Cum și unde are loc procesul de fotosinteză la plante? Semnificația fotosintezei în natură Sensul fotosintezei pentru plante.

Fotosinteza este singurul proces din biosferă care duce la o creștere a energiei sale libere datorită unei surse externe. Energia stocată în produsele fotosintezei este principala sursă de energie pentru umanitate.

În fiecare an, ca urmare a fotosintezei, pe Pământ se formează 150 de miliarde de tone de materie organică și se eliberează aproximativ 200 de milioane de tone de oxigen liber.

Ciclul oxigenului, carbonului și altor elemente implicate în fotosinteză menține compoziția actuală a atmosferei necesară vieții pe Pământ. Fotosinteza previne creșterea concentrației de CO2, prevenind supraîncălzirea Pământului din cauza așa-numitului „efect de seră”.

Deoarece plantele verzi reprezintă baza nutrițională directă sau indirectă a tuturor celorlalte organisme heterotrofe, fotosinteza satisface nevoile alimentare ale tuturor viețuitoarelor de pe planeta noastră. Este cea mai importantă bază a agriculturii și silviculturii. Deși posibilitățile de a-l influența nu sunt încă mari, ele sunt încă folosite într-o oarecare măsură. Prin creșterea concentrației de dioxid de carbon din aer la 0,1% (față de 0,3% în atmosfera naturală), a fost posibil, de exemplu, să se tripleze randamentul de castraveți și roșii.

Un metru pătrat de suprafață a frunzei produce aproximativ un gram de zahăr într-o oră; aceasta înseamnă că toate plantele, conform unei estimări aproximative, elimină din atmosferă între 100 și 200 de miliarde de tone de C pe an. Aproximativ 60% din această cantitate este absorbită de păduri, ocupând 30% din suprafața terenului neacoperită cu gheață, 32% de terenuri cultivate, iar restul de 8% de plante de stepă și zone deșertice, precum și orașe și orașe.

O plantă verde este capabilă nu numai să folosească dioxid de carbon și să creeze zahăr, ci și să transforme compușii de azot și compușii de sulf în substanțe care alcătuiesc corpul său. Prin sistemul radicular, planta primește ioni de nitrat dizolvați în apa din sol și îi prelucrează în celulele sale în aminoacizi - componentele principale ale tuturor compușilor proteici. Componentele grăsimilor apar și din compușii formați în timpul proceselor metabolice și energetice. Acizii grași și glicerolul produc grăsimi și uleiuri, care servesc în principal ca substanțe de rezervă pentru plantă. Semințele a aproximativ 80% din toate plantele conțin grăsimi ca substanță de rezervă bogată în energie. Producția de semințe, grăsimi și uleiuri joacă un rol important în industria agricolă și alimentară.

Cel mai primitiv tip de fotosinteză este realizat de halobacteriile care trăiesc în medii cu un conținut ridicat (până la 30%) de clorură de sodiu. Cele mai simple organisme capabile de fotosinteză sunt, de asemenea, bacteriile cu sulf violet și verde, precum și bacteriile purpurie fără sulf. Aparatul fotosintetic al acestor organisme este mult mai simplu (doar un singur fotosistem) decât cel al plantelor; În plus, nu eliberează oxigen, deoarece folosesc compuși cu sulf mai degrabă decât apa ca sursă de electroni. Acest tip de fotosinteză se numește bacteriană. Cu toate acestea, cianobacteriile (procariotele capabile de fotodescompunerea apei și eliberarea de oxigen) au o organizare mai complexă a aparatului fotosintetic - două fotosisteme care funcționează conjugat. La plante, reacțiile de fotosinteză sunt efectuate într-un organel celular specializat - cloroplastul.

