske botanikern Julius Sachs genom experiment att gröna växter inte bara frigör syre, utan också skapar organiska ämnen som fungerar som föda för alla andra organismer.

Fotosyntes

Den största skillnaden mellan gröna växter och andra levande organismer är närvaron i deras celler av kloroplaster som innehåller klorofyll. Klorofyll har förmågan att fånga solens strålar, vars energi är nödvändig för att skapa organiska ämnen. Processen att bilda organiskt material från koldioxid och vatten med hjälp av solenergi kallas fotosyntes (grekiska: pholos light). I processen med fotosyntes bildas inte bara organiska ämnen - sockerarter, utan också syre frigörs.

Schematiskt kan processen för fotosyntes avbildas enligt följande:

Vatten absorberas av rötterna och rör sig genom rötternas och stjälkens ledningssystem till bladen. Koldioxid är en beståndsdel i luft. Den kommer in i löven genom öppna stomata. Bladets struktur bidrar till absorptionen av koldioxid: bladens plana yta, vilket ökar kontaktytan med luft och närvaron av ett stort antal stomata i huden.

Sockerarter som bildas som ett resultat av fotosyntesen omvandlas till stärkelse. Stärkelse är ett organiskt ämne som inte löser sig i vatten. Vem är lätt att upptäcka med en jodlösning.

Bevis på stärkelsebildning i löv som utsätts för ljus

Låt oss bevisa att i de gröna bladen av växter bildas stärkelse av koldioxid och vatten. För att göra detta, överväg experimentet, som vid en tidpunkt iscensattes av Julius Sachs.

En krukväxt (pelargon eller primula) förvaras i två dagar i mörker så att all stärkelse går åt till livsviktiga processer. Sedan täcks flera blad på båda sidor med svart papper så att bara en del av dem täcks. Under dagen utsätts växten för ljus, och på natten är den dessutom upplyst med en bordslampa.

Efter en dag skärs de studerade löven av. För att ta reda på i vilken del av bladstärkelsen som har bildats kokas löven i vilja (så att stärkelsekornen sväller), och förvaras sedan i varm alkohol (klorofyllet löses upp och bladet blir missfärgat). Sedan tvättas bladen i vatten och behandlas med en svag lösning av jod. Tc delar av bladen som var i ljuset får en blå färg från verkan av jod. Det betyder att stärkelsen bildades i cellerna i den upplysta delen av bladet. Därför sker fotosyntes endast i närvaro av ljus.

Bevis för behovet av koldioxid för fotosyntes

För att bevisa att koldioxid är nödvändigt för bildandet av stärkelse i bladen hålls krukväxten även tidigare mörkt. Sedan läggs ett av bladen i en kolv med en liten mängd kalkvatten. Kolven stängs med en bomullstuss. Växten är exponerad. Koldioxid absorberas av kalkvatten, så det kommer inte att finnas i kolven. Bladet skärs av, och precis som i föregående experiment undersöks det med avseende på närvaron av stärkelse. Den åldras i varmt vatten och alkohol, behandlad med jodlösning. Men i det här fallet kommer resultatet av experimentet att vara annorlunda: arket blir inte blått, eftersom. den innehåller inte stärkelse. Därför behövs koldioxid för bildandet av stärkelse, förutom ljus och vatten.

Således svarade vi på frågan om vilken typ av mat växten får från luften. Erfarenheten har visat att det är koldioxid. Det är nödvändigt för bildandet av organiskt material.

Organismer som självständigt skapar organiska ämnen för att bygga sin kropp kallas autotrofer (grekiska autos - själv, trofe - mat).

Bevis för bildandet av syre under fotosyntes

För att bevisa att växter under fotosyntesen släpper ut syre i den yttre miljön, överväg experimentet med vattenväxten Elodea. Elodea-skott sänks ner i ett kärl med vatten och täcks med en tratt ovanifrån. Placera ett provrör fyllt med vatten i slutet av tratten. Växten utsätts för ljus i två till tre dagar. Elodea utsöndrar gasbubblor när den utsätts för ljus. De ackumuleras på toppen av röret och tränger undan vatten. För att ta reda på vad det är för gas tas provröret försiktigt bort och en pyrande splitter förs in i det. Facklan flammar upp starkt. Det betyder att syre har samlats i kolven, vilket stöder förbränningen.

Rymdens roll för växter

Växter som innehåller klorofyll kan absorbera solenergi. Därför har K.A. Timiryazev kallade deras roll på jorden kosmisk. En del av solenergin som lagras i organiskt material kan lagras under lång tid. Kol, torv, olja bildas av ämnen som skapades av gröna växter i gamla geologiska tider och absorberade solens energi. Genom att bränna naturliga brännbara material frigör en person den energi som lagrats för miljontals år sedan av gröna växter.

Hos växter (främst i deras löv) sker fotosyntesen i ljuset.

Detta är en process där det organiska ämnet glukos (en typ av socker) bildas av koldioxid och vatten. Vidare omvandlas glukos i cellerna till en mer komplex substans, stärkelse. Både glukos och stärkelse är kolhydrater.

I processen för fotosyntes produceras inte bara organiskt material, utan syre frigörs också som en biprodukt.

Koldioxid och vatten är oorganiska ämnen, medan glukos och stärkelse är organiska. Därför sägs det ofta att fotosyntes är processen för bildning av organiska ämnen från oorganiska ämnen i ljuset. Endast växter, några encelliga eukaryoter och vissa bakterier kan fotosyntes. Det finns ingen sådan process i cellerna hos djur och svampar, så de tvingas absorbera organiska ämnen från miljön. I detta avseende kallas växter för autotrofer, och djur och svampar kallas heterotrofer.

Processen för fotosyntes i växter sker i kloroplaster, som innehåller det gröna pigmentet klorofyll.

Så för att fotosyntes ska kunna äga rum behöver du:

klorofyll,

koldioxid.

Processen för fotosyntes producerar:

organiskt material,

syre.

Växter är anpassade för att fånga ljus. Hos många örtartade växter samlas bladen i den så kallade basalrosetten, när bladen inte skuggar varandra. Träd kännetecknas av lövmosaik, där löven växer på ett sådant sätt att de skymmer varandra så lite som möjligt. Hos växter kan bladbladen vända sig mot ljuset på grund av att bladskaften böjs. Med allt detta finns det skuggälskande växter som bara kan växa i skuggan.

Vattenför fotosyntesankommerin i lövenfrån rötternalängs stammen. Därför är det viktigt att växten får tillräckligt med fukt. Med brist på vatten och vissa mineraler hämmas processen för fotosyntes.

Koldioxidtaget för fotosyntesdirektur tomma luftenlöv. Syre, som produceras av växten under fotosyntesen, släpps tvärtom ut i luften. Gasutbytet underlättas av intercellulära utrymmen (luckor mellan celler).

