כיצד והיכן מתרחש תהליך הפוטוסינתזה בצמחים? משמעות הפוטוסינתזה בטבע משמעות הפוטוסינתזה לצמחים.

פוטוסינתזה היא התהליך היחיד בביוספרה שמוביל לעלייה באנרגיה החופשית שלה עקב מקור חיצוני. האנרגיה האצורה בתוצרי הפוטוסינתזה היא מקור האנרגיה העיקרי של האנושות.

מדי שנה, כתוצאה מפוטוסינתזה, נוצרים על פני כדור הארץ 150 מיליארד טונות של חומר אורגני ומשתחררים כ-200 מיליון טונות של חמצן חופשי.

מחזור החמצן, הפחמן ושאר היסודות המעורבים בפוטוסינתזה שומר על ההרכב הנוכחי של האטמוספירה הדרוש לחיים על פני כדור הארץ. פוטוסינתזה מונעת את העלייה בריכוז ה-CO2, ומונעת מכדור הארץ להתחמם יתר על המידה בגלל מה שמכונה "אפקט החממה".

מכיוון שצמחים ירוקים מייצגים את הבסיס התזונתי הישיר או העקיף של כל האורגניזמים ההטרוטרופיים האחרים, הפוטוסינתזה מספקת את צורכי המזון של כל היצורים החיים על הפלנטה שלנו. זהו הבסיס החשוב ביותר של חקלאות וייעור. למרות שהאפשרויות להשפיע עליו עדיין לא גדולות, עדיין נעשה בהן שימוש במידה מסוימת. על ידי הגדלת ריכוז הפחמן הדו חמצני באוויר ל-0.1% (לעומת 0.3% באטמוספרה הטבעית), ניתן היה למשל לשלש את היבול של מלפפונים ועגבניות.

מטר מרובע של פני עלה מייצר כגרם אחד של סוכר בשעה אחת; המשמעות היא שכל הצמחים, לפי הערכה גסה, מסירים מהאטמוספירה בין 100 ל-200 מיליארד טון C בשנה. כ-60% מכמות זו נספגת ביערות, תופסים 30% משטח היבשה שאינם מכוסים בקרח, 32% על ידי אדמות מעובדות, ו-8% הנותרים על ידי צמחי ערבות ואזורי מדבר, כמו גם ערים ועיירות.

צמח ירוק מסוגל לא רק להשתמש בפחמן דו חמצני וליצור סוכר, אלא גם להמיר תרכובות חנקן ותרכובות גופרית לחומרים המרכיבים את גופו. דרך מערכת השורשים מקבל הצמח יוני חנקה המומסים במי הקרקע ומעבד אותם בתאיו לחומצות אמינו - המרכיבים העיקריים של כל תרכובות החלבון. רכיבי שומנים נובעים גם מתרכובות הנוצרות במהלך תהליכים מטבוליים ואנרגיה. חומצות שומן וגליצרול מייצרות שומנים ושמנים, המשמשים בעיקר כחומרי רזרבה לצמח. הזרעים של כ-80% מכלל הצמחים מכילים שומנים כחומר רזרבה עשיר באנרגיה. לייצור זרעים, שומנים ושמנים תפקיד חשוב בתעשיות החקלאות והמזון.

הסוג הפרימיטיבי ביותר של פוטוסינתזה מתבצע על ידי הלובקטריות שחיות בסביבות עם תכולת נתרן כלורי גבוהה (עד 30%). האורגניזמים הפשוטים ביותר המסוגלים לבצע פוטוסינתזה הם גם חיידקי גופרית סגולים וירוקים, כמו גם חיידקים סגולים שאינם גופרית. המנגנון הפוטוסינתטי של האורגניזמים הללו הוא הרבה יותר פשוט (רק מערכת צילום אחת) מזה של צמחים; בנוסף, הם אינם משחררים חמצן מכיוון שהם משתמשים בתרכובות גופרית ולא במים כמקור לאלקטרונים. סוג זה של פוטוסינתזה נקרא חיידקי. עם זאת, לציאנובקטריה (פרוקריוטות המסוגלות לפוטו-פירוק של מים ולשחרור חמצן) יש ארגון מורכב יותר של המנגנון הפוטוסינתטי - שתי מערכות פוטוסינתטיות הפועלות בצמוד. בצמחים, תגובות פוטוסינתזה מתבצעות באברון תא מיוחד - הכלורופלסט.

לכל הצמחים (מאצות וטחבים ועד ג'מנוספרמים ואנגיוספרמים מודרניים) יש תכונות משותפות בארגון המבני והתפקודי של המנגנון הפוטוסינתטי. כלורופלסטים, כמו פלסטידים אחרים, נמצאים רק בתאי הצמח. הקרום החיצוני שלהם חלק, והפנימי יוצר קפלים רבים. ביניהם יש ערימות של בועות קשורות הנקראות גרנה. הם מכילים גרגירים של כלורופיל, פיגמנט ירוק הממלא תפקיד מרכזי בתהליך הפוטוסינתזה. ATP מיוצר בכלורופלסטים, ומתרחשת גם סינתזת חלבון. פיגמנטים פוטוסינתטיים:

הפיגמנטים העיקריים שסופגים את כמות האור במהלך הפוטוסינתזה הם כלורופילים, פיגמנטים בעלי טבע Mg-porphyrin. התגלו מספר צורות של כלורופילים, השונות במבנה הכימי. ספקטרום הספיגה של צורות שונות של כלורופילים מכסה את האזורים הנראים, ליד האולטרה סגול וליד אינפרא אדום של הספקטרום (בצמחים גבוהים יותר מ-350 עד 700 ננומטר, ובחיידקים מ-350 עד 900 ננומטר). כלורופיל הוא הפיגמנט העיקרי והוא אופייני לכל האורגניזמים המבצעים פוטוסינתזה חמצנית, כלומר, עם שחרור חמצן. לאצות ירוקות ו-euglena, אזובים וצמחי כלי דם, בנוסף לכלורופיל, יש כלורופיל b, שתכולתו היא 1/4-1/5 מתכולת הכלורופיל a. זהו פיגמנט נוסף המרחיב את ספקטרום ספיגת האור. בקבוצות מסוימות של אצות, בעיקר חומות ודיאטומים, כלורופיל c משמש כפיגמנט נוסף, ובאצות אדומות כלורופיל ד. חיידקים סגולים מכילים בקטריוכלורופיל a ו-b, בעוד שחיידקי גופרית ירוקה מכילים בקטריוכלורופיל c ו-d יחד עם בקטריוכלורופיל a. פיגמנטים נלווים נוספים משתתפים אף הם בספיגת אנרגיית האור - קרוטנואידים (פיגמנטים בעלי אופי פולאיזופרנואיד) באיקריוטים פוטוסינתטיים ופיקובלינים (פיגמנטים בעלי מבנה טטרפירול פתוח) בציאנובקטריה ובאצות אדומות. בהלובקטריה, הפיגמנט היחיד שנמצא בקרומי הפלזמה הוא החלבון המורכב בקטריורודופסין, הדומה במבנה הכימי לרודופסין, הפיגמנט החזותי של הרשתית.

