![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_6ixLCt6ulT0XuUPgvhf.jpg)
Ne veltui miškai laikomi „žaliaisiais planetos plaučiais“. Kas yra fotosintezė ir kaip vyksta šis procesas, mes išsamiai apsvarstysime.
Kas yra fotosintezė?
Fotosintezė - biocheminis procesas, kurio metu organiniai atsiranda specialių augalų pigmentų ir šviesos iš neorganinių medžiagų (anglies dioksido, vandens) pagalba. Tai yra vienas iš svarbiausių procesų, dėl kurio planetoje atsirado ir tebegyvena dauguma organizmų.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_uOv4HpOwd55imt1Be2E.jpg)
Įdomus faktas: Sausumos augalai, taip pat žali dumbliai, yra pajėgūs fotosintezei. Šiuo atveju dumbliai (fitoplanktonas) gamina 80% deguonies.
Fotosintezės svarba gyvybei žemėje
Be fotosintezės vietoj daugelio gyvų organizmų mūsų planetoje egzistuotų tik bakterijos. Būtent energija, gauta atliekant šį cheminį procesą, leido bakterijoms vystytis.
Bet kokiems natūraliems procesams reikalinga energija. Ji kyla iš saulės. Saulės šviesa įgauna formą tik po to, kai ją paverčia augalai.
Augalai sunaudoja tik dalį energijos, o likusią dalį kaupia savyje. Jie valgo žolėdžius augalus, kurie yra maistas plėšrūnams. Grandinės eigoje kiekviena grandis gauna reikalingų vertingų medžiagų ir energijos.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_k9XrgGsZljrp.jpg)
Reakcijos metu gaminamas deguonis yra būtinas, kad visi padarai galėtų kvėpuoti. Kvėpavimas yra priešinga fotosintezei. Tokiu atveju organinės medžiagos oksiduojasi, sunaikinamos. Gautą energiją organizmai naudoja įvairioms gyvybinėms užduotims atlikti.
Planetos egzistavimo metu, kai augalų buvo nedaug, deguonies praktiškai nebuvo. Primityvios gyvybės formos mažiausiai energijos gaudavo kitais būdais. To buvo per mažai plėtrai. Todėl kvėpavimas dėl deguonies atvėrė daugiau galimybių.
Kita fotosintezės funkcija yra organizmų apsauga nuo ultravioletinės šviesos poveikio. Mes kalbame apie ozono sluoksnį, esantį stratosferoje maždaug 20–25 km aukštyje. Jis susidaro dėl deguonies, kuris saulės spinduliais virsta ozonu. Be šios apsaugos Žemėje gyvybė būtų ribojama tik povandeninių organizmų.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_OmovxgXB250z.jpg)
Organizmai kvėpavimo metu išskiria anglies dioksidą. Tai yra svarbus fotosintezės elementas. Priešingu atveju anglies dioksidas tiesiog kaupiasi viršutinėje atmosferoje, labai padidindamas šiltnamio efektą.
Tai yra rimta aplinkos problema, kurios esmė yra atmosferos temperatūros padidėjimas, sukeliantis neigiamas pasekmes. Tai apima klimato pokyčius (globalų atšilimą), tirpstančius ledynus, kylantį jūros lygį ir kt.
Fotosintezės funkcijos:
- deguonies išsiskyrimas;
- energijos formavimas;
- maistinių medžiagų susidarymas;
- ozono sluoksnio sukūrimas.
Fotosintezės apibrėžimas ir formulė
Terminas „fotosintezė“ kilęs iš dviejų žodžių junginio: foto ir sintezė. Išvertus iš senovės graikų kalbos, jie reiškia atitinkamai „šviesą“ ir „ryšį“. Taigi šviesos energija paverčiama organinių medžiagų jungčių energija.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_bh66emxv2DqvOIDvpoYJ5.jpg)
Schema:
Anglies dioksidas + vanduo + šviesa = angliavandeniai + deguonis.
Mokslinė fotosintezės formulė:
6CO2 + 6H2O → C6N12APIE6 + 6O2.
Fotosintezė vyksta taip, kad tiesioginis vandens ir CO kontaktas2 nematomas.
