Με ή χωρίς χρήση φωτεινής ενέργειας. Είναι χαρακτηριστικό των φυτών. Ας εξετάσουμε στη συνέχεια ποιες είναι οι σκοτεινές και φωτεινές φάσεις της φωτοσύνθεσης.
Γενικές πληροφορίες
Το όργανο της φωτοσύνθεσης στα ανώτερα φυτά είναι το φύλλο. Οι χλωροπλάστες λειτουργούν ως οργανίδια. Φωτοσυνθετικές χρωστικές υπάρχουν στις μεμβράνες των θυλακοειδών τους. Είναι καροτενοειδή και χλωροφύλλες. Τα τελευταία υπάρχουν σε διάφορες μορφές (α, γ, β, δ). Το κυριότερο είναι η α-χλωροφύλλη. Το μόριο του περιέχει μια «κεφαλή» πορφυρίνης με ένα άτομο μαγνησίου που βρίσκεται στο κέντρο, καθώς και μια «ουρά» φυτόλης. Το πρώτο στοιχείο παρουσιάζεται ως επίπεδη δομή. Το "κεφάλι" είναι υδρόφιλο, επομένως βρίσκεται σε εκείνο το τμήμα της μεμβράνης που κατευθύνεται προς υδάτινο περιβάλλον. Η «ουρά» φυτόλης είναι υδρόφοβη. Λόγω αυτού, διατηρεί το μόριο χλωροφύλλης στη μεμβράνη. Οι χλωροφύλλες απορροφούν το μπλε-ιώδες και το κόκκινο φως. Αντικατοπτρίζουν επίσης το πράσινο, δίνοντας στα φυτά το χαρακτηριστικό τους χρώμα. Στις θυλακτοειδείς μεμβράνες, τα μόρια της χλωροφύλλης οργανώνονται σε φωτοσυστήματα. Τα γαλαζοπράσινα φύκια και τα φυτά χαρακτηρίζονται από τα συστήματα 1 και 2. Τα φωτοσυνθετικά βακτήρια έχουν μόνο το πρώτο. Το δεύτερο σύστημα μπορεί να διασπάσει H 2 O και να απελευθερώσει οξυγόνο.
Η ελαφριά φάση της φωτοσύνθεσης
Οι διεργασίες που συμβαίνουν στα φυτά είναι πολύπλοκες και πολλαπλών σταδίων. Συγκεκριμένα, διακρίνονται δύο ομάδες αντιδράσεων. Είναι οι σκοτεινές και οι φωτεινές φάσεις της φωτοσύνθεσης. Το τελευταίο συμβαίνει με τη συμμετοχή του ενζύμου ATP, των πρωτεϊνών μεταφοράς ηλεκτρονίων και της χλωροφύλλης. Η ελαφριά φάση της φωτοσύνθεσης εμφανίζεται στις θυλακτοειδείς μεμβράνες. Τα ηλεκτρόνια της χλωροφύλλης διεγείρονται και εγκαταλείπουν το μόριο. Μετά από αυτό, καταλήγουν στην εξωτερική επιφάνεια της θυρεοειδούς μεμβράνης. Αυτό, με τη σειρά του, φορτίζεται αρνητικά. Μετά την οξείδωση αρχίζει η αναγωγή των μορίων της χλωροφύλλης. Παίρνουν ηλεκτρόνια από το νερό, το οποίο υπάρχει στον ενδολακοειδή χώρο. Έτσι, η φωτεινή φάση της φωτοσύνθεσης εμφανίζεται στη μεμβράνη κατά την αποσύνθεση (φωτόλυση): H 2 O + Q φως → H + + OH -
Τα ιόντα υδροξυλίου μετατρέπονται σε αντιδραστικές ρίζες, δίνοντας τα ηλεκτρόνια τους:
OH - → .OH + e -
Οι ρίζες ΟΗ συνδυάζονται για να σχηματίσουν ελεύθερο οξυγόνο και νερό:
4ΟΧΙ. → 2H 2 O + O 2.
Σε αυτή την περίπτωση, το οξυγόνο απομακρύνεται στο περιβάλλον (εξωτερικό) περιβάλλον και τα πρωτόνια συσσωρεύονται μέσα στο θυλακτοειδές σε μια ειδική «δεξαμενή». Ως αποτέλεσμα, όπου συμβαίνει η φωτεινή φάση της φωτοσύνθεσης, η θυλακοειδής μεμβράνη δέχεται θετικό φορτίο λόγω του H + στη μία πλευρά. Ταυτόχρονα λόγω ηλεκτρονίων φορτίζεται αρνητικά.
Φωσφυρυλίωση της ADP
Όπου συμβαίνει η φωτεινή φάση της φωτοσύνθεσης, υπάρχει μια διαφορά δυναμικού μεταξύ της εσωτερικής και της εξωτερικής επιφάνειας της μεμβράνης. Όταν φτάσει τα 200 mV, τα πρωτόνια αρχίζουν να ωθούνται μέσω των καναλιών της συνθετάσης ATP. Έτσι, η ελαφριά φάση της φωτοσύνθεσης εμφανίζεται στη μεμβράνη όταν το ADP φωσφορυλιώνεται σε ATP. Σε αυτή την περίπτωση, το ατομικό υδρογόνο αποστέλλεται για να αποκαταστήσει τον ειδικό φορέα νικοτιναμίδιο αδενινο δινουκλεοτίδιο φωσφορικό NADP+ σε NADP.H2:
2Н + + 2е — + NADP → NADP.Н 2
Η ελαφριά φάση της φωτοσύνθεσης περιλαμβάνει έτσι τη φωτόλυση του νερού. Αυτό, με τη σειρά του, συνοδεύεται από τρεις πιο σημαντικές αντιδράσεις:
- Σύνθεση ATP.
- Σχηματισμός NADP.H 2.
- Σχηματισμός οξυγόνου.
Η ελαφριά φάση της φωτοσύνθεσης συνοδεύεται από την απελευθέρωση της τελευταίας στην ατμόσφαιρα. Το NADP.H2 και το ATP μετακινούνται στο στρώμα του χλωροπλάστη. Αυτό ολοκληρώνει την ελαφριά φάση της φωτοσύνθεσης.
Μια άλλη ομάδα αντιδράσεων
Η σκοτεινή φάση της φωτοσύνθεσης δεν απαιτεί φωτεινή ενέργεια. Πηγαίνει στο στρώμα του χλωροπλάστη. Οι αντιδράσεις παρουσιάζονται με τη μορφή μιας αλυσίδας διαδοχικών μετασχηματισμών του διοξειδίου του άνθρακα που προέρχεται από τον αέρα. Ως αποτέλεσμα, σχηματίζεται γλυκόζη και άλλες οργανικές ουσίες. Η πρώτη αντίδραση είναι η καθήλωση. Διφωσφορική ριβουλόζη (ζάχαρη πέντε άνθρακα) Το RiBP δρα ως δέκτης διοξειδίου του άνθρακα. Ο καταλύτης στην αντίδραση είναι η διφωσφορική καρβοξυλάση της ριβουλόζης (ένζυμο). Ως αποτέλεσμα της καρβοξυλίωσης του RiBP, σχηματίζεται μια ασταθής ένωση έξι άνθρακα. Διασπάται σχεδόν αμέσως σε δύο μόρια PGA (φωσφογλυκερικό οξύ). Μετά από αυτό, εμφανίζεται ένας κύκλος αντιδράσεων όπου μετατρέπεται σε γλυκόζη μέσω πολλών ενδιάμεσων προϊόντων. Χρησιμοποιούν την ενέργεια του NADP.H 2 και του ATP, τα οποία μετατράπηκαν κατά την ελαφριά φάση της φωτοσύνθεσης. Ο κύκλος αυτών των αντιδράσεων ονομάζεται «κύκλος Calvin». Μπορεί να αναπαρασταθεί ως εξής:
6CO 2 + 24H+ + ATP → C 6 H 12 O 6 + 6H 2 O
Εκτός από τη γλυκόζη, κατά τη φωτοσύνθεση σχηματίζονται και άλλα μονομερή οργανικών (σύνθετων) ενώσεων. Αυτά περιλαμβάνουν, συγκεκριμένα, λιπαρά οξέα, γλυκερίνη, αμινοξέα και νουκλεοτίδια.
