A fotoszintézis folyamata a biológiában. A fotoszintézis folyamata: rövid és érthető a gyermekek számára. Fotoszintézis: világos és sötét fázisok Mi a fotoszintézis

Fotoszintézis a szerves anyagok szervetlen anyagokból történő szintézisének folyamata fényenergia felhasználásával. Az esetek túlnyomó többségében a fotoszintézist a növények végzik sejtszervecskék segítségével, mint pl kloroplasztiszok zöld pigmentet tartalmaz klorofill.

Ha a növények nem lennének képesek szerves anyagok szintetizálására, akkor szinte minden más élőlénynek a Földön nem lenne mit ennie, mivel az állatok, gombák és sok baktérium nem tud szerves anyagokat szintetizálni a szervetlenekből. Csak a készeket szívják fel, egyszerűbbekre bontják, amelyekből ismét összeállítanak komplexeket, de már a testükre jellemzőket.

Ez a helyzet, ha nagyon röviden beszélünk a fotoszintézisről és annak szerepéről. A fotoszintézis megértéséhez többet kell mondanunk: milyen konkrét szervetlen anyagokat használnak, hogyan megy végbe a szintézis?

A fotoszintézishez két szervetlen anyag szükséges - szén-dioxid (CO 2) és víz (H 2 O). Az elsőt a növényi föld feletti részek szívják fel a levegőből, főként sztómákon keresztül. A víz a talajból származik, ahonnan a növény vezetőrendszere a fotoszintetikus sejtekhez juttatja. A fotoszintézishez szintén szükség van a fotonok energiájára (hν), de ezek nem tulajdoníthatók az anyagnak.

Összességében a fotoszintézis szerves anyagot és oxigént (O2) termel. Jellemzően a szerves anyag leggyakrabban glükózt (C 6 H 12 O 6) jelent.

A szerves vegyületek többnyire szén-, hidrogén- és oxigénatomokból állnak. Szén-dioxidban és vízben találhatók. A fotoszintézis során azonban oxigén szabadul fel. Atomjai a vízből származnak.

Röviden és általánosságban a fotoszintézis reakciójának egyenletét általában a következőképpen írják le:

6CO 2 + 6H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 6O 2

De ez az egyenlet nem tükrözi a fotoszintézis lényegét, és nem teszi érthetővé. Nézd, bár az egyenlet kiegyensúlyozott, benne a szabad oxigénben lévő atomok teljes száma 12. De azt mondtuk, hogy vízből származnak, és csak 6 van belőlük.

Valójában a fotoszintézis két fázisban megy végbe. Az elsőt úgy hívják fény, második - sötét. Az ilyen elnevezések abból adódnak, hogy a fény csak a világos fázishoz szükséges, a sötét fázis független a jelenlététől, de ez nem jelenti azt, hogy sötétben fordul elő. A világos fázis a kloroplaszt tilakoidjainak membránján, a sötét fázis pedig a kloroplasztisz strómájában fordul elő.

A világos fázis alatt CO 2 megkötés nem következik be. Mindössze annyi történik, hogy a napenergiát klorofill komplexek rögzítik, ATP-ben tárolják, és energiát használnak fel a NADP NADP*H 2 -re való redukálására. A fénnyel gerjesztett klorofillból származó energiaáramlást a tilakoid membránokba épített enzimek elektronszállító lánca mentén továbbított elektronok biztosítják.

A NADP hidrogéne vízből származik, amely a napfény hatására oxigénatomokra, hidrogén protonokra és elektronokra bomlik. Ezt a folyamatot ún fotolízis. A vízből származó oxigén nem szükséges a fotoszintézishez. Két vízmolekulából származó oxigénatomok egyesülve molekuláris oxigént képeznek. A fotoszintézis könnyű fázisának reakcióegyenlete röviden így néz ki:

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

Így az oxigén felszabadulása a fotoszintézis fényfázisában történik. Az ADP-ből és foszforsavból szintetizált ATP-molekulák száma egy vízmolekula fotolízisére különböző lehet: egy vagy kettő.

Tehát az ATP és a NADP*H2 a világos fázisból a sötét fázisba kerül. Itt az első energiáját és a második redukáló erejét a szén-dioxid megkötésére fordítják. A fotoszintézis ezen szakasza nem magyarázható egyszerűen és tömören, mert nem úgy megy végbe, hogy hat CO 2 molekula a NADP*H 2 molekulákból felszabaduló hidrogénnel egyesülve glükózt képez:

6CO 2 + 6NADP*H 2 → C 6 H 12 O 6 + 6NADP
(a reakció az ATP energiafelhasználásával megy végbe, amely ADP-re és foszforsavra bomlik).