Toate plantele (de la alge și mușchi la gimnosperme și angiosperme moderne) au caracteristici comune în organizarea structurală și funcțională a aparatului fotosintetic. Cloroplastele, ca și alte plastide, se găsesc numai în celulele vegetale. Membrana lor exterioară este netedă, iar cea interioară formează numeroase pliuri. Între ele sunt stive de bule asociate numite grana. Conțin boabe de clorofilă, un pigment verde care joacă un rol major în procesul de fotosinteză. ATP este produs în cloroplaste și are loc și sinteza proteinelor. Pigmenți fotosintetici:

Principalii pigmenți care absorb cuante de lumină în timpul fotosintezei sunt clorofilele, pigmenți de natură Mg-porfirina. Au fost descoperite mai multe forme de clorofile, care diferă ca structură chimică. Spectrul de absorbție al diferitelor forme de clorofile acoperă regiunile vizibile, aproape ultraviolete și aproape infraroșu ale spectrului (la plantele superioare de la 350 la 700 nm și la bacterii de la 350 la 900 nm). Clorofila este pigmentul principal și este caracteristică tuturor organismelor care efectuează oxigenare, adică fotosinteză cu eliberare de oxigen. Algele verzi și euglene, mușchii și plantele vasculare, pe lângă clorofilă, au și clorofilă b, al cărei conținut este 1/4-1/5 din conținutul de clorofilă a. Acesta este un pigment suplimentar care extinde spectrul de absorbție a luminii. În unele grupuri de alge, în principal maro și diatomee, clorofila c servește ca pigment suplimentar, iar în algele roșii, clorofila d. Bacteriile violete conțin bacterioclorofila a și b, în ​​timp ce bacteriile verzi cu sulf conțin bacterioclorofila c și d împreună cu bacterioclorofila a. Alți pigmenți însoțitori participă, de asemenea, la absorbția energiei luminoase - carotenoizi (pigmenți de natură poliizoprenoidă) în eucariotele fotosintetice și ficobiline (pigmenti cu o structură deschisă de tetrapirol) în cianobacterii și alge roșii. În halobacteriile, singurul pigment găsit în membranele plasmatice este proteina complexă bacteriorhodopsin, care este similară ca structură chimică cu rodopsina, pigmentul vizual al retinei.

În celulă, moleculele de clorofilă se află în diferite stări agregate (legate) și formează complexe pigment-lipoproteine, iar împreună cu alți pigmenți implicați în procesele de absorbție a cuantelor de lumină și transferul de energie, sunt asociate cu proteinele membranelor fotosintetice (tilacoide). , formând așa-numitele complexe clorofilă-proteine ​​de recoltare a luminii. Pe măsură ce gradul de agregare și densitatea de împachetare a moleculelor crește, maximul de absorbție al pigmenților se deplasează către regiunea cu lungime de undă mai mare a spectrului. Rolul principal în absorbția energiei luminoase aparține formelor de unde scurte implicate în procesele de migrare a energiei. Prezența în celulă a unei serii de forme de pigmenți similare spectral asigură un grad ridicat de eficiență în migrarea energiei către centrii fotochimici de reacție, unde se află formele de pigmenți cu cea mai mare lungime de undă, jucând rolul așa-numitelor capcane energetice.

Procesul de fotosinteză constă din două etape succesive și interconectate: lumină (fotochimică) și întuneric (metabolic).

În timpul fazei de lumină a fotosintezei, au loc trei procese:

• 1. Formarea oxigenului prin descompunerea apei. Este eliberat în atmosferă.
• 2. Sinteza ATP.
• 3. Formarea atomilor de hidrogen implicati in formarea carbohidratilor.

În timpul fazei întunecate a fotosintezei, au loc următoarele procese:

• 1. Conversia dioxidului de carbon.
• 2. Formarea glucozei.

Fotosinteza se bazează pe procesul redox, care are ca rezultat formarea de oxigen (O2), precum și de monozaharide (glucoză etc.), care sunt transformate în amidon și depozitate de plantă. În timpul procesului de fotosinteză se sintetizează și monomeri ai altor compuși organici - acizi grași, glicerol, aminoacizi. Semnificația fotosintezei:

• 1. Asimilarea și transformarea energiei solare libere cu formarea de substanțe organice, care sunt hrană pentru organismele heterotrofe.
• 2. Eliberarea de oxigen liber în atmosferă, care este necesar pentru respirația tuturor organismelor vii.
• 3. Asimilarea dioxidului de carbon din aerul atmosferic, care are un efect dăunător asupra organismelor vii.
• 4. Furnizarea tuturor organismelor pământene cu energie chimică convertită din energia luminii solare.