Αντιδράσεις C3
Είναι ένα είδος φωτοσύνθεσης που παράγει ενώσεις τριών άνθρακα ως πρώτο προϊόν. Είναι αυτό που περιγράφεται παραπάνω ως ο κύκλος του Calvin. Οπως και ιδιαίτερα χαρακτηριστικάΗ φωτοσύνθεση C3 εκτελείται από:
- Το RiBP είναι ένας αποδέκτης διοξειδίου του άνθρακα.
- Η αντίδραση καρβοξυλίωσης καταλύεται από την καρβοξυλάση RiBP.
- Σχηματίζεται μια ουσία έξι άνθρακα, η οποία στη συνέχεια διασπάται σε 2 FHA.
Το φωσφογλυκερικό οξύ ανάγεται σε ΤΡ (φωσφορικές τριόζη). Μερικά από αυτά χρησιμοποιούνται για την αναγέννηση της διφωσφορικής ριβουλόζης και τα υπόλοιπα μετατρέπονται σε γλυκόζη.
Αντιδράσεις C4
Αυτός ο τύπος φωτοσύνθεσης χαρακτηρίζεται από την εμφάνιση ενώσεων τεσσάρων άνθρακα ως πρώτο προϊόν. Το 1965, ανακαλύφθηκε ότι οι ουσίες C4 εμφανίζονται πρώτα σε ορισμένα φυτά. Για παράδειγμα, αυτό έχει καθιερωθεί για το κεχρί, το σόργο, το ζαχαροκάλαμο και το καλαμπόκι. Αυτές οι καλλιέργειες έγιναν γνωστές ως φυτά C4. Το επόμενο έτος, το 1966, οι Slack and Hatch (Αυστραλοί επιστήμονες) ανακάλυψαν ότι τους λείπει σχεδόν εντελώς η φωτοαναπνοή. Διαπιστώθηκε επίσης ότι τέτοια φυτά C4 απορροφούν το διοξείδιο του άνθρακα πολύ πιο αποτελεσματικά. Ως αποτέλεσμα, το μονοπάτι του μετασχηματισμού του άνθρακα σε τέτοιες καλλιέργειες άρχισε να ονομάζεται μονοπάτι Hatch-Slack.
συμπέρασμα
Η σημασία της φωτοσύνθεσης είναι πολύ μεγάλη. Χάρη σε αυτό, το διοξείδιο του άνθρακα απορροφάται από την ατμόσφαιρα σε τεράστιους όγκους (δισεκατομμύρια τόνους) κάθε χρόνο. Αντίθετα, δεν απελευθερώνεται λιγότερο οξυγόνο. Η φωτοσύνθεση λειτουργεί ως η κύρια πηγή σχηματισμού οργανικών ενώσεων. Το οξυγόνο εμπλέκεται στο σχηματισμό του στρώματος του όζοντος, το οποίο προστατεύει τους ζωντανούς οργανισμούς από τις επιπτώσεις της ακτινοβολίας UV βραχέων κυμάτων. Κατά τη φωτοσύνθεση, ένα φύλλο απορροφά μόνο το 1% της συνολικής ενέργειας του φωτός που πέφτει πάνω του. Η παραγωγικότητά του είναι εντός 1 g οργανικής ένωσης ανά 1 τετρ. m επιφάνειας ανά ώρα.
Όπως υποδηλώνει το όνομα, η φωτοσύνθεση είναι ουσιαστικά μια φυσική σύνθεση. οργανική ύλη, μετατρέποντας το CO2 από την ατμόσφαιρα και το νερό σε γλυκόζη και ελεύθερο οξυγόνο.
Αυτό απαιτεί την παρουσία ηλιακής ενέργειας.
Η χημική εξίσωση για τη διαδικασία της φωτοσύνθεσης μπορεί γενικά να αναπαρασταθεί ως εξής:
Η φωτοσύνθεση έχει δύο φάσεις: σκοτεινή και φωτεινή. Οι χημικές αντιδράσεις της σκοτεινής φάσης της φωτοσύνθεσης διαφέρουν σημαντικά από τις αντιδράσεις της φωτεινής φάσης, αλλά η σκοτεινή και η φωτεινή φάση της φωτοσύνθεσης εξαρτώνται η μία από την άλλη.
Η φωτεινή φάση μπορεί να συμβεί στα φύλλα των φυτών αποκλειστικά στο ηλιακό φως. Για το σκοτάδι είναι απαραίτητη η παρουσία διοξειδίου του άνθρακα, γι' αυτό το φυτό πρέπει να το απορροφά συνεχώς από την ατμόσφαιρα. Όλα τα συγκριτικά χαρακτηριστικά της σκοτεινής και φωτεινής φάσης της φωτοσύνθεσης θα παρέχονται παρακάτω. Για το σκοπό αυτό δημιουργήθηκε ένας συγκριτικός πίνακας «Φάσεις Φωτοσύνθεσης».
Η ελαφριά φάση της φωτοσύνθεσης
Οι κύριες διεργασίες στην ελαφριά φάση της φωτοσύνθεσης συμβαίνουν στις θυλακοειδείς μεμβράνες. Περιλαμβάνει χλωροφύλλη, πρωτεΐνες μεταφοράς ηλεκτρονίων, συνθετάση ATP (ένζυμο που επιταχύνει την αντίδραση) και ηλιακό φως.
Επιπλέον, ο μηχανισμός αντίδρασης μπορεί να περιγραφεί ως εξής: όταν το φως του ήλιου χτυπά τα πράσινα φύλλα των φυτών, τα ηλεκτρόνια χλωροφύλλης (αρνητικό φορτίο) διεγείρονται στη δομή τους, τα οποία, αφού περάσουν σε ενεργή κατάσταση, αφήνουν το μόριο της χρωστικής και καταλήγουν στο έξω από το θυλακοειδή, η μεμβράνη του οποίου είναι επίσης αρνητικά φορτισμένη. Ταυτόχρονα, οξειδώνονται μόρια χλωροφύλλης και μειώνονται τα ήδη οξειδωμένα, παίρνοντας έτσι ηλεκτρόνια από το νερό που βρίσκεται στη δομή του φύλλου.
Αυτή η διαδικασία οδηγεί στο γεγονός ότι τα μόρια του νερού αποσυντίθενται και τα ιόντα που δημιουργούνται ως αποτέλεσμα της φωτόλυσης του νερού εγκαταλείπουν τα ηλεκτρόνια τους και μετατρέπονται σε ρίζες ΟΗ που είναι ικανές να πραγματοποιήσουν περαιτέρω αντιδράσεις. Αυτές οι αντιδραστικές ρίζες ΟΗ στη συνέχεια συνδυάζονται για να δημιουργήσουν πλήρη μόρια νερού και οξυγόνο. Σε αυτή την περίπτωση, το ελεύθερο οξυγόνο διαφεύγει μέσα εξωτερικό περιβάλλον.