De organiska ämnen som bildas i fotosyntesprocessen används delvis i själva bladen, men flyter huvudsakligen in i alla andra organ och blir till andra organiska ämnen, används i energiomsättningen och omvandlas till reservnäringsämnen.

växtens fotosyntes

Fotosyntes är en unik fysisk och kemisk process som utförs på jorden av alla gröna växter och vissa bakterier och säkerställer omvandlingen av den elektromagnetiska energin från solljus till energin av kemiska bindningar av olika organiska föreningar. Grunden för fotosyntesen är en sekventiell kedja av redoxreaktioner, under vilka elektroner överförs från donatorn - reduktionsmedel (vatten, väte) till acceptorn - oxidationsmedel (CO2, acetat) med bildning av reducerade föreningar (kolhydrater) och frigöring av O2 om vatten oxideras

Fotosyntes spelar en ledande roll i biosfäriska processer, vilket leder på global skala till bildandet av organiskt material från oorganiskt material.

Fotosyntetiska organismer, som använder solenergi i fotosyntesreaktioner, förbinder livet på jorden med universum och bestämmer slutligen all dess komplexitet och mångfald. Heterotrofa organismer - djur, svampar, de flesta bakterier, såväl som klorofyllfria växter och alger - har sin existens att tacka för autotrofa organismer - fotosyntetiska växter som skapar organiskt material på jorden och fyller på förlusten av syre i atmosfären. Mänskligheten är alltmer medveten om den uppenbara sanningen, vetenskapligt underbyggd för första gången av K.A. Timiryazev och V.I. Vernadsky: biosfärens ekologiska välbefinnande och mänsklighetens existens beror på tillståndet för vegetationstäcket på vår planet.

Processer i arket

Bladet utför tre viktiga processer - fotosyntes, avdunstning av vatten och gasutbyte. I processen för fotosyntes i bladen syntetiseras organiska ämnen från vatten och koldioxid under inverkan av solljus. Under dagen, som ett resultat av fotosyntes och andning, frigör växten syre och koldioxid, och på natten - endast koldioxid som bildas under andning.

De flesta växter kan syntetisera klorofyll i svagt ljus. I direkt solljus syntetiseras klorofyll snabbare.
Den ljusenergi som krävs för fotosyntesen, inom vissa gränser, absorberas ju mer, desto mindre mörknar bladet. Därför har växter i evolutionsprocessen utvecklat förmågan att vända bladplattan mot ljuset så att mer solljus faller på den. Bladen på växten är ordnade för att inte förtrycka varandra.
Timiryazev bevisade att energikällan för fotosyntesen huvudsakligen är de röda strålarna i spektrumet. Detta indikeras av klorofyllets absorptionsspektrum, där det mest intensiva absorptionsbandet observeras i det röda och mindre intensivt - i den blåvioletta delen.

Foto: Nat Tarbox

I kloroplaster, tillsammans med klorofyll, finns karoten och xantofyllpigment. Båda dessa pigment absorberar blå och delvis gröna strålar och överför rött och gult. Vissa forskare tillskriver karoten och xantofyll rollen som skärmar som skyddar klorofyll från de skadliga effekterna av blå strålar.
Fotosyntesprocessen består av ett antal på varandra följande reaktioner, varav en del fortsätter med absorption av ljusenergi, och andra i mörker. De stabila slutprodukterna av fotosyntesen är kolhydrater (socker och sedan stärkelse), organiska syror, aminosyror och proteiner.
Fotosyntes under olika förhållanden fortskrider med olika intensitet.

Intensiteten av fotosyntesen beror också på fasen av växtutvecklingen. Den maximala intensiteten av fotosyntes observeras i blomningsfasen.
Den vanliga halten av koldioxid i luften är 0,03 volymprocent. Att minska mängden koldioxid i luften minskar intensiteten av fotosyntesen. Att öka koldioxidhalten till 0,5 % ökar fotosyntesens intensitet nästan proportionellt. Men med en ytterligare ökning av innehållet av koldioxid ökar inte intensiteten av fotosyntesen, och vid 1% lider växten.

Växter avdunstar eller överför mycket stora mängder vatten. Avdunstning av vatten är en av orsakerna till den uppåtgående strömmen. På grund av växtens avdunstning av vatten ackumuleras mineralämnen i den, och en minskning av temperaturen som är användbar för växten inträffar under solvärme.
Växten reglerar processen för vattenavdunstning genom stomatas arbete. Avsättningen av nagelbandet eller vaxbeläggningen på epidermis, bildandet av dess hårstrån och andra anpassningar syftar till att minska oreglerad transperation.

Processen med fotosyntes och den ständiga pågående andningen av bladets levande celler kräver gasutbyte mellan bladets inre vävnader och atmosfären. I processen för fotosyntes absorberas assimilerad koldioxid från atmosfären och återförs till atmosfären med syre.
Användningen av den isotopiska analysmetoden visade att syret som återförs till atmosfären med 16O tillhör vatten, och inte till luftens koldioxid, där dess andra isotop, 15O, dominerar. Vid andning av levande celler (oxidation av organiska ämnen inuti cellen genom fritt syre till koldioxid och vatten) måste syre tillföras från atmosfären och koldioxid återföras. Detta gasutbyte sker också huvudsakligen genom stomatala apparaten.

Processen för fotosyntes består av två sekventiella och inbördes relaterade stadier: ljus (fotokemiskt) och mörkt (metaboliskt). I det första steget omvandlas energin av ljuskvanta som absorberas av fotosyntetiska pigment till energin av kemiska bindningar av högenergiföreningen ATP och det universella reduktionsmedlet NADPH - de faktiska primärprodukterna av fotosyntesen, eller den så kallade "assimileringen". tvinga". I de mörka reaktionerna av fotosyntes används ATP och NADPH som bildas i ljuset i cykeln av koldioxidfixering och dess efterföljande reduktion till kolhydrater.
I alla fotosyntetiska organismer sker de fotokemiska processerna i fotosyntesens ljusstadium i speciella energiomvandlande membran, kallade tylakoid, och är organiserade i den så kallade elektrontransportkedjan. Fotosyntesens mörka reaktioner sker utanför tylakoidmembranen (i cytoplasman hos prokaryoter och i kloroplastens stroma hos växter). Således är fotosyntesens ljusa och mörka stadier separerade i rum och tid.

Intensiteten av fotosyntesen i vedartade växter varierar mycket beroende på interaktionen mellan många externa och inre faktorer, och dessa interaktioner förändras över tiden och är olika för olika arter.