Plantele verzi joacă un rol cosmic, fiind un intermediar între viața de pe Pământ și Soare. Plantele captează energia razelor solare, datorită căreia există toată viața de pe planeta noastră. Procesul de fotosinteză, desfășurat la o scară grandioasă, cosmică, a transformat radical fața planetei noastre. Datorită fotosintezei, energia solară nu este complet disipată în spațiu, ci este stocată sub formă de energii chimice ale substanțelor organice. Datorită capacității plantelor verzi de a elibera oxigen în timpul fotosintezei, în aer se menține un procent constant de oxigen. În afară de plantele verzi, nu există altă sursă de oxigen liber în natură. În toate organismele fotosintetice, procesele fotochimice ale etapei luminoase a fotosintezei au loc în membrane speciale de conversie a energiei numite membrane tilacoide și sunt organizate în așa-numita lanț de transport de electroni. Reacțiile întunecate ale fotosintezei au loc în afara membranelor tilacoide (în citoplasmă la procariote și în stroma cloroplastei la plante). Astfel, etapele luminoase și întunecate ale fotosintezei sunt separate în spațiu și timp.

Fotosinteza este un proces unic de creare a substanțelor organice din cele anorganice. Acesta este singurul proces de pe planeta noastră asociat cu conversia energiei luminii solare în energia legăturilor chimice conținute în substanțele organice. În acest fel, energia razelor solare primită din spațiu, stocată de plantele verzi în carbohidrați, grăsimi și proteine, asigură activitatea vitală a întregii lumi vii – de la bacterii până la om.

Remarcabil om de știință rus de la sfârșitul secolului al XIX-lea - începutul secolului al XX-lea. Kliment Arkadyevich Timiryazev (1843-1920) a numit rolul plantelor verzi pe Pământ cosmic. El a scris:

Toate substanțele organice, oricât de diverse ar fi, indiferent de locul în care se găsesc, fie într-o plantă, un animal sau o persoană, au trecut prin frunză, provenite din substanțele produse de frunză. În afara frunzei, sau mai degrabă în afara bobului de clorofilă, nu există un laborator în natură unde materia organică să fie izolată. În toate celelalte organe și organisme se transformă, se transformă, doar că aici se formează din nou din materie anorganică.

Pe lângă stocarea energiei și hrănirea aproape toată viața de pe Pământ, fotosinteza este importantă din alte motive.

În timpul fotosintezei, oxigenul este eliberat. Oxigenul este necesar pentru procesul de respirație. În timpul respirației, are loc procesul invers al fotosintezei. Substanțele organice sunt oxidate, distruse și se eliberează energie, care poate fi folosită pentru diferite procese de viață (mers, gândire, creștere etc.). Când nu existau încă plante pe Pământ, aproape că nu era oxigen în aer. Organismele vii primitive care trăiau în acele vremuri au oxidat substanțele organice în alte moduri, nu cu ajutorul oxigenului. Nu a fost eficient. Datorită respirației cu oxigen, lumea vie a putut să se dezvolte pe scară largă și complexă. Și oxigenul din atmosferă a apărut datorită plantelor și procesului de fotosinteză.

În stratosferă (aceasta este deasupra troposferei - cel mai de jos strat al atmosferei), oxigenul este transformat în ozon sub influența radiației solare. Ozonul protejează viața de pe Pământ de radiațiile ultraviolete periculoase de la soare. Fără stratul de ozon, viața nu ar fi putut evolua de la mare la uscat.

În timpul fotosintezei, dioxidul de carbon este absorbit din atmosferă. Dioxidul de carbon este eliberat în timpul respirației. Dacă nu ar fi absorbită, s-ar acumula în atmosferă și ar influența, alături de alte gaze, creșterea așa-numitului efect de seră. Efectul de seră este o creștere a temperaturii în straturile inferioare ale atmosferei. În același timp, clima se poate schimba, ghețarii vor începe să se topească, nivelul oceanelor va crește, drept urmare terenurile de coastă pot fi inundate și vor apărea alte consecințe negative.

Toate substanțele organice conțin elementul chimic carbon. Sunt plantele care îl leagă de substanțe organice (glucoză), primindu-l din substanțe anorganice (dioxid de carbon). Și fac acest lucru prin procesul de fotosinteză. Ulterior, „călătorind” prin lanțurile trofice, carbonul se deplasează de la un compus organic la altul. În cele din urmă, odată cu moartea organismelor și descompunerea lor, carbonul se transformă din nou în substanțe anorganice.