בתא, מולקולות הכלורופיל נמצאות במצבים מצטברים (קשורים) שונים ויוצרות קומפלקסים של פיגמנט-ליפופרוטאין, ויחד עם פיגמנטים נוספים המעורבים בתהליכי ספיגת כמות האור והעברת אנרגיה, הן קשורות לחלבונים של ממברנות פוטוסינתטיות (תילקואידיות). , היוצרים את מה שנקרא תסביכי חלבון כלורופיל-קוצר אור. ככל שמידת הצבירה וצפיפות האריזה של מולקולות עולה, מקסימום הספיגה של פיגמנטים עובר לאזור אורך הגל הארוך יותר של הספקטרום. התפקיד העיקרי בקליטת אנרגיית האור שייך לצורות קצרות גל המעורבות בתהליכי נדידת אנרגיה. הנוכחות בתא של סדרה של צורות דומות מבחינה ספקטרלית של פיגמנטים מבטיחה רמה גבוהה של יעילות בנדידת אנרגיה למרכזים פוטוכימיים תגובה, שם ממוקמות צורות אורך הגל הארוכות ביותר של פיגמנטים, הממלאות את התפקיד של מה שנקרא מלכודות אנרגיה.

תהליך הפוטוסינתזה מורכב משני שלבים עוקבים ומקושרים ביניהם: אור (פוטוכימי) וחושך (מטבולי).

במהלך שלב האור של הפוטוסינתזה מתרחשים שלושה תהליכים:

• 1. היווצרות חמצן עקב פירוק מים. הוא משתחרר לאטמוספירה.
• 2. סינתזת ATP.
• 3. יצירת אטומי מימן המעורבים ביצירת פחמימות.

במהלך השלב האפל של הפוטוסינתזה מתרחשים התהליכים הבאים:

• 1. המרה של פחמן דו חמצני.
• 2. היווצרות גלוקוז.

הפוטוסינתזה מבוססת על תהליך החיזור, שגורם ליצירת חמצן (O2), וכן חד-סוכרים (גלוקוז וכו'), המומרים לעמילן ומאוחסנים על ידי הצמח. במהלך תהליך הפוטוסינתזה, מסונתזים גם מונומרים של תרכובות אורגניות אחרות - חומצות שומן, גליצרול, חומצות אמינו. המשמעות של פוטוסינתזה:

• 1. הטמעה והתמרה של אנרגיית השמש החופשית עם היווצרות חומרים אורגניים, המהווים מזון לאורגניזמים הטרוטרופיים.
• 2. שחרור חמצן חופשי לאטמוספירה, הנחוץ לנשימה של כל היצורים החיים.
• 3. הטמעה של פחמן דו חמצני מאוויר אטמוספרי, בעל השפעה מזיקה על אורגניזמים חיים.
• 4. לספק לכל האורגניזמים הארציים אנרגיה כימית המומרת מאנרגיית אור השמש.

צמחים ירוקים ממלאים תפקיד קוסמי, בהיותם מתווך בין החיים על פני כדור הארץ והשמש. צמחים לוכדים את האנרגיה של קרני השמש, שבגללה מתקיימים כל החיים על הפלנטה שלנו. תהליך הפוטוסינתזה, המבוצע בקנה מידה גרנדיוזי וקוסמי, שינה באופן קיצוני את פני הפלנטה שלנו. הודות לפוטוסינתזה, אנרגיית השמש אינה מתפזרת לחלוטין בחלל, אלא מאוחסנת בצורה של אנרגיות כימיות של חומרים אורגניים. בשל יכולתם של צמחים ירוקים לשחרר חמצן במהלך הפוטוסינתזה, נשמר אחוז קבוע של חמצן באוויר. מלבד צמחים ירוקים, אין עוד מקור לחמצן חופשי בטבע. בכל האורגניזמים הפוטוסינתטיים, התהליכים הפוטוכימיים של שלב האור של הפוטוסינתזה מתרחשים בממברנות מיוחדות להמרת אנרגיה הנקראות קרומי תילקואיד ומאורגנים במה שנקרא שרשרת הובלה אלקטרונית. תגובות כהות של פוטוסינתזה מתרחשות מחוץ לממברנות התילקואיד (בציטופלזמה בפרוקריוטים ובסטרומה של הכלורופלסט בצמחים). לפיכך, שלבי האור והחושך של הפוטוסינתזה מופרדים במרחב ובזמן.

פוטוסינתזה היא תהליך ייחודי של יצירת חומרים אורגניים מחומרים לא אורגניים. זהו התהליך היחיד על הפלנטה שלנו הקשור להמרה של אנרגיית אור השמש לאנרגיה של קשרים כימיים הכלולים בחומרים אורגניים. באופן זה, אנרגיית קרני השמש המתקבלת מהחלל, המאוחסנת על ידי צמחים ירוקים בפחמימות, שומנים וחלבונים, מבטיחה את הפעילות החיונית של כל עולם החי - מחיידקים ועד בני אדם.

מדען רוסי מצטיין של סוף המאה ה-19 - תחילת המאה ה-20. Kliment Arkadyevich Timiryazev (1843-1920) כינה את תפקידם של צמחים ירוקים בכדור הארץ קוסמי. הוא כתב:

כל החומרים האורגניים, מגוונים ככל שיהיו, לא משנה היכן הם נמצאים, בין אם בצמח, בבעל חיים או באדם, עברו דרך העלה, שמקורם בחומרים שמייצר העלה. מחוץ לעלה, או יותר נכון מחוץ לגרגר הכלורופיל, אין בטבע מעבדה שבה מבודד חומר אורגני. בכל האיברים והאורגניזמים האחרים הוא הופך, הופך, רק כאן הוא נוצר שוב מחומר לא אורגני.

בנוסף לאגירת אנרגיה והזנה של כמעט כל החיים על פני כדור הארץ, הפוטוסינתזה חשובה מסיבות אחרות.

במהלך הפוטוסינתזה משתחרר חמצן. חמצן נחוץ לתהליך הנשימה. במהלך הנשימה מתרחש תהליך הפוך של פוטוסינתזה. חומרים אורגניים מתחמצנים, נהרסים ומשתחררת אנרגיה שיכולה לשמש לתהליכי חיים שונים (הליכה, חשיבה, גדילה וכו'). כשעדיין לא היו צמחים על פני כדור הארץ, כמעט ולא היה חמצן באוויר. יצורים חיים פרימיטיביים שחיו באותם ימים חימצנו חומרים אורגניים בדרכים אחרות, שלא בעזרת חמצן. זה לא היה יעיל. הודות לנשימת חמצן, עולם החי הצליח להתפתח בצורה רחבה ומורכבת. והחמצן באטמוספירה הופיע הודות לצמחים ותהליך הפוטוסינתזה.

בסטרטוספירה (זו מעל הטרופוספירה - השכבה הנמוכה ביותר של האטמוספירה), חמצן הופך לאוזון בהשפעת קרינת השמש. האוזון מגן על החיים על פני כדור הארץ מפני קרינה אולטרה סגולה מסוכנת מהשמש. ללא שכבת האוזון, החיים לא היו יכולים להתפתח מהים ליבשה.

במהלך הפוטוסינתזה, פחמן דו חמצני נספג מהאטמוספירה. פחמן דו חמצני משתחרר במהלך הנשימה. אם הוא לא היה נספג, הוא היה מצטבר באטמוספרה ומשפיע, יחד עם גזים אחרים, להגביר את מה שנקרא אפקט החממה. אפקט החממה הוא עלייה בטמפרטורה בשכבות התחתונות של האטמוספירה. במקביל, האקלים עלול להתחיל להשתנות, קרחונים יתחילו להימס, מפלס האוקיינוסים יעלו, וכתוצאה מכך אדמות החוף עלולות להיות מוצפות ולצצות השלכות שליליות נוספות.