Fotosintezės svarba augalams
Augalams reikia organinių medžiagų, energijos augimui ir vystymuisi. Fotosintezės dėka jie apsirūpina šiais komponentais. Organinių medžiagų sukūrimas yra pagrindinis augalų fotosintezės tikslas, o deguonies išsiskyrimas laikomas šalutine reakcija.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_RZptuGhlQMPhC4V008P6.jpg)
Įdomus faktas: Augalai yra unikalūs, nes jiems energijai gauti nereikia kitų organizmų.Todėl jie sudaro atskirą grupę - autotrofai (išverstas iš senovės graikų kalbos „Aš pats valgau“).
Kaip vyksta fotosintezė?
Fotosintezė vyksta tiesiai žaliosiose augalų dalyse - chloroplastai. Jie yra augalų ląstelių dalis. Chloroplastuose yra medžiagos - chlorofilo. Tai yra pagrindinis fotosintetinis pigmentas, kurio dėka vyksta visa reakcija. Be to, chlorofilas lemia žalią augalijos spalvą.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_ge8lfDlQqulkYiAG2h8n.jpg)
Šis pigmentas pasižymi gebėjimu sugerti šviesą. Augalo ląstelėse užvedama tikra biocheminė „laboratorija“, kurioje vanduo ir CO2 virsta deguonimi, angliavandeniais.
Vanduo patenka per augalų šaknų sistemą, o dujos prasiskverbia tiesiai į lapus. Šviesa veikia kaip energijos šaltinis. Kai lengva dalelė veikia chlorofilo molekulę, ji suaktyvėja. Vandens molekulėje H2O deguonis (O) lieka nereikalaujamas. Taigi jis tampa šalutiniu produktu augalams, bet mums toks svarbus - reakcijos produktu.
Fotosintezės fazės
Fotosintezė yra padalinta į dvi stadijas: šviesiąją ir tamsiąją. Jie atsiranda vienu metu, bet skirtingose chloroplastų dalyse. Kiekvienos fazės pavadinimas kalba pats už save. Šviesos arba nuo šviesos priklausoma fazė įvyksta tik dalyvaujant šviesos dalelėms. Tamsiuoju ar nelakiųjų fazių apšvietimas nereikalingas.
Prieš išsamiau išnagrinėjus kiekvieną fazę, verta suprasti chloroplastų struktūrą, nes jie nustato etapų esmę ir vietą. Chloroplastas yra plastido rūšis ir yra ląstelės viduje atskirai nuo kitų komponentų. Jis turi sėklos formą.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_eVvo0uL80KXGz.jpg)
Chloroplastų sudedamosios dalys, dalyvaujančios fotosintezėje:
- 2 membranos;
- stroma (vidinis skystis);
- tiroidai;
- liumenai (tarpai tiroidų viduje).
Šviesioji fotosintezės fazė
Jis teka ant tirlakoidų, tiksliau, jų membranų. Kai šviesa užklumpa juos, neigiamai įkrauti elektronai išsiskiria ir kaupiasi. Taigi, fotosintetiniai pigmentai praranda visus elektronus, po kurių vandens molekulių posūkis suyra:
H2O → H + + OH-
Tokiu atveju susidarę vandenilio protonai turi teigiamą krūvį ir kaupiasi ant vidinės tiroidinės membranos. Dėl to protonai su krūviu plius ir elektronai, turintys krūvio pliusą, yra atskirti tik membrana.
Deguonis gaminamas kaip šalutinis produktas:
4OH → O2 + 2H2O
Tam tikru momentu elektronų ir vandenilio protonų fazių tampa per daug. Tada fermento ATP sintazė patenka į darbą. Jos užduotis yra pernešti vandenilio protonus iš tiroidinės membranos į chloroplastinę skystą terpę - stromą.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_o9b6e1elhs9ulqtikfOHJo2V.jpg)
Šiame etape vandenilis atiduodamas kitam nešikliui - NADP (trumpai tariant - nikotinamidino nukleotido fosfatas). Tai taip pat fermento tipas, pagreitinantis oksidacines reakcijas ląstelėse. Šiuo atveju jo užduotis yra transportuoti vandenilio protonus vykstant angliavandenių reakcijai.
Šiame etape vyksta fotofosfikacijos procesas, kurio metu susidaro didžiulis energijos kiekis. Jo šaltinis yra ATP - adenozino trifosforo rūgštis.
Trumpas aprašymas:
- Šviesos kvantų pataikymas į chlorofilą.
- Elektronų pasirinkimas.
- Deguonies evoliucija.
- NADPH oksidazės susidarymas.
- ATP energijos gamyba.