Fotosinteza este, de asemenea, importantă pentru umanitate. Cărbunele, turba, petrolul, gazele naturale sunt rămășițele plantelor și ale altor organisme vii care s-au acumulat de-a lungul a sute de milioane de ani. Ele ne servesc ca o sursă de energie suplimentară, care permite civilizației să se dezvolte.

Istoria fotosintezei. Timp de mii de ani, oamenii au crezut că o plantă se hrănește exclusiv prin rădăcini, folosindu-le pentru a absorbi toate substanțele necesare din sol. M-am angajat să testez acest punct de vedere la începutul secolului al XIX-lea. Naturalistul olandez Jan Van Helmont. A cântărit pământul într-o oală și a sădit acolo un lăstar de salcie. A udat copacul timp de cinci ani, apoi a uscat pământul și l-a cântărit și planta. Salcia cântărea șaptezeci și cinci de kilograme, iar greutatea pământului s-a schimbat cu doar câteva sute de grame. Concluzia omului de știință a fost că plantele primesc nutrienți, în primul rând, nu din sol, ci din apă.

Timp de două secole, teoria nutriției cu apă a plantelor a fost stabilită în știință. Frunzele, conform acestei teorii, au ajutat doar planta să evapore excesul de umiditate.

Oamenii de știință au ajuns la cea mai neașteptată, dar corectă presupunere despre nutriția aeriană a plantelor abia la începutul secolului al XIX-lea. Un rol important în înțelegerea acestui proces l-a avut descoperirea făcută de chimistul englez Joseph Priestley în 1771. Acesta a efectuat un experiment, în urma căruia a concluzionat: plantele purifică aerul și îl fac potrivit pentru respirație. Mai târziu s-a dovedit că pentru ca planta să purifice aerul, este nevoie de lumină.

Zece ani mai târziu, oamenii de știință și-au dat seama că planta face mai mult decât să transforme dioxidul de carbon în oxigen. Dioxidul de carbon este necesar pentru ca plantele să trăiască; servește drept hrană reală a acestora (împreună cu apă și săruri minerale).

Nutriția aeriană a plantelor se numește fotosinteză. Oxigenul este eliberat ca un produs neobișnuit în timpul fotosintezei.

Acum miliarde de ani nu exista oxigen liber pe pământ. Tot oxigenul pe care îl respiră aproape toate creaturile vii de pe planeta noastră este eliberat de plante în timpul procesului de fotosinteză. Fotosinteza a reușit să schimbe întregul aspect al planetei noastre.

Din anii 70. secolul trecut, în Rusia s-au realizat progrese majore în domeniul fotosintezei. Lucrările oamenilor de știință ruși Purievich, Ivanovsky, Rickter, Ivanov, Kostychev au studiat multe aspecte ale acestui proces.

Importanța fotosintezei nu a fost realizată decât relativ recent. Aristotel și alți oameni de știință greci, observând că procesele de viață ale animalelor depind de consumul de alimente, credeau că plantele își obțin „hrana” din sol.

Cu puțin peste trei sute de ani în urmă, într-unul dintre primele experimente atent concepute în biologie, medicul olandez Jan Van Helmont a oferit dovezi că solul nu este singurul aliment care hrănește o plantă. Van Helmont a crescut un copac mic de salcie într-un vas de lut, adăugându-i doar apă.

După cinci ani, masa acelor a crescut cu 74,4 kg, în timp ce masa solului a scăzut cu doar 57 g.

La sfârșitul secolului al XVIII-lea, omul de știință englez Joseph Priestley a raportat că „a descoperit accidental o metodă de corectare a aerului care fusese stricat de arderea lumânărilor”. La 17 august 1771, Priestley „... a pus o crenguță vie de mentă într-un vas închis în care ardea o lumânare de ceară”, iar pe 21 a aceleiași luni a descoperit că „... o altă lumânare ar putea arde din nou. în același vas.” „Principiul corectiv pe care natura îl folosește în aceste scopuri”, credea Priestley, „a fost planta”. Și-a extins observațiile și a arătat curând că aerul „corectat” de plantă nu era „deloc nepotrivit unui șoarece”.