Fotosyntetisk kapacitet mäts ibland genom nettotorrviktsökning. Sådana data är av särskild betydelse eftersom ökningen är den genomsnittliga verkliga viktökningen under en lång tidsperiod under miljöförhållanden som inkluderar normala intermittenta påfrestningar.
Vissa arter av angiospermer utför effektiv fotosyntes vid både låga och höga ljusintensiteter. Många gymnospermer är mycket mer produktiva i starkt ljus. Jämförelse av dessa två grupper vid låg och hög ljusintensitet ger ofta en annan uppfattning om fotosyntetisk kapacitet när det gäller ackumulering av näringsämnen. Dessutom ackumulerar gymnospermer ofta en del torrsubstans under dvala, medan lövfällande angiospermer förlorar det genom andning. Därför kan en gymnospermväxt med en något lägre fotosynteshastighet än en lövfällande angiosperm under sin tillväxtperiod ackumulera lika mycket eller till och med mer total torrmassa under året på grund av den mycket längre perioden av fotosyntetisk aktivitet.

De första experimenten med fotosyntes utfördes av Joseph Priestley på 1770-1780-talet, när han uppmärksammade "förstörelsen" av luft i ett förseglat kärl av ett brinnande ljus (luften upphörde att kunna stödja förbränning, djuren placerade i den kvävdes) och dess "korrigering" av växter . Priestley drog slutsatsen att växter avger syre, vilket är nödvändigt för andning och förbränning, men märkte inte att växter behöver ljus för detta. Detta visades snart av Jan Ingenhaus. Senare fann man att växter förutom att frigöra syre absorberar koldioxid och, med deltagande av vatten, syntetiserar organiskt material i ljuset. År 1842 postulerade Robert Mayer på grundval av lagen om energibevarande att växter omvandlar solljusets energi till energin av kemiska bindningar. 1877 kallade W. Pfeffer denna process för fotosyntes.

N.Yu.FEOKTISTOVA

växtens nattliv

Orkidé Dendrobium speciosum, öppnande blommor endast på natten

Vad gör växter på natten? Man skulle vilja svara på denna fråga: "Vila". När allt kommer omkring verkar det som om en växts hela "aktiva liv" inträffar under dagen. På dagtid öppnar sig blommor och pollineras av insekter, löv vecklas ut, unga stjälkar växer och drar sina toppar mot solen. Det är under dagsljuset som växter använder solenergi för att omvandla den koldioxid de tar upp från atmosfärens luft till socker.

Men växten syntetiserar inte bara organiska ämnen - den använder dem också i andningsprocessen, återigen oxiderar den till koldioxid och absorberar syre. Men mängden syre som växter behöver för andning är cirka 30 gånger mindre än vad de släpper ut under fotosyntesen. På natten, i mörker, sker inte fotosyntes, men även vid denna tid förbrukar växter så lite syre att detta inte påverkar oss alls. Därför är den gamla traditionen att ta ut växter från sjukrummet på natten helt ogrundad.

Och det finns ett antal växtarter som konsumerar koldioxid på natten. Eftersom den energi av solljus som är nödvändig för en fullständig reduktion av kol inte är tillgänglig för närvarande, bildas naturligtvis inte socker. Men koldioxiden som absorberas från luften lagras i sammansättningen av äppel- eller asparaginsyror, som sedan, redan i ljuset, sönderdelas igen och frigör CO2. Det är dessa koldioxidmolekyler som ingår i cykeln av grundläggande fotosyntesreaktioner - den så kallade Calvin-cykeln. I de flesta växter börjar denna cykel med infångning av en CO2-molekyl direkt från luften. En sådan "enkel" metod kallas fotosyntesens C3-väg, och om koldioxid är förlagrad i äppelsyra är detta C4-vägen.

Det verkar, varför behöver vi ytterligare komplexitet? Först och främst för att spara vatten. När allt kommer omkring kan en växt bara absorbera koldioxid genom öppna stomata, genom vilka vatten avdunstar. Och under dagen, i värmen, förloras mycket mer vatten genom stomata än på natten. Och i C4-växter är stomata stängda under dagen, och vattnet avdunstar inte. Dessa anläggningar utför gasutbyte under svala natttimmar. Dessutom är C4-vägen generellt sett mer effektiv, den tillåter syntes av en större mängd organiska ämnen per tidsenhet. Men bara under förhållanden med bra belysning och vid en tillräckligt hög lufttemperatur.

Så C4-fotosyntes är karakteristisk för "söderlänningar" - växter från varma regioner. Det är inneboende i de flesta kaktusar, vissa andra suckulenter, ett antal bromeliads - till exempel den välkända ananasen ( Ananas comosus), sockerrör och majs.

Intressant nog, så tidigt som 1813, långt innan de biokemiska reaktionerna bakom fotosyntesen var kända, skrev forskaren Benjamin Hayne till Linnean Scientific Society att bladen på ett antal suckulenta växter hade en särskilt skarp smak på morgonen, och sedan i mitten. för dagen blir deras smak mjukare.

Förmågan att använda CO2 bundet i organiska syror är genetiskt betingad, men genomförandet av detta program är också under kontroll av den yttre miljön. I kraftigt regn, när det inte finns något hot om uttorkning och belysningen är låg, kan C4-växter öppna sina stomata under dagen och byta till den normala C3-vägen.

Vad mer kan hända med växter på natten?

Vissa arter har anpassat sig för att attrahera sina pollinerare på natten. För att göra detta använder de olika medel: både lukten som intensifieras på natten och färgen som är behaglig och märkbar för ögat av nattaktiva pollinatörer - vit eller gulaktig-beige. Nattfjärilar flyger till sådana blommor. Det är de som pollinerar jasminblommor. Jasminum), gardenia ( Gardenia), månblommor ( Ipomea alba), kvällar eller nattvioler ( Hesperis), tvåbladig kärlek ( Platanthera bifolia), lockiga liljor ( lilium martagon) och ett antal andra växter.

Lilium martagon, vintageteckning

Och det finns växter (de kallas chiropterofila) som pollineras på natten av fladdermöss. De flesta av dessa växter finns i tropikerna i Asien, Amerika och Australien, mindre i Afrika. Dessa är bananer, agave, boabab, några representanter för myrten, baljväxter, begonia, gesneriaceae, cyanotiska familjer.

Blommorna hos kiroterofila växter öppnar sig endast i skymningen och skiljer sig inte i färgens ljusstyrka - som regel är de gröngula, bruna eller lila. Lukten av sådana blommor är mycket specifik, ofta obehaglig för oss, men förmodligen attraktiv för fladdermöss. Dessutom är blommorna hos kiroterofila växter vanligtvis stora, med en stark perianth, och är försedda med "landningsplatser" för sina pollinerare. Tjocka pedicels och peduncles eller bladlösa delar av grenar som gränsar till blommor kan fungera som sådana platser.

Vissa chiropterofila växter "pratar" till och med med sina pollinerare och lockar dem. När rankan blommar Mucuna holtonii, som tillhör baljväxtfamiljen och växer i de tropiska skogarna i Centralamerika, blir redo för pollinering, ett av dess kronblad får en specifik konkav form. Denna konkava lob koncentrerar sig och reflekterar signalen som sänds ut av fladdermöss som har gått på jakt efter mat, och informerar dem på så sätt om var de befinner sig.

