![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_6ixLCt6ulT0XuUPgvhf.jpg)
Az erdőket nem hiábavalónak tekintik a "bolygó zöld tüdejének". Mi a fotoszintézis és hogyan történik ez a folyamat, akkor részletesen megvizsgáljuk.
Mi a fotoszintézis?
Fotoszintézis - Biokémiai folyamat, amelynek során szerves anyagok keletkeznek speciális növényi pigmentek és szervetlen anyagokból (szén-dioxid, víz) származó fényenergia felhasználásával. Ez az egyik legfontosabb folyamat, amelynek eredményeként az organizmusok többsége megjelent és továbbra is létezik a bolygón.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_uOv4HpOwd55imt1Be2E.jpg)
Érdekes tény: A szárazföldi növények, valamint a zöld algák képesek fotoszintézisre. Ebben az esetben az algák (fitoplankton) 80% oxigént termelnek.
A fotoszintézis fontossága a földi életben
Fotoszintézis nélkül sok élő szervezet helyett csak baktériumok léteznének a bolygónkon. A kémiai folyamat eredményeként nyert energia tette lehetővé a baktériumok fejlődését.
Bármely természetes folyamatnak energiára van szüksége. A napból származik. A napfény csak akkor alakul ki, amikor a növények átalakítják őket.
A növények csak az energia egy részét használják fel, a maradékot felhalmozzák magukban. Eszik növényevőket, amelyek a ragadozók számára táplálkoznak. A lánc során minden lánc megkapja a szükséges értékes anyagokat és energiát.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_k9XrgGsZljrp.jpg)
A reakció során keletkező oxigénre minden lény lélegezhet. A légzés a fotoszintézis ellentéte. Ebben az esetben a szerves anyag oxidálódik, megsemmisül. A kapott energiát az organizmusok különféle létfontosságú feladatok elvégzésére használják.
A bolygó létezése során, amikor kevés növény volt, az oxigén gyakorlatilag hiányzott. A primitív életformák más módon kaptak minimális energiát. Túl kevés volt a fejlesztéshez. Ezért az oxigén által okozott légzés több lehetőséget nyitott meg.
A fotoszintézis másik funkciója az organizmusok védelme az ultraibolya fénynek való kitettség ellen. Arról beszélünk, hogy az ózonréteg a sztratoszférában körülbelül 20-25 km magasságban helyezkedik el. Az oxigén miatt képződik, amely napfény hatására ózonré alakul. E védelem nélkül a földi élet csak a víz alatti szervezetekre korlátozódna.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_OmovxgXB250z.jpg)
A szervezetek a légzés során széndioxidot bocsátanak ki. Ez a fotoszintézis alapvető eleme. Ellenkező esetben a szén-dioxid egyszerűen felhalmozódna a felső légkörben, ezáltal fokozva az üvegházhatást.
Ez egy súlyos környezeti probléma, amelynek lényege, hogy negatív következményekkel jár a légkör hőmérsékletének emelése. Ide tartoznak az éghajlatváltozás (globális felmelegedés), a gleccserek olvadása, a tengerszint emelkedése stb.
Fotoszintézis funkciók:
- oxigén fejlődés;
- energiaképződés;
- tápanyag-képződés;
- az ózonréteg létrehozása.
A fotoszintézis meghatározása és képlete
A „fotoszintézis” kifejezés két szó kombinációjából származik: fotó és szintézis. Az ókori görögből lefordítva „fényt” és „kapcsolatot” jelentenek. Így a fény energiáját átalakítják a szerves anyagok kötéseinek energiájává.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_bh66emxv2DqvOIDvpoYJ5.jpg)
Rendszer:
Szén-dioxid + víz + fény = szénhidrát + oxigén.
A fotoszintézis tudományos képlete:
6CO2 + 6H2O → C6N12RÓL RŐL6 + 6O2.
A fotoszintézis úgy történik, hogy a víz és a CO közvetlen érintkezésbe kerül2 nem látható.
A fotoszintézis fontossága a növények számára
A növényeknek szerves anyagokra, energiára van szükségük a növekedéshez és a fejlődéshez. A fotoszintézisnek köszönhetően ezek a komponensek biztosítják magukat. A növények fotoszintézisének fő célja a szerves anyagok előállítása, és az oxigénkibocsátást mellékreakciónak tekintik.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_RZptuGhlQMPhC4V008P6.jpg)
Érdekes tény: A növények egyediek, mivel nincs szükségük más szervezetekre az energiahoz.Ezért külön csoportot alkotnak - autotrofok (az ókori görög nyelvből fordítva: „Én magam eszem”).