Az adott reakció csak leegyszerűsítés, hogy könnyebben érthető legyen. Valójában a szén-dioxid molekulák egyenként kötődnek, csatlakozva a már elkészített öt szénatomos szerves anyaghoz. Instabil hat szénatomos szerves anyag képződik, amely három szénatomos szénhidrát molekulákra bomlik. E molekulák némelyikét az eredeti öt szénatomos anyag újraszintetizálására használják a CO 2 megkötésére. Ez az újraszintézis biztosított Calvin ciklus. A három szénatomot tartalmazó szénhidrátmolekulák kisebb része kilép a ciklusból. Az összes többi szerves anyag (szénhidrát, zsír, fehérje) belőlük és más anyagokból szintetizálódik.

Azaz valójában a három szénatomos cukrok, nem a glükóz jönnek ki a fotoszintézis sötét fázisából.

Ahogy a neve is sugallja, a fotoszintézis lényegében szerves anyagok természetes szintézise, ​​amely során a légkörből és a vízből származó CO2 glükózzá és szabad oxigénné alakul.

Ehhez a napenergia jelenléte szükséges.

A fotoszintézis folyamatának kémiai egyenlete általában a következőképpen ábrázolható:

A fotoszintézisnek két fázisa van: sötét és világos. A fotoszintézis sötét fázisának kémiai reakciói jelentősen eltérnek a világos fázis reakcióitól, de a fotoszintézis sötét és világos fázisa egymástól függ.

A világos fázis a növényi levelekben kizárólag napfényben fordulhat elő. A sötétséghez szén-dioxid jelenléte szükséges, ezért a növénynek folyamatosan fel kell vennie a légkörből. Az alábbiakban bemutatjuk a fotoszintézis sötét és világos fázisának összes összehasonlító jellemzőjét. Ebből a célból egy összehasonlító táblázatot készítettek „Fotószintézis fázisai”.

A fotoszintézis könnyű fázisa

A fotoszintézis fényfázisának fő folyamatai a tilakoid membránokban játszódnak le. Ez magában foglalja a klorofillt, az elektrontranszport fehérjéket, az ATP-szintetázt (egy enzim, amely felgyorsítja a reakciót) és a napfényt.

Továbbá a reakciómechanizmus a következőképpen írható le: amikor napfény éri a növények zöld leveleit, szerkezetükben klorofill-elektronok (negatív töltés) gerjesztődnek, amelyek aktív állapotba kerülve elhagyják a pigmentmolekulát és a növényre jutnak. a tilakoidon kívül, melynek membránja is negatív töltésű. Ugyanakkor a klorofill molekulák oxidálódnak, a már oxidált molekulák pedig redukálódnak, így a levélszerkezetben lévő vízből elektronokat vesznek el.

Ez a folyamat oda vezet, hogy a vízmolekulák szétesnek, és a víz fotolízise során keletkező ionok feladják elektronjaikat és OH gyökökké alakulnak, amelyek képesek további reakciókat lefolytatni. Ezek a reaktív OH-gyökök azután egyesülve teljes értékű vízmolekulákat és oxigént hoznak létre. Ebben az esetben a szabad oxigén a külső környezetbe kerül.

Mindezen reakciók és átalakulások eredményeként a levél tilakoid membránja az egyik oldalon pozitívan töltődik (a H+ ion miatt), a másik oldalon pedig negatívan (elektronok miatt). Amikor a töltések közötti különbség a membrán két oldalán meghaladja a 200 mV-ot, a protonok az ATP szintetáz enzim speciális csatornáin haladnak át, és ennek köszönhetően az ADP ATP-vé alakul (a foszforilációs folyamat eredményeként). A vízből felszabaduló atomi hidrogén pedig visszaállítja a NADP+ specifikus hordozót NADP·H2-vé. Amint látjuk, a fotoszintézis fényfázisának eredményeként három fő folyamat megy végbe:

1. ATP szintézis;
2. NADP H2 létrehozása;
3. szabad oxigén képződése.

Ez utóbbi a légkörbe kerül, a NADP H2 és az ATP pedig részt vesz a fotoszintézis sötét fázisában.

A fotoszintézis sötét fázisa

A fotoszintézis sötét és világos fázisát nagy energiafelhasználás jellemzi a növény részéről, de a sötét fázis gyorsabban halad és kevesebb energiát igényel. A sötét fázis reakcióihoz nincs szükség napfényre, így nappal és éjszaka is előfordulhatnak.

Ennek a fázisnak az összes fő folyamata a növényi kloroplasztisz strómájában játszódik le, és a légkörből származó szén-dioxid egymást követő átalakulásának egyedülálló láncát képviseli. Az első reakció egy ilyen láncban a szén-dioxid rögzítése. A zökkenőmentes és gyorsabb megvalósítás érdekében a természet biztosította a RiBP-karboxiláz enzimet, amely katalizálja a CO2 rögzítését.

Ezután egy teljes reakcióciklus megy végbe, amelynek befejeződése a foszfoglicerinsav glükózzá (természetes cukorrá) történő átalakulása. Mindezek a reakciók az ATP és a NADP H2 energiáját használják fel, amelyek a fotoszintézis fényfázisában jöttek létre. A fotoszintézis a glükózon kívül más anyagokat is termel. Ezek közé tartoznak a különböző aminosavak, zsírsavak, glicerin és nukleotidok.