כל החומרים האורגניים מכילים את היסוד הכימי פחמן. צמחים הם הקושרים אותו לחומרים אורגניים (גלוקוז), ומקבלים אותו מחומרים אנאורגניים (פחמן דו חמצני). והם עושים זאת באמצעות תהליך הפוטוסינתזה. לאחר מכן, "נוסע" דרך שרשראות מזון, פחמן עובר מתרכובת אורגנית אחת לאחרת. בסופו של דבר, עם מותם של אורגניזמים ופירוקם, הפחמן הופך שוב לחומרים אנאורגניים.

פוטוסינתזה חשובה גם לאנושות. פחם, כבול, נפט, גז טבעי הם שרידים של צמחים ויצורים חיים אחרים שהצטברו במשך מאות מיליוני שנים. הם משמשים לנו כמקור לאנרגיה נוספת, המאפשרת לציוויליזציה להתפתח.

היסטוריה של פוטוסינתזה.במשך אלפי שנים, אנשים האמינו שצמח ניזון אך ורק דרך שורשיו, תוך שימוש בהם כדי לספוג את כל החומרים הדרושים מהאדמה. התחייבתי לבדוק את נקודת המבט הזו בתחילת המאה ה-19. חוקר הטבע ההולנדי יאן ואן הלמונט. הוא שקל את האדמה בעציץ ושתל שם נצר ערבה. הוא השקה את העץ במשך חמש שנים, ואז ייבש את האדמה ושקל אותה ואת הצמח. הערבה שקלה שבעים וחמישה קילוגרמים, ומשקל כדור הארץ השתנה בכמה מאות גרמים בלבד. מסקנתו של המדען הייתה שצמחים מקבלים חומרי הזנה, קודם כל, לא מהאדמה, אלא מהמים.

במשך מאתיים שנה התבססה התיאוריה של תזונת מים של צמחים במדע. עלים, לפי תיאוריה זו, רק עזרו לצמח לאדות עודפי לחות.

מדענים הגיעו להנחה הבלתי צפויה אך הנכונה ביותר לגבי תזונה אווירית של צמחים רק בתחילת המאה התשע-עשרה. תפקיד חשוב בהבנת תהליך זה מילא התגלית שגילה הכימאי האנגלי ג'וזף פריסטלי בשנת 1771. הוא ערך ניסוי, שבעקבותיו הגיע למסקנה: צמחים מטהרים את האוויר והופכים אותו למתאים לנשימה. מאוחר יותר התברר שכדי שהצמח יטהר את האוויר יש צורך באור.

עשר שנים מאוחר יותר, מדענים הבינו שהצמח עושה יותר מאשר רק ממיר פחמן דו חמצני לחמצן. פחמן דו חמצני נחוץ לצמחים כדי לחיות; הוא משמש להם כמזון האמיתי (יחד עם מים ומלחים מינרלים).

תזונה אווירית של צמחים נקראת פוטוסינתזה. חמצן משתחרר כמוצר יוצא דופן במהלך הפוטוסינתזה.

לפני מיליארדי שנים לא היה חמצן חופשי על פני כדור הארץ. כל החמצן שכמעט כל היצורים החיים על הפלנטה שלנו נושמים משתחרר על ידי צמחים במהלך תהליך הפוטוסינתזה. פוטוסינתזה הצליחה לשנות את כל המראה של הפלנטה שלנו.

מאז שנות ה-70. במאה שעברה, הושגו ברוסיה התקדמות גדולה בתחום הפוטוסינתזה. עבודותיהם של המדענים הרוסים Purievich, Ivanovsky, Rickter, Ivanov, Kostychev חקרו היבטים רבים של תהליך זה.

חשיבות הפוטוסינתזה לא הובנה עד לאחרונה יחסית. אריסטו ומדענים יוונים אחרים, שראו כי תהליכי החיים של בעלי חיים תלויים בצריכת מזון, האמינו שצמחים משיגים את "מזונם" מהאדמה.

לפני קצת יותר משלוש מאות שנה, באחד הניסויים הראשונים שתוכננו בקפידה בביולוגיה, סיפק הרופא ההולנדי יאן ואן הלמונט ראיות לכך שאדמה היא לא המזון היחיד שמזין צמח. ואן הלמונט גידל עץ ערבה קטן בעציץ חרס, והוסיף לו רק מים.

לאחר חמש שנים, מסת המחטים עלתה ב-74.4 ק"ג, בעוד שמסת האדמה ירדה ב-57 גר' בלבד.

בסוף המאה ה-18 דיווח המדען האנגלי ג'וזף פריסטלי כי הוא "גילה בטעות שיטה לתיקון אוויר שהתקלקל בשריפת נרות". ב-17 באוגוסט 1771, פריסטלי "... הניח ענף נענע חי בכלי סגור שבו בוער נר שעווה", וב-21 באותו חודש גילה ש"... עוד נר יכול לבעור שוב. באותו כלי." "העיקרון המתקן שהטבע משתמש בו למטרות אלה," סבר פריסטלי, "היה הצמח." הוא הרחיב את תצפיותיו ועד מהרה הראה שהאוויר ש"תוקן" על ידי הצמח לא "בכלל לא מתאים לעכבר".

הניסויים של פריסטלי אפשרו לראשונה להסביר מדוע האוויר על פני כדור הארץ נשאר "נקי" ויכול לתמוך בחיים, למרות שריפת אינספור שריפות ונשימה של אורגניזמים חיים רבים. הוא אמר: "בזכות התגליות הללו, אנו בטוחים שצמחים לא גדלים לשווא, אלא מנקים ומאצילים את האווירה שלנו".

מאוחר יותר, הרופא ההולנדי יאן ינגנהאוס (1730-1799) אישר את עבודתו של פריסטלי והראה שהאוויר "מתוקן" רק באור השמש ורק על ידי החלקים הירוקים של הצמח. בשנת 1796, Ingenhouse הציע שפחמן דו חמצני מתפרק במהלך הפוטוסינתזה ל-C ו-O 2, ו-O 2 משתחרר כגז. לאחר מכן התגלה כי היחס בין אטומי פחמן, מימן וחמצן בסוכרים ועמילן הוא כזה שיש אטום פחמן אחד לכל מולקולת מים, וזה מה שמציינת המילה "פחמימות". מקובל היה שפחמימות נוצרות מ-C ו-H 2 O, ו-O 2 משתחרר מפחמן דו-חמצני. השערה די סבירה זו הייתה מקובלת רחבה, אבל, כפי שהתברר מאוחר יותר, היא הייתה שגויה לחלוטין.

החוקר שהפריך תיאוריה מקובלת זו היה קורנליוס ואן ניאל מאוניברסיטת סטמפורד, כאשר כסטודנט לתואר שני, הוא חקר את חילוף החומרים של חיידקים פוטוסינתטיים שונים. קבוצה אחת של חיידקים כאלה, כלומר חיידקי גופרית סגולים, מפחיתה את C לפחמימות אך אינה משחררת O2. חיידקי גופרית סגולים דורשים מימן גופרתי לפוטוסינתזה. כתוצאה מפוטוסינתזה, חלקיקי גופרית מצטברים בתוך תאי חיידקים. ואן ניאל גילה שעבור חיידקים אלה ניתן לכתוב את המשוואה לפוטוסינתזה כך:

CO 2 + 2H 2 S (CH 2 O) + H 2 O + 2S.