Hogyan történik a fotoszintézis?
A fotoszintézis közvetlenül a növények zöld részeiben zajlik - kloroplasztokat. A növényi sejtek részei. A kloroplasztok egy anyagot tartalmaznak - klorofill. Ez a fő fotoszintetikus pigment, amelynek köszönhetően az egész reakció megtörténik. Ezenkívül a klorofill meghatározza a növényzet zöld színét.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_ge8lfDlQqulkYiAG2h8n.jpg)
Ezt a pigmentet a fényelnyelő képesség jellemzi. És a növény sejtjeiben egy igazi biokémiai „laboratórium” indul, amelyben víz és CO2 oxigénné, szénhidrátokká alakulnak.
A víz a növény gyökérzetén keresztül jut be, és a gáz közvetlenül bejut a levelekbe. A fény energiaforrásként működik. Amikor egy könnyű részecske hat a klorofill molekulára, aktiválódik. A vízmolekulában H2O Az oxigén (O) nem igényel. Így a növények melléktermékévé válik, de számunkra annyira fontos reakciótermékké válik.
Fotoszintézis fázisai
A fotoszintézis két szakaszra oszlik: világos és sötét. Ezek egyszerre fordulnak elő, de a kloroplaszt különböző részein. Az egyes szakaszok neve önmagáért beszél. A fény vagy a fényfüggő fázis csak fényszemcsék részvételével fordul elő. Sötét vagy nem illékony szakaszban nincs szükség fényre.
Az egyes fázisok részletesebb vizsgálata előtt érdemes megérteni a kloroplaszt szerkezetét, mivel ez meghatározza a fázisok lényegét és helyét. A kloroplaszt különféle plasztidok, és a sejt belsejében helyezkedik el, a többi alkotórészétől elkülönítve. Mag alakja van.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_eVvo0uL80KXGz.jpg)
A fotoszintézisben részt vevő kloroplaszt alkotóelemek:
- 2 membrán;
- stroma (belső folyadék);
- tilakoidok;
- lumenek (a tiroidok belső rései).
A fotoszintézis könnyű fázisa
A tiroidokon folyik, pontosabban a membránjaikon. Amikor a fény eléri őket, a negatív töltésű elektronok felszabadulnak és felhalmozódnak. Így a fotoszintetikus pigmentek elveszítik az összes elektronot, ezután a vízmolekulák fordulnak bomláshoz:
H2O → H + + OH-
Ebben az esetben a képződött hidrogén protonok pozitív töltéssel rendelkeznek és felhalmozódnak a belső tiroid membránon. Ennek eredményeként a töltéssel plusz protonokat és a töltés mínuszú elektronokat csak egy membrán választja el egymástól.
Az oxigént melléktermékként termelik:
4OH → O2 + 2H2O
Egy bizonyos pillanatban az elektronok és a hidrogén protonjai fázisa túl soká válik. Ezután az ATP szintáz enzim belép a munkába. Feladata a hidrogén protonok átvitele a tiroid membránból a kloroplaszt folyékony közegbe - a stromába.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_o9b6e1elhs9ulqtikfOHJo2V.jpg)
Ebben a szakaszban a hidrogén egy másik vivőanyag - a NADP (a nikotinamidin-nukleotid-foszfát rövidítése) rendelkezésére áll. Ez egy olyan típusú enzim, amely felgyorsítja a sejtek oxidatív reakcióit. Ebben az esetben a feladata a hidrogén protonok szénhidrát reakcióban történő szállítása.
Ebben a szakaszban megtörténik a fotofoszfo-láció folyamata, amelynek során hatalmas mennyiségű energia képződik. Forrása az ATP - adenozin-trifoszforsav.
Rövid vázlat:
- A kvantum fény ütése a klorofillre.
- Az elektronok kiválasztása.
- Az oxigén fejlődése.
- NADPH oxidáz képződése.
- ATP energiatermelés.