Įdomus faktas: Afrikos Atlanto vandenyno pakrantėje auga reliktas augalas, vadinamas Velvichia. Tai yra vienintelis tokio tipo atstovas, turintis mažiausiai lapų, galinčių fotosintezuoti. Tačiau Velvicho amžius siekia apie 2000 metų.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_h2Onh5a1VIpAvyuxUy5.jpg)
Tamsi fotosintezės fazė
Nuo šviesos nepriklausoma fazė įvyksta tiesiai stromoje. Tai reiškia fermentinių reakcijų seką. Anglies dioksidas, absorbuotas lengvoje stadijoje, ištirpsta vandenyje, ir šiame etape jis yra sumažinamas iki gliukozės. Taip pat gaminamos sudėtingos organinės medžiagos.
Tamsiosios fazės reakcijos yra suskirstytos į tris pagrindines rūšis ir priklauso nuo augalų tipo (tiksliau, nuo jų metabolizmo), kurių ląstelėse vyksta fotosintezė:
- SU3-žiediniai augalai;
- SU4-žiediniai augalai;
- CAM augalai.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_SU600g23awvV.jpg)
K C3- Augalai apima didžiąją dalį žemės ūkio augalų, augančių vidutinio klimato sąlygomis. Fotosintezės metu anglies dioksidas tampa fosfoglicerino rūgštimi.
Subtropinės ir atogrąžų rūšys, daugiausia piktžolės, priklauso C4 augalams. Joms būdingas anglies dioksido pavertimas oksaloacetatu. CAM augalai yra augalų, kuriems trūksta drėgmės, kategorija. Jie skiriasi specialiu fotosintezės tipu - CAM.
SU3-fotosintezė
Labiausiai paplitęs yra C3-fotosintezė, kuri dar vadinama Kalvino ciklu - garbei amerikiečių mokslininkui Melvinui Calvinui, kuris padarė didžiulį indėlį tiriant šias reakcijas ir už tai gavo Nobelio premiją.
Augalai vadinami C3 dėl to, kad tamsiosios fazės reakcijų metu susidaro 3-fosfoglicerinės rūgšties 3-anglies molekulės - 3-PGA. Įvairūs fermentai yra tiesiogiai susiję.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_Qk05t1VSjLsE4TsFEYfrh2w.jpg)
Kad susidarytų visa gliukozės molekulė, turi praeiti 6 nuo šviesos nepriklausomos fazės reakcijų ciklai. Angliavandeniai yra pagrindinis fotosintezės produktas Kalvino cikle, tačiau kartu su juo gaminasi riebiosios ir aminorūgštys, taip pat glikolipidai. C3 augalų fotosintezė vyksta tik mezofilo ląstelėse.
Pagrindinis C trūkumas3fotosintezė
C grupės augalai3pasižymi vienu reikšmingu trūkumu. Jei aplinkoje nėra pakankamai drėgmės, labai sumažėja fotosintezės galimybė. Taip yra dėl fotorespiracijos.
Faktas yra tas, kad esant mažai anglies dioksido koncentracijai chloroplastuose (mažiau nei 50: 1 000 000), vietoj anglies fiksavimo fiksuojamas deguonis. Specialūs fermentai žymiai sulėtėja ir eikvoja saulės energiją.
Tuo pačiu sulėtėja augalo augimas ir vystymasis, nes jame trūksta organinių medžiagų. Taip pat iš atmosferos neišleidžiamas deguonis.
Įdomus faktas: Elysia chlorotica jūrų šliužas yra unikalus gyvūnas, fotosintetinamas kaip augalai. Jis maitinasi dumbliais, kurių chloroplastai prasiskverbia į virškinamojo trakto ląsteles ir ten mėnesiais fotosintezuojasi. Pagaminti angliavandeniai tarnauja šliužui kaip maistas.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_r68tJtEehupPx6ti7DiObe.jpg)
C4 fotosintezė
Skirtingai nuo C3-sintezė, čia anglies dioksido fiksacijos reakcijos vyksta įvairiose augalų ląstelėse. Šios rūšies augalai sugeba susidoroti su fotorespiracijos problema, ir jie tai daro dviejų pakopų ciklu.
Viena vertus, palaikomas aukštas anglies dioksido lygis, kita vertus, kontroliuojamas žemas deguonies lygis chloroplastuose. Ši taktika leidžia C4 augalams išvengti kvėpavimo fotografijomis ir su tuo susijusių sunkumų. Šios grupės augalų atstovai yra cukranendrės, kukurūzai, soros ir kt.