A fotoszintézis fázisai: összehasonlító táblázat

Fotoszintézis - videó

- szerves anyagok szintézise szén-dioxidból és vízből, kötelező fényenergia felhasználásával:

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

A magasabb rendű növényekben a fotoszintézis szerve a levél, a fotoszintézis organellumai pedig a kloroplasztiszok (a kloroplasztiszok szerkezete - 7. előadás). A kloroplaszt tilakoidok membránja fotoszintetikus pigmenteket tartalmaz: klorofillokat és karotinoidokat. A klorofillnak több fajtája létezik ( a, b, c, d), a fő a klorofill a. A klorofillmolekulában megkülönböztethető egy porfirin „fej”, amelynek középpontjában magnéziumatom és egy fitol „farok” található. A porfirin „fej” lapos szerkezet, hidrofil, ezért a membrán felszínén fekszik, amely a stroma vizes környezetével szemben helyezkedik el. A fitol „farok” hidrofób, és ennek köszönhetően megtartja a klorofill molekulát a membránban.

A klorofillok elnyelik a vörös és kék-ibolya fényt, visszaverik a zöld fényt, így a növények jellegzetes zöld színét adják. A tilakoid membránokban lévő klorofill molekulák olyanokba szerveződnek fotorendszerek. A növényeknek és a kék-zöld algáknak fotorendszer-1 és fotorendszer-2, míg a fotoszintetikus baktériumoknak fotorendszer-1-jük van. Csak a fotorendszer-2 képes lebontani a vizet, hogy oxigént szabadítson fel és elektronokat vegyen el a víz hidrogénéből.

A fotoszintézis összetett, több lépésből álló folyamat; A fotoszintézis reakcióit két csoportra osztják: reakciókra világos fázisés reakciók sötét fázis.

Fény fázis

Ez a fázis csak fény jelenlétében következik be tilakoid membránokban, klorofill, elektrontranszport fehérjék és az ATP szintetáz enzim részvételével. A fénykvantum hatására a klorofill elektronok gerjesztődnek, elhagyják a molekulát, és belépnek a tilakoid membrán külső oldalára, amely végül negatív töltésűvé válik. Az oxidált klorofill molekulák redukálódnak, elektronokat vesznek el az intratilakoid térben található vízből. Ez a víz lebomlásához vagy fotolíziséhez vezet:

H 2 O + Q fény → H + + OH - .

A hidroxil-ionok feladják elektronjaikat, és reakcióképes gyökökké válnak.

OH - → .OH + e - .

Az OH gyökök egyesülve vizet és szabad oxigént képeznek:

4NO. → 2H 2 O + O 2.

Ebben az esetben az oxigén a külső környezetbe kerül, és a protonok a tilakoid belsejében halmozódnak fel a „protontartályban”. Ennek eredményeként a tilakoid membrán egyrészt a H + hatására pozitívan, másrészt az elektronok hatására negatívan töltődik. Amikor a tilakoid membrán külső és belső oldala közötti potenciálkülönbség eléri a 200 mV-ot, a protonok átnyomódnak az ATP szintetáz csatornákon, és az ADP ATP-vé foszforilálódik; Az atomos hidrogént a specifikus NADP + (nikotinamid-adenin-dinukleotid-foszfát) NADPH 2-vé történő visszaállítására használják:

2H + + 2e - + NADP → NADPH 2.

Így a könnyű fázisban a víz fotolízise megy végbe, amely három fontos folyamattal jár együtt: 1) ATP szintézis; 2) NADPH 2 képződése; 3) oxigén képződése. Az oxigén a légkörbe diffundál, az ATP és a NADPH 2 a kloroplasztisz strómájába kerül, és részt vesz a sötét fázis folyamataiban.

1 - kloroplasztisz stroma; 2 - grana tilakoid.

Sötét fázis

Ez a fázis a kloroplaszt sztrómájában következik be. Reakciói nem igényelnek fényenergiát, így nem csak fényben, hanem sötétben is előfordulnak. A sötét fázisú reakciók a (levegőből származó) szén-dioxid egymás utáni átalakulásának láncolata, amely glükóz és más szerves anyagok képződéséhez vezet.

Az első reakció ebben a láncban a szén-dioxid rögzítése; A szén-dioxid akceptor egy öt szénatomos cukor. ribulóz-bifoszfát(RiBF); enzim katalizálja a reakciót Ribulóz-bifoszfát-karboxiláz(RiBP karboxiláz). A ribulóz-biszfoszfát karboxilezése következtében instabil hat szénatomos vegyület keletkezik, amely azonnal két molekulára bomlik. foszfoglicerinsav(FGK). Ezután egy reakcióciklus megy végbe, amelyben a foszfoglicerinsav egy sor intermedieren keresztül glükózzá alakul. Ezek a reakciók a könnyű fázisban képződött ATP és NADPH 2 energiáját használják fel; Ezeknek a reakcióknak a ciklusát Calvin-ciklusnak nevezik:

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

A glükózon kívül a fotoszintézis során összetett szerves vegyületek egyéb monomerei is képződnek - aminosavak, glicerin és zsírsavak, nukleotidok. Jelenleg kétféle fotoszintézis létezik: C 3 - és C 4 fotoszintézis.