Experimentele lui Priestley au făcut posibil pentru prima dată să se explice de ce aerul de pe Pământ rămâne „curat” și poate susține viața, în ciuda arderii nenumăratelor incendii și a respirației multor organisme vii. El a spus: „Mulțumită acestor descoperiri, suntem încrezători că plantele nu cresc în zadar, ci ne curăță și ne înnobilează atmosfera”.

Mai târziu, medicul olandez Jan Ingenhouse (1730-1799) a confirmat lucrarea lui Priestley și a arătat că aerul este „corectat” doar în lumina soarelui și numai de părțile verzi ale plantei. În 1796, Ingenhouse a sugerat că dioxidul de carbon se descompune în timpul fotosintezei în C și O 2, iar O 2 este eliberat ca gaz. Ulterior, s-a descoperit că raportul dintre atomii de carbon, hidrogen și oxigen din zaharuri și amidon este astfel încât există un atom de carbon pe moleculă de apă, ceea ce indică cuvântul „carbohidrați”. S-a acceptat în general că carbohidrații sunt formați din C și H2O, iar O2 este eliberat din dioxid de carbon. Această ipoteză destul de rezonabilă a fost acceptată pe scară largă, dar, după cum sa dovedit mai târziu, a fost complet greșită.

Cercetătorul care a infirmat această teorie general acceptată a fost Cornelius van Niel de la Universitatea Stamford, când, ca student absolvent, a investigat metabolismul diferitelor bacterii fotosintetice. Un grup de astfel de bacterii, și anume bacteriile cu sulf violet, reduc C la carbohidrați, dar nu eliberează O2. Bacteriile cu sulf violet necesită hidrogen sulfurat pentru fotosinteză. Ca rezultat al fotosintezei, particulele de sulf se acumulează în interiorul celulelor bacteriene. Van Niel a descoperit că pentru aceste bacterii ecuația pentru fotosinteză ar putea fi scrisă astfel:

CO2 + 2H2S (CH20) + H20 + 2S.

Acest fapt nu a atras atenția cercetătorilor până când van Niel a făcut un anunț îndrăzneț și a propus următoarea ecuație rezumativă pentru fotosinteză:

CO2 + 2H2A (CH20) + H20 + 2A.

În această ecuație, H2A reprezintă fie apă, fie o altă substanță oxidabilă, cum ar fi hidrogen sulfurat sau H2 liber. În plantele verzi și alge, H 2 A = H 2 O. Adică, van Niel a sugerat că H 2 O, și nu dioxidul de carbon, se descompune în timpul fotosintezei. Această idee genială, prezentată în anii treizeci, a fost demonstrată experimental mai târziu, când cercetătorii, folosind izotopul greu O 2 (18 O 2), au trasat calea oxigenului de la apă la starea gazoasă:

CO2 + 2H218O2 (CH20) + H2O + 18O2.

Astfel, pentru alge sau plante verzi în care apa servește ca donor de electroni, ecuația generală a fotosintezei este scrisă după cum urmează:

6CO2 + 12H20C6H12O6 + 6O2 + 6H2O.

Procese care au loc într-o frunză. Frunza realizează trei procese importante - fotosinteza, evaporarea apei și schimbul de gaze. În timpul procesului de fotosinteză, substanțele organice sunt sintetizate în frunze din apă și dioxid de carbon sub influența luminii solare. În timpul zilei, ca urmare a fotosintezei și a respirației, planta eliberează oxigen și dioxid de carbon, iar noaptea - doar dioxid de carbon produs în timpul respirației.

Majoritatea plantelor sunt capabile să sintetizeze clorofila în lumină slabă. În lumina directă a soarelui, clorofila este sintetizată mai rapid.

Energia luminoasă necesară fotosintezei, în anumite limite, este absorbită cu atât mai mult, cu atât frunza este mai puțin întunecată. Prin urmare, în procesul de evoluție, plantele și-au dezvoltat capacitatea de a întoarce limbul frunzei spre lumină, astfel încât să cadă mai multă lumină solară asupra ei. Frunzele de pe plantă sunt aranjate astfel încât să nu se înghesuie.