עובדה זו לא משכה את תשומת לבם של החוקרים עד שלוואן ניאל הודיעה הודעה נועזת והציעה את משוואת הסיכום הבאה לפוטוסינתזה:

CO 2 + 2H 2 A (CH 2 O) + H 2 O + 2A.

במשוואה זו, H 2 A מייצג מים או חומר אחר שניתן לחמצן, כגון מימן גופרתי או H 2 חופשי. בצמחים ירוקים ואצות, H 2 A = H 2 O. כלומר, ואן ניאל הציע כי H 2 O, ולא פחמן דו חמצני, מתפרק במהלך הפוטוסינתזה. רעיון מבריק זה, שהועלה בשנות השלושים, הוכח ניסיוני מאוחר יותר כאשר חוקרים, באמצעות האיזוטופ הכבד O 2 (18 O 2), עקבו אחר נתיב החמצן ממים למצב הגז:

CO 2 + 2H 2 18 O 2 (CH 2 O) + H 2 O + 18 O 2.

לפיכך, עבור אצות או צמחים ירוקים שבהם מים משמשים כתורם אלקטרונים, משוואת הפוטוסינתזה הכוללת כתובה כך:

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

תהליכים המתרחשים בעלה.העלה מבצע שלושה תהליכים חשובים - פוטוסינתזה, אידוי מים וחילופי גזים. במהלך תהליך הפוטוסינתזה, חומרים אורגניים מסונתזים בעלים ממים ופחמן דו חמצני בהשפעת אור השמש. במהלך היום, כתוצאה מפוטוסינתזה ונשימה, הצמח משחרר חמצן ופחמן דו חמצני, ובלילה - רק פחמן דו חמצני הנוצר במהלך הנשימה.

רוב הצמחים מסוגלים לסנתז כלורופיל באור נמוך. באור שמש ישיר, כלורופיל מסונתז מהר יותר.

אנרגיית האור הנדרשת לפוטוסינתזה, בגבולות מסוימים, נספגת ככל שהעלה מוכהה פחות. לכן, בתהליך האבולוציה, הצמחים פיתחו את היכולת להפנות את להב העלה לכיוון האור, כך שייפול עליו יותר אור שמש. העלים על הצמח מסודרים כדי לא להצטופף זה בזה.

Timiryazev הוכיח שמקור האנרגיה לפוטוסינתזה הוא בעיקר קרניים אדומות של הספקטרום. זה מצוין על ידי ספקטרום הספיגה של הכלורופיל, כאשר רצועת הספיגה האינטנסיבית ביותר נצפית בחלק האדום, והפחות אינטנסיבית נצפית בחלק הכחול-סגול.

הכלורופלסטים מכילים את הפיגמנטים קרוטן וקסנתופיל יחד עם כלורופיל. שני הפיגמנטים הללו סופגים קרניים כחולות וחלקן ירוקות ומעבירים קרניים אדומות וצהובות. כמה מדענים מייחסים קרוטן וקסנתופיל לתפקידם של מסכים המגינים על הכלורופיל מההשפעות ההרסניות של קרניים כחולות.

תהליך הפוטוסינתזה מורכב ממספר תגובות עוקבות, חלקן מתרחשות עם קליטת אנרגיית האור, וחלקן בחושך. התוצרים הסופיים היציבים של הפוטוסינתזה הם פחמימות (סוכר ולאחר מכן עמילן), חומצות אורגניות, חומצות אמינו וחלבונים.

פוטוסינתזה מתרחשת בקצבים שונים בתנאים שונים.

עוצמת הפוטוסינתזה תלויה גם בשלב התפתחות הצמח. העוצמה המרבית של הפוטוסינתזה נצפית בשלב הפריחה.

תכולת הפחמן הדו חמצני הרגילה באוויר היא 0.03% בנפח. הפחתת תכולת הפחמן הדו חמצני באוויר מפחיתה את עוצמת הפוטוסינתזה. הגדלת תכולת הפחמן הדו חמצני ל-0.5% מגבירה את קצב הפוטוסינתזה כמעט באופן פרופורציונלי. עם זאת, עם עלייה נוספת בתכולת הפחמן הדו חמצני, עוצמת הפוטוסינתזה אינה עולה, וב-1%, הצמח סובל.

צמחים מאדים, או מעבירים, כמויות גדולות מאוד של מים. אידוי מים הוא אחד הגורמים לזרם עולה. עקב אידוי המים על ידי הצמח מצטברים בו מינרלים וירידה בטמפרטורה מיטיבה לצמח מתרחשת במהלך חימום השמש. לפעמים ההעברה מפחיתה את טמפרטורת הצמח ב-6 מעלות צלזיוס.

הצמח מווסת את תהליך אידוי המים באמצעות עבודת הסטומטה. שקיעת הציפורן, או ציפוי שעווה, על האפידרמיס, היווצרות שערותיה והתאמות אחרות מכוונות להפחתת טרנספרציה בלתי מווסת.

תהליך הפוטוסינתזה והנשימה המתמשכת של תאי עלה חיים מחייבים חילופי גזים בין הרקמות הפנימיות של העלה לאטמוספירה. במהלך הפוטוסינתזה, פחמן דו חמצני נטמע נספג מהאטמוספירה ומוחזר לאטמוספירה כחמצן.

השימוש בשיטת ניתוח האיזוטופים הראה שהחמצן המוחזר לאטמוספירה (16 O) שייך למים, ולא לפחמן דו חמצני של האוויר, שבו השולט האיזוטופ השני שלו, 15 O. במהלך הנשימה של תאים חיים (חמצון של חומרים אורגניים בתוך התא על ידי חמצן חופשי לגז פחמן דו חמצני ומים) מצריך אספקת חמצן מהאטמוספירה והחזרת פחמן דו חמצני. גם חילופי גז זה מתבצע בעיקר דרך מנגנון הסטומטלי.

רעיונות מודרניים על פוטוסינתזה.כיום ידוע שהפוטוסינתזה עוברת שני שלבים, אך רק אחד מהם נמצא באור. עדות לתהליך דו-שלבי הושגה לראשונה בשנת 1905 על ידי פיזיולוג הצמחים האנגלי F.F. בלקלין, שחקר את השפעת האור והטמפרטורה על כמות הפוטוסינתזה.

בהתבסס על הניסויים, בלקלין הגיע למסקנות הבאות.

1. ישנה קבוצה אחת של תגובות תלויות אור שאינן תלויות בטמפרטורה. עוצמת התגובות הללו בטווח האור הנמוך עשויה לגדול עם הגדלת התאורה, אך לא עם עליית הטמפרטורה.

2. ישנה קבוצה שנייה של תגובות התלויות בטמפרטורה, ולא באור. התברר ששתי קבוצות התגובות הכרחיות לפוטוסינתזה. הגדלת הנפח של קבוצת תגובות אחת בלבד מגדילה את נפח התהליך כולו, אך רק עד שקבוצת התגובות השנייה מתחילה להחזיק את הראשונה. לאחר מכן, יש צורך להאיץ את קבוצת התגובות השנייה כך שהראשונות יוכלו להמשיך ללא הגבלות.