Men inte bara chiropteran däggdjur pollinerar blommor. I tropikerna är mer än 40 arter av djur från andra ordnar kända, som aktivt deltar i pollineringen av cirka 25 växtarter. Många av dessa växter, liksom de som pollineras av fladdermöss, har stora och starka blommor, ofta illaluktande och producerar stora mängder pollen och nektar. Vanligtvis är antalet blommor på sådana växter eller i deras blomställningar litet, blommorna ligger lågt över marken och öppnar endast på natten för att säkerställa maximal bekvämlighet för nattdjur.

Blommornas nattliv är inte begränsat till att locka pollinatörer. Ett antal växter stänger kronbladen på natten, men samtidigt finns insekter kvar för att övernatta inne i blomman. Det mest kända exemplet på ett sådant "hotell" för insekter är Amazonas lilja ( Victoria amazonica). Européer såg den första gången 1801, och en detaljerad beskrivning av växten gjordes 1837 av den engelska botanikern Schomburg. Forskaren blev helt enkelt förvånad över både dess gigantiska blad och underbara blommor och döpte blomman till "Nymphea Victoria", för att hedra den engelska drottningen Victoria.

Frön av Victoria amazonica skickades först till Europa 1827, men sedan grodde de inte. 1846 sändes fröna till Europa igen, denna gång i flaskor med vatten. Och de klarade inte bara vägen perfekt, utan utvecklades också till fullfjädrade växter, som blommade efter 3 år. Det hände i den botaniska trädgården "Kew" i England. Nyheten om att Victoria skulle blomma spred sig snabbt inte bara bland de anställda i den botaniska trädgården, utan även bland konstnärer och reportrar. En stor folkmassa hade samlats i växthuset. Alla tittade otåligt på klockan och väntade på att blomman skulle öppna sig. Klockan 17 steg den fortfarande stängda knoppen över vattnet, dess foderblad öppnade sig och snövita kronblad dök upp. En underbar doft av mogen ananas spred sig i hela växthuset. Efter några timmar stängde sig blomman och sjönk under vattnet. Återigen dök han upp först klockan 19 nästa dag. Men till alla närvarandes förvåning var kronbladen på mirakelblomman inte längre vita, utan ljusrosa. Snart började de falla av, samtidigt som deras färg blev mer och mer intensiv. Efter det fullständiga fallet av kronbladen började ståndarnas aktiva rörelse, som enligt de närvarande till och med var hörbar.

Men förutom den extraordinära skönheten, har Victoria-blommor också fantastiska egenskaper förknippade med att locka insekter. Den första dagen stiger temperaturen i den vita Victoria-blomman med cirka 11 ° C jämfört med den omgivande luften, och på kvällen, när kylan börjar, samlas ett stort antal insekter på denna "varma plats". Dessutom bildas speciella födokroppar på blommans karpeller, som också lockar pollinatörer. När blomman sluter sig och sjunker under vatten, går insekter ner med den. Där övernattar de och hela nästa dag, tills blomman stiger upp till ytan igen. Först nu är det redan kallt och inte doftande, och insekter laddade med pollen flyger på jakt efter nya varma och doftande vita blommor för att pollinera dem, och samtidigt övernatta på nästa varma och trygga "hotell".

En annan, kanske inte mindre vacker blomma, förser också sina pollinerare med nattlägenheter - det här är en lotusblomma. Det finns två sorters lotus. I den gamla världen växer valnötslotus med rosa blommor, och i Amerika - den amerikanska lotusblomman med gula blommor. Lotusen kan hålla en relativt konstant temperatur inuti sina blommor - mycket högre än temperaturen i den omgivande luften. Även om det bara är +10°C ute är det inne i blomman +30...+35°С!

Lotusblommor värms upp 1–2 dagar innan de öppnas, och en konstant temperatur hålls i dem i 2–4 dagar. Under denna tid mognar ståndarknapparna, och pistillens stigma blir kapabel att ta emot pollen.

Lotusen pollineras av skalbaggar och bin, för vilka aktiv flygning kräver en temperatur på bara cirka 30 ° C. Om insekter befinner sig i en blomma efter att den har stängts och tillbringar natten i värme och komfort, aktivt rör sig och täcker sig med pollen, kan de omedelbart flyga till andra blommor på morgonen, när blomman öppnar sig. Lotusens "gäster" får alltså en fördel gentemot de domnade insekterna som tillbringade natten i kylan. Så blommans värme, överförd till insekten, bidrar till lotuspopulationens välstånd.

Många medlemmar av aroidfamiljen, såsom jätten amorphophallus ( Amorphophallus titanus), de välkända monstera och filodendron har blomblad som producerar värme på natten, förstärker lukten och hjälper pollinerande insekter att tillbringa natten med maximal komfort. Den obehagliga lukten av amorphophallus lockar till exempel många skalbaggar, som bland kronbladen i en jätteblomställning hittar en varm lägenhet, mat och äktenskapspartners. En annan intressant växt från aroidfamiljen - Typophonium brownii - efterliknar högar av djurspillning och drar till sig dyngbaggar, som den "fångar" på natten och tvingar att bära sitt pollen på sig själv.

Fotosyntesär processen att syntetisera organiska ämnen från oorganiska ämnen med hjälp av ljusenergi. I de allra flesta fall utförs fotosyntesen av växter som använder cellorganeller som t.ex kloroplaster som innehåller det gröna pigmentet klorofyll.

Om växter inte var kapabla att syntetisera organiskt material, skulle nästan alla andra organismer på jorden inte ha något att äta, eftersom djur, svampar och många bakterier inte kan syntetisera organiska ämnen från oorganiska. De absorberar bara färdiga, delar upp dem i enklare, från vilka de återigen sätter ihop komplexa, men redan karakteristiska för deras kropp.

Detta är fallet om vi talar om fotosyntes och dess roll mycket kort. För att förstå fotosyntes måste du säga mer: vilka specifika oorganiska ämnen används, hur sker syntes?

Fotosyntes kräver två oorganiska ämnen - koldioxid (CO2) och vatten (H2O). Den första absorberas från luften av växternas luftdelar, huvudsakligen genom stomata. Vatten - från jorden, varifrån det levereras till fotosyntetiska celler av växternas ledande system. Fotosyntes kräver också energin hos fotoner (hν), men de kan inte hänföras till materia.

Totalt producerar fotosyntesen organiskt material och syre (O2). Vanligtvis, med organiskt material, menas oftast glukos (C6H12O6).

Organiska föreningar består till största delen av kol-, väte- och syreatomer. De finns i koldioxid och vatten. Däremot frigör fotosyntesen syre. Dess atomer kommer från vatten.