C 3-fotoszintézis

Ez a fotoszintézis egy olyan fajtája, amelyben az első termék három szénatomos (C3) vegyületek. A C 3 fotoszintézist a C 4 fotoszintézis előtt fedezték fel (M. Calvin). A C 3 fotoszintézist fentebb a „Sötét fázis” címszó alatt írtuk le. A C 3 fotoszintézis jellemzői: 1) a szén-dioxid akceptor a RiBP, 2) a RiBP karboxilezési reakcióját a RiBP karboxiláz katalizálja, 3) a RiBP karboxilezése következtében hat szénatomos vegyület keletkezik, amely bomlik két PGA. Az FGK visszaállításra kerül trióz foszfátok(TF). A TF egy részét a RiBP regenerálására használják, egy részét pedig glükózzá alakítják.

1 - kloroplaszt; 2 - peroxiszóma; 3 - mitokondriumok.

Ez az oxigén fénytől függő felszívódása és szén-dioxid felszabadulása. A múlt század elején megállapították, hogy az oxigén elnyomja a fotoszintézist. Mint kiderült, a RiBP karboxiláz szubsztrátja nemcsak szén-dioxid, hanem oxigén is lehet:

O 2 + RiBP → foszfoglikolát (2C) + PGA (3C).

Az enzimet RiBP oxigenáznak nevezik. Az oxigén a szén-dioxid megkötésének kompetitív gátlója. A foszfátcsoport leszakad, és a foszfoglikolát glikoláttá válik, amelyet a növénynek hasznosítania kell. Bejut a peroxiszómákba, ahol glicinné oxidálódik. A glicin bejut a mitokondriumokba, ahol szerinné oxidálódik, a már rögzített szén elvesztésével CO 2 formájában. Ennek eredményeként két glikolát molekula (2C + 2C) egy PGA-vá (3C) és CO 2 -dá alakul. A fotorespiráció a C3-as növények termésének 30-40%-os csökkenéséhez vezet. 3 növénnyel- C 3 fotoszintézissel jellemezhető növények).

A C 4 fotoszintézis olyan fotoszintézis, amelyben az első termék négy szénatomos (C 4) vegyületek. 1965-ben megállapították, hogy egyes növényekben (cukornád, kukorica, cirok, köles) a fotoszintézis első termékei a négyszénsavak. Ezeket a növényeket hívták 4 növénnyel. 1966-ban Hatch és Slack ausztrál tudósok kimutatták, hogy a C4 növények gyakorlatilag nem lélegeznek fényt, és sokkal hatékonyabban szívják fel a szén-dioxidot. A C 4 növények széntranszformációinak útját kezdték nevezni Hatch-Slack.

A C 4 növényeket a levél speciális anatómiai szerkezete jellemzi. Minden vaszkuláris köteget kettős sejtréteg vesz körül: a külső réteg mezofil sejtek, a belső réteg buroksejtek. A szén-dioxid a mezofil sejtek citoplazmájában rögzül, az akceptor az foszfoenolpiruvát(PEP, 3C), a PEP karboxilezése következtében oxálacetát (4C) keletkezik. A folyamat katalizált PEP karboxiláz. A RiBP-karboxiláztól eltérően a PEP-karboxiláz nagyobb affinitással rendelkezik a CO 2 -hoz, és ami a legfontosabb, nem lép kölcsönhatásba az O 2 -vel. A mezofil kloroplasztiszoknak sok szemcséje van, ahol aktívan játszódnak le a fényfázisú reakciók. Sötét fázisú reakciók mennek végbe a buroksejtek kloroplasztiszaiban.

Az oxaloacetát (4C) maláttá alakul, amely a plazmodezmán keresztül a buroksejtekbe kerül. Itt dekarboxilezve és dehidrogénezve piruvát, CO 2 és NADPH 2 keletkezik.

A piruvát visszatér a mezofil sejtekbe, és a PEP-ben található ATP energiájával regenerálódik. A CO 2 -t ismét a RiBP karboxiláz rögzíti, és így PGA képződik. A PEP regenerációjához ATP energiára van szükség, így csaknem kétszer annyi energiát igényel, mint a C 3 fotoszintézisé.

A fotoszintézis jelentése

A fotoszintézisnek köszönhetően évente több milliárd tonna szén-dioxid szívódik fel a légkörből, és több milliárd tonna oxigén szabadul fel; a fotoszintézis a szerves anyagok képződésének fő forrása. Az oxigén képezi az ózonréteget, amely megvédi az élő szervezeteket a rövidhullámú ultraibolya sugárzástól.