Timiryazev a demonstrat că sursa de energie pentru fotosinteză o reprezintă predominant razele roșii ale spectrului. Acest lucru este indicat de spectrul de absorbție al clorofilei, unde banda de absorbție cea mai intensă se observă în partea roșie, iar cea mai puțin intensă este observată în partea albastru-violet.

Cloroplastele conțin pigmenții caroten și xantofilă împreună cu clorofila. Ambii acești pigmenți absorb razele albastre și parțial verzi și le transmit pe cele roșii și galbene. Unii oameni de știință atribuie carotenul și xantofila rolului ecranelor care protejează clorofila de efectele distructive ale razelor albastre.

Procesul de fotosinteză constă dintr-un număr de reacții secvențiale, dintre care unele apar cu absorbția energiei luminoase, iar altele în întuneric. Produșii finali stabili ai fotosintezei sunt carbohidrații (zahărul și apoi amidonul), acizii organici, aminoacizii și proteinele.

Fotosinteza are loc cu rate diferite în condiții diferite.

Intensitatea fotosintezei depinde și de faza de dezvoltare a plantei. Intensitatea maximă a fotosintezei se observă în faza de înflorire.

Conținutul normal de dioxid de carbon din aer este de 0,03% în volum. Reducerea conținutului de dioxid de carbon din aer reduce intensitatea fotosintezei. Creșterea conținutului de dioxid de carbon la 0,5% crește viteza fotosintezei aproape proporțional. Cu toate acestea, cu o creștere suplimentară a conținutului de dioxid de carbon, intensitatea fotosintezei nu crește, iar la 1%, planta are de suferit.

Plantele evaporă sau transperează cantități foarte mari de apă. Evaporarea apei este una dintre cauzele curentului ascendent. Datorită evaporării apei de către plantă, în ea se acumulează minerale și are loc o scădere benefică a temperaturii plantei în timpul încălzirii solare. Uneori, transpirația reduce temperatura plantei cu 6 o C.

Planta reglează procesul de evaporare a apei prin lucrul stomatelor. Depunerea cuticulei sau învelișul ceros pe epidermă, formarea firelor de păr și alte adaptări au ca scop reducerea transperării nereglementate.

Procesul de fotosinteză și respirația continuă a celulelor vii ale frunzelor necesită schimb de gaze între țesuturile interne ale frunzei și atmosferă. În timpul fotosintezei, dioxidul de carbon asimilat este absorbit din atmosferă și returnat în atmosferă sub formă de oxigen.

Utilizarea metodei de analiză izotopică a arătat că oxigenul reîntors în atmosferă (16 O) aparține apei, și nu dioxidului de carbon din aer, în care predomină celălalt izotop al acestuia, 15 O. În timpul respirației celulelor vii (oxidarea substanțelor organice din interiorul celulei de către oxigenul liber la dioxid de carbon gazos și apă) necesită furnizarea de oxigen din atmosferă și returnarea dioxidului de carbon. Acest schimb de gaze se realizează în principal prin aparatul stomatic.

Idei moderne despre fotosinteză.În prezent se știe că fotosinteza trece prin două etape, dar doar una dintre ele este în lumină. Dovezile unui proces în două etape au fost obținute pentru prima dată în 1905 de către fiziologul englez F.F. Blacklin, care a studiat efectul luminii și temperaturii asupra cantității de fotosinteză.

Pe baza experimentelor, Blacklin a făcut următoarele concluzii.

1. Există un grup de reacții dependente de lumină care nu depind de temperatură. Mărimea acestor reacții în intervalul de lumină scăzută ar putea crește odată cu creșterea iluminării, dar nu și cu creșterea temperaturii.

2. Există un al doilea grup de reacții care depind de temperatură, și nu de lumină. S-a dovedit că ambele grupuri de reacții sunt necesare pentru fotosinteză. Creșterea volumului unui singur grup de reacții crește volumul întregului proces, dar numai până când al doilea grup de reacții începe să-l mențină pe primul. După aceasta, este necesar să se accelereze al doilea grup de reacții, astfel încât primele să poată continua fără restricții.

Astfel, s-a demonstrat că ambele etape sunt dependente de lumină: „lumină și întuneric”. Este important să ne amintim că reacțiile întunecate apar în mod normal la lumină și necesită produse din stadiul de lumină. Expresia „reacții întunecate” înseamnă pur și simplu că lumina ca atare nu este implicată în ele.