Kort och allmänt skrivs ekvationen för reaktionen av fotosyntes vanligtvis på följande sätt:

6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2

Men denna ekvation återspeglar inte essensen av fotosyntes, gör den inte förståelig. Se, även om ekvationen är balanserad, har den totalt 12 atomer i fritt syre. Men vi sa att de kommer från vatten, och det finns bara 6 av dem.

Faktum är att fotosyntesen sker i två faser. Den första heter ljus, andra - mörk. Sådana namn beror på det faktum att ljus endast behövs för den ljusa fasen, den mörka fasen är oberoende av sin närvaro, men det betyder inte att den går i mörkret. Den ljusa fasen fortsätter på membranen av tylakoiderna i kloroplasten, den mörka fasen - i kloroplastens stroma.

I den lätta fasen sker ingen CO2-bindning. Det finns bara infångning av solenergi av klorofyllkomplex, dess lagring i ATP, användning av energi för att reducera NADP till NADP*H2. Energiflödet från klorofyll som exciteras av ljus tillhandahålls av elektroner som överförs genom elektrontransportkedjan av enzymer inbyggda i tylakoidmembran.

Väte för NADP tas från vatten, som under inverkan av solljus sönderdelas till syreatomer, väteprotoner och elektroner. Denna process kallas fotolys. Syre från vatten behövs inte för fotosyntes. Syreatomerna från två vattenmolekyler kombineras för att bilda molekylärt syre. Reaktionsekvationen för fotosyntesens lätta fas ser kortfattat ut så här:

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

Således sker frisättningen av syre i den lätta fasen av fotosyntesen. Antalet ATP-molekyler som syntetiseras från ADP och fosforsyra per fotolys av en vattenmolekyl kan vara olika: en eller två.

Så ATP och NADP * H2 går in i den mörka fasen från den ljusa fasen. Här spenderas energin hos den första och den andras återställande kraft på bindningen av koldioxid. Detta steg i fotosyntesen kan inte förklaras enkelt och koncist, eftersom det inte går till på ett sådant sätt att sex CO2-molekyler kombineras med väte som frigörs från NADP*H2-molekyler för att bilda glukos:

6CO2 + 6NADP*H2 →C6H12O6 + 6NADP
(reaktionen sker med energiförbrukning från ATP, som bryts ner till ADP och fosforsyra).

Ovanstående reaktion är bara en förenkling för att underlätta förståelsen. Faktum är att koldioxidmolekyler binder en i taget och förenar det redan förberedda organiska materialet med fem kolatomer. Ett instabilt organiskt ämne med sex kolatomer bildas, som bryts ner till kolhydratmolekyler med tre kol. Några av dessa molekyler används för återsyntesen av den initiala substansen med fem kolatomer för CO2-bindning. Denna återsyntes tillhandahålls Calvin cykel. En mindre del av kolhydratmolekylerna, som innehåller tre kolatomer, lämnar kretsloppet. Redan från dem och andra ämnen syntetiseras alla andra organiska ämnen (kolhydrater, fetter, proteiner).

Det vill säga att sockerarter med tre kolatomer, och inte glukos, kommer ut ur fotosyntesens mörka fas.

Växter får allt de behöver för tillväxt och utveckling från miljön. I detta skiljer de sig från andra levande organismer. För att de ska utvecklas bra behöver de bördig jord, naturlig eller konstgjord vattning och bra belysning. Ingenting kommer att växa i mörkret.

Jorden är en källa till vatten och näringsämnen organiska föreningar, spårämnen. Men träd, blommor, gräs behöver också solenergi. Det är under påverkan av solljus som vissa reaktioner uppstår, som ett resultat av vilka koldioxid som absorberas från luften omvandlas till syre. Denna process kallas fotosyntes. En kemisk reaktion som sker under påverkan av solljus leder också till bildning av glukos och vatten. Dessa ämnen är avgörande för växtens utveckling.

På kemisters språk ser reaktionen ut så här: 6CO2 + 12H2O + ljus = C6H12O6 + 6O2 + 6H2O. Förenklad ekvation: koldioxid + vatten + ljus = glukos + syre + vatten.

Bokstavligen översätts "fotosyntes" som "tillsammans med ljus." Detta ord består av två enkla ord "foto" och "syntes". Solen är en mycket kraftfull energikälla. Människor använder den för att generera el, isolera hus och värma vatten. Växter behöver också solens energi för att upprätthålla liv. Glukos, som produceras under fotosyntesen, är ett enkelt socker som är ett av de viktigaste näringsämnena. Växter använder det för tillväxt och utveckling, och överskottet deponeras i löv, frön och frukter. Inte all mängd glukos förblir oförändrad i de gröna delarna av växter och frukter. Enkla sockerarter tenderar att förvandlas till mer komplexa, som inkluderar stärkelse. Växter använder dessa reserver under perioder med näringsbrist. Det är de som bestämmer näringsvärdet av örter, frukter, blommor, löv för djur och människor som äter vegetabilisk mat.

Hur absorberar växter ljus?

Processen för fotosyntes är ganska komplex, men den kan beskrivas kort så att den blir begriplig även för barn i skolåldern. En av de vanligaste frågorna rör mekanismen för ljusabsorption. Hur kommer ljusenergi in i växter? Processen för fotosyntes äger rum i bladen. I löven på alla växter finns gröna celler - kloroplaster. De innehåller ett ämne som kallas klorofyll. Klorofyll är pigmentet som ger bladen deras gröna färg och ansvarar för att absorbera ljusenergi. Många har inte tänkt på varför bladen på de flesta växter är breda och platta. Det visar sig att naturen inte sörjer för detta av en slump. Den breda ytan gör att du kan absorbera mer solljus. Av samma anledning görs solpaneler breda och platta.

Den övre delen av bladen skyddas av ett vaxskikt (nagelband) från vattenförlust och negativa effekter av vädret, skadedjur. Det kallas palissaden. Om du tittar noga på bladet kan du se att dess ovansida är ljusare och slätare. Mättad färg erhålls på grund av att det finns fler kloroplaster i denna del. Överskott av ljus kan minska växtens förmåga att producera syre och glukos. Under påverkan av den skarpa solen skadas klorofyllet och detta saktar ner fotosyntesen. En avmattning inträffar också med höstens ankomst, när det är mindre ljus, och löven börjar bli gula på grund av förstörelsen av kloroplaster i dem.

Vattnets roll i fotosyntesens gång och i upprätthållandet av växtlivet kan inte underskattas. Vatten behövs för:

• förse växter med mineraler lösta i den;
• bibehålla tonen;
• kyl;
• möjligheten till kemiska och fysikaliska reaktioner.

Träd, buskar, blommor absorberar vatten från jorden med sina rötter, och sedan stiger fukt längs stammen, passerar in i löv längs ådror som är synliga även för blotta ögat.