לפיכך, הוכח ששני השלבים תלויים באור: "אור וחושך". חשוב לזכור שתגובות כהות מתרחשות בדרך כלל באור ודורשות מוצרים משלב האור. הביטוי "תגובות אפלות" אומר בפשטות שהאור ככזה אינו מעורב בהן.

נפח התגובות הכהות גדל עם עליית הטמפרטורה, אבל רק עד 30 o, ואז מתחיל לרדת. בהתבסס על עובדה זו, ההנחה הייתה שתגובות כהות מזורזות על ידי אנזימים, מכיוון שחילופי התגובות האנזימטיות תלויות בטמפרטורה. מאוחר יותר התברר כי מסקנה זו נעשתה באופן שגוי.

בשלב הראשון של הפוטוסינתזה (תגובות אור), אנרגיית האור משמשת ליצירת ATP (מולקולת אדנוזין טריפוספט) ונושאי אלקטרונים עתירי אנרגיה. בשלב השני של הפוטוסינתזה (תגובות כהות), תוצרי אנרגיה הנוצרים בתגובות אור משמשים להפחתת CO 2 לסוכר פשוט (גלוקוז).

תהליך הפוטוסינתזה מושך יותר ויותר את תשומת הלב של מדענים. המדע קרוב לפתרון הנושא החשוב ביותר - יצירה מלאכותית של חומרים אורגניים בעלי ערך מחומרים אנאורגניים נפוצים באמצעות אנרגיית אור. בעיית הפוטוסינתזה נחקרת באופן אינטנסיבי על ידי בוטנאים, כימאים, פיזיקאים ומומחים אחרים.

לאחרונה, כבר ניתן היה לסנתז באופן מלאכותי פורמלדהיד וחומרים ממותקים מתמיסות מימיות של חומצה קרבונטית; במקרה זה, את התפקיד של בולם אנרגיית אור מילאו קובלט וניקל קרבונטים במקום כלורופיל. מולקולת כלורופיל סונתזה לאחרונה.

הצלחות המדע בתחום סינתזה של חומרים אורגניים פוגעות בדוקטרינה האידיאליסטית - ויטליזם, שטענה כי היווצרות חומרים אורגניים מחומרים לא אורגניים דורשת "כוח חיוני" מיוחד וכי אדם לא יוכל לסנתז חומרים אורגניים מורכבים.

פוטוסינתזה בצמחים מתרחשת בכלורופלסטים. הוא כולל: שינוי אנרגיה (תהליך אור), שינוי חומר (תהליך כהה). תהליך האור מתרחש בגליקואידים, תהליך הכהה בסטרומה של הכלורופלסטים. מחזור הדם הכללי של הפוטוסינתזה הוא כדלקמן:

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

שני תהליכי הפוטוסינתזה מתבטאים במשוואות נפרדות:

12H 2 O 12H 2 + 6O 2 + אנרגיית ATP;

(תהליך קל)

12H 2 + 6O 2 + ATP אנרגית C 6 H 12 O 6 + H 2 O.

(תהליך אפל)

חשיבות הפוטוסינתזה בטבע.פוטוסינתזה היא התהליך היחיד בביוספרה שמוביל לעלייה באנרגיה החופשית שלה עקב מקור חיצוני. האנרגיה האצורה בתוצרי הפוטוסינתזה היא מקור האנרגיה העיקרי של האנושות.

מדי שנה, כתוצאה מפוטוסינתזה, נוצרים על פני כדור הארץ 150 מיליארד טונות של חומר אורגני ומשתחררים כ-200 מיליון טונות של חמצן חופשי.

מחזור החמצן, הפחמן ושאר היסודות המעורבים בפוטוסינתזה שומר על ההרכב הנוכחי של האטמוספירה הדרוש לחיים על פני כדור הארץ. פוטוסינתזה מונעת את העלייה בריכוז ה-CO 2, ומונעת התחממות יתר של כדור הארץ עקב מה שמכונה "אפקט החממה".

מכיוון שצמחים ירוקים מייצגים את הבסיס התזונתי הישיר או העקיף של כל האורגניזמים ההטרוטרופיים האחרים, הפוטוסינתזה מספקת את צורכי המזון של כל היצורים החיים על הפלנטה שלנו. זהו הבסיס החשוב ביותר של חקלאות וייעור. למרות שהאפשרויות להשפיע עליו עדיין קטנות, עדיין נעשה בהן שימוש במידה מסוימת. על ידי הגדלת ריכוז הפחמן הדו חמצני באוויר ל-0.1% (לעומת 0.3% באטמוספרה הטבעית), ניתן היה למשל לשלש את היבול של מלפפונים ועגבניות.

מטר מרובע של פני עלה מייצר כגרם אחד של סוכר בשעה אחת; המשמעות היא שכל הצמחים, לפי הערכה גסה, מסירים מהאטמוספירה בין 100 ל-200 מיליארד טון C בשנה. כ-60% מכמות זו נספגת ביערות, תופסים 30% משטח היבשה שאינם מכוסים בקרח, 32% על ידי אדמות מעובדות, ו-8% הנותרים על ידי צמחי ערבות ואזורי מדבר, כמו גם ערים ועיירות.

צמח ירוק מסוגל לא רק להשתמש בפחמן דו חמצני וליצור סוכר, אלא גם להמיר תרכובות חנקן ותרכובות גופרית לחומרים המרכיבים את גופו. דרך מערכת השורשים מקבל הצמח יוני חנקה המומסים במי הקרקע ומעבד אותם בתאיו לחומצות אמינו - המרכיבים העיקריים של כל תרכובות החלבון. רכיבי שומנים נובעים גם מתרכובות הנוצרות במהלך תהליכים מטבוליים ואנרגיה. חומצות שומן וגליצרול מייצרות שומנים ושמנים, המשמשים בעיקר כחומרי רזרבה לצמח. הזרעים של כ-80% מכלל הצמחים מכילים שומנים כחומר רזרבה עשיר באנרגיה. לייצור זרעים, שומנים ושמנים תפקיד חשוב בתעשיות החקלאות והמזון.

פוטוסינתזההוא תהליך המרת אנרגיית האור לאנרגיה של קשרים כימיים של תרכובות אורגניות בהשתתפות כלורופיל.

כתוצאה מפוטוסינתזה, מיוצרים מדי שנה כ-150 מיליארד טון של חומר אורגני וכ-200 מיליארד טון חמצן. תהליך זה מבטיח את מחזור הפחמן בביוספרה, מונע הצטברות של פחמן דו חמצני ובכך מונע את אפקט החממה והתחממות יתר של כדור הארץ. חומרים אורגניים הנוצרים כתוצאה מפוטוסינתזה אינם נצרכים לחלוטין על ידי אורגניזמים אחרים; חלק ניכר מהם יצר במהלך מיליוני שנים מרבצים של מינרלים (פחם קשה וחום, שמן). לאחרונה החלו לשמש גם שמן לפתית ("ביודיזל") ואלכוהול המתקבלים משאריות צמחים כדלק. האוזון נוצר מחמצן בהשפעת פריקות חשמליות, היוצר מסך אוזון המגן על כל החיים על פני כדור הארץ מההשפעות ההרסניות של קרניים אולטרה סגולות.