Volumul reacțiilor întunecate crește odată cu creșterea temperaturii, dar numai până la 30 o, apoi începe să scadă. Pe baza acestui fapt, s-a presupus că reacțiile întunecate sunt catalizate de enzime, deoarece schimbul de reacții enzimatice este astfel dependent de temperatură. Ulterior s-a dovedit că această concluzie a fost făcută incorect.

În prima etapă a fotosintezei (reacții luminoase), energia luminoasă este folosită pentru a forma ATP (moleculă de adenozin trifosfat) și purtători de electroni de înaltă energie. În a doua etapă a fotosintezei (reacții întunecate), produșii energetici formați în reacțiile luminoase sunt utilizați pentru a reduce CO 2 la zahăr simplu (glucoză).

Procesul de fotosinteză atrage din ce în ce mai mult atenția oamenilor de știință. Știința este aproape de a rezolva cea mai importantă problemă - crearea artificială de substanțe organice valoroase din substanțe anorganice răspândite folosind energia luminii. Problema fotosintezei este studiată intens de botanici, chimiști, fizicieni și alți specialiști.

Recent, a fost deja posibilă sinteza artificială a formaldehidei și a substanțelor zaharoase din soluții apoase de acid carbonat; în acest caz, rolul de absorbant al energiei luminoase a fost jucat de carbonați de cobalt și nichel în locul clorofilei. Recent a fost sintetizată o moleculă de clorofilă.

Succesele științei în domeniul sintezei substanțelor organice dau o lovitură zdrobitoare doctrinei idealiste - vitalismul, care susținea că formarea substanțelor organice din substanțe anorganice necesită o „forță vitală” specială și că o persoană nu va putea sintetizează substanțe organice complexe.

Fotosinteza la plante are loc în cloroplaste. Include: transformarea energiei (procesul luminii), transformarea materiei (procesul întunericului). Procesul luminii are loc în gilacoizi, procesul întunecat în stroma cloroplastelor. Circulația generalizată a fotosintezei este următoarea:

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

Cele două procese de fotosinteză sunt exprimate prin ecuații separate:

12H2O12H2 + 6O2 + energie ATP;

(proces ușor)

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

(proces întunecat)

Importanța fotosintezei în natură. Fotosinteza este singurul proces din biosferă care duce la o creștere a energiei sale libere datorită unei surse externe. Energia stocată în produsele fotosintezei este principala sursă de energie pentru umanitate.

În fiecare an, ca urmare a fotosintezei, pe Pământ se formează 150 de miliarde de tone de materie organică și se eliberează aproximativ 200 de milioane de tone de oxigen liber.

Ciclul oxigenului, carbonului și altor elemente implicate în fotosinteză menține compoziția actuală a atmosferei necesară vieții pe Pământ. Fotosinteza previne creșterea concentrației de CO 2 , prevenind supraîncălzirea Pământului din cauza așa-numitului „efect de seră”.

Deoarece plantele verzi reprezintă baza nutrițională directă sau indirectă a tuturor celorlalte organisme heterotrofe, fotosinteza satisface nevoile alimentare ale tuturor viețuitoarelor de pe planeta noastră. Este cea mai importantă bază a agriculturii și silviculturii. Deși posibilitățile de a-l influența sunt încă mici, ele sunt încă folosite într-o oarecare măsură. Prin creșterea concentrației de dioxid de carbon din aer la 0,1% (față de 0,3% în atmosfera naturală), a fost posibil, de exemplu, să se tripleze randamentul de castraveți și roșii.

Un metru pătrat de suprafață a frunzei produce aproximativ un gram de zahăr într-o oră; Aceasta înseamnă că toate plantele, conform unei estimări aproximative, elimină din atmosferă între 100 și 200 de miliarde de tone de C pe an. Aproximativ 60% din această cantitate este absorbită de păduri, ocupând 30% din suprafața terenului neacoperită cu gheață, 32% de terenuri cultivate, iar restul de 8% de plante de stepă și zone deșertice, precum și orașe și orașe.

O plantă verde este capabilă nu numai să folosească dioxid de carbon și să creeze zahăr, ci și să transforme