Koldioxid kommer in genom små hål längst ner på bladet - stomata. Längst ner på bladet är cellerna arrangerade på ett sådant sätt att koldioxid kan tränga djupare in. Det låter också syret som produceras av fotosyntesen lätt lämna bladet. Som alla levande organismer är växter utrustade med förmågan att andas. Samtidigt, till skillnad från djur och människor, absorberar de koldioxid och frigör syre, och inte tvärtom. Där det finns många växter är luften mycket ren och frisk. Därför är det så viktigt att ta hand om träd, buskar, att anlägga torg och parker i storstäder.

Ljusa och mörka faser av fotosyntesen

Processen för fotosyntes är komplex och består av två faser - ljus och mörk. Ljusfasen är endast möjlig i närvaro av solljus. Under påverkan av ljus joniseras klorofyllmolekyler, vilket resulterar i bildandet av energi, som fungerar som en katalysator för en kemisk reaktion. Ordningen på händelser som inträffar i denna fas är följande:

• ljus kommer in i klorofyllmolekylen, som absorberas av det gröna pigmentet och försätter det i ett exciterat tillstånd;
• uppdelning av vatten uppstår;
• ATP syntetiseras, vilket är en energiackumulator.

Den mörka fasen av fotosyntesen fortsätter utan medverkan av ljusenergi. I detta skede bildas glukos och syre. Det är viktigt att förstå att bildningen av glukos och syre sker dygnet runt, och inte bara på natten. Den mörka fasen kallas för att närvaron av ljus inte längre behövs för att den ska fortsätta. Katalysatorn är ATP, som syntetiserades tidigare.

Betydelsen av fotosyntes i naturen

Fotosyntes är en av de viktigaste naturliga processerna. Det är nödvändigt inte bara för att upprätthålla växtlivet, utan också för allt liv på planeten. Fotosyntes behövs för:

• förse djur och människor med mat;
• ta bort koldioxid och mätta luften med syre;
• bibehålla näringsomsättningen.

Alla växter är beroende av fotosynteshastigheten. Solenergi kan ses som en faktor som uppmuntrar eller hämmar tillväxt. Till exempel, i de södra regionerna och regionerna finns det mycket sol och växter kan bli ganska höga. Om vi ​​tänker på hur processen fortskrider i akvatiska ekosystem finns det ingen brist på solljus på ytan av haven och oceanerna, och riklig tillväxt av alger observeras i dessa lager. I de djupare vattenlagren råder brist på solenergi, vilket påverkar vattenflorans tillväxthastighet.

Processen för fotosyntes bidrar till bildandet av ozonskiktet i atmosfären. Detta är mycket viktigt, eftersom det hjälper till att skydda allt liv på planeten från de skadliga effekterna av ultravioletta strålar.

Varje levande varelse på planeten behöver mat eller energi för att överleva. Vissa organismer livnär sig på andra varelser, medan andra kan producera sina egna näringsämnen. De gör sin egen mat, glukos, i en process som kallas fotosyntes.

Fotosyntes och andning är sammankopplade. Resultatet av fotosyntesen är glukos, som lagras som kemisk energi i kroppen. Denna lagrade kemiska energi kommer från omvandlingen av oorganiskt kol (koldioxid) till organiskt kol. Andningsprocessen frigör lagrad kemisk energi.

Förutom de produkter de producerar behöver växter också kol, väte och syre för att överleva. Vatten som absorberas från jorden ger väte och syre. Under fotosyntesen används kol och vatten för att syntetisera mat. Växter behöver också nitrater för att göra aminosyror (en aminosyra är en ingrediens för att göra protein). Utöver detta behöver de magnesium för att producera klorofyll.

Anteckningen: Levande saker som är beroende av andra livsmedel kallas. Växtätare som kor, liksom insektsätande växter, är exempel på heterotrofer. Levande saker som producerar sin egen mat kallas. Gröna växter och alger är exempel på autotrofer.

I den här artikeln kommer du att lära dig mer om hur fotosyntes sker i växter och de villkor som krävs för denna process.

Definition av fotosyntes

Fotosyntes är den kemiska process genom vilken växter, vissa och alger producerar glukos och syre från koldioxid och vatten, med endast ljus som energikälla.

Denna process är extremt viktig för livet på jorden, eftersom den frigör syre, som allt liv beror på.

Varför behöver växter glukos (mat)?

Precis som människor och andra levande varelser behöver växter också mat för att överleva. Värdet på glukos för växter är följande:

• Glukos som erhålls från fotosyntesen används under andning för att frigöra den energi som växten behöver för andra vitala processer.
• Växtceller omvandlar också en del av glukosen till stärkelse, som används vid behov. Av denna anledning används döda växter som biomassa eftersom de lagrar kemisk energi.
• Glukos behövs också för att producera andra kemikalier som proteiner, fetter och växtsocker som behövs för tillväxt och andra viktiga processer.

Faser av fotosyntes

Processen för fotosyntes är uppdelad i två faser: ljus och mörk.

Lätt fas av fotosyntesen

Som namnet antyder behöver ljusfaser solljus. Vid ljusberoende reaktioner absorberas solljusets energi av klorofyll och omvandlas till lagrad kemisk energi i form av elektronbärarmolekylen NADPH (nikotinamidadenindinukleotidfosfat) och energimolekylen ATP (adenosintrifosfat). Ljusa faser förekommer i tylakoidmembran i kloroplasten.

Mörk fas av fotosyntesen eller Calvin-cykeln

I den mörka fasen eller Calvin-cykeln ger exciterade elektroner från den ljusa fasen energi för bildning av kolhydrater från koldioxidmolekyler. De ljusoberoende faserna kallas ibland för Calvin-cykeln på grund av processens cykliska natur.

Även om de mörka faserna inte använder ljus som reaktant (och som ett resultat kan uppstå dag eller natt), kräver de produkter av ljusberoende reaktioner för att fungera. De ljusoberoende molekylerna är beroende av energibärarmolekylerna ATP och NADPH för att skapa nya kolhydratmolekyler. Efter överföringen av energi till molekylerna återgår energibärarna till ljusfaserna för att få mer energiska elektroner. Dessutom aktiveras flera mörkfasenzymer av ljus.

Diagram över fotosyntesens faser

Anteckningen: Detta gör att de mörka faserna inte kommer att fortsätta om växterna berövas ljus för länge, eftersom de använder produkterna från de ljusa faserna.

Strukturen av växtblad

Vi kan inte helt förstå fotosyntesen utan att veta mer om bladstrukturen. Bladet är anpassat för att spela en viktig roll i processen för fotosyntes.

Bladens yttre struktur

• Fyrkant

En av de viktigaste egenskaperna hos växter är bladens stora yta. De flesta gröna växter har breda, platta och öppna blad som kan fånga upp så mycket solenergi (solljus) som behövs för fotosyntesen.

• Central ven och bladskaft

Mellanrev och bladskaft går samman och bildar bladets bas. Bladskaftet placerar bladet på ett sådant sätt att det får så mycket ljus som möjligt.