בן ארצנו, פיזיולוג הצמחים המצטיין K.A. Timiryazev (1843-1920), כינה את תפקיד הפוטוסינתזה "קוסמי", מכיוון שהיא מחברת את כדור הארץ עם השמש (חלל), ומספקת זרימה של אנרגיה לכוכב הלכת.

שלבי פוטוסינתזה. תגובות אור וחשוך של פוטוסינתזה, הקשר ביניהם

בשנת 1905, גילה פיזיולוג הצמחים האנגלי פ. בלקמן שקצב הפוטוסינתזה אינו יכול לעלות ללא הגבלה; גורם כלשהו מגביל אותו. בהתבסס על זה, הוא שיער שיש שני שלבים של פוטוסינתזה: אוֹרו אפל.בעוצמת אור נמוכה, קצב תגובות האור עולה ביחס לעלייה בעוצמת האור, ובנוסף, תגובות אלו אינן תלויות בטמפרטורה, שכן הן אינן מצריכות אנזימים להתרחשות. תגובות אור מתרחשות על ממברנות thylakoid.

קצב התגובות הכהות, להיפך, עולה עם עליית הטמפרטורה, אולם בהגעה לסף טמפרטורה של 30 מעלות צלזיוס, עלייה זו נפסקת, מה שמעיד על האופי האנזימטי של טרנספורמציות אלו המתרחשות בסטרומה. יש לציין שלאור יש השפעה מסוימת גם על תגובות כהות, למרות העובדה שהן נקראות תגובות כהות.

שלב האור של הפוטוסינתזה (איור 2.44) מתרחש על ממברנות thylakoid הנושאות מספר סוגים של קומפלקסים חלבונים, שהעיקריים שבהם הם מערכות הפוטו I ו-II, וכן ATP synthase. מערכות הצילום כוללות קומפלקסים של פיגמנטים, שמלבד כלורופיל, מכילים גם קרוטנואידים. קרוטנואידים לוכדים אור באזורים של הספקטרום שבהם הכלורופיל לא, וגם מגנים על הכלורופיל מהרס על ידי אור בעוצמה גבוהה.

בנוסף לקומפלקסים של פיגמנטים, מערכות פוטו כוללות גם מספר חלבוני קולטני אלקטרונים, אשר מעבירים ברצף אלקטרונים ממולקולות כלורופיל זה לזה. הרצף של חלבונים אלה נקרא שרשרת הובלת אלקטרונים של כלורופלסטים.

קומפלקס מיוחד של חלבונים קשור גם לפוטוסיסטם II, המבטיח שחרור חמצן במהלך הפוטוסינתזה. קומפלקס משחרר חמצן זה מכיל יוני מנגן וכלור.

IN שלב קלקוונטות אור, או פוטונים, הנופלים על מולקולות כלורופיל הממוקמות על ממברנות thylakoid, מעבירות אותן למצב נרגש, המאופיין באנרגיית אלקטרונים גבוהה יותר. במקרה זה, אלקטרונים נרגשים מהכלורופיל של מערכת הצילום I מועברים דרך שרשרת של מתווכים לנושא המימן NADP, אשר מחבר פרוטוני מימן, הנמצאים תמיד בתמיסה מימית:

NADP+ 2e-+ 2H + → NADPH + H+ .

ה-NADPH + H + המופחת ישמש לאחר מכן בשלב החשוך. אלקטרונים מהכלורופיל של מערכת הצילום II מועברים גם הם לאורך שרשרת הובלת האלקטרונים, אך הם ממלאים את "חורי האלקטרונים" של הכלורופיל של מערכת הפוטו I. המחסור באלקטרונים בכלורופיל של מערכת הפוטו-II מתמלא על ידי הוצאת מולקולות מים, אשר מתרחשת בהשתתפות הקומפלקס משחרר חמצן שכבר הוזכר לעיל. כתוצאה מפירוק מולקולות מים, אשר נקרא פוטוליזה,נוצרים פרוטוני מימן ומשתחרר חמצן מולקולרי, שהוא תוצר לוואי של פוטוסינתזה:

Н 2 0 →2Н + +2е- +1/2О 2

פרוטוני מימן, המצטברים בחלל התילקואיד כתוצאה מפוטוליזה של מים ושאיבה במהלך העברת אלקטרונים לאורך שרשרת העברת האלקטרונים, זורמים מתוך התילקואיד דרך תעלה בחלבון הממברנה - ATP synthase, בעוד ATP מסונתז מ-ADP . תהליך זה נקרא פוטופוספורילציה.הוא אינו מצריך השתתפות של חמצן, אך יעיל מאוד, מכיוון שהוא מייצר פי 30 יותר ATP ממיטוכונדריה במהלך החמצון. ה-ATP שנוצר בתגובות אור ישמש לאחר מכן בתגובות כהות.

את המשוואה הכוללת לתגובות של שלב האור של הפוטוסינתזה ניתן לכתוב באופן הבא:

2H 2 0 + 2NADP + 3ADP + ZN 3 P0 4 → 2NADPH + H + + 3ATP.

בְּמַהֲלָך תגובות אפלותפוטוסינתזה (איור 2.45) מתרחשת הקישור של מולקולות CO 2 בצורה של פחמימות, אשר צורכת מולקולות ATP ו-NADPH + H + המסונתזות בתגובות אור:

6C0 2 + 12 NADPH + H + + 18ATP → C 6 H 12 0 6 + 6H 2 0 + 12 NADP + 18ADP + 18H 3 P0 4.

תהליך קשירת הפחמן הדו חמצני הוא שרשרת מורכבת של טרנספורמציות הנקראת מחזור קלוויןלכבוד המגלה שלו. תגובות כהות מתרחשות בסטרומה של כלורופלסטים. לצורך התרחשותם, יש צורך בזרימה מתמדת של פחמן דו חמצני מבחוץ דרך הסטומטה, ולאחר מכן דרך המערכת הבין-תאית.

הראשונים שנוצרו בתהליך של קיבוע פחמן דו חמצני הם סוכרים שלושה פחמנים, שהם התוצרים העיקריים של הפוטוסינתזה, בעוד שהגלוקוז שנוצר מאוחר יותר, המושקע בסינתזה של עמילן ותהליכים חיוניים אחרים, נקרא התוצר הסופי של הפוטוסינתזה .

כך, במהלך תהליך הפוטוסינתזה, האנרגיה של אור השמש מומרת לאנרגיה של קשרים כימיים של תרכובות אורגניות מורכבות, לא בלי השתתפות של כלורופיל. ניתן לכתוב את המשוואה הכוללת לפוטוסינתזה באופן הבא:

6С0 2 + 12Н 2 0 → С 6 Н 12 0 6 + 60 2 + 6Н 2 0, או

6С0 2 + 6Н 2 0 →С 6 Н 12 0 6 + 60 2.

התגובות של השלב הבהיר והכהה של הפוטוסינתזה קשורות זו בזו, שכן עלייה בקצב של קבוצת תגובות אחת בלבד משפיעה על עוצמת כל תהליך הפוטוסינתזה רק עד לנקודה מסוימת, עד שקבוצת התגובות השנייה פועלת כמגבלה גורם, ויש צורך להאיץ את התגובות של הקבוצה השנייה על מנת שהראשונה התרחשה ללא הגבלות.