Érdekes tény: Van egy Velvichia nevű emlékmű, amely az Atlanti-óceán afrikai partján nő. Ez az egyetlen olyan fajta képviselő, amelyben minimális a fotoszintézisre képes levelek száma. A Velvich kora azonban eléri a 2000 évet.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_h2Onh5a1VIpAvyuxUy5.jpg)
A fotoszintézis sötét fázisa
A fénytől független fázis közvetlenül a stromában következik be. Enzimatikus reakciók sorozatát képviseli. A könnyű szakaszban felszívódott szén-dioxid vízben oldódik, és ebben a szakaszban glükózra redukálódik. Komplex szerves anyagokat is előállítanak.
A sötét fázis reakcióit három fő típusra osztják, és a növények típusától (pontosabban metabolizmusuktól) függnek, amelyek sejtjeiben fotoszintézis zajlik:
- VAL VEL3-növények;
- VAL VEL4-növények;
- CAM növények.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_SU600g23awvV.jpg)
K C3- A növények magukban foglalják a mérsékelt éghajlaton növekvő mezőgazdasági növényeket. A fotoszintézis során a szén-dioxid foszfoglicerinsavvá válik.
A szubtrópusi és trópusi fajok, elsősorban a gyomok, a C4 növényekhez tartoznak. A szén-dioxid oxaloacetáttá történő átalakulása jellemzi őket. A CAM növények olyan növénykategória, ahol nincs nedvesség. Különböző fotoszintézis típusban - CAM-ban - különböznek egymástól.
VAL VEL3-fotoszintézis
A leggyakoribb a C3-fotoszintézis, amelyet Calvin-ciklusnak is neveznek - Melvin Calvin amerikai tudós tiszteletére, aki óriási hozzájárulást nyújtott ezeknek a reakcióknak a tanulmányozásához, és ebből Nobel-díjat kapott.
A növényeket C-nek hívják3 annak a ténynek köszönhető, hogy a sötét fázis reakciói során a 3-foszfo-glicerinsav - 3-PGA 3-szén molekula képződik. Különböző enzimek vesznek részt közvetlenül.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_Qk05t1VSjLsE4TsFEYfrh2w.jpg)
A teljes glükózmolekula kialakulásához a fénytől független fázis 6 reakcióciklusának el kell mennie. A kalvin-ciklusban a szénhidrát a fotoszintézis fő terméke, emellett zsírsav és aminosavak, valamint glikolipidek képződnek. C3 a növények fotoszintézise kizárólag mezofill sejtekben zajlik.
A C fő hátránya3fotoszintézis
C csoport növények3egy jelentős hátrány jellemzi. Ha a környezetben nincs elegendő nedvességtartalom, a fotoszintézis képessége jelentősen csökken. Ennek oka a fényelnyelés.
A helyzet az, hogy alacsony szén-dioxid-koncentráció mellett a kloroplasztokban (kevesebb mint 50: 1 000 000) az oxigént rögzítik a szén rögzítése helyett. A speciális enzimek jelentősen lelassulnak, és pazarolják a napenergiát.
Ugyanakkor a növény növekedése és fejlődése lelassul, mivel nincs szerves anyag. Ezenkívül az oxigén sem szabadul fel a légkörbe.
Érdekes tény: Az Elysia chlorotica tengeri meztelencukor egyedülálló állat, amely növényekként szintetizál. Algákból táplálkozik, amelyek kloroplasztjai behatolnak az emésztőrendszer sejtjeibe és ott hónapokig fotoszintézisek. Az előállított szénhidrátok táplálékként szolgálnak a meztelen csigára.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_r68tJtEehupPx6ti7DiObe.jpg)
C4 fotoszintézis
C-vel ellentétben3- szintézis, itt a szén-dioxid rögzítésének reakcióit különféle növényi sejtekben hajtják végre. Az ilyen típusú növények képesek megbirkózni a fényelnyelés problémájával, és ezt kétlépcsős ciklusban hajtják végre.
Egyrészt magas a szén-dioxid szintje, másrészt pedig a kloroplasztok alacsony oxigénszintje szabályozható. Ez a taktika lehetővé teszi, hogy a C4 növények elkerüljék a fényképet és a kapcsolódó nehézségeket. Az ebbe a csoportba tartozó növények képviselői: cukornád, kukorica, köles stb.