A fotoszintézis során egy zöld levél a rá eső napenergiának csak körülbelül 1%-át használja fel, termőképessége körülbelül 1 g szerves anyag 1 m2 felületenként óránként.

Kemoszintézis

A szerves vegyületek szén-dioxidból és vízből történő szintézisét, amely nem a fény energiája, hanem a szervetlen anyagok oxidációs energiája miatt megy végbe, az ún. kemoszintézis. A kemoszintetikus szervezetek közé tartoznak bizonyos típusú baktériumok.

Nitrifikáló baktériumok az ammónia salétromsavvá, majd salétromsavvá oxidálódik (NH 3 → HNO 2 → HNO 3).

Vas baktériumok a vas vasat oxidvassá alakítja (Fe 2+ → Fe 3+).

Kén baktériumok oxidálja a hidrogén-szulfidot kénné vagy kénsavvá (H 2 S + ½O 2 → S + H 2 O, H 2 S + 2O 2 → H 2 SO 4).

A szervetlen anyagok oxidációs reakciói következtében energia szabadul fel, amit a baktériumok nagy energiájú ATP kötések formájában raktároznak el. Az ATP-t szerves anyagok szintézisére használják, amely a fotoszintézis sötét fázisának reakcióihoz hasonlóan megy végbe.

A kemoszintetikus baktériumok hozzájárulnak az ásványi anyagok talajban való felhalmozódásához, javítják a talaj termékenységét, elősegítik a szennyvíztisztítást stb.

Menj előadások 11. sz„Az anyagcsere fogalma. Fehérjék bioszintézise"

Menj előadások 13. sz"Az eukarióta sejtek osztódásának módszerei: mitózis, meiózis, amitózis"

Hogyan lehet röviden és világosan megmagyarázni egy ilyen összetett folyamatot, mint a fotoszintézis? A növények az egyetlen élő szervezet, amely képes saját táplálékot előállítani. Hogyan csinálják? A növekedéshez minden szükséges anyagot megkapnak a környezetből: szén-dioxidot a levegőből, a vízből és a talajból. Energiára is szükségük van, amit a napsugarakból nyernek. Ez az energia bizonyos kémiai reakciókat indít el, amelyek során a szén-dioxid és a víz glükózzá (élelmiszerré) alakul át, és ez a fotoszintézis. A folyamat lényege röviden és érthetően elmagyarázható még az iskoláskorú gyerekeknek is.

"A Fénnyel együtt"

A "fotoszintézis" szó két görög szóból származik - "fénykép" és "szintézis", amelyek kombinációja azt jelenti, hogy "együtt a fénnyel". A napenergia kémiai energiává alakul. A fotoszintézis kémiai egyenlete:

6CO 2 + 12H 2 O + könnyű = C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + 6H 2 O.

Ez azt jelenti, hogy 6 molekula szén-dioxid és tizenkét molekula víz kerül felhasználásra (a napfénnyel együtt) a glükóz előállítására, ami hat oxigénmolekulát és hat vízmolekulát eredményez. Ha ezt verbális egyenletként ábrázolja, a következőket kapja:

Víz + nap => glükóz + oxigén + víz.

A nap nagyon erős energiaforrás. Az emberek mindig megpróbálják felhasználni áramtermelésre, házak szigetelésére, vízmelegítésre stb. A növények évmilliókkal ezelőtt „találták ki” a napenergia felhasználását, mert ez szükséges volt a túlélésükhöz. A fotoszintézis röviden és érthetően magyarázható így: a növények a nap fényenergiáját felhasználva kémiai energiává alakítják át, aminek eredménye a cukor (glükóz), melynek feleslegét keményítőként raktározzák a levelek, gyökerek, szárak. és a növény magjai. A nap energiája átkerül a növényekhez, valamint az állatokhoz, amelyek megeszik ezeket a növényeket. Amikor egy növénynek tápanyagra van szüksége a növekedéshez és más életfolyamatokhoz, ezek a tartalékok nagyon hasznosak.

Hogyan veszik fel a növények a nap energiáját?

Ha röviden és világosan beszélünk a fotoszintézisről, érdemes foglalkozni azzal a kérdéssel, hogy a növények hogyan képesek felvenni a napenergiát. Ez a levelek speciális szerkezetének köszönhető, amely zöld sejteket - kloroplasztokat - tartalmaz, amelyek egy speciális, klorofill nevű anyagot tartalmaznak. Ez adja a levelek zöld színét, és felelős a napfényből származó energia elnyeléséért.

Miért széles és lapos a legtöbb levél?

A fotoszintézis a növények leveleiben megy végbe. A csodálatos tény az, hogy a növények nagyon jól alkalmazkodnak a napfény megkötéséhez és a szén-dioxid elnyeléséhez. A széles felületnek köszönhetően sokkal több fény fogható meg. Ez az oka annak, hogy az esetenként házak tetejére szerelt napelemek is szélesek és laposak. Minél nagyobb a felület, annál jobb a felszívódás.