Palyginti su augalais C3 jie sugeba daug intensyviau vykdyti fotosintezės procesus esant aukštai temperatūrai ir trūkstant drėgmės. Pirmajame etape mezofilo ląstelėse fiksuojamas anglies dioksidas, kuriame susidaro 4-angliarūgštė. Tada rūgštis patenka į apvalkalą ir suskyla į 3 anglies junginį ir anglies dioksidą.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_qOV4EeoTfawFT6iB9XDKc.jpg)
Antrame etape susidaręs anglies dioksidas pradeda veikti Kalvino cikle, kur susidaro glicerraldehido-3-fosfatas ir angliavandeniai, kurie yra būtini energijos apykaitai.
Dėl dviejų pakopų fotosintezės C4 augaluose susidaro pakankamas anglies dioksido kiekis Kelvino ciklui. Todėl fermentai veikia visu pajėgumu ir veltui nešvaisto energijos.
Tačiau ši sistema turi savo trūkumų. Visų pirma, sunaudojamas didesnis ATP energijos kiekis - jis reikalingas 4 anglies rūgštims paversti 3 anglies rūgštimis ir priešinga kryptimi. Taigi C3-Fotosintezė visada yra produktyvesnė nei C4 su tinkamu vandens ir šviesos kiekiu.
Kas turi įtakos fotosintezės greičiui?
Fotosintezė gali vykti skirtingu greičiu. Šis procesas priklauso nuo aplinkos sąlygų:
- vanduo;
- šviesos bangos ilgis;
- anglies dvideginis;
- temperatūra.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_ZW73s84oz5.jpg)
Vanduo yra pagrindinis veiksnys, todėl, kai jo trūksta, reakcijos sulėtėja. Fotosintezei palankiausios yra raudonos ir mėlynos-violetinės spektro bangos. Pageidautinas ir aukštas apšvietimo laipsnis, tačiau tik iki tam tikros vertės - kai jis pasiekiamas, ryšys tarp apšvietimo ir reakcijos greičio išnyksta.
Didelė anglies dioksido koncentracija užtikrina greitus fotosintezės procesus ir atvirkščiai. Fermentams, kurie greitina reakcijas, svarbu tam tikra temperatūra. Idealios sąlygos jiems yra apie 25–30 ℃.
Foto kvėpavimas
Visiems gyviems daiktams reikia kvėpuoti, o augalai nėra išimtis. Tačiau šis procesas jose vyksta šiek tiek kitaip nei žmonėms ir gyvūnams, todėl jis vadinamas fotorespiracija.
Paprastai kvėpavimas - fizinis procesas, kurio metu gyvas organizmas ir jo aplinka keičiasi dujomis. Kaip ir visiems gyviems daiktams, augalams kvėpuoti reikia deguonies. Bet jie sunaudoja daug mažiau, nei gamina.
Fotosintezės metu, kuri vyksta tik saulės šviesoje, augalai patys kuria maistą. Kvėpuojant fotoaparatu, kuris atliekamas visą parą, šios maistinės medžiagos jas absorbuoja, kad palaikytų medžiagų apykaitą ląstelėse.
Įdomus faktas: saulėtą dieną 1 ha miško sklype sunaudojama nuo 120 iki 280 kg anglies dioksido ir išskiriama nuo 180 iki 200 kg deguonies.
Deguonis (kaip anglies dioksidas) prasiskverbia pro augalų ląsteles per specialias angas - stomatą. Jie yra lapų apačioje. Viename lape gali būti apie 1000 stomatų.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_i88dfhKbye6D.jpg)
Augalų dujų mainai priklausomai nuo apšvietimo
Dujų mainų procesas skirtingu apšvietimu pateikiamas taip:
- Ryški šviesa. Anglies dioksidas naudojamas fotosintezės metu. Augalai gamina daugiau deguonies, nei sunaudoja. Jo perteklius patenka į atmosferą. Anglies dioksidas sunaudojamas greičiau, nei išsiskiria įkvėpus. Nepanaudotus angliavandenius augalas kaupia naudoti ateityje.
- Silpnas apšvietimas. Dujų mainai su aplinka nevyksta, nes augalas sunaudoja visą deguonį, kurį gamina.