שלב האור, המתרחש ב-thylakoids, מספק אגירת אנרגיה להיווצרות של ATP ומימן. בשלב השני, כהה, תוצרי האנרגיה של השלב הראשון משמשים להפחתת פחמן דו חמצני, וזה מתרחש בתאים של סטרומת הכלורופלסט.

קצב הפוטוסינתזה מושפע מגורמים סביבתיים שונים: אור, ריכוז פחמן דו חמצני באטמוספרה, טמפרטורת אוויר וקרקע, זמינות מים וכו'.

כדי לאפיין את הפוטוסינתזה, נעשה שימוש במושג הפרודוקטיביות שלה.

פרודוקטיביות פוטוסינתטיתהיא מסת הגלוקוז המסונתזת תוך שעה לכל 1 דמ"ר של פני העלים. קצב הפוטוסינתזה הזה הוא מקסימלי בתנאים אופטימליים.

פוטוסינתזה טבועה לא רק בצמחים ירוקים, אלא גם בחיידקים רבים, כולל ציאנובקטריה, חיידקים ירוקים וסגולים, אך באחרונים עשויים להיות כמה הבדלים, בפרט, במהלך הפוטוסינתזה, ייתכן שחיידקים לא ישחררו חמצן (זה לא חל על ציאנובקטריה).

פוטוסינתזה היא התהליך המביא להיווצרות ושחרור חמצן על ידי תאי צמחים וסוגים מסוימים של חיידקים.

קונספט בסיסי

פוטוסינתזה היא לא יותר משרשרת של תגובות פיזיקליות וכימיות ייחודיות. ממה זה מורכב? צמחים ירוקים, כמו גם כמה חיידקים, סופגים את אור השמש וממירים אותם לאנרגיה אלקטרומגנטית. התוצאה הסופית של פוטוסינתזה היא האנרגיה של קשרים כימיים של תרכובות אורגניות שונות.

בצמח החשוף לאור השמש מתרחשות תגובות חיזור ברצף מסוים. מים ומימן, שהם חומרים מפחיתי תורם, עוברים בצורה של אלקטרונים לחומר המחמצן המקובל (פחמן דו חמצני ואצטט). כתוצאה מכך, נוצרות תרכובות מופחתות של פחמימות, כמו גם חמצן, אשר משתחרר על ידי צמחים.

היסטוריה של חקר הפוטוסינתזה

במשך אלפי שנים, האדם היה משוכנע שהתזונה של הצמח מתרחשת דרך מערכת השורשים שלו דרך האדמה. בתחילת המאה השש עשרה, חוקר הטבע ההולנדי יאן ואן הלמונט ערך ניסוי בגידול הצמח בעציץ. לאחר שקילת האדמה לפני השתילה ולאחר שהצמח הגיע לגודל מסוים, הוא הגיע למסקנה שכל נציגי הצמחייה קיבלו חומרי הזנה בעיקר ממים. מדענים דבקו בתיאוריה זו במשך המאות הבאות.

הנחה בלתי צפויה אך נכונה לגבי תזונת צמחים נעשתה בשנת 1771 על ידי הכימאי האנגלי ג'וזף פריסטלי. הניסויים שביצע הוכיחו באופן משכנע שצמחים מסוגלים לטהר אוויר שבעבר לא היה מתאים לנשימה אנושית. מעט מאוחר יותר, הגיע למסקנה שתהליכים אלה בלתי אפשריים ללא השתתפות אור השמש. מדענים מצאו שעלי צמחים ירוקים עושים יותר מאשר רק להמיר את הפחמן הדו חמצני שהם מקבלים לחמצן. בלי התהליך הזה החיים שלהם בלתי אפשריים. יחד עם מים ומלחי מינרלים, פחמן דו חמצני משמש מזון לצמחים. זוהי המשמעות העיקרית של פוטוסינתזה עבור כל נציגי הצומח.

תפקיד החמצן לחיים על פני כדור הארץ

הניסויים שביצע הכימאי האנגלי פריסטלי עזרו לאנושות להסביר מדוע האוויר על הפלנטה שלנו נותר נושם. אחרי הכל, החיים נשמרים למרות קיומם של מספר עצום של אורגניזמים חיים ושריפת אינספור שריפות.

הופעת החיים על פני כדור הארץ לפני מיליארדי שנים הייתה פשוט בלתי אפשרית. האטמוספירה של הפלנטה שלנו לא הכילה חמצן חופשי. הכל השתנה עם הופעת הצמחים. כל החמצן באטמוספירה כיום הוא תוצאה של פוטוסינתזה המתרחשת בעלים ירוקים. תהליך זה שינה את מראה כדור הארץ ונתן תנופה להתפתחות החיים. משמעות חשובה זו של פוטוסינתזה התממשה במלואה על ידי האנושות רק בסוף המאה ה-18.

אין זה מוגזם לומר שעצם קיומם של אנשים על הפלנטה שלנו תלוי במצבו של עולם הצומח. חשיבותה של הפוטוסינתזה טמונה בתפקידה המוביל להתרחשות של תהליכי ביוספרה שונים. בקנה מידה עולמי, תגובה פיזיקוכימית מדהימה זו מובילה להיווצרות של חומרים אורגניים מחומרים אנאורגניים.

סיווג תהליכי פוטוסינתזה

שלוש תגובות חשובות מתרחשות בעלה ירוק. הם מייצגים פוטוסינתזה. הטבלה שבה נרשמות תגובות אלו משמשת בחקר הביולוגיה. השורות שלה כוללות:

פוטוסינתזה;
- חילופי גז;
- אידוי של מים.

אותן תגובות פיזיקוכימיות המתרחשות בצמח במהלך אור יום מאפשרות לעלים ירוקים לשחרר פחמן דו חמצני וחמצן. בחושך - רק הראשון מבין שני המרכיבים הללו.

הסינתזה של כלורופיל בחלק מהצמחים מתרחשת אפילו בתאורה נמוכה ומפוזרת.

שלבים עיקריים

ישנם שני שלבים של פוטוסינתזה, הקשורים זה לזה באופן הדוק. בשלב הראשון, האנרגיה של קרני האור מומרת לתרכובות עתירות אנרגיה ATP וחומרים מפחיתים אוניברסליים NADPH. שני היסודות הללו הם התוצרים העיקריים של הפוטוסינתזה.

בשלב השני (כהה), משתמשים ב-ATP וב-NADPH המתקבלים לקיבוע פחמן דו חמצני עד שהוא מצטמצם לפחמימות. שני השלבים של הפוטוסינתזה שונים לא רק בזמן. הם מתרחשים גם בחללים שונים. לכל מי שלומד את הנושא "פוטוסינתזה" בביולוגיה, טבלה עם אינדיקציה מדויקת של המאפיינים של שני השלבים תסייע בהבנה מדויקת יותר של התהליך.

מנגנון ייצור חמצן

לאחר שצמחים סופגים פחמן דו חמצני, חומרים מזינים מסונתזים. תהליך זה מתרחש בפיגמנטים ירוקים הנקראים כלורופילים כאשר הם נחשפים לאור השמש. המרכיבים העיקריים של התגובה המדהימה הזו הם:

אוֹר;
- כלורופלסטים;
- מים;
- פחמן דו חמצני;
- טמפרטורה.