Mi még fontos a növények számára?

Az emberekhez hasonlóan a növényeknek is jótékony tápanyagokra van szükségük ahhoz, hogy egészségesek maradjanak, növekedjenek és jól végezzék létfontosságú funkcióikat. A vízben oldott ásványi anyagokat a talajból nyerik a gyökereiken keresztül. Ha a talajban hiányoznak az ásványi tápanyagok, a növény nem fejlődik normálisan. A gazdálkodók gyakran tesztelik a talajt, hogy megbizonyosodjanak arról, hogy elegendő tápanyaggal rendelkezik a növények növekedéséhez. Ellenkező esetben használjon olyan műtrágyákat, amelyek alapvető ásványi anyagokat tartalmaznak a növények táplálkozásához és növekedéséhez.

Miért olyan fontos a fotoszintézis?

Ahhoz, hogy a fotoszintézist röviden és érthetően elmagyarázzuk a gyerekeknek, érdemes elmondani, hogy ez a folyamat a világ egyik legfontosabb kémiai reakciója. Milyen okai vannak egy ilyen hangos kijelentésnek? Először is, a fotoszintézis táplálja a növényeket, amelyek viszont minden más élőlényt táplálnak a bolygón, beleértve az állatokat és az embereket is. Másodszor, a fotoszintézis eredményeként a légzéshez szükséges oxigén kerül a légkörbe. Minden élőlény belélegzi az oxigént és kilélegzi a szén-dioxidot. Szerencsére a növények ennek az ellenkezőjét teszik, ezért nagyon fontosak az emberek és az állatok számára, hiszen képesek lélegezni.

Csodálatos folyamat

Kiderült, hogy a növények is tudnak lélegezni, de az emberekkel és az állatokkal ellentétben szén-dioxidot szívnak fel a levegőből, nem oxigént. A növények is isznak. Ezért meg kell itatni őket, különben elpusztulnak. A gyökérrendszer segítségével a víz és a tápanyagok a növény minden részébe eljutnak, a szén-dioxid pedig a leveleken lévő apró lyukakon keresztül szívódik fel. A kémiai reakció elindításának kiváltó oka a napfény. Az összes nyert anyagcsereterméket a növények táplálkozásra használják fel, oxigén kerül a légkörbe. Így röviden és érthetően elmagyarázhatja, hogyan megy végbe a fotoszintézis folyamata.

Fotoszintézis: a fotoszintézis világos és sötét fázisai

A vizsgált folyamat két fő részből áll. A fotoszintézisnek két fázisa van (az alábbi leírás és táblázat). Az elsőt fényfázisnak nevezik. Csak fény jelenlétében fordul elő tilakoid membránokban, klorofill, elektrontranszport fehérjék és az ATP szintetáz enzim részvételével. Mit rejt még a fotoszintézis? Világítsd meg és cseréld ki egymást a nappal és az éjszaka előrehaladtával (Calvin ciklusok). A sötét fázisban ugyanez a glükóz, a növények tápláléka termelődik. Ezt a folyamatot fényfüggetlen reakciónak is nevezik.

Következtetés

A fentiek mindegyikéből a következő következtetések vonhatók le:

• A fotoszintézis egy folyamat, amely energiát állít elő a napból.
• A napból származó fényenergiát a klorofill kémiai energiává alakítja.
• A klorofill adja a növények zöld színét.
• A fotoszintézis a növényi levélsejtek kloroplasztiszában megy végbe.
• A fotoszintézishez szén-dioxid és víz szükséges.
• A szén-dioxid apró lyukakon, sztómákon keresztül jut be a növénybe, és azokon keresztül távozik az oxigén.
• A víz a gyökerein keresztül szívódik fel a növénybe.
• Fotoszintézis nélkül nem lenne élelmiszer a világon.

A fotoszintézis egy olyan folyamat, amelyet növények, algák és egyes baktériumok használnak a napfényből származó energia felhasználására és kémiai energiává alakítására. Ez a cikk a fotoszintézis általános elveit és a fotoszintézis tiszta tüzelőanyagok és megújuló energiaforrások fejlesztésére való alkalmazását ismerteti.

Kétféle fotoszintézis folyamat létezik: oxigénes fotoszintézisÉs anoxigén fotoszintézis. Az anoxigén és oxigénes fotoszintézis általános elvei nagyon hasonlóak, de a leggyakoribb az oxigénes fotoszintézis, amely növényekben, algákban és cianobaktériumokban figyelhető meg.

Az oxigénes fotoszintézis során a fényenergia elősegíti az elektronok átvitelét a vízből (H 2 O) a szén-dioxidba (CO 2). A reakció eredményeként oxigén és szénhidrogének keletkeznek.