- Trūksta šviesos. Vyksta tik kvėpavimo procesai. Išsiskiria anglies dioksidas ir sunaudojamas deguonis.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_wgWu7iRgxx8aTq80Eu.jpg)
Chemosintezė
Kai kurie gyvi organizmai taip pat sugeba iš vandens ir anglies dioksido sudaryti monokarbohidratus, tuo tarpu jiems nereikia saulės šviesos. Tai apima bakterijas, o energijos virsmo procesas vadinamas chemosinteze.
Chemosintezė Tai procesas, kurio metu sintezuojama gliukozė, tačiau vietoje saulės energijos naudojamos cheminės medžiagos. Jis teka vietose, kuriose yra pakankamai aukšta temperatūra, tinkama fermentams veikti ir trūkstant šviesos. Tai gali būti zonos prie hidroterminių šaltinių, metano nutekėjimai jūros gylyje ir kt.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_1kf7567z9O0gbkQ.jpg)
Fotosintezės atradimo istorija
Fotosintezės atradimo ir tyrimo istorija siekia 1600 m., Kai Janas Baptiste'as van Helmontas tuo metu nusprendė suprasti skubų klausimą: ką augalai valgo ir iš kur gauna naudingų medžiagų?
Tuo metu buvo manoma, kad dirvožemis yra vertingų elementų šaltinis. Mokslininkas gluosnio šakelę įdėjo į konteinerį su žeme, bet anksčiau išmatavo jų svorį. 5 metus rūpinosi medžiu, jį laistė, po to vėl atliko matavimo procedūras.
Paaiškėjo, kad žemės svoris sumažėjo 56 g, tačiau medis tapo 30 kartų sunkesnis. Šis atradimas paneigė požiūrį, kad augalai maitinasi dirvožemiu, ir atsirado nauja teorija - vandens mityba.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_HfWfuWci6MGiKmIA4udB5Gl6.jpg)
Ateityje daugelis mokslininkų bandė tai paneigti.Pavyzdžiui, Lomonosovas manė, kad iš dalies struktūriniai komponentai į augalus patenka per lapus. Jam vadovavo augalai, sėkmingai augantys sausringose vietose. Tačiau šios versijos įrodyti nebuvo įmanoma.
Artimiausias realiai situacijai buvo Josephas Priestley, chemijos mokslininkas ir kunigas ne visą darbo dieną. Kartą jis aptikė negyvą pelę apverstame stiklainyje ir šis įvykis privertė jį atlikti daugybę eksperimentų su graužikais, žvakėmis ir konteineriais 1770-aisiais.
Priestley nustatė, kad žvakė visada greitai užges, jei uždengsite ją stiklainiu viršuje. Be to, gyvas organizmas negali išgyventi. Mokslininkas priėjo išvados, kad yra tam tikrų jėgų, kurios padaro orą tinkamu gyvenimui, ir bandė šį reiškinį susieti su augalais.
Jis ir toliau rengė eksperimentus, tačiau šį kartą pabandė po stikliniu indu pastatyti puodą su augančiomis mėtomis. Didelei nuostabai, augalas toliau aktyviai vystėsi. Tada Priestley padėjo augalą ir pelę po vienu stiklainiu, o tik gyvūną - po antrą. Rezultatas akivaizdus - pagal pirmąjį baką graužikas liko nesužeistas.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_5yst8JXqa4O.jpg)
Chemiko pasiekimas tapo kitų pasaulio mokslininkų motyvacija pakartoti eksperimentą. Tačiau laimikis buvo tas, kad kunigas dieną vykdė eksperimentus. O, pavyzdžiui, vaistininkas Karlas Scheele - naktį, kai buvo laisvo laiko. Dėl to mokslininkas apkaltino Priestley apgaulę, nes jo eksperimentiniai subjektai negalėjo pakęsti eksperimento su augalu.
Tarp chemikų kilo tikra mokslinė konfrontacija, kuri davė nemažą naudą ir leido padaryti dar vieną atradimą - kad augalams reikia atkurti orą, jiems reikia saulės spindulių.
Žinoma, tada niekas šio reiškinio nevadino fotosinteze ir vis dar buvo daug klausimų. Tačiau 1782 m. Botanikas Jeanas Senebier sugebėjo įrodyti, kad esant saulės šviesai augalai sugeba suskaidyti anglies dioksidą ląstelių lygyje. Ir galiausiai 1864 m. Pasirodė eksperimentiniai įrodymai, kad augalai absorbuoja anglies dioksidą ir gamina deguonį. Tai mokslininko iš Vokietijos - Juliaus Sachso - nuopelnas.