A C növényekkel összehasonlítva3 képesek sokkal intenzívebben végrehajtani a fotoszintézis folyamatait magas hőmérséklet és nedvesség hiányában. Az első lépésben a szén-dioxidot rögzítik a mezofill sejtekben, ahol 4-szénsav képződik. Ezután a sav átjut a héjba, és bomlik ott 3-szénvegyületté és széndioxiddá.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_qOV4EeoTfawFT6iB9XDKc.jpg)
A második szakaszban a kapott szén-dioxid elkezdi működését a Calvin-ciklusban, ahol glicerraldehid-3-foszfátot és szénhidrátokat állítanak elő, amelyek az energiacseréhez szükségesek.
A kétlépcsős fotoszintézis miatt a C4 növényekben elegendő mennyiségű szén-dioxid képződik a Kelvin-ciklushoz. Ezért az enzimek teljes erővel működnek, és nem pazarolják az energiát hiába.
De ennek a rendszernek vannak hátrányai. Különösen nagyobb mennyiségű ATP-energiát fogyasztunk - ez szükséges a 4-szénsavak 3-szénsavkká történő átalakításához és ellentétes irányba. Tehát C3-A fotoszintézis mindig hatékonyabb, mint a C4, megfelelő mennyiségű víz és fény mellett.
Mi befolyásolja a fotoszintézis sebességét?
A fotoszintézis különböző sebességgel fordulhat elő. Ez a folyamat a környezeti feltételektől függ:
- víz;
- a fény hullámhossza;
- szén-dioxid;
- hőfok.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_ZW73s84oz5.jpg)
A víz alapvető tényező, így amikor hiányzik, a reakció lelassul. A fotoszintézishez a legkedvezőbbek a vörös és a kék-ibolya spektrum hullámai. A nagy megvilágítás szintén előnyös, de csak egy bizonyos értékig - elérésekor a megvilágítás és a reakciósebesség közötti kapcsolat eltűnik.
A magas szén-dioxid-koncentráció gyors fotoszintézis folyamatot biztosít, és fordítva. Bizonyos hőmérsékletek fontosak a reakciókat felgyorsító enzimek számára. Ideális körülményeik körülbelül 25-30 ℃.
Fotó lélegzetet
Minden élőlénynek légzést kell élveznie, és a növények sem kivétel. Ez a folyamat bennük azonban kicsit másképp történik, mint az emberekben és az állatokban, ezért fotoreszpirációnak nevezik.
Általában, lehelet - fizikai folyamat, amelynek során az élő szervezet és környezete gázcserét végez. Mint minden élőlény, a növényeknek oxigénre van szükségük a légzéshez. De sokkal kevesebbet fogyasztanak, mint termelnek.
A csak a napfényben zajló fotoszintézis során a növények maguknak táplálkoznak. Az éjjel-nappal végzett fotó-légzés során ezeket a tápanyagokat felszívják, hogy támogassák a sejtekben az anyagcserét.
Érdekes tény: Egy napsütéses napon egy 1 hektáros erdei parcella 120–280 kg szén-dioxidot és 180–200 kg oxigént bocsát ki.
Az oxigén (mint a szén-dioxid) a növényi sejtekbe speciális nyílásokon - a sztómákon keresztül - hatol be a növényi sejtekbe. A levelek alján helyezkednek el. Körülbelül 1000 sztóma található egy lapon.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_i88dfhKbye6D.jpg)
A növények gázcseréje a megvilágítástól függően
A gázcsere folyamatát különböző megvilágítás mellett a következőképpen mutatjuk be:
- Erős fény. Szén-dioxidot használnak a fotoszintézis során. A növények több oxigént termelnek, mint amennyit fogyasztanak. Többletei belépnek a légkörbe. A szén-dioxid gyorsabban fogyaszt fel, mint amennyit légzés szabadít fel. A fel nem használt szénhidrátokat a növény tárolja későbbi felhasználás céljából.
- Gyenge fényviszonyok. A környezettel nem történik gázcsere, mivel a növény az általa előállított összes oxigént elhasználja.