רצף של פוטוסינתזה

צמחים מייצרים חמצן בשלבים. השלבים העיקריים של הפוטוסינתזה הם כדלקמן:

קליטת אור על ידי כלורופילים;
- חלוקה של מים המתקבלים מהאדמה לחמצן ומימן על ידי כלורופלסטים (אברונים תוך תאיים של פיגמנט ירוק);
- תנועה של חלק אחד של חמצן לאטמוספירה, והשני לתהליך הנשימה של צמחים;
- היווצרות מולקולות סוכר בגרגרי חלבון (פירנואידים) של צמחים;
- ייצור עמילנים, ויטמינים, שומנים וכו'. כתוצאה מערבוב סוכר עם חנקן.

למרות העובדה שפוטוסינתזה דורשת אור שמש, תגובה זו יכולה להתרחש גם באור מלאכותי.

תפקידה של הצומח עבור כדור הארץ

התהליכים הבסיסיים המתרחשים בעלה ירוק כבר נחקרו במלואם על ידי מדע הביולוגיה. חשיבותה של הפוטוסינתזה לביוספרה היא עצומה. זוהי התגובה היחידה שמובילה לעלייה בכמות האנרגיה החופשית.

במהלך תהליך הפוטוסינתזה נוצרים מדי שנה מאה וחמישים מיליארד טונות של חומרים אורגניים. בנוסף, במהלך תקופה זו, צמחים משחררים כמעט 200 מיליון טון חמצן. בהקשר זה, ניתן לטעון שתפקידה של הפוטוסינתזה הוא עצום עבור האנושות כולה, שכן תהליך זה משמש כמקור האנרגיה העיקרי על פני כדור הארץ.

בתהליך של תגובה פיסיקוכימית ייחודית מתרחש מחזור הפחמן, החמצן ואלמנטים רבים אחרים. זה מרמז על משמעות חשובה נוספת של פוטוסינתזה בטבע. תגובה זו שומרת על הרכב מסוים של האטמוספירה שבה מתאפשרים חיים על פני כדור הארץ.

תהליך המתרחש בצמחים מגביל את כמות הפחמן הדו חמצני, ומונע ממנו להצטבר בריכוזים מוגברים. זהו גם תפקיד חשוב לפוטוסינתזה. על כדור הארץ, הודות לצמחים ירוקים, לא נוצר מה שנקרא אפקט החממה. פלורה מגינה באופן אמין על כוכב הלכת שלנו מפני התחממות יתר.

פלורה כבסיס לתזונה

תפקידה של הפוטוסינתזה חשוב ליעור ולחקלאות. עולם הצומח הוא הבסיס התזונתי לכל האורגניזמים ההטרוטרופיים. עם זאת, המשמעות של הפוטוסינתזה טמונה לא רק בספיגת פחמן דו חמצני על ידי עלים ירוקים ובייצור של מוצר מוגמר כזה של תגובה ייחודית כמו סוכר. צמחים מסוגלים להפוך תרכובות חנקן וגופרית לחומרים המרכיבים את גופם.

איך זה קורה? מהי חשיבותה של פוטוסינתזה בחיי הצומח? תהליך זה מתבצע באמצעות ייצור יוני חנקה על ידי הצמח. יסודות אלה נמצאים במי הקרקע. הם נכנסים לצמח דרך מערכת השורשים. התאים של אורגניזם ירוק מעבדים יוני חנקה לחומצות אמינו, המרכיבות שרשראות חלבון. תהליך הפוטוסינתזה מייצר גם רכיבי שומן. הם חומרי רזרבה חשובים לצמחים. לפיכך, הזרעים של פירות רבים מכילים שמן מזין. מוצר זה חשוב גם לבני אדם, מכיוון שהוא משמש בתעשיות המזון והחקלאות.

תפקידה של פוטוסינתזה בייצור יבול

בפרקטיקה העולמית של מפעלים חקלאיים, נעשה שימוש נרחב בתוצאות של לימוד הדפוסים הבסיסיים של התפתחות וגידול צמחים. כידוע, הבסיס להיווצרות יבול הוא פוטוסינתזה. עוצמתו, בתורה, תלויה במשטר המים של הגידולים, כמו גם בתזונה המינרלית שלהם. כיצד משיג אדם עלייה בצפיפות היבול ובגודל העלים כך שהצמח ינצל מקסימום את אנרגיית השמש ולוקח פחמן דו חמצני מהאטמוספירה? כדי להשיג זאת, התנאים להזנה מינרלית ואספקת מים לגידולים חקלאיים מיואבים.

הוכח מדעית כי התשואה תלויה בשטח העלים הירוקים, כמו גם בעוצמת ומשך התהליכים המתרחשים בהם. אבל במקביל, עלייה בצפיפות היבול מובילה להצללה של העלים. אור השמש אינו יכול לחדור אליהם, ובשל הידרדרות האוורור של המוני האוויר, פחמן דו חמצני נכנס בנפחים קטנים. כתוצאה מכך, פעילות תהליך הפוטוסינתזה פוחתת ותפוקת הצמח יורדת.

תפקידה של פוטוסינתזה לביוספרה

על פי ההערכות הגסות ביותר, רק צמחים אוטוטרופיים החיים במימי האוקיינוס ​​העולמי ממירים מדי שנה בין 20 ל-155 מיליארד טונות של פחמן לחומר אורגני. וזאת למרות שהאנרגיה של קרני השמש משמשת אותם רק ב-0.11%. באשר לצמחים יבשתיים, הם סופגים מדי שנה בין 16 ל-24 מיליארד טון פחמן. כל הנתונים הללו מעידים באופן משכנע עד כמה חשובה הפוטוסינתזה בטבע. רק כתוצאה מתגובה זו מתחדשת האטמוספירה בחמצן המולקולרי הדרוש לחיים, הדרוש לבעירה, לנשימה ולפעילויות תעשייתיות שונות. כמה מדענים מאמינים שכאשר רמות הפחמן הדו חמצני באטמוספירה עולות, קצב הפוטוסינתזה עולה. במקביל, האווירה מתחדשת בחמצן חסר.

התפקיד הקוסמי של הפוטוסינתזה

צמחים ירוקים הם מתווכים בין הפלנטה שלנו לשמש. הם לוכדים את האנרגיה של הגוף השמימי ומבטיחים את קיומם של חיים על הפלנטה שלנו.

פוטוסינתזה היא תהליך שניתן לדון בו בקנה מידה קוסמי, שכן פעם היא תרמה לשינוי הדימוי של הפלנטה שלנו. הודות לתגובה המתרחשת בעלים ירוקים, אנרגיית קרני השמש אינה מתפזרת בחלל. זה הופך לאנרגיה כימית של חומרים אורגניים שזה עתה נוצרו.

החברה האנושית זקוקה לתוצרי הפוטוסינתזה לא רק למזון, אלא גם לפעילות כלכלית.

עם זאת, לא רק אותן קרני שמש הנופלות על כדור הארץ שלנו בזמן הנוכחי חשובות לאנושות. אותם תוצרים של פוטוסינתזה שהושגו לפני מיליוני שנים נחוצים ביותר לחיים ולפעילויות הייצור. הם נמצאים במעיים של כדור הארץ בצורה של שכבות של פחם, גז דליק ונפט, ומרבצי כבול.