Oxigén fotoszintézis a légzéssel ellentétes folyamatnak nevezhető, melynek során az összes lélegző szervezet által termelt szén-dioxid felszívódik és oxigén kerül a légkörbe.

Másrészt az anoxigén fotoszintézisben a vizet nem használják elektrondonorként. Ezt a folyamatot általában olyan baktériumokban figyelik meg, mint a lila baktériumok és a zöld kénbaktériumok, amelyek főleg különféle vízi környezetben találhatók.

Az anoxigén fotoszintézis során nem termelődik oxigén, innen ered a név. A reakció eredménye az elektrondonortól függ. Sok baktérium például hidrogén-szulfidot használ donorként, és ennek a fotoszintézisnek az eredményeként szilárd kén képződik.

Bár a fotoszintézis mindkét típusa összetett és többlépéses folyamat, nagyjából az alábbi kémiai egyenletekkel ábrázolhatók.

Oxigén fotoszintézis a következőképpen van írva:

6CO 2 + 12H 2 O + Fényenergia → C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + 6H 2 O

Itt hat molekula szén-dioxid (CO2) kombinálódik 12 molekula vízzel (H2O) fényenergia felhasználásával. A reakció eredményeként egy molekula szénhidrát (C6H12O6 vagy glükóz) és hat molekula oxigén és hat molekula víz keletkezik.

Hasonlóan eltérő reakciók anoxigén fotoszintézis egyetlen általános képlet formájában is bemutatható:

CO 2 + 2H 2 A + Fényenergia → + 2A + H 2 O

Az egyenletben szereplő A betű a változó, H 2 A pedig a potenciális elektrondonort. Például A lehet kénatom hidrogén-szulfidban (H2S).

Fotoszintetikus készülékek

Az alábbiakban felsoroljuk a fotoszintézishez szükséges sejtkomponenseket.

Pigmentek

Pigmentek ezek a molekulák, amelyek színt adnak a növényeknek, algáknak és baktériumoknak, de a napfény hatékony megkötéséért is felelősek. A különböző színű pigmentek különböző hullámhosszú fényt nyelnek el. Alább látható a három fő csoport.

• Klorofillok- Ezek zöld pigmentek, amelyek képesek megragadni a kék és a vörös fényt. A klorofilloknak három altípusa van: klorofill a, klorofill b és klorofill c. A klorofill a minden fotoszintetikus növényen megtalálható. Van egy bakteriális változata is, a bakterioklorofill, amely elnyeli az infravörös fényt. Ez a pigment főként az oxigénmentes fotoszintézist végző lila és zöld kénbaktériumokban figyelhető meg.
• karotinoidok vörös, narancssárga vagy sárga pigmentek, amelyek elnyelik a kék-zöld fényt. A karotinoidok például a xantofill (sárga) és a karotin (narancssárga), amelyek a sárgarépának színét adják.
• Phycobilins vörös vagy kék pigmentek, amelyek hosszú hullámhosszú fényt nyelnek el, amelyeket a klorofillok és a karotinoidok nem nyelnek el jól. Megfigyelhetők cianobaktériumokban és vörös algákban.

Plastid

A fotoszintetikus eukarióta szervezetek ún plasztidok. Chong Xin Chang és Debashish Bhattacharya, a New Jersey-i Rutgers Egyetem kutatói, a Nature Education folyóiratban megjelent cikk szerint a növényekben és algákban két membránnal rendelkező plasztidokat elsődleges plasztidoknak, míg a planktonban található több membránnal rendelkező plasztidokat másodlagos plasztidoknak nevezik. .

A plasztidok általában pigmenteket tartalmaznak, vagy tápanyagokat tárolhatnak. A színtelen és pigmentálatlan leukoplasztok zsírokat és keményítőt tárolnak, míg a kromoplasztok karotinoidokat, a kloroplasztok pedig klorofillt tartalmaznak.

A fotoszintézis a kloroplasztiszokban megy végbe; különösen a grana és a stroma területén. A Grana halmozott lapos hólyagok vagy membránok, amelyeket tilakoidoknak neveznek. Minden fotoszintetikus szerkezet a gránában található. Itt történik az elektrontranszfer. A grana oszlopai közötti üres terek alkotják a stromát.

A kloroplasztiszok hasonlóak a mitokondriumokhoz, a sejtek energiaközpontjaihoz, mivel saját genomjuk vagy géngyűjteményük van, amelyet a körkörös DNS tartalmaz. Ezek a gének az organellumokhoz és a fotoszintézishez szükséges fehérjéket kódolnak. A mitokondriumokhoz hasonlóan a kloroplasztokról azt gondolják, hogy primitív baktériumsejtekből fejlődtek ki endoszimbiózis folyamata során.

Antennák

A pigmentmolekulákat fehérjék kötik össze, amelyek lehetővé teszik számukra, hogy a fény irányába és egymás felé mozogjanak. Wim Vermaas, az Arizonai Állami Egyetem professzorának publikációja szerint egy 100-5000 pigmentmolekulából álló halmaz képviseli " antennák" Ezek a struktúrák fotonok formájában rögzítik a nap fényenergiáját.