• lövblad

Enkla blad har ett blad, medan sammansatta blad har flera. Bladbladet är en av de viktigaste komponenterna i bladet, som är direkt involverad i fotosyntesprocessen.

• ådror

Ett nätverk av vener i bladen transporterar vatten från stjälkarna till bladen. Den frigjorda glukosen skickas också till andra delar av växten från bladen genom venerna. Dessutom stödjer och håller dessa delar av bladet bladplattan platt för bättre infångning av solljus. Arrangemanget av vener (venation) beror på typen av växt.

• bladbas

Bladets bas är dess lägsta del, som är ledad med stjälken. Ofta, vid basen av bladet finns ett par stipuler.

• bladkant

Beroende på typ av växt kan bladkanten ha olika former, inklusive: hel, tandad, sågtandad, skårad, krönad, etc.

• Bladspets

Precis som bladets kant finns spetsen i en mängd olika former, inklusive: skarp, rund, trubbig, långsträckt, indragen, etc.

Bladens inre struktur

Nedan är ett nära diagram över den inre strukturen av bladvävnader:

• Ytterhud

Nagelbandet fungerar som det huvudsakliga skyddande lagret på växtens yta. Som regel är det tjockare på toppen av arket. Nagelbandet är täckt med ett vaxliknande ämne som skyddar växten från vatten.

• Epidermis

Epidermis är ett lager av celler som är bladets integumentära vävnad. Dess huvudsakliga funktion är att skydda bladets inre vävnader från uttorkning, mekanisk skada och infektioner. Det reglerar också processen för gasutbyte och transpiration.

• Mesofyll

Mesofyllet är växtens huvudvävnad. Det är här fotosyntesprocessen äger rum. Hos de flesta växter är mesofyllet uppdelat i två lager: det övre är palissad och det nedre är svampigt.

• Skyddsceller

Skyddsceller är specialiserade celler i bladepidermis som används för att kontrollera gasutbytet. De utför en skyddande funktion för stomata. Stomatala porer blir stora när vatten är fritt tillgängligt, annars blir skyddscellerna slöa.

• Stoma

Fotosyntesen beror på penetrationen av koldioxid (CO2) från luften genom stomata in i mesofyllvävnaderna. Syre (O2), som erhålls som en biprodukt av fotosyntesen, lämnar växten genom stomata. När stomata är öppna försvinner vatten genom avdunstning och måste fyllas på genom transpirationsflödet av vatten som tas upp av rötterna. Växter tvingas balansera mängden CO2 som absorberas från luften och förlusten av vatten genom stomatala porer.

Förutsättningar som krävs för fotosyntes

Följande är de villkor som växter behöver för att utföra fotosyntesprocessen:

• Koldioxid. En färglös, luktfri naturgas som finns i luften och har den vetenskapliga beteckningen CO2. Det bildas vid förbränning av kol och organiska föreningar, och förekommer även under andning.
• Vatten. Transparent flytande kemikalie, luktfri och smaklös (under normala förhållanden).
• Ljus.Även om artificiellt ljus även är lämpligt för växter, skapar naturligt solljus generellt sett de bästa förutsättningarna för fotosyntes eftersom det innehåller naturlig ultraviolett strålning, vilket har en positiv effekt på växter.
• Klorofyll. Det är ett grönt pigment som finns i växternas blad.
• Näringsämnen och mineraler. Kemikalier och organiska föreningar som växtrötter absorberar från jorden.

Vad bildas som ett resultat av fotosyntesen?

• Glukos;
• Syre.

(Ljusenergi visas inom parentes eftersom det inte är ett ämne)

Anteckningen: Växter tar upp CO2 från luften genom sina löv och vatten från jorden genom sina rötter. Ljusenergi kommer från solen. Det resulterande syret släpps ut i luften från bladen. Den resulterande glukosen kan omvandlas till andra ämnen, såsom stärkelse, som används som energilager.

Om de faktorer som främjar fotosyntesen saknas eller finns i otillräckliga mängder kan detta påverka växten negativt. Till exempel skapar mindre ljus gynnsamma förutsättningar för insekter som äter bladen på en växt, medan brist på vatten bromsar den.

Var sker fotosyntesen?

Fotosyntesen sker inuti växtceller, i små plastider som kallas kloroplaster. Kloroplaster (finns mestadels i mesofyllskiktet) innehåller ett grönt ämne som kallas klorofyll. Nedan finns andra delar av cellen som arbetar med kloroplasten för att utföra fotosyntes.

Strukturen av en växtcell

Funktioner hos växtcellsdelar

• : ger strukturellt och mekaniskt stöd, skyddar celler från bakterier, fixerar och definierar cellens form, kontrollerar tillväxthastigheten och riktningen och ger form åt växter.
• : ger en plattform för de flesta av de kemiska processer som styrs av enzymer.
• : fungerar som en barriär som kontrollerar rörelsen av ämnen in i och ut ur cellen.
• : som beskrivits ovan innehåller de klorofyll, ett grönt ämne som absorberar ljusenergi under fotosyntesen.
• : en hålighet i cellcytoplasman som lagrar vatten.
• : innehåller ett genetiskt märke (DNA) som styr cellens aktivitet.

Klorofyll absorberar ljusenergin som behövs för fotosyntesen. Det är viktigt att notera att inte alla färgvåglängder av ljus absorberas. Växter absorberar främst röda och blå våglängder - de absorberar inte ljus i det gröna området.

Koldioxid under fotosyntesen

Växter tar upp koldioxid från luften genom sina löv. Koldioxid sipprar genom ett litet hål längst ner på bladet - stomata.

Undersidan av bladet har löst åtskilda celler för att tillåta koldioxid att nå andra celler i bladet. Det låter också syret som produceras av fotosyntesen lätt lämna bladet.

Koldioxid finns i luften vi andas i mycket låga koncentrationer och är en nödvändig faktor i den mörka fasen av fotosyntesen.

Ljus i processen för fotosyntes

Arket har vanligtvis en stor yta, så det kan absorbera mycket ljus. Dess övre yta skyddas från vattenförlust, sjukdomar och väder med ett vaxartat lager (kutikula). Den övre delen av arket är där ljuset faller. Detta lager av mesofyll kallas palissaden. Den är anpassad för att absorbera en stor mängd ljus, eftersom den innehåller många kloroplaster.

I ljusfaserna ökar fotosyntesprocessen med mer ljus. Fler klorofyllmolekyler joniseras och mer ATP och NADPH genereras om ljusfotoner fokuseras på ett grönt blad. Även om ljus är oerhört viktigt i ljusfaserna, bör det noteras att för mycket av det kan skada klorofyll och minska fotosyntesprocessen.

Ljusfaser är inte alltför beroende av temperatur, vatten eller koldioxid, även om de alla behövs för att slutföra fotosyntesprocessen.