Ως αποτέλεσμα όλων αυτών των αντιδράσεων και μετασχηματισμών, η μεμβράνη του θυλακοειδούς φύλλου στη μία πλευρά φορτίζεται θετικά (λόγω του ιόντος Η+) και από την άλλη - αρνητικά (λόγω ηλεκτρονίων). Όταν η διαφορά μεταξύ αυτών των φορτίων στις δύο πλευρές της μεμβράνης ξεπεράσει τα 200 mV, τα πρωτόνια διέρχονται από ειδικά κανάλια του ενζύμου συνθετάσης ATP και λόγω αυτού, το ADP μετατρέπεται σε ATP (ως αποτέλεσμα της διαδικασίας φωσφορυλίωσης). Και το ατομικό υδρογόνο, το οποίο απελευθερώνεται από το νερό, επαναφέρει τον συγκεκριμένο φορέα NADP+ στο NADP·H2. Όπως μπορούμε να δούμε, ως αποτέλεσμα της ελαφριάς φάσης της φωτοσύνθεσης, συμβαίνουν τρεις κύριες διεργασίες:
- Σύνθεση ATP;
- δημιουργία NADP H2.
- σχηματισμός ελεύθερου οξυγόνου.
Το τελευταίο απελευθερώνεται στην ατμόσφαιρα και το NADP H2 και το ATP συμμετέχουν στη σκοτεινή φάση της φωτοσύνθεσης.
Σκοτεινή φάση της φωτοσύνθεσης
Η σκοτεινή και η φωτεινή φάση της φωτοσύνθεσης χαρακτηρίζονται από μεγάλες ενεργειακές δαπάνες εκ μέρους του φυτού, αλλά η σκοτεινή φάση προχωρά πιο γρήγορα και απαιτεί λιγότερη ενέργεια. Οι αντιδράσεις σκοτεινής φάσης δεν απαιτούν ηλιακό φως, επομένως μπορούν να συμβούν τόσο τη μέρα όσο και τη νύχτα.
Όλες οι κύριες διεργασίες αυτής της φάσης συμβαίνουν στο στρώμα του φυτού χλωροπλάστη και αντιπροσωπεύουν μια μοναδική αλυσίδα διαδοχικών μετασχηματισμών του διοξειδίου του άνθρακα από την ατμόσφαιρα. Η πρώτη αντίδραση σε μια τέτοια αλυσίδα είναι η δέσμευση διοξειδίου του άνθρακα. Για να γίνει πιο ομαλά και πιο γρήγορα, η φύση παρείχε το ένζυμο RiBP-καρβοξυλάση, το οποίο καταλύει τη στερέωση του CO2.
Στη συνέχεια, εμφανίζεται ένας ολόκληρος κύκλος αντιδράσεων, η ολοκλήρωση του οποίου είναι η μετατροπή του φωσφογλυκερικού οξέος σε γλυκόζη (φυσικό σάκχαρο). Όλες αυτές οι αντιδράσεις χρησιμοποιούν την ενέργεια του ATP και του NADP H2, που δημιουργήθηκαν στην ελαφριά φάση της φωτοσύνθεσης. Εκτός από τη γλυκόζη, η φωτοσύνθεση παράγει και άλλες ουσίες. Μεταξύ αυτών είναι διάφορα αμινοξέα, λιπαρά οξέα, γλυκερίνη και νουκλεοτίδια.
Φάσεις φωτοσύνθεσης: συγκριτικός πίνακας
| Κριτήρια σύγκρισης | Φάση φωτός | Σκοτεινή φάση |
| ηλιακό φως | Απαιτείται | Δεν απαιτείται |
| Τόπος αντίδρασης | Chloroplast grana | Στρώμα χλωροπλάστη |
| Εξάρτηση από την πηγή ενέργειας | Εξαρτάται από το φως του ήλιου | Εξαρτάται από το ATP και το NADP H2 που σχηματίζεται στην ελαφριά φάση και από την ποσότητα CO2 από την ατμόσφαιρα |
| Αρχικά υλικά | Χλωροφύλλη, πρωτεΐνες μεταφοράς ηλεκτρονίων, συνθετάση ATP | Διοξείδιο του άνθρακα |
| Η ουσία της φάσης και αυτό που σχηματίζεται | Απελευθερώνεται ελεύθερο O2, σχηματίζεται ATP και NADP H2 | Σχηματισμός φυσικού σακχάρου (γλυκόζη) και απορρόφηση CO2 από την ατμόσφαιρα |
Φωτοσύνθεση - βίντεο
Πιο συγκεκριμένα: στη σκοτεινή φάση, δεσμεύεται το διοξείδιο του άνθρακα (CO 2).
Αυτή η διαδικασία είναι πολλαπλών σταδίων· στη φύση υπάρχουν δύο βασικοί δρόμοι: C3 -φωτοσύνθεση και C 4 -φωτοσύνθεση. Το λατινικό γράμμα C υποδηλώνει ένα άτομο άνθρακα, ο αριθμός μετά από αυτό είναι ο αριθμός των ατόμων άνθρακα στο πρωτογενές οργανικό προϊόν της σκοτεινής φάσης της φωτοσύνθεσης. Έτσι, στην περίπτωση της οδού C 3, το πρωτογενές προϊόν θεωρείται ότι είναι το φωσφογλυκερικό οξύ τριών άνθρακα, που ορίζεται ως PGA. Στην περίπτωση της οδού C4, η πρώτη οργανική ουσία που δεσμεύει το διοξείδιο του άνθρακα είναι το οξαλοξικό οξύ τεσσάρων άνθρακα (οξαλοξικό).
Η φωτοσύνθεση C 3 ονομάζεται επίσης κύκλος Calvin από τον επιστήμονα που τη μελέτησε. Η φωτοσύνθεση C 4 περιλαμβάνει τον κύκλο Calvin, αλλά δεν αποτελείται μόνο από αυτόν και ονομάζεται κύκλος Hatch-Slack. Στα εύκρατα γεωγραφικά πλάτη, τα φυτά C3 είναι κοινά, στα τροπικά γεωγραφικά πλάτη - τα φυτά C4.
Οι σκοτεινές αντιδράσεις της φωτοσύνθεσης λαμβάνουν χώρα στο στρώμα του χλωροπλάστη.
Κύκλος Calvin
Η πρώτη αντίδραση του κύκλου Calvin είναι η καρβοξυλίωση της 1,5-διφωσφορικής ριβουλόζης (RiBP). Καρβοξυλίωση- πρόκειται για την προσθήκη ενός μορίου CO 2, με αποτέλεσμα το σχηματισμό μιας καρβοξυλικής ομάδας -COOH. Το RiBP είναι ριβόζη (ένα σάκχαρο πέντε άνθρακα) που έχει φωσφορικές ομάδες συνδεδεμένες με τα τερματικά άτομα άνθρακα (που σχηματίζονται από φωσφορικό οξύ):
Χημική φόρμουλα RiBF
Η αντίδραση καταλύεται από το ένζυμο ριβουλόζη-1,5-διφωσφορική καρβοξυλάση οξυγενάση ( RubisKO). Μπορεί να καταλύσει όχι μόνο τη δέσμευση του διοξειδίου του άνθρακα, αλλά και του οξυγόνου, όπως υποδηλώνεται από τη λέξη «οξυγενάση» στο όνομά του. Εάν το RuBisCO καταλύει την αντίδραση της προσθήκης οξυγόνου στο υπόστρωμα, τότε η σκοτεινή φάση της φωτοσύνθεσης δεν ακολουθεί πλέον την πορεία του κύκλου Calvin, αλλά κατά μήκος της διαδρομής φωτοαναπνοή, που είναι βασικά επιβλαβές για το φυτό.
Η κατάλυση της αντίδρασης της προσθήκης CO 2 στο RiBP λαμβάνει χώρα σε διάφορα στάδια. Ως αποτέλεσμα, σχηματίζεται μια ασταθής οργανική ένωση έξι άνθρακα, η οποία διασπάται αμέσως σε δύο μόρια τριών άνθρακα φωσφογλυκερικό οξύ(FGK).
Χημικός τύπος φωσφογλυκερικού οξέος
Στη συνέχεια, το PGA μετατρέπεται σε φωσφογλυκεραλδεΰδη (PGA), που ονομάζεται επίσης φωσφορική τριόζη.
Ένα μικρότερο μέρος του PHA φεύγει από τον κύκλο του Calvin και χρησιμοποιείται για τη σύνθεση πιο πολύπλοκων οργανικών ουσιών, όπως η γλυκόζη. Αυτό, με τη σειρά του, μπορεί να πολυμεριστεί σε άμυλο. Άλλες ουσίες (αμινοξέα, λιπαρά οξέα) σχηματίζονται με τη συμμετοχή διαφόρων αρχικών ουσιών. Τέτοιες αντιδράσεις παρατηρούνται όχι μόνο στα φυτικά κύτταρα. Επομένως, αν θεωρήσουμε τη φωτοσύνθεση ως ένα μοναδικό φαινόμενο κυττάρων που περιέχουν χλωροφύλλη, τότε τελειώνει με τη σύνθεση του PHA, και όχι της γλυκόζης.
Τα περισσότερα από τα μόρια PHA παραμένουν στον κύκλο του Calvin. Μια σειρά μετασχηματισμών συμβαίνουν με αυτό, με αποτέλεσμα το PHA να μετατρέπεται σε RiBP. Αυτό χρησιμοποιεί επίσης ενέργεια ATP. Έτσι, το RiBP αναγεννάται για να δεσμεύσει νέα μόρια διοξειδίου του άνθρακα.
Κύκλος Hatch-Slack
Σε πολλά φυτά σε θερμούς οικοτόπους, η σκοτεινή φάση της φωτοσύνθεσης είναι κάπως πιο περίπλοκη. Στη διαδικασία της εξέλιξης, η φωτοσύνθεση C 4 προέκυψε ως περισσότερο αποτελεσματική μέθοδοςδέσμευση διοξειδίου του άνθρακα όταν αυξήθηκε η ποσότητα οξυγόνου στην ατμόσφαιρα και το RuBisCO άρχισε να δαπανάται για αναποτελεσματική φωτοαναπνοή.
Στα φυτά C4 υπάρχουν δύο είδη φωτοσυνθετικών κυττάρων. Στους χλωροπλάστες της μεσόφυλλης των φύλλων εμφανίζεται η φωτεινή φάση της φωτοσύνθεσης και μέρος της σκοτεινής φάσης, δηλαδή η δέσμευση του CO 2 με φωσφοενολοπυρουβικό(FEP). Ως αποτέλεσμα, σχηματίζεται ένα οργανικό οξύ τεσσάρων ανθράκων. Αυτό το οξύ στη συνέχεια μεταφέρεται στους χλωροπλάστες των κυττάρων του περιβλήματος της αγγειακής δέσμης. Εδώ, ένα μόριο CO 2 αποσπάται ενζυματικά από αυτό, το οποίο στη συνέχεια εισέρχεται στον κύκλο του Calvin. Το οξύ τριών ανθράκων που απομένει μετά την αποκαρβοξυλίωση είναι πυροβίκος- επιστρέφει στα κύτταρα της μεσοφύλλης, όπου και πάλι μετατρέπεται σε PEP.
Αν και ο κύκλος Hatch-Slack είναι μια πιο ενεργοβόρα έκδοση της σκοτεινής φάσης της φωτοσύνθεσης, το ένζυμο που δεσμεύει το CO 2 και το PEP είναι πιο αποτελεσματικός καταλύτης από το RuBisCO. Επιπλέον, δεν αντιδρά με το οξυγόνο. Η μεταφορά CO 2 με τη βοήθεια οργανικού οξέος σε βαθύτερα κύτταρα, στα οποία η ροή του οξυγόνου είναι δύσκολη, οδηγεί στο γεγονός ότι η συγκέντρωση διοξειδίου του άνθρακα εδώ αυξάνεται και το RuBisCO σχεδόν δεν δαπανάται για τη σύνδεση μοριακού οξυγόνου.
Φωτοσύνθεση- σύνθεση οργανικών ενώσεων από ανόργανες με χρήση φωτεινής ενέργειας (hv). Η συνολική εξίσωση για τη φωτοσύνθεση είναι:
6CO 2 + 6H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 6O 2
Η φωτοσύνθεση γίνεται με τη συμμετοχή φωτοσυνθετικών χρωστικών που έχουν μοναδική ιδιοκτησίαμετατρέποντας την ενέργεια του ηλιακού φωτός σε ενέργεια χημικού δεσμού με τη μορφή ATP. Οι φωτοσυνθετικές χρωστικές είναι ουσίες που μοιάζουν με πρωτεΐνες. Το πιο σημαντικό από αυτά είναι η χρωστική χλωροφύλλη. Στους ευκαρυώτες, οι φωτοσυνθετικές χρωστικές είναι ενσωματωμένες στην εσωτερική μεμβράνη των πλαστιδίων, ενώ στους προκαρυώτες, είναι ενσωματωμένες σε εγκολπώσεις της κυτταροπλασματικής μεμβράνης.
Η δομή του χλωροπλάστη είναι πολύ παρόμοια με τη δομή του μιτοχονδρίου. Η εσωτερική μεμβράνη των θυλακοειδών grana περιέχει φωτοσυνθετικές χρωστικές, καθώς και πρωτεΐνες της αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων και μόρια ενζύμου συνθετάσης ATP.
Η διαδικασία της φωτοσύνθεσης αποτελείται από δύο φάσεις: το φως και το σκοτάδι.
Φάση φωτόςΗ φωτοσύνθεση λαμβάνει χώρα μόνο στο φως στη μεμβράνη του grana θυλακοειδούς. Σε αυτή τη φάση, η χλωροφύλλη απορροφά κβάντα φωτός και παράγει Μόρια ATPκαι φωτόλυση νερού.
Υπό την επίδραση ενός κβαντικού φωτός (hv), η χλωροφύλλη χάνει ηλεκτρόνια, περνώντας σε διεγερμένη κατάσταση:
Chl → Chl + e -
Αυτά τα ηλεκτρόνια μεταφέρονται από φορείς προς τα έξω, δηλ. την επιφάνεια της θυλακοειδής μεμβράνης που βλέπει στη μήτρα, όπου συσσωρεύονται.
Ταυτόχρονα γίνεται φωτόλυση του νερού μέσα στα θυλακοειδή, δηλ. την αποσύνθεσή του υπό την επίδραση του φωτός
2H 2 O → O 2 +4H + + 4e —
Τα ηλεκτρόνια που προκύπτουν μεταφέρονται από φορείς σε μόρια χλωροφύλλης και τα αποκαθιστούν: τα μόρια χλωροφύλλης επιστρέφουν σε σταθερή κατάσταση.
Πρωτόνια υδρογόνου που σχηματίζονται κατά τη φωτόλυση του νερού συσσωρεύονται μέσα στο θυλακοειδή, δημιουργώντας μια δεξαμενή H +. Ως αποτέλεσμα, η εσωτερική επιφάνεια της μεμβράνης του θυλακοειδούς φορτίζεται θετικά (λόγω H +), και η εξωτερική επιφάνεια φορτίζεται αρνητικά (λόγω e -). Καθώς τα αντίθετα φορτισμένα σωματίδια συσσωρεύονται και στις δύο πλευρές της μεμβράνης, η διαφορά δυναμικού αυξάνεται. Όταν επιτευχθεί η κρίσιμη τιμή της διαφοράς δυναμικού, η δύναμη ηλεκτρικό πεδίοαρχίζει να ωθεί πρωτόνια μέσω του καναλιού συνθετάσης ATP. Η ενέργεια που απελευθερώνεται σε αυτή την περίπτωση χρησιμοποιείται για τη φωσφορυλίωση των μορίων ADP:
ADP + P → ATP
Ο σχηματισμός ATP κατά τη φωτοσύνθεση υπό την επίδραση της φωτεινής ενέργειας ονομάζεται φωτοφωσφορυλίωση.
Τα ιόντα υδρογόνου, μόλις βρεθούν στην εξωτερική επιφάνεια της μεμβράνης του θυλακοειδούς, συναντούν ηλεκτρόνια εκεί και σχηματίζουν ατομικό υδρογόνο, το οποίο συνδέεται με το μόριο φορέα υδρογόνου NADP (φωσφορικό δινουκλεοτίδιο νικοτιναμίδης αδενίνης):
2H + + 4e - + NADP + → NADP H 2
Έτσι, κατά την ελαφριά φάση της φωτοσύνθεσης, συμβαίνουν τρεις διεργασίες: ο σχηματισμός οξυγόνου λόγω της αποσύνθεσης του νερού, η σύνθεση του ATP και ο σχηματισμός ατόμων υδρογόνου με τη μορφή NADP H2. Το οξυγόνο διαχέεται στην ατμόσφαιρα, το ATP και το NADP H2 συμμετέχουν στις διαδικασίες της σκοτεινής φάσης.
Σκοτεινή φάσηΗ φωτοσύνθεση λαμβάνει χώρα στη μήτρα του χλωροπλάστη τόσο στο φως όσο και στο σκοτάδι και αντιπροσωπεύει μια σειρά διαδοχικών μετασχηματισμών του CO 2 που προέρχεται από τον αέρα στον κύκλο του Calvin. Οι αντιδράσεις σκοτεινής φάσης πραγματοποιούνται χρησιμοποιώντας την ενέργεια του ATP. Στον κύκλο Calvin, το CO 2 συνδέεται με υδρογόνο από το NADP H 2 για να σχηματίσει γλυκόζη.
Στη διαδικασία της φωτοσύνθεσης, εκτός από τους μονοσακχαρίτες (γλυκόζη κ.λπ.), συντίθενται μονομερή άλλων οργανικών ενώσεων - αμινοξέα, γλυκερόλη και λιπαρά οξέα. Έτσι, χάρη στη φωτοσύνθεση, τα φυτά παρέχουν στον εαυτό τους και σε όλα τα έμβια όντα στη Γη τις απαραίτητες οργανικές ουσίες και οξυγόνο.
Συγκριτικά χαρακτηριστικάη φωτοσύνθεση και η αναπνοή των ευκαρυωτών δίνονται στον πίνακα:
| Σημάδι | Φωτοσύνθεση | Αναπνοή |
|---|---|---|
| Εξίσωση αντίδρασης | 6CO 2 + 6H 2 O + Ενέργεια φωτός → C 6 H 12 O 6 + 6O 2 | C 6 H 12 O 6 + 6O 2 → 6H 2 O + Ενέργεια (ATP) |
| Αρχικά υλικά | Διοξείδιο του άνθρακα, νερό | |
| Προϊόντα αντίδρασης | Οργανική ουσία, οξυγόνο | Διοξείδιο του άνθρακα, νερό |
| Σημασία στον κύκλο των ουσιών | Σύνθεση οργανικών ουσιών από ανόργανες ουσίες | Αποσύνθεση οργανικών ουσιών σε ανόργανες |
| Μετατροπή ενέργειας | Μετατροπή φωτεινής ενέργειας σε ενέργεια χημικοί δεσμοίοργανική ύλη | Μετατροπή της ενέργειας των χημικών δεσμών οργανικών ουσιών σε ενέργεια δεσμών υψηλής ενέργειας ΑΤΡ |
| Βασικά Στάδια | Φωτεινή και σκοτεινή φάση (συμπεριλαμβανομένου του κύκλου Calvin) | Ατελής οξείδωση (γλυκόλυση) και πλήρης οξείδωση (συμπεριλαμβανομένου του κύκλου Krebs) |
| Τοποθεσία της διαδικασίας | Χλωροπλάστη | Υαλόπλασμα (ατελής οξείδωση) και μιτοχόνδρια (πλήρης οξείδωση) |
Κάθε ζωντανό ον στον πλανήτη χρειάζεται τροφή ή ενέργεια για να επιβιώσει. Μερικοί οργανισμοί τρέφονται με άλλα πλάσματα, ενώ άλλοι μπορούν να παράγουν τα δικά τους θρεπτικά συστατικά. Παράγουν τη δική τους τροφή, τη γλυκόζη, σε μια διαδικασία που ονομάζεται φωτοσύνθεση.
Η φωτοσύνθεση και η αναπνοή είναι αλληλένδετα. Το αποτέλεσμα της φωτοσύνθεσης είναι η γλυκόζη, η οποία αποθηκεύεται ως χημική ενέργεια. Αυτή η αποθηκευμένη χημική ενέργεια προκύπτει από τη μετατροπή του ανόργανου άνθρακα (διοξείδιο του άνθρακα) σε οργανικό άνθρακα. Η διαδικασία της αναπνοής απελευθερώνει αποθηκευμένη χημική ενέργεια.
Εκτός από τα προϊόντα που παράγουν, τα φυτά χρειάζονται επίσης άνθρακα, υδρογόνο και οξυγόνο για να επιβιώσουν. Το νερό που απορροφάται από το έδαφος παρέχει υδρογόνο και οξυγόνο. Κατά τη φωτοσύνθεση, ο άνθρακας και το νερό χρησιμοποιούνται για τη σύνθεση των τροφίμων. Τα φυτά χρειάζονται επίσης νιτρικά άλατα για να παράγουν αμινοξέα (ένα αμινοξύ είναι συστατικό για την παραγωγή πρωτεΐνης). Επιπλέον, χρειάζονται μαγνήσιο για να παράγουν χλωροφύλλη.
Το σημείωμα:Τα έμβια όντα που εξαρτώνται από άλλες τροφές ονομάζονται . Τα φυτοφάγα ζώα όπως οι αγελάδες και τα φυτά που τρώνε έντομα είναι παραδείγματα ετερότροφων. Τα έμβια όντα που παράγουν τη δική τους τροφή ονομάζονται. Τα πράσινα φυτά και τα φύκια είναι παραδείγματα αυτότροφων.
Σε αυτό το άρθρο θα μάθετε περισσότερα για το πώς γίνεται η φωτοσύνθεση στα φυτά και τις απαραίτητες συνθήκες για αυτή τη διαδικασία.
Ορισμός της φωτοσύνθεσης
Η φωτοσύνθεση είναι η χημική διαδικασία με την οποία τα φυτά, ορισμένα φύκια, παράγουν γλυκόζη και οξυγόνο από διοξείδιο του άνθρακα και νερό, χρησιμοποιώντας μόνο το φως ως πηγή ενέργειας.
Αυτή η διαδικασία είναι εξαιρετικά σημαντική για τη ζωή στη Γη γιατί απελευθερώνει οξυγόνο, από το οποίο εξαρτάται όλη η ζωή.
Γιατί τα φυτά χρειάζονται γλυκόζη (τροφή);
Όπως οι άνθρωποι και άλλα έμβια όντα, τα φυτά χρειάζονται επίσης διατροφή για να επιβιώσουν. Η σημασία της γλυκόζης για τα φυτά είναι η εξής:
- Η γλυκόζη που παράγεται από τη φωτοσύνθεση χρησιμοποιείται κατά την αναπνοή για να απελευθερώσει την ενέργεια που χρειάζεται το φυτό για άλλες ζωτικές διαδικασίες.
- Τα φυτικά κύτταρα μετατρέπουν επίσης μέρος της γλυκόζης σε άμυλο, το οποίο χρησιμοποιείται ανάλογα με τις ανάγκες. Για το λόγο αυτό, τα νεκρά φυτά χρησιμοποιούνται ως βιομάζα επειδή αποθηκεύουν χημική ενέργεια.
- Η γλυκόζη είναι επίσης απαραίτητη για την παραγωγή άλλων χημικών ουσιών όπως πρωτεΐνες, λίπη και φυτικά σάκχαρα που απαιτούνται για την υποστήριξη της ανάπτυξης και άλλων σημαντικών διεργασιών.
Φάσεις φωτοσύνθεσης
Η διαδικασία της φωτοσύνθεσης χωρίζεται σε δύο φάσεις: το φως και το σκοτεινό.
Η ελαφριά φάση της φωτοσύνθεσης
Όπως υποδηλώνει το όνομα, οι φωτεινές φάσεις απαιτούν ηλιακό φως. Στις αντιδράσεις που εξαρτώνται από το φως, η ενέργεια από το φως του ήλιου απορροφάται από τη χλωροφύλλη και μετατρέπεται σε αποθηκευμένη χημική ενέργεια με τη μορφή του μορίου ηλεκτρονίου-φορέα NADPH (νικοταμιδική αδενίνη δινουκλεοτιδική φωσφορική) και του μορίου ενέργειας ATP (τριφωσφορική αδενοσίνη). Φάσεις φωτόςεμφανίζονται σε θυλακοειδή μεμβράνες εντός του χλωροπλάστου.
Σκοτεινή φάση φωτοσύνθεσης ή κύκλος Calvin
Στη σκοτεινή φάση ή τον κύκλο του Calvin, τα διεγερμένα ηλεκτρόνια από την φωτεινή φάση παρέχουν ενέργεια για το σχηματισμό υδατανθράκων από μόρια διοξειδίου του άνθρακα. Οι ανεξάρτητες από το φως φάσεις ονομάζονται μερικές φορές κύκλος Calvin λόγω της κυκλικής φύσης της διαδικασίας.
Αν και οι σκοτεινές φάσεις δεν χρησιμοποιούν το φως ως αντιδραστήριο (και, ως αποτέλεσμα, μπορεί να εμφανιστούν κατά τη διάρκεια της ημέρας ή της νύχτας), απαιτούν τα προϊόντα των αντιδράσεων που εξαρτώνται από το φως για να λειτουργήσουν. Τα ανεξάρτητα από το φως μόρια εξαρτώνται από τα μόρια ενεργειακού φορέα ATP και NADPH για να δημιουργήσουν νέα μόρια υδατανθράκων. Μόλις μεταφερθεί η ενέργεια, τα μόρια του ενεργειακού φορέα επιστρέφουν στις φωτεινές φάσεις για να παράγουν περισσότερα ενεργητικά ηλεκτρόνια. Επιπλέον, αρκετά ένζυμα σκοτεινής φάσης ενεργοποιούνται από το φως.
Διάγραμμα φάσεων φωτοσύνθεσης
Το σημείωμα:Αυτό σημαίνει ότι οι σκοτεινές φάσεις δεν θα συνεχιστούν εάν τα φυτά στερηθούν το φως για πολύ καιρό, καθώς χρησιμοποιούν τα προϊόντα των φωτεινών φάσεων.
Η δομή των φύλλων των φυτών
Δεν μπορούμε να μελετήσουμε πλήρως τη φωτοσύνθεση χωρίς να γνωρίζουμε περισσότερα για τη δομή του φύλλου. Το φύλλο είναι προσαρμοσμένο να παίζει ζωτικό ρόλο στη διαδικασία της φωτοσύνθεσης.
Εξωτερική δομή των φύλλων
- τετράγωνο
Ένα από τα πιο σημαντικά χαρακτηριστικά των φυτών είναι η μεγάλη επιφάνεια των φύλλων τους. Τα περισσότερα πράσινα φυτά έχουν πλατιά, επίπεδα και ανοιχτά φύλλα που είναι ικανά να συλλάβουν όση ηλιακή ενέργεια (ηλιακό φως) χρειάζεται για τη φωτοσύνθεση.
- Κεντρική φλέβα και μίσχος
Η κεντρική φλέβα και ο μίσχος ενώνονται μεταξύ τους και σχηματίζουν τη βάση του φύλλου. Ο μίσχος τοποθετεί το φύλλο έτσι ώστε να λαμβάνει όσο το δυνατόν περισσότερο φως.
- Λεπίδα φύλλου
Τα απλά φύλλα έχουν μια λεπίδα φύλλου, ενώ τα πολύπλοκα έχουν αρκετές. Η λεπίδα του φύλλου είναι ένα από τα πιο σημαντικά συστατικά του φύλλου, το οποίο εμπλέκεται άμεσα στη διαδικασία της φωτοσύνθεσης.
- Φλέβες
Ένα δίκτυο φλεβών στα φύλλα μεταφέρει νερό από τους μίσχους στα φύλλα. Η απελευθερωμένη γλυκόζη στέλνεται επίσης σε άλλα μέρη του φυτού από τα φύλλα μέσω των φλεβών. Επιπλέον, αυτά τα μέρη φύλλου υποστηρίζουν και διατηρούν τη λεπίδα του φύλλου επίπεδη για μεγαλύτερη δέσμευση του ηλιακού φωτός. Η διάταξη των φλεβών (venation) εξαρτάται από τον τύπο του φυτού.
- Βάση φύλλων
Η βάση του φύλλου είναι το χαμηλότερο τμήμα του, το οποίο αρθρώνεται με το στέλεχος. Συχνά, στη βάση του φύλλου υπάρχουν ένα ζευγάρι ραβδάκια.
- Άκρη φύλλου
Ανάλογα με τον τύπο του φυτού, η άκρη του φύλλου μπορεί να έχει διαφορετικά σχήματα, μεταξύ των οποίων: ολόκληρη, οδοντωτή, οδοντωτή, οδοντωτή, οδοντωτή, κ.λπ.
- Μύτη φύλλου
Όπως η άκρη ενός φύλλου, η κορυφή είναι διάφορα σχήματα, συμπεριλαμβανομένων: απότομο, στρογγυλό, αμβλύ, επίμηκες, τραβηγμένο κ.λπ.
Εσωτερική δομή των φύλλων
Παρακάτω είναι ένα κοντινό διάγραμμα της εσωτερικής δομής των ιστών των φύλλων:
- Επιδερμίδα
Η επιδερμίδα λειτουργεί ως το κύριο, προστατευτικό στρώμα στην επιφάνεια του φυτού. Κατά κανόνα, είναι πιο χοντρό στην κορυφή του φύλλου. Η επιδερμίδα καλύπτεται με μια ουσία που μοιάζει με κερί που προστατεύει το φυτό από το νερό.
- Επιδερμίδα
Η επιδερμίδα είναι ένα στρώμα κυττάρων που είναι ο καλυπτικός ιστός του φύλλου. Η κύρια λειτουργία του είναι να προστατεύει τους εσωτερικούς ιστούς του φύλλου από αφυδάτωση, μηχανικές βλάβες και μολύνσεις. Ρυθμίζει επίσης τη διαδικασία ανταλλαγής αερίων και διαπνοής.
- Μεσοφύλλη
Η μεσοφύλλη είναι ο κύριος ιστός ενός φυτού. Εδώ συμβαίνει η διαδικασία της φωτοσύνθεσης. Στα περισσότερα φυτά, η μεσόφυλλη χωρίζεται σε δύο στρώματα: το πάνω είναι παλίσαρο και το κάτω είναι σπογγώδες.
- Κλουβιά άμυνας
Τα προστατευτικά κύτταρα είναι εξειδικευμένα κύτταρα στην επιδερμίδα των φύλλων που χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο της ανταλλαγής αερίων. Επιτελούν προστατευτική λειτουργία για το στόμα. Οι πόροι του στομάχου γίνονται μεγάλοι όταν το νερό είναι ελεύθερα διαθέσιμο, διαφορετικά τα προστατευτικά κύτταρα γίνονται υποτονικά.
- Στόμα
Η φωτοσύνθεση εξαρτάται από τη διείσδυση του διοξειδίου του άνθρακα (CO2) από τον αέρα μέσω των στομάτων στον ιστό της μεσόφυλλης. Το οξυγόνο (O2), που παράγεται ως υποπροϊόν της φωτοσύνθεσης, φεύγει από το φυτό μέσω των στομάτων. Όταν τα στομία είναι ανοιχτά, το νερό χάνεται μέσω της εξάτμισης και πρέπει να αντικατασταθεί μέσω του ρεύματος διαπνοής από νερό που απορροφάται από τις ρίζες. Τα φυτά αναγκάζονται να εξισορροπήσουν την ποσότητα του CO2 που απορροφάται από τον αέρα και την απώλεια νερού μέσω των στοματικών πόρων.
Συνθήκες που απαιτούνται για τη φωτοσύνθεση
Ακολουθούν οι συνθήκες που χρειάζονται τα φυτά για να πραγματοποιήσουν τη διαδικασία της φωτοσύνθεσης:
- Διοξείδιο του άνθρακα.Ένα άχρωμο, άοσμο, φυσικό αέριο που βρίσκεται στον αέρα και έχει την επιστημονική ονομασία CO2. Σχηματίζεται κατά την καύση άνθρακα και οργανικών ενώσεων και εμφανίζεται επίσης κατά την αναπνοή.
- Νερό. Διαφανές υγρό Χημική ουσίαάοσμο και άγευστο (υπό κανονικές συνθήκες).
- Φως.Αν και το τεχνητό φως είναι επίσης κατάλληλο για τα φυτά, το φυσικό φως του ήλιου γενικά παρέχει καλύτερες συνθήκες για φωτοσύνθεση επειδή περιέχει φυσική υπεριώδη ακτινοβολία, η οποία έχει θετική επιρροήστα φυτά.
- Χλωροφύλλη.Αυτό πράσινη χρωστική ουσία, βρίσκεται στα φύλλα των φυτών.
- Θρεπτικά συστατικά και μέταλλα.Χημικά και ΟΡΓΑΝΙΚΕΣ ΕΝΩΣΕΙΣ, που απορροφούν οι ρίζες των φυτών από το έδαφος.
Τι παράγεται ως αποτέλεσμα της φωτοσύνθεσης;
- Γλυκόζη;
- Οξυγόνο.
(Η φωτεινή ενέργεια εμφανίζεται σε παρένθεση γιατί δεν είναι ύλη)
Το σημείωμα:Τα φυτά λαμβάνουν CO2 από τον αέρα μέσω των φύλλων τους και νερό από το έδαφος μέσω των ριζών τους. Η φωτεινή ενέργεια προέρχεται από τον Ήλιο. Το οξυγόνο που προκύπτει απελευθερώνεται στον αέρα από τα φύλλα. Η γλυκόζη που προκύπτει μπορεί να μετατραπεί σε άλλες ουσίες, όπως το άμυλο, το οποίο χρησιμοποιείται ως αποθήκη ενέργειας.
Εάν οι παράγοντες που προάγουν τη φωτοσύνθεση απουσιάζουν ή υπάρχουν σε ανεπαρκείς ποσότητες, το φυτό μπορεί να επηρεαστεί αρνητικά. Για παράδειγμα, το λιγότερο φως δημιουργεί ευνοϊκές συνθήκες για τα έντομα που τρώνε τα φύλλα του φυτού και η έλλειψη νερού το επιβραδύνει.
Πού γίνεται η φωτοσύνθεση;
Η φωτοσύνθεση συμβαίνει μέσα στα φυτικά κύτταρα, σε μικρά πλαστίδια που ονομάζονται χλωροπλάστες. Οι χλωροπλάστες (που βρίσκονται κυρίως στο στρώμα της μεσοφύλλης) περιέχουν μια πράσινη ουσία που ονομάζεται χλωροφύλλη. Παρακάτω είναι άλλα μέρη του κυττάρου που συνεργάζονται με τον χλωροπλάστε για να πραγματοποιήσουν φωτοσύνθεση.
Δομή φυτικού κυττάρου
Λειτουργίες μερών φυτικών κυττάρων
- : παρέχει δομική και μηχανική υποστήριξη, προστατεύει τα κύτταρα από, καθορίζει και καθορίζει το σχήμα των κυττάρων, ελέγχει τον ρυθμό και την κατεύθυνση της ανάπτυξης και δίνει σχήμα στα φυτά.
- : παρέχει μια πλατφόρμα για τις περισσότερες χημικές διεργασίες που ελέγχονται από ένζυμα.
- : δρα ως φραγμός, ελέγχοντας την κίνηση των ουσιών μέσα και έξω από το κύτταρο.
- : όπως περιγράφηκε παραπάνω, περιέχουν χλωροφύλλη, μια πράσινη ουσία που απορροφά την φωτεινή ενέργεια μέσω της διαδικασίας της φωτοσύνθεσης.
- : μια κοιλότητα μέσα στο κυτταρόπλασμα του κυττάρου που αποθηκεύει νερό.
- : περιέχει ένα γενετικό σήμα (DNA) που ελέγχει τις δραστηριότητες του κυττάρου.
Η χλωροφύλλη απορροφά την ενέργεια φωτός που απαιτείται για τη φωτοσύνθεση. Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι δεν απορροφώνται όλα τα έγχρωμα μήκη κύματος φωτός. Τα φυτά απορροφούν κυρίως τα κόκκινα και μπλε μήκη κύματος - δεν απορροφούν φως στην πράσινη περιοχή.
Διοξείδιο του άνθρακα κατά τη φωτοσύνθεση
Τα φυτά προσλαμβάνουν διοξείδιο του άνθρακα από τον αέρα μέσω των φύλλων τους. Το διοξείδιο του άνθρακα διαρρέει μέσω μιας μικρής τρύπας στο κάτω μέρος του φύλλου - της στομίας.
Το κάτω μέρος του φύλλου έχει κελιά με χαλαρή απόσταση για να επιτρέψει στο διοξείδιο του άνθρακα να φτάσει σε άλλα κύτταρα στα φύλλα. Αυτό επιτρέπει επίσης στο οξυγόνο που παράγεται από τη φωτοσύνθεση να φύγει εύκολα από το φύλλο.
Το διοξείδιο του άνθρακα υπάρχει στον αέρα που αναπνέουμε σε πολύ χαμηλές συγκεντρώσεις και είναι απαραίτητος παράγοντας στη σκοτεινή φάση της φωτοσύνθεσης.
Φως κατά τη φωτοσύνθεση
Το φύλλο έχει συνήθως μεγάλη επιφάνεια ώστε να μπορεί να απορροφήσει πολύ φως. Η επάνω επιφάνειά του προστατεύεται από την απώλεια νερού, τις ασθένειες και την έκθεση στις καιρικές συνθήκες με ένα κηρώδες στρώμα (επιδερμίδα). Το πάνω μέρος του φύλλου είναι το σημείο που χτυπά το φως. Αυτό το στρώμα μεσοφύλλης ονομάζεται παλίσα. Είναι προσαρμοσμένο να απορροφά μεγάλη ποσότηταφως, γιατί περιέχει πολλούς χλωροπλάστες.
Κατά τις φωτεινές φάσεις, η διαδικασία της φωτοσύνθεσης αυξάνεται με περισσότερο φως. Περισσότερα μόριαΗ χλωροφύλλη ιονίζεται και δημιουργείται περισσότερο ATP και NADPH εάν συγκεντρωθούν φωτόνια φωτόνια σε ένα πράσινο φύλλο. Αν και το φως είναι εξαιρετικά σημαντικό στις φωτοφάσεις, θα πρέπει να σημειωθεί ότι οι υπερβολικές ποσότητες μπορούν να βλάψουν τη χλωροφύλλη και να μειώσουν τη διαδικασία της φωτοσύνθεσης.
Οι φωτεινές φάσεις δεν εξαρτώνται πολύ από τη θερμοκρασία, το νερό ή το διοξείδιο του άνθρακα, αν και όλες χρειάζονται για να ολοκληρωθεί η διαδικασία της φωτοσύνθεσης.
Νερό κατά τη φωτοσύνθεση
Τα φυτά λαμβάνουν το νερό που χρειάζονται για τη φωτοσύνθεση μέσω των ριζών τους. Έχουν τρίχες ρίζας που φυτρώνουν στο έδαφος. Οι ρίζες χαρακτηρίζονται από μεγάλη επιφάνεια και λεπτά τοιχώματα, που επιτρέπουν στο νερό να περνάει εύκολα από μέσα τους.
Η εικόνα δείχνει φυτά και τα κύτταρά τους με αρκετό νερό (αριστερά) και έλλειψη (δεξιά).
Το σημείωμα:Τα ριζικά κύτταρα δεν περιέχουν χλωροπλάστες γιατί συνήθως βρίσκονται στο σκοτάδι και δεν μπορούν να φωτοσυνθέσουν.
Εάν το φυτό δεν απορροφά αρκετό νερό, μαραίνεται. Χωρίς νερό, το φυτό δεν θα είναι σε θέση να φωτοσυνθέσει αρκετά γρήγορα και μπορεί ακόμη και να πεθάνει.
Ποια είναι η σημασία του νερού για τα φυτά;
- Παρέχει διαλυμένα μέταλλα που υποστηρίζουν την υγεία των φυτών.
- Είναι ένα μέσο για τη μεταφορά?
- Διατηρεί σταθερότητα και ευθύτητα.
- Ψύχεται και κορεστεί με υγρασία.
- Σας επιτρέπει να εκτελέσετε διάφορα χημικές αντιδράσειςστα φυτικά κύτταρα.
Η σημασία της φωτοσύνθεσης στη φύση
Η βιοχημική διαδικασία της φωτοσύνθεσης χρησιμοποιεί ενέργεια από το ηλιακό φως για να μετατρέψει το νερό και το διοξείδιο του άνθρακα σε οξυγόνο και γλυκόζη. Η γλυκόζη χρησιμοποιείται ως δομικό στοιχείο στα φυτά για την ανάπτυξη των ιστών. Έτσι, η φωτοσύνθεση είναι η μέθοδος με την οποία σχηματίζονται οι ρίζες, οι μίσχοι, τα φύλλα, τα άνθη και οι καρποί. Χωρίς τη διαδικασία της φωτοσύνθεσης, τα φυτά δεν θα μπορούν να αναπτυχθούν ή να αναπαραχθούν.
- Παραγωγοί
Λόγω της φωτοσυνθετικής τους ικανότητας, τα φυτά είναι γνωστά ως παραγωγοί και χρησιμεύουν ως βάση σχεδόν κάθε τροφικής αλυσίδας στη Γη. (Τα φύκια είναι το ισοδύναμο των φυτών σε). Όλα τα τρόφιμα που τρώμε προέρχονται από οργανισμούς που είναι φωτοσυνθετικοί. Τρώμε αυτά τα φυτά απευθείας ή τρώμε ζώα όπως αγελάδες ή χοίρους που καταναλώνουν φυτικές τροφές.
- Η βάση της τροφικής αλυσίδας
Στα υδάτινα συστήματα, τα φυτά και τα φύκια αποτελούν επίσης τη βάση της τροφικής αλυσίδας. Τα φύκια χρησιμεύουν ως τροφή, τα οποία, με τη σειρά τους, λειτουργούν ως πηγή διατροφής για μεγαλύτερους οργανισμούς. Χωρίς τη φωτοσύνθεση σε υδάτινα περιβάλλοντα, η ζωή δεν θα ήταν δυνατή.
- Αφαίρεση διοξειδίου του άνθρακα
Η φωτοσύνθεση μετατρέπει το διοξείδιο του άνθρακα σε οξυγόνο. Κατά τη φωτοσύνθεση, το διοξείδιο του άνθρακα από την ατμόσφαιρα εισέρχεται στο φυτό και στη συνέχεια απελευθερώνεται ως οξυγόνο. Στον σημερινό κόσμο, όπου τα επίπεδα διοξειδίου του άνθρακα αυξάνονται με ανησυχητικούς ρυθμούς, κάθε διαδικασία που αφαιρεί το διοξείδιο του άνθρακα από την ατμόσφαιρα είναι περιβαλλοντικά σημαντική.
- Γύρος ΘΡΕΠΤΙΚΕΣ ουσιες
Τα φυτά και άλλοι φωτοσυνθετικοί οργανισμοί παίζουν ζωτικό ρόλο στον κύκλο των θρεπτικών συστατικών. Το άζωτο στον αέρα στερεώνεται στον φυτικό ιστό και γίνεται διαθέσιμο για τη δημιουργία πρωτεϊνών. Τα μικροθρεπτικά συστατικά που βρίσκονται στο έδαφος μπορούν επίσης να ενσωματωθούν στον φυτικό ιστό και να γίνουν διαθέσιμα σε φυτοφάγα ζώα πιο ψηλά στην τροφική αλυσίδα.
- Φωτοσυνθετική εξάρτηση
Η φωτοσύνθεση εξαρτάται από την ένταση και την ποιότητα του φωτός. Στον ισημερινό, όπου το φως του ήλιου είναι άφθονο όλο το χρόνο και το νερό δεν είναι περιοριστικός παράγοντας, τα φυτά έχουν υψηλούς ρυθμούς ανάπτυξης και μπορούν να γίνουν αρκετά μεγάλα. Αντίθετα, η φωτοσύνθεση συμβαίνει λιγότερο συχνά στα βαθύτερα μέρη του ωκεανού, επειδή το φως δεν διεισδύει σε αυτά τα στρώματα, με αποτέλεσμα ένα πιο άγονο οικοσύστημα.