- A fény hiánya. Csak légzési folyamatok fordulnak elő. Szén-dioxid szabadul fel és oxigén fogyasztódik.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_wgWu7iRgxx8aTq80Eu.jpg)
Chemosynthesis
Egyes élő szervezetek képesek vízből és szén-dioxidból monokarbhidrátok képzésére, miközben nincs szükségük napfényre. Ide tartoznak a baktériumok, és az energiakonverzió folyamatát kemoszintézisnek hívják.
chemosynthesis Ez egy olyan folyamat, amelynek során a glükózt szintetizálják, de a napenergia helyett vegyszereket használnak. Olyan területeken folyik, amelyekben elég magas a hőmérséklet, enzimek működésére alkalmas, és nincs fény. Ezek lehetnek hidrotermális források közelében lévő területek, metánszivárgások a tenger mélyén stb.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_1kf7567z9O0gbkQ.jpg)
A fotoszintézis felfedezésének története
A fotoszintézis felfedezésének és tanulmányozásának története 1600-ra nyúlik vissza, amikor Jan Baptiste van Helmont úgy döntött, hogy megérti az akkori sürgős kérdést: mit esznek a növények, és honnan származnak hasznos anyagok?
Abban az időben azt hitték, hogy a talaj értékes elemek forrása. A tudós egy fűzfa gallyt egy földtartó edénybe helyezte, de előzőleg megmérte azok tömegét. Öt évig gondozta a fát, öntötte, majd ismét mérési eljárásokat végzett.
Kiderült, hogy a föld tömege 56 g-mal csökkent, de a fa harmincszor nehezebb lett. Ez a felfedezés tagadta azt a nézetet, miszerint a növények talajban táplálkoznak, és új elmélethez vezetett - a víz táplálkozásához.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_HfWfuWci6MGiKmIA4udB5Gl6.jpg)
A jövőben sok tudós megpróbálta megcáfolni.Például Lomonosov úgy vélte, hogy a részleges szerkezeti elemek a leveleken keresztül jutnak be a növényekbe. A száraz területeken sikeresen növekvő növények vezérelte őt. Ezt a verziót azonban nem lehetett bizonyítani.
A tényleges állapothoz legközelebb Joseph Priestley, vegyész tudós és részmunkaidős pap volt. Miután felfedezte egy holt egeret egy fejjel lefelé levő üvegedénybe, és ez az eset arra kényszerítette, hogy kísérleteket végezzen rágcsálókkal, gyertyákkal és tartályokkal az 1770-es években.
Priestley megállapította, hogy a gyertya mindig gyorsan kialszik, ha egy edényt fed le a tetejére. Ezenkívül az élő organizmus nem képes túlélni. A tudós arra a következtetésre jutott, hogy vannak bizonyos erők, amelyek életüket alkalmassá teszik a levegőre, és megpróbálta ezt a jelenséget összekapcsolni a növényekkel.
Folytatta a kísérleteket, de ezúttal megpróbálta egy edényt egyre növekvő mentaüveggel egy üvegtartály alá helyezni. Nagy meglepetésként a növény folytatta aktív fejlődését. Aztán Priestley egy üveg és egy egér alá helyezte a növényt és az egeret, a második alatt pedig csak egy állatot. Az eredmény nyilvánvaló - az első tartály alatt a rágcsáló sértetlen maradt.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_5yst8JXqa4O.jpg)
A gyógyszerész eredménye motivációvá vált a világ többi tudósának a kísérlet megismétlésére. De az a remény, hogy a pap nappali kísérleteket végzett. És például Karl Scheele gyógyszerész - éjszaka, amikor volt szabad idő. Ennek eredményeként a tudós megtévesztette Priestleyt, mert kísérleti alanyai nem tudták elviselni a növényi kísérletet.
A vegyészek között valódi tudományos konfrontáció vált ki, amely jelentős előnyökkel járt és lehetővé tette egy újabb felfedezés feltevését - hogy a növényeknek helyre kell állítaniuk a levegőt, napfényre van szükségük.
Természetesen akkor még senki sem nevezte ezt a jelenséget fotoszintézisnek, és még mindig sok kérdés felmerült. Jean Senebier botanikus azonban 1782-ben képes volt bebizonyítani, hogy napfény jelenlétében a növények képesek a szén-dioxid sejtszintű lebontására. És végül 1864-ben kísérleti bizonyítékok merültek fel arról, hogy a növények felszívják a szén-dioxidot és kiválasztják az oxigént. Ez a német tudós - Julius Sachs - érdeme.