Vatten under fotosyntesen

Växter får det vatten de behöver för fotosyntes genom sina rötter. De har rothår som växer i jorden. Rötterna kännetecknas av en stor yta och tunna väggar, vilket gör att vatten lätt kan passera genom dem.

Bilden visar växter och deras celler med tillräckligt med vatten (vänster) och dess brist (höger).

Anteckningen: Rotceller innehåller inga kloroplaster eftersom de vanligtvis är i mörker och inte kan fotosyntetisera.

Om växten inte absorberar tillräckligt med vatten kommer den att vissna. Utan vatten kommer växten inte att kunna fotosyntetisera tillräckligt snabbt och kan till och med dö.

Vilken betydelse har vatten för växter?

• Tillhandahåller lösta mineraler som stöder växthälsa;
• Är mediet för transport;
• Stöder stabilitet och upprätthet;
• Kylar och mättar med fukt;
• Det gör det möjligt att utföra olika kemiska reaktioner i växtceller.

Betydelsen av fotosyntes i naturen

Den biokemiska processen för fotosyntes använder energin från solljus för att omvandla vatten och koldioxid till syre och glukos. Glukos används som byggstenar i växter för vävnadstillväxt. Således är fotosyntes det sätt på vilket rötter, stjälkar, blad, blommor och frukter bildas. Utan fotosyntesen kan växter inte växa eller föröka sig.

• Producenter

På grund av sin fotosyntetiska förmåga är växter kända som producenter och fungerar som ryggraden i nästan varje näringskedja på jorden. (Alger är växtens motsvarighet). All mat vi äter kommer från organismer som är fotosyntetiska. Vi äter dessa växter direkt, eller så äter vi djur som kor eller grisar som äter växtföda.

• Grunden för näringskedjan

Inom vattensystem utgör även växter och alger basen i näringskedjan. Alger fungerar som föda för, som i sin tur fungerar som födokälla för större organismer. Utan fotosyntes i vattenmiljön skulle livet vara omöjligt.

• Avlägsnande av koldioxid

Fotosyntes omvandlar koldioxid till syre. Under fotosyntesen kommer koldioxid från atmosfären in i växten och frigörs sedan som syre. I dagens värld där koldioxidnivåerna stiger i en alarmerande takt, är varje process som tar bort koldioxid från atmosfären miljömässigt viktig.

• Cykling av näringsämnen

Växter och andra fotosyntetiska organismer spelar en viktig roll i näringsämnenas kretslopp. Kväve i luften fixeras i växtvävnader och blir tillgängligt för att göra proteiner. Spårämnen som finns i jorden kan också införlivas i växtvävnad och göras tillgängliga för växtätare längre upp i näringskedjan.

• fotosyntesberoende

Fotosyntesen beror på ljusets intensitet och kvalitet. Vid ekvatorn, där solljuset är rikligt året runt och vatten inte är den begränsande faktorn, har växter höga tillväxthastigheter och kan bli ganska stora. Omvänt är fotosyntes mindre vanlig i de djupare delarna av havet, eftersom ljus inte tränger igenom dessa lager, och som ett resultat är detta ekosystem mer kargt.

Fotosyntes är en komplex process som inkluderar ett helt system av kemiska reaktioner. Den är förlängd i tiden och består av två faser. Den första fasen sker endast i ljuset och kallas ljus. Den andra, mörka, fasen är inte beroende av ljusenergi och inträffar både i ljuset och i mörkret.

i ljuset

Den ljusa fasen börjar med träffen av ljuskvanta på klorofyllmolekyler, som finns inuti tylakoiderna - platta skivformade membrantankar.

Ris. 1. Strukturen hos kloroplasten.

I det här fallet går klorofyllmolekyler in i ett exciterat tillstånd och förlorar elektroner. Istället för förlorade elektroner lägger de till elektroner av H2O-molekyler eller OH¯-joner.

Klorofyllinitierad nedbrytning av vatten (fotolys) och frigöring av gasformigt syre sker. En syremolekyl bildas av två vattenmolekyler.

2Н₂О → 4Н⁺ + 4е¯ + О₂

TOP 4 artiklarsom läser med detta

Fria elektroner och väte passerar genom en komplex kedja av bärarämnen och fixeras i NADPH₂-molekyler.

Ris. 2. Schema för fotosyntesens ljusfas.

På grund av energin hos exciterade elektroner syntetiseras ATP-molekyler också från ADP och fosforsyra.

Om syre anses vara en biprodukt av den ljusa fasen, kan ATP anses vara den viktigaste, eftersom dess energi kommer att spenderas på bildningen av organiska ämnen från CO₂ i den mörka fasen.

Sålunda blir ljusets energi energin för de kemiska bindningarna av ATP.

I ljuset och i mörkret

Den mörka fasens reaktioner fortskrider utanför tylakoiderna, i kloroplastens stroma, som är en biokolloid till sina egenskaper.

Kärnan i processerna i denna fas är omvandlingen av atmosfärisk koldioxid till olika organiska ämnen.

C3- och C4-växter

Det finns två sätt för fotosyntes som är karakteristiska för olika växtarter. De flesta arter tillhör C₃-växter. Detta betyder att de bildar triatomiska kolväten i det första steget av den mörka fasen:

CO2 + ribulosdifosfat (RDP) + H2O → 2 molekyler av fosfoglycerinsyra (PGA).

RDP: 5 C-atomer FHA: 3 C-atomer.

Organiska ämnen bildas inte genom att tillsätta CO₂-molekyler, utan genom att tillsätta CO₂ till redan befintliga kolhydrater.

Således är CO₂ så att säga involverad i växtens intracellulära metabolism.

I C₄-växter sker bildandet av tetraatomiska syror:

• äpple;
• oxalättiksyra;
• asparaginsyra.

C4-växter är av tropiskt ursprung och är mycket fotofila. Dessa är sorghum, hirs, majs, sockerrör, etc.

Produkterna från det första steget går igenom en cykel av reaktioner och bildar en mängd olika ämnen som används av cellen.

I alla växter slutar den mörka fasen med bildning av glukos, fruktos och andra sexatomiga kolhydrater.

Det har bevisats att fotosyntesen också syntetiserar proteiner och andra produkter.

Ris. 3. Schema för fotosyntesens mörka fas.

Tecken på fotosyntesens faser, såväl som resultaten av processerna som inträffar i båda faserna, presenteras i tabellen:

Vad har vi lärt oss?

Efter att ha utfört en jämförande egenskap för de två faserna av fotosyntes, bestämde vi att ljusfasen är förberedande. Under den lätta fasen: syre produceras, energi lagras i form av ATP, väte ackumuleras. Den mörka fasen använder de resurser som erhålls under den ljusa fasen och slutar med bildandet av en mängd olika organiska föreningar.

Ämnesquiz

Rapportutvärdering

Genomsnittligt betyg: 4.6. Totalt antal mottagna betyg: 195.