Z wykorzystaniem energii świetlnej lub bez niej. Jest to charakterystyczne dla roślin. Zastanówmy się następnie, jakie są ciemne i jasne fazy fotosyntezy.

Informacje ogólne

Narządem fotosyntezy u roślin wyższych jest liść. Chloroplasty pełnią funkcję organelli. Pigmenty fotosyntetyczne są obecne w błonach ich tylakoidów. Są to karotenoidy i chlorofile. Te ostatnie występują w kilku postaciach (a, c, b, d). Głównym z nich jest a-chlorofil. Jego cząsteczka zawiera „głowę” porfiryny z umieszczonym pośrodku atomem magnezu, a także „ogon” fitolowy. Pierwszy element przedstawiony jest jako konstrukcja płaska. „Główka” jest hydrofilowa, dlatego znajduje się w tej części membrany, która jest skierowana w stronę środowisko wodne. „Ogon” fitolowy jest hydrofobowy. Dzięki temu zatrzymuje cząsteczkę chlorofilu w membranie. Chlorofile pochłaniają światło niebiesko-fioletowe i czerwone. Odbijają także zieleń, nadając roślinom charakterystyczny kolor. W błonach tylaktoidów cząsteczki chlorofilu są zorganizowane w fotosystemy. Sinice i rośliny charakteryzują się systemami 1 i 2. Bakterie fotosyntetyzujące mają tylko pierwszy. Drugi system może rozkładać H2O i uwalniać tlen.

Faza jasna fotosyntezy

Procesy zachodzące w roślinach są złożone i wieloetapowe. W szczególności wyróżnia się dwie grupy reakcji. Są to ciemne i jasne fazy fotosyntezy. To ostatnie zachodzi przy udziale enzymu ATP, białek przenoszących elektrony i chlorofilu. Faza jasna fotosyntezy zachodzi w błonach tylaktoidów. Elektrony chlorofilu zostają wzbudzone i opuszczają cząsteczkę. Następnie trafiają na zewnętrzną powierzchnię błony tylaktoidalnej. To z kolei zostaje naładowane ujemnie. Po utlenieniu rozpoczyna się redukcja cząsteczek chlorofilu. Pobierają elektrony z wody znajdującej się w przestrzeni wewnątrzlakoidowej. Zatem lekka faza fotosyntezy zachodzi w błonie podczas rozpadu (fotolizy): H 2 O + Q światło → H + + OH -

Jony hydroksylowe zamieniają się w reaktywne rodniki, oddając swoje elektrony:

OH - → .OH + mi -

Rodniki OH łączą się, tworząc wolny tlen i wodę:

4NIE. → 2H 2O + O 2.

W tym przypadku tlen jest usuwany do otaczającego (zewnętrznego) środowiska, a protony gromadzą się wewnątrz tylaktoidu w specjalnym „zbiorniku”. W rezultacie, gdy zachodzi lekka faza fotosyntezy, błona tylaktoidowa otrzymuje ładunek dodatni z powodu H + po jednej stronie. Jednocześnie pod wpływem elektronów jest naładowany ujemnie.

Fosforylacja ADP

Tam, gdzie zachodzi lekka faza fotosyntezy, istnieje różnica potencjałów pomiędzy wewnętrzną i zewnętrzną powierzchnią membrany. Kiedy osiągnie 200 mV, protony zaczynają być wypychane przez kanały syntetazy ATP. Zatem lekka faza fotosyntezy zachodzi w błonie, gdy ADP jest fosforylowany do ATP. W tym przypadku wodór atomowy jest wysyłany w celu przywrócenia specjalnego nośnika, fosforanu dinukleotydu nikotynoamidoadeninowego NADP+, do NADP.H2:

2Н + + 2е — + NADP → NADP.Н 2

Faza jasna fotosyntezy obejmuje zatem fotolizę wody. Temu z kolei towarzyszą trzy najważniejsze reakcje:

  1. Synteza ATP.
  2. Tworzenie NADP.H 2.
  3. Tworzenie się tlenu.

Fazie lekkiej fotosyntezy towarzyszy uwalnianie tej ostatniej do atmosfery. NADP.H2 i ATP przemieszczają się do zrębu chloroplastu. Na tym kończy się jasna faza fotosyntezy.

Inna grupa reakcji

Ciemna faza fotosyntezy nie wymaga energii świetlnej. Przedostaje się do zrębu chloroplastu. Reakcje przedstawiono w postaci łańcucha kolejnych przemian dwutlenku węgla pochodzącego z powietrza. W rezultacie powstaje glukoza i inne substancje organiczne. Pierwszą reakcją jest fiksacja. Bifosforan rybulozy (cukier pięciowęglowy) RiBP działa jako akceptor dwutlenku węgla. Katalizatorem reakcji jest karboksylaza wodorofosforanu rybulozy (enzym). W wyniku karboksylacji RiBP powstaje niestabilny związek sześciowęglowy. Niemal natychmiast rozkłada się na dwie cząsteczki PGA (kwasu fosfoglicerynowego). Następnie następuje cykl reakcji, podczas którego przekształca się ona w glukozę poprzez kilka produktów pośrednich. Wykorzystują energię NADP.H 2 i ATP, które zostały przetworzone w jasnej fazie fotosyntezy. Cykl tych reakcji nazywany jest „cyklem Calvina”. Można to przedstawić w następujący sposób:

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

Oprócz glukozy podczas fotosyntezy powstają inne monomery związków organicznych (złożonych). Należą do nich w szczególności kwasy tłuszczowe, glicerol, aminokwasy i nukleotydy.

Reakcje C3

Są rodzajem fotosyntezy, w wyniku której jako pierwszy produkt powstają związki trójwęglowe. To właśnie opisano powyżej jako cykl Calvina. Jak charakterystyczne cechy Fotosynteza C3 odbywa się poprzez:

  1. RiBP jest akceptorem dwutlenku węgla.
  2. Reakcja karboksylacji jest katalizowana przez karboksylazę RiBP.
  3. Tworzy się sześciowęglowa substancja, która następnie rozkłada się na 2 FHA.

Kwas fosfoglicerynowy ulega redukcji do TP (fosforanów triozy). Część z nich wykorzystywana jest do regeneracji wodorofosforanu rybulozy, a reszta przekształcana jest w glukozę.

Reakcje C4

Ten typ fotosyntezy charakteryzuje się pojawieniem się związków czterowęglowych jako pierwszego produktu. W 1965 roku odkryto, że w niektórych roślinach substancje C4 pojawiają się jako pierwsze. Ustalono to na przykład dla prosa, sorgo, trzciny cukrowej i kukurydzy. Uprawy te stały się znane jako rośliny C4. W następnym roku, 1966, Slack i Hatch (australijscy naukowcy) odkryli, że prawie całkowicie brakuje im fotooddychania. Stwierdzono również, że takie rośliny C4 znacznie efektywniej absorbują dwutlenek węgla. W rezultacie szlak przemian węgla w takich uprawach zaczęto nazywać szlakiem Hatcha-Slacka.

Wniosek

Znaczenie fotosyntezy jest bardzo duże. Dzięki niemu dwutlenek węgla jest pochłaniany z atmosfery w ogromnych ilościach (miliardy ton) każdego roku. Zamiast tego uwalniana jest nie mniejsza ilość tlenu. Fotosynteza jest głównym źródłem powstawania związków organicznych. Tlen bierze udział w tworzeniu warstwy ozonowej, która chroni organizmy żywe przed działaniem krótkofalowego promieniowania UV. Podczas fotosyntezy liść pochłania tylko 1% całkowitej energii padającego na niego światła. Jego wydajność mieści się w granicach 1 g związku organicznego na 1 m2. m powierzchni na godzinę.

Jak sama nazwa wskazuje, fotosynteza jest zasadniczo naturalną syntezą. materia organiczna, przekształcając CO2 z atmosfery i wody w glukozę i wolny tlen.

Wymaga to obecności energii słonecznej.

Równanie chemiczne procesu fotosyntezy można ogólnie przedstawić w następujący sposób:

Fotosynteza składa się z dwóch faz: ciemnej i jasnej. Reakcje chemiczne ciemnej fazy fotosyntezy różnią się znacznie od reakcji fazy jasnej, ale ciemna i jasna faza fotosyntezy są od siebie zależne.

Faza jasna może zachodzić w liściach roślin wyłącznie pod wpływem światła słonecznego. W przypadku ciemności konieczna jest obecność dwutlenku węgla, dlatego roślina musi stale pobierać go z atmosfery. Wszystkie cechy porównawcze ciemnej i jasnej fazy fotosyntezy zostaną podane poniżej. W tym celu stworzono tabelę porównawczą „Fazy fotosyntezy”.

Faza jasna fotosyntezy

Główne procesy w lekkiej fazie fotosyntezy zachodzą w błonach tylakoidów. Bierze w nim udział chlorofil, białka transportu elektronów, syntetaza ATP (enzym przyspieszający reakcję) i światło słoneczne.

Dalej mechanizm reakcji można opisać w następujący sposób: kiedy światło słoneczne pada na zielone liście roślin, w ich strukturze wzbudzane są elektrony chlorofilu (ładunek ujemny), które po przejściu w stan aktywny opuszczają cząsteczkę pigmentu i trafiają na na zewnątrz tylakoidu, którego błona jest również naładowana ujemnie. Jednocześnie cząsteczki chlorofilu ulegają utlenieniu, a te już utlenione ulegają redukcji, pobierając w ten sposób elektrony z wody znajdującej się w strukturze liścia.

Proces ten prowadzi do tego, że cząsteczki wody rozpadają się, a jony powstałe w wyniku fotolizy wody oddają swoje elektrony i zamieniają się w rodniki OH, które są zdolne do prowadzenia dalszych reakcji. Te reaktywne rodniki OH łączą się następnie, tworząc pełnoprawne cząsteczki wody i tlenu. W tym przypadku wolny tlen ucieka do otoczenie zewnętrzne.

W wyniku tych wszystkich reakcji i przemian błona tylakoidów liścia z jednej strony jest naładowana dodatnio (pod wpływem jonu H+), a z drugiej - ujemnie (pod wpływem elektronów). Gdy różnica tych ładunków po obu stronach membrany osiągnie wartość większą niż 200 mV, protony przechodzą przez specjalne kanały enzymu syntetazy ATP i dzięki temu ADP (w wyniku procesu fosforylacji) przekształca się w ATP. Natomiast wodór atomowy uwalniany z wody przywraca specyficzny nośnik NADP+ do NADP·H2. Jak widzimy, w wyniku lekkiej fazy fotosyntezy zachodzą trzy główne procesy:

  1. synteza ATP;
  2. utworzenie NADP H2;
  3. powstawanie wolnego tlenu.

Ten ostatni jest uwalniany do atmosfery, a NADP H2 i ATP biorą udział w ciemnej fazie fotosyntezy.

Ciemna faza fotosyntezy

Faza ciemna i jasna fotosyntezy charakteryzują się dużymi wydatkami energetycznymi po stronie rośliny, natomiast faza ciemna przebiega szybciej i wymaga mniej energii. Reakcje fazy ciemnej nie wymagają światła słonecznego, dlatego mogą zachodzić zarówno w dzień, jak i w nocy.

Wszystkie główne procesy tej fazy zachodzą w zrębie chloroplastu rośliny i stanowią unikalny łańcuch kolejnych przemian dwutlenku węgla z atmosfery. Pierwszą reakcją w takim łańcuchu jest wiązanie dwutlenku węgla. Aby stało się to sprawniej i szybciej, natura dostarczyła enzym karboksylazę RiBP, który katalizuje wiązanie CO2.

Następnie następuje cały cykl reakcji, których zakończeniem jest przemiana kwasu fosfoglicerynowego w glukozę (cukier naturalny). Wszystkie te reakcje wykorzystują energię ATP i NADP H2, które powstały w lekkiej fazie fotosyntezy. Oprócz glukozy w procesie fotosyntezy powstają także inne substancje. Wśród nich znajdują się różne aminokwasy, kwasy tłuszczowe, glicerol i nukleotydy.

Fazy ​​fotosyntezy: tabela porównawcza

Kryteria porównania Faza jasna Faza ciemna
światło słoneczne Wymagany Nie wymagane
Miejsce reakcji Granat chloroplastowy Zręb chloroplastowy
Zależność od źródła energii Zależy od światła słonecznego Zależy od ATP i NADP H2 powstających w fazie lekkiej oraz od ilości CO2 z atmosfery
Materiały wyjściowe Chlorofil, białka transportu elektronów, syntetaza ATP Dwutlenek węgla
Istota fazy i to, co powstaje Uwalnia się wolny O2, tworzą się ATP i NADP H2 Powstawanie naturalnego cukru (glukozy) i pochłanianie CO2 z atmosfery

Fotosynteza - wideo

Dokładniej: w fazie ciemnej wiązany jest dwutlenek węgla (CO 2).

Proces ten jest wieloetapowy, w przyrodzie istnieją dwie główne ścieżki: fotosynteza C3 i fotosynteza C4. Łacińska litera C oznacza atom węgla, liczba po niej to liczba atomów węgla w pierwotnym organicznym produkcie ciemnej fazy fotosyntezy. Zatem w przypadku szlaku C3 za produkt pierwotny uważa się trójwęglowy kwas fosfoglicerynowy, oznaczony jako PGA. W przypadku szlaku C4 pierwszą substancją organiczną wiążącą dwutlenek węgla jest czterowęglowy kwas szczawiooctowy (szczawiooctan).

Fotosynteza C 3 jest również nazywana cyklem Calvina, od nazwiska naukowca, który ją badał. Fotosynteza C 4 obejmuje cykl Calvina, ale nie składa się tylko z niego i nazywa się cyklem Hatcha-Slacka. W umiarkowanych szerokościach geograficznych powszechne są rośliny C3, w tropikalnych - rośliny C4.

Ciemne reakcje fotosyntezy zachodzą w zrębie chloroplastu.

Cykl Calvina

Pierwszą reakcją cyklu Calvina jest karboksylacja rybulozo-1,5-bisfosforanu (RiBP). Karboksylacja- jest to dodanie cząsteczki CO2, w wyniku czego powstaje grupa karboksylowa -COOH. RiBP to ryboza (cukier pięciowęglowy) posiadająca grupy fosforanowe przyłączone do końcowych atomów węgla (utworzone przez Kwas fosforowy):

Wzór chemiczny RiBF

Reakcja jest katalizowana przez enzym oksygenazę karboksylazy rybulozo-1,5-bisfosforanu ( RubisKO). Może katalizować nie tylko wiązanie dwutlenku węgla, ale także tlenu, na co wskazuje słowo „oksygenaza” w jego nazwie. Jeśli RuBisCO katalizuje reakcję dodawania tlenu do podłoża, to ciemna faza fotosyntezy nie podąża już ścieżką cyklu Calvina, ale wzdłuż ścieżki fotooddychanie, co jest zasadniczo szkodliwe dla rośliny.

Kataliza reakcji dodawania CO 2 do RiBP przebiega w kilku etapach. W rezultacie powstaje niestabilny sześciowęglowy związek organiczny, który natychmiast rozpada się na dwie trójwęglowe cząsteczki kwas fosfoglicerynowy(FGK).

Wzór chemiczny kwasu fosfoglicerynowego

Następnie PGA przekształca się w aldehyd fosfoglicerynowy (PGA), zwany także fosforan triozy.

Mniejsza część PHA opuszcza cykl Calvina i zostaje wykorzystana do syntezy bardziej złożonych substancji organicznych, takich jak glukoza. To z kolei może polimeryzować do skrobi. Pozostałe substancje (aminokwasy, kwasy tłuszczowe) powstają przy udziale różnych substancji wyjściowych. Takie reakcje obserwuje się nie tylko w komórkach roślinnych. Jeśli zatem uznamy fotosyntezę za wyjątkowe zjawisko komórek zawierających chlorofil, to kończy się ona syntezą PHA, a nie glukozy.

Większość cząsteczek PHA pozostaje w cyklu Calvina. Następuje z nim szereg przemian, w wyniku których PHA zamienia się w RiBP. Wykorzystuje to również energię ATP. W ten sposób RiBP jest regenerowany w celu wiązania nowych cząsteczek dwutlenku węgla.

Cykl Hatcha-Slacka

U wielu roślin żyjących w gorących siedliskach ciemna faza fotosyntezy jest nieco bardziej złożona. W procesie ewolucji fotosynteza C 4 powstała jako więcej skuteczna metoda wiązanie dwutlenku węgla, gdy w atmosferze wzrosła ilość tlenu, a RuBisCO zaczęto wydawać na nieefektywne fotooddychanie.

W roślinach C4 występują dwa rodzaje komórek fotosyntetycznych. W chloroplastach mezofilu liści zachodzi jasna faza fotosyntezy i część ciemnej fazy, czyli wiązanie CO 2 z fosfoenolopirogronian(FEP). W rezultacie powstaje czterowęglowy kwas organiczny. Kwas ten jest następnie transportowany do chloroplastów komórek pochewki pęczka naczyniowego. Tutaj cząsteczka CO 2 jest od niej enzymatycznie oddzielana, a następnie wchodzi w cykl Calvina. Kwas trójwęglowy pozostały po dekarboksylacji to pirogronowy- powraca do komórek mezofilu, gdzie ponownie ulega przemianie w PEP.

Chociaż cykl Hatcha-Slacka jest bardziej energochłonną wersją ciemnej fazy fotosyntezy, enzym wiążący CO 2 i PEP jest skuteczniejszym katalizatorem niż RuBisCO. Ponadto nie reaguje z tlenem. Transport CO 2 za pomocą kwasu organicznego do głębszych komórek, do których przepływ tlenu jest utrudniony, prowadzi do tego, że wzrasta tutaj stężenie dwutlenku węgla, a RuBisCO prawie nie jest wydawane na wiązanie tlenu cząsteczkowego.

Fotosynteza- synteza związków organicznych ze związków nieorganicznych przy wykorzystaniu energii świetlnej (HV). Ogólne równanie fotosyntezy wygląda następująco:

6CO 2 + 6H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 6O 2

Fotosynteza zachodzi przy udziale pigmentów fotosyntetycznych, które posiadają wyjątkowa nieruchomość przekształcanie energii światła słonecznego w energię wiązań chemicznych w postaci ATP. Pigmenty fotosyntetyczne są substancjami białkowymi. Najważniejszym z nich jest pigment chlorofil. U eukariontów pigmenty fotosyntetyczne są osadzone w wewnętrznej błonie plastydów, u prokariotów są osadzone w wgłębieniach błony cytoplazmatycznej.

Struktura chloroplastu jest bardzo podobna do struktury mitochondrium. Wewnętrzna błona tylakoidów grana zawiera pigmenty fotosyntetyczne, a także białka łańcucha transportu elektronów i cząsteczki enzymu syntetazy ATP.

Proces fotosyntezy składa się z dwóch faz: jasnej i ciemnej.

Faza jasna Fotosynteza zachodzi tylko w świetle w błonie tylakoidów grana. W tej fazie chlorofil pochłania kwanty światła i wytwarza je Cząsteczki ATP i fotoliza wody.

Pod wpływem kwantu światła (hv) chlorofil traci elektrony, przechodząc w stan wzbudzony:

Chl → Chl + e -

Elektrony te są przenoszone przez nośniki na zewnątrz, tj. powierzchnia błony tylakoidów zwrócona w stronę matrix, gdzie się gromadzą.

Jednocześnie wewnątrz tylakoidów zachodzi fotoliza wody, tj. jego rozkład pod wpływem światła

2H 2O → O2 +4H + + 4e —

Powstałe elektrony są przenoszone przez nośniki na cząsteczki chlorofilu i przywracają je: cząsteczki chlorofilu wracają do stanu stabilnego.

Protony wodoru powstałe podczas fotolizy wody gromadzą się wewnątrz tylakoidu, tworząc zbiornik H +. W rezultacie wewnętrzna powierzchnia błony tylakoidów jest naładowana dodatnio (z powodu H +), a powierzchnia zewnętrzna jest naładowana ujemnie (z powodu e -). W miarę gromadzenia się przeciwnie naładowanych cząstek po obu stronach membrany różnica potencjałów wzrasta. Po osiągnięciu wartości krytycznej różnicy potencjałów siła pole elektryczne zaczyna wypychać protony przez kanał syntetazy ATP. Uwolniona w tym przypadku energia jest wykorzystywana do fosforylacji cząsteczek ADP:

ADP + P → ATP

Nazywa się powstawanie ATP podczas fotosyntezy pod wpływem energii świetlnej fotofosforylacja.

Jony wodorowe, gdy znajdą się na zewnętrznej powierzchni błony tylakoidów, spotykają się tam z elektronami i tworzą wodór atomowy, który wiąże się z cząsteczką nośnika wodoru NADP (fosforan dinukleotydu nikotynoamidoadeninowego):

2H + + 4e - + NADP + → NADP H 2

Zatem podczas lekkiej fazy fotosyntezy zachodzą trzy procesy: powstawanie tlenu w wyniku rozkładu wody, synteza ATP i tworzenie atomów wodoru w postaci NADP H2. Tlen dyfunduje do atmosfery, ATP i NADP H2 uczestniczą w procesach fazy ciemnej.

Faza ciemna fotosynteza zachodzi w macierzy chloroplastowej zarówno w świetle, jak i w ciemności i stanowi serię kolejnych przemian CO 2 pochodzącego z powietrza w cyklu Calvina. Reakcje fazy ciemnej przeprowadza się wykorzystując energię ATP. W cyklu Calvina CO 2 wiąże się z wodorem z NADP H 2, tworząc glukozę.

W procesie fotosyntezy oprócz monosacharydów (glukozy itp.) syntetyzowane są monomery innych związków organicznych - aminokwasów, gliceryny i kwasów tłuszczowych. Zatem dzięki fotosyntezie rośliny zapewniają sobie i wszystkim żywym istotom na Ziemi niezbędne substancje organiczne i tlen.

Charakterystyka porównawcza fotosyntezę i oddychanie eukariontów podano w tabeli:

Charakterystyka porównawcza fotosyntezy i oddychania eukariontów
Podpisać Fotosynteza Oddech
Równanie reakcji 6CO 2 + 6H 2 O + Energia świetlna → C 6 H 12 O 6 + 6O 2 C 6 H 12 O 6 + 6O 2 → 6H 2 O + Energia (ATP)
Materiały wyjściowe Dwutlenek węgla, woda
Produkty reakcji Materia organiczna, tlen Dwutlenek węgla, woda
Znaczenie w cyklu substancji Synteza substancji organicznych z substancji nieorganicznych Rozkład substancji organicznych do nieorganicznych
Konwersja energii Zamiana energii świetlnej na energię wiązania chemiczne materia organiczna Przemiana energii wiązań chemicznych substancji organicznych na energię wysokoenergetycznych wiązań ATP
Kluczowe etapy Faza jasna i ciemna (w tym cykl Calvina) Niepełne utlenianie (glikoliza) i całkowite utlenianie (w tym cykl Krebsa)
Lokalizacja procesu Chloroplast Hialoplazma (niepełne utlenianie) i mitochondria (całkowite utlenianie)

Każda żywa istota na planecie potrzebuje pożywienia i energii, aby przetrwać. Niektóre organizmy żywią się innymi stworzeniami, podczas gdy inne mogą wytwarzać własne składniki odżywcze. Wytwarzają własne pożywienie, glukozę, w procesie zwanym fotosyntezą.

Fotosynteza i oddychanie są ze sobą powiązane. W wyniku fotosyntezy powstaje glukoza, która jest magazynowana w postaci energii chemicznej. Ta zmagazynowana energia chemiczna powstaje w wyniku konwersji węgla nieorganicznego (dwutlenku węgla) w węgiel organiczny. Proces oddychania uwalnia zmagazynowaną energię chemiczną.

Oprócz wytwarzanych produktów rośliny potrzebują do przetrwania także węgla, wodoru i tlenu. Woda pochłonięta z gleby dostarcza wodór i tlen. Podczas fotosyntezy do syntezy pożywienia wykorzystuje się węgiel i wodę. Rośliny potrzebują również azotanów do produkcji aminokwasów (aminokwas jest składnikiem do produkcji białka). Oprócz tego potrzebują magnezu do produkcji chlorofilu.

Notatka: Organizmy żyjące, których funkcjonowanie zależy od innych pokarmów, nazywane są . Przykładami heterotrofów są zwierzęta roślinożerne, takie jak krowy i rośliny jedzące owady. Nazywa się istoty żywe, które wytwarzają własne pożywienie. Przykładami autotrofów są rośliny zielone i glony.

W tym artykule dowiesz się więcej o tym, jak zachodzi fotosynteza w roślinach i jakie warunki są niezbędne do tego procesu.

Definicja fotosyntezy

Fotosynteza to proces chemiczny, w wyniku którego rośliny (niektóre glony) wytwarzają glukozę i tlen z dwutlenku węgla i wody, wykorzystując jedynie światło jako źródło energii.

Proces ten jest niezwykle ważny dla życia na Ziemi, ponieważ uwalnia tlen, od którego zależy całe życie.

Dlaczego rośliny potrzebują glukozy (pożywienia)?

Podobnie jak ludzie i inne żywe istoty, rośliny również potrzebują pożywienia, aby przetrwać. Znaczenie glukozy dla roślin jest następujące:

  • Glukoza wytwarzana w procesie fotosyntezy jest wykorzystywana podczas oddychania do uwalniania energii potrzebnej roślinie do innych procesów życiowych.
  • Komórki roślinne przekształcają również część glukozy w skrobię, która jest wykorzystywana w razie potrzeby. Z tego powodu martwe rośliny wykorzystuje się jako biomasę, ponieważ magazynują energię chemiczną.
  • Glukoza jest również potrzebna do wytwarzania innych substancji chemicznych, takich jak białka, tłuszcze i cukry roślinne, niezbędnych do wspierania wzrostu i innych ważnych procesów.

Fazy ​​fotosyntezy

Proces fotosyntezy dzieli się na dwie fazy: jasną i ciemną.


Faza jasna fotosyntezy

Jak sama nazwa wskazuje, fazy świetlne wymagają światła słonecznego. W reakcjach zależnych od światła energia światła słonecznego jest absorbowana przez chlorofil i przekształcana w zmagazynowaną energię chemiczną w postaci cząsteczki nośnika elektronów NADPH (fosforan dinukleotydu nikotynoamidoadeninowego) i cząsteczki energii ATP (trifosforan adenozyny). Fazy ​​​​świetlne występują w błonach tylakoidów w chloroplastach.

Ciemna faza fotosyntezy lub cykl Calvina

W fazie ciemnej, czyli cyklu Calvina, wzbudzone elektrony z fazy jasnej dostarczają energii do tworzenia węglowodanów z cząsteczek dwutlenku węgla. Fazy ​​niezależne od światła nazywane są czasami cyklem Calvina ze względu na cykliczny charakter procesu.

Chociaż fazy ciemne nie wykorzystują światła jako reagenta (i w rezultacie mogą zachodzić w dzień lub w nocy), do funkcjonowania wymagają produktów reakcji zależnych od światła. Cząsteczki niezależne od światła zależą od cząsteczek nośników energii ATP i NADPH, aby utworzyć nowe cząsteczki węglowodanów. Po przeniesieniu energii cząsteczki nośnika energii powracają do faz lekkich, aby wytworzyć bardziej energetyczne elektrony. Ponadto światło aktywuje kilka enzymów fazy ciemnej.

Schemat faz fotosyntezy

Notatka: Oznacza to, że ciemne fazy nie będą kontynuowane, jeśli rośliny będą zbyt długo pozbawione światła, ponieważ wykorzystują produkty faz jasnych.

Budowa liści roślin

Nie możemy w pełni zbadać fotosyntezy, nie wiedząc więcej o strukturze liścia. Liść jest przystosowany do odgrywania istotnej roli w procesie fotosyntezy.

Zewnętrzna budowa liści

  • Kwadrat

Jedną z najważniejszych cech roślin jest duża powierzchnia ich liści. Większość zielonych roślin ma szerokie, płaskie i otwarte liście, które są w stanie wychwycić tyle energii słonecznej (światła słonecznego), ile jest potrzebne do fotosyntezy.

  • Żyła centralna i ogonek

Żyła centralna i ogonek łączą się ze sobą, tworząc podstawę liścia. Ogonek ustawia liść tak, aby otrzymał jak najwięcej światła.

  • Ostrze liścia

Liście proste mają jedną blaszkę liściową, natomiast liście złożone mają kilka. Blaszka liściowa jest jednym z najważniejszych elementów liścia, który bierze bezpośredni udział w procesie fotosyntezy.

  • Żyły

Sieć żył w liściach transportuje wodę z łodyg do liści. Uwolniona glukoza jest również przesyłana do innych części rośliny z liści przez żyły. Dodatkowo te części liści podtrzymują i utrzymują blaszkę liściową płaską, co zapewnia lepsze wychwytywanie światła słonecznego. Układ żyłek (żyłek) zależy od rodzaju rośliny.

  • Podstawa liścia

Podstawa liścia to jego najniższa część, która łączy się przegubowo z łodygą. Często u podstawy liścia znajduje się para przylistków.

  • Krawędź liścia

W zależności od rodzaju rośliny brzeg liścia może mieć różne kształty, m.in.: cały, postrzępiony, ząbkowany, karbowany, karbowany itp.

  • Końcówka liścia

Podobnie jak krawędź liścia, górna część jest różne kształty, w tym: ostre, okrągłe, tępe, wydłużone, rozciągnięte itp.

Wewnętrzna budowa liści

Poniżej znajduje się dokładny schemat wewnętrznej struktury tkanek liści:

  • Naskórek

Skórka pełni rolę głównej warstwy ochronnej na powierzchni rośliny. Z reguły jest grubszy na górze liścia. Skórka pokryta jest substancją przypominającą wosk, która chroni roślinę przed wodą.

  • Naskórek

Naskórek to warstwa komórek stanowiąca tkankę pokrywającą liść. Jego główną funkcją jest ochrona wewnętrznych tkanek liścia przed odwodnieniem, uszkodzeniami mechanicznymi i infekcjami. Reguluje także proces wymiany gazowej i transpiracji.

  • Mezofil

Mezofil jest główną tkanką rośliny. To tutaj zachodzi proces fotosyntezy. U większości roślin mezofil dzieli się na dwie warstwy: górna to palisada, a dolna to gąbczasta.

  • Klatki obronne

Komórki ochronne to wyspecjalizowane komórki naskórka liści, które służą do kontrolowania wymiany gazowej. Pełnią funkcję ochronną dla aparatów szparkowych. Pory szparkowe stają się duże, gdy woda jest swobodnie dostępna, w przeciwnym razie komórki ochronne stają się powolne.

  • Por

Fotosynteza polega na przenikaniu dwutlenku węgla (CO2) z powietrza przez aparaty szparkowe do tkanki mezofilu. Tlen (O2), powstający jako produkt uboczny fotosyntezy, opuszcza roślinę przez aparaty szparkowe. Kiedy aparaty szparkowe są otwarte, woda jest tracona w wyniku parowania i musi zostać zastąpiona w strumieniu transpiracyjnym przez wodę wchłoniętą przez korzenie. Rośliny zmuszone są równoważyć ilość CO2 pochłoniętego z powietrza i utratę wody przez pory szparkowe.

Warunki wymagane do fotosyntezy

Oto warunki, jakie rośliny muszą spełnić, aby przeprowadzić proces fotosyntezy:

  • Dwutlenek węgla. Bezbarwny, bezwonny gaz ziemny występujący w powietrzu, mający naukową nazwę CO2. Powstaje podczas spalania węgla i związków organicznych, a także zachodzi podczas oddychania.
  • Woda. Przezroczysty płyn Substancja chemiczna bezwonny i pozbawiony smaku (w normalnych warunkach).
  • Światło. Chociaż sztuczne światło jest również odpowiednie dla roślin, naturalne światło słoneczne na ogół zapewnia lepsze warunki do fotosyntezy, ponieważ zawiera naturalne promieniowanie ultrafioletowe, które ma właściwości pozytywny wpływ na roślinach.
  • Chlorofil. Ten zielony pigment, występujący w liściach roślin.
  • Składniki odżywcze i minerały. Chemikalia i związki organiczne, które korzenie roślin pobierają z gleby.

Co powstaje w wyniku fotosyntezy?

  • Glukoza;
  • Tlen.

(Energia świetlna jest pokazana w nawiasach, ponieważ nie jest materią)

Notatka: Rośliny pozyskują CO2 z powietrza poprzez liście, a wodę z gleby poprzez korzenie. Energia świetlna pochodzi ze Słońca. Powstały tlen jest uwalniany do powietrza z liści. Powstałą glukozę można przekształcić w inne substancje, takie jak skrobia, która służy jako magazyn energii.

Jeśli czynniki sprzyjające fotosyntezie nie są obecne lub są obecne w niewystarczających ilościach, może to mieć negatywny wpływ na roślinę. Na przykład mniejsza ilość światła stwarza korzystne warunki dla owadów zjadających liście rośliny, a brak wody spowalnia to.

Gdzie zachodzi fotosynteza?

Fotosynteza zachodzi wewnątrz komórek roślinnych, w małych plastydach zwanych chloroplastami. Chloroplasty (występujące głównie w warstwie mezofilu) zawierają zieloną substancję zwaną chlorofilem. Poniżej znajdują się inne części komórki, które współpracują z chloroplastem w celu przeprowadzenia fotosyntezy.

Struktura komórki roślinnej

Funkcje części komórek roślinnych

  • : zapewnia wsparcie strukturalne i mechaniczne, chroni komórki, utrwala i określa kształt komórek, kontroluje tempo i kierunek wzrostu oraz nadaje kształt roślinom.
  • : zapewnia platformę dla większości procesów chemicznych kontrolowanych przez enzymy.
  • : działa jak bariera kontrolująca przepływ substancji do i z komórki.
  • : jak opisano powyżej, zawierają chlorofil, zieloną substancję, która pochłania energię świetlną w procesie fotosyntezy.
  • : wgłębienie w cytoplazmie komórki, w którym gromadzi się woda.
  • : zawiera znak genetyczny (DNA), który kontroluje aktywność komórki.

Chlorofil pochłania energię świetlną potrzebną do fotosyntezy. Należy pamiętać, że nie wszystkie długości fal światła barwnego są pochłaniane. Rośliny absorbują przede wszystkim fale o długości czerwonej i niebieskiej - nie pochłaniają światła w zakresie zielonym.

Dwutlenek węgla podczas fotosyntezy

Rośliny pobierają dwutlenek węgla z powietrza poprzez liście. Dwutlenek węgla wycieka przez mały otwór w dolnej części liścia - aparaty szparkowe.

W dolnej części liścia znajdują się luźno rozmieszczone komórki, dzięki którym dwutlenek węgla może przedostać się do innych komórek liści. Dzięki temu tlen wytwarzany w procesie fotosyntezy z łatwością opuszcza liść.

Dwutlenek węgla występuje w powietrzu, którym oddychamy w bardzo małych stężeniach i jest niezbędnym czynnikiem w ciemnej fazie fotosyntezy.

Światło podczas fotosyntezy

Liść ma zazwyczaj dużą powierzchnię, dzięki czemu może pochłaniać dużo światła. Jego górna powierzchnia jest chroniona przed utratą wody, chorobami i działaniem czynników atmosferycznych przez warstwę woskową (naskórek). Górna część arkusza to miejsce, w którym pada światło. Ta warstwa mezofilu nazywa się palisadą. Jest przystosowany do wchłaniania duża ilość lekki, ponieważ zawiera dużo chloroplastów.

W fazach świetlnych proces fotosyntezy wzrasta wraz z większą ilością światła. Więcej cząsteczek chlorofil jest zjonizowany i wytwarza się więcej ATP i NADPH, jeśli fotony światła są skoncentrowane na zielonym liściu. Chociaż światło jest niezwykle ważne w fotofazach, należy pamiętać, że jego nadmierna ilość może uszkodzić chlorofil i spowolnić proces fotosyntezy.

Fazy ​​​​świetlne nie są bardzo zależne od temperatury, wody czy dwutlenku węgla, chociaż wszystkie są potrzebne do zakończenia procesu fotosyntezy.

Woda podczas fotosyntezy

Rośliny uzyskują wodę potrzebną do fotosyntezy poprzez korzenie. Mają włośniki, które rosną w glebie. Korzenie charakteryzują się dużą powierzchnią i cienkimi ściankami, dzięki czemu woda łatwo przez nie przepływa.

Zdjęcie przedstawia rośliny i ich komórki z wystarczającą ilością wody (po lewej) i jej brakiem (po prawej).

Notatka: Komórki korzeni nie zawierają chloroplastów, ponieważ zwykle znajdują się w ciemności i nie mogą przeprowadzać fotosyntezy.

Jeśli roślina nie pobiera wystarczającej ilości wody, więdnie. Bez wody roślina nie będzie w stanie wystarczająco szybko przeprowadzić fotosyntezy i może nawet umrzeć.

Jakie znaczenie dla roślin ma woda?

  • Dostarcza rozpuszczonych minerałów, które wspierają zdrowie roślin;
  • Jest środkiem transportu;
  • Utrzymuje stabilność i pionowość;
  • Chłodzi i nasyca wilgocią;
  • Umożliwia wykonywanie różnych reakcje chemiczne w komórkach roślinnych.

Znaczenie fotosyntezy w przyrodzie

Biochemiczny proces fotosyntezy wykorzystuje energię słoneczną do przekształcenia wody i dwutlenku węgla w tlen i glukozę. Glukoza jest wykorzystywana jako budulec w roślinach do wzrostu tkanek. Zatem fotosynteza jest metodą tworzenia korzeni, łodyg, liści, kwiatów i owoców. Bez procesu fotosyntezy rośliny nie będą mogły rosnąć ani rozmnażać się.

  • Producenci

Ze względu na swoje zdolności fotosyntezy rośliny są znane jako producenci i stanowią podstawę prawie każdego łańcucha pokarmowego na Ziemi. (Algi są odpowiednikiem roślin). Cała żywność, którą jemy, pochodzi od organizmów fotosyntetyzujących. Jemy te rośliny bezpośrednio lub jemy zwierzęta, takie jak krowy lub świnie, które spożywają pokarmy roślinne.

  • Podstawa łańcucha pokarmowego

W systemach wodnych rośliny i glony również stanowią podstawę łańcucha pokarmowego. Glony służą jako pokarm dla, które z kolei stanowią źródło pożywienia dla większych organizmów. Bez fotosyntezy w środowiskach wodnych życie nie byłoby możliwe.

  • Usuwanie dwutlenku węgla

Fotosynteza przekształca dwutlenek węgla w tlen. Podczas fotosyntezy dwutlenek węgla z atmosfery przedostaje się do rośliny, a następnie jest uwalniany w postaci tlenu. W dzisiejszym świecie, w którym poziom dwutlenku węgla rośnie w zastraszającym tempie, każdy proces usuwający dwutlenek węgla z atmosfery jest ważny dla środowiska.

Rośliny i inne organizmy fotosyntetyzujące odgrywają istotną rolę w obiegu składników odżywczych. Azot w powietrzu wiąże się w tkance roślinnej i staje się dostępny do tworzenia białek. Mikroelementy znajdujące się w glebie można również włączyć do tkanki roślinnej i stać się dostępnymi dla roślinożerców na dalszych etapach łańcucha pokarmowego.

  • Zależność fotosyntetyczna

Fotosynteza zależy od intensywności i jakości światła. Na równiku, gdzie przez cały rok jest dużo światła słonecznego, a woda nie jest czynnikiem ograniczającym, rośliny szybko rosną i mogą osiągać dość duże rozmiary. I odwrotnie, fotosynteza zachodzi rzadziej w głębszych partiach oceanu, ponieważ światło nie przenika przez te warstwy, co skutkuje bardziej jałowym ekosystemem.