Végül a fényenergiát egy pigment-fehérje komplexbe kell átvinni, amely elektronok formájában kémiai energiává tudja alakítani. A növényekben például a fényenergiát a klorofill pigmentekhez adják át. A kémiai energiára való átmenet akkor következik be, amikor a klorofill pigment kiszorít egy elektront, amely azután eljuthat a megfelelő befogadóhoz.

Reakcióközpontok

A fényenergiát kémiai energiává alakító és az elektrontranszfer folyamatát elindító pigmenteket és fehérjéket ún reakcióközpontok.

Fotoszintézis folyamata

A növényi fotoszintézis reakciókat olyanokra osztják, amelyek napfényt igényelnek, és olyanokra, amelyekhez nem. Mindkét típusú reakció előfordul a kloroplasztiszokban: fényfüggő reakciók tilakoidokban és fényfüggetlen reakciók a stromában.

Fényfüggő reakciók (fényreakciók), amikor a fény fotonja eléri a reakcióközpontot, és egy pigmentmolekula, például a klorofill elektront szabadít fel. Ebben az esetben az elektronnak nem szabad visszatérnie eredeti helyzetébe, és ezt nem könnyű elkerülni, mivel a klorofillnak van egy „elektronlyuk”, amely vonzza a közeli elektronokat.

A felszabaduló elektron az elektrontranszport lánc mentén mozogva képes „eltávozni”, ami az ATP (adenozin-trifoszfát, a sejtek kémiai energiaforrása) és a NADP előállításához szükséges energiát állítja elő. Az eredeti klorofill pigmentben lévő „elektronlyuk” tele van a vízből származó elektronokkal. Ennek eredményeként oxigén kerül a légkörbe.

Sötét reakciók(amelyek függetlenek a fény jelenlététől, és más néven Kálvin-ciklus). A sötét reakciók során ATP és NADP képződik, amelyek energiaforrások. A Calvin-ciklus a kémiai reakció három szakaszából áll: szénmegkötés, redukció és regeneráció. Ezek a reakciók vizet és katalizátorokat használnak. A szén-dioxidból származó szénatomok „rögzülnek”, amikor szerves molekulákba épülnek be, amelyek végül három szénhidrogénből álló szénhidrátokat (könnyű cukrokat) képeznek. Ezeket a cukrokat ezután glükóz előállítására használják, vagy újrahasznosítják a Calvin-ciklus újraindítására.

A fotoszintézis a jövőben. A fotoszintézis alkalmazásai

A fotoszintetikus szervezetek potenciális eszközei a tiszta üzemanyagok, például a hidrogén vagy akár a metán előállításának. Nemrég a finn Turku Egyetem kutatócsoportja kihasználta a zöld algák hidrogéntermelő képességét. A zöldalgák másodpercek alatt hidrogént tudnak termelni, ha először fénynek és oxigénmentesnek, majd fénynek teszik ki őket. A csapat kidolgozott egy módszert az algák hidrogéntermelésének akár három nappal történő meghosszabbítására, amint azt az Energy & Environmental Science folyóiratban megjelent 2018-as publikációban közölték.

A tudósok előrehaladást értek el a mesterséges fotoszintézis területén is. A Kaliforniai Egyetem (Berkeley) kutatócsoportja például mesterséges rendszert fejlesztett ki szén-dioxid megkötésére félvezető nanovezetékek és baktériumok segítségével. A biokompatibilis fényelnyelő nanoszálak egy meghatározott baktériumpopulációjával kombinálva a napfény energiáját felhasználva a szén-dioxidot üzemanyaggá vagy polimerekké alakítják. A csapat 2015-ben publikálta projektjét a Nano Letters folyóiratban.

2016-ban ugyanennek a csoportnak a tudósai a Science folyóiratban publikáltak egy tanulmányt, amely egy másik mesterséges fotoszintézis rendszert írt le, amelyben speciálisan megtervezett baktériumokat használtak folyékony üzemanyag előállítására napfény, víz és szén-dioxid felhasználásával. A növények általában a napenergiának csak 1%-át tudják felhasználni, és a fotoszintézis során szerves vegyületek előállítására használják fel. Ezzel szemben a mesterséges fotoszintézis rendszer a nap energiájának 10%-át tudta felhasználni szerves vegyületek előállítására.

A természetes folyamatok, például a fotoszintézis tanulmányozása segít a tudósoknak új módszereket kidolgozni a különböző megújuló energiaforrások felhasználására. A napfényt a növények és baktériumok széles körben használják a fotoszintézisben, így a mesterséges fotoszintézis logikus lépés a környezetbarát tüzelőanyag előállításához.

A cikkhez a livescience.com webhelyről származó anyagokat használtak fel

(1663-an nézték meg | Ma 1-en nézték meg)

A legjobb levegőtisztító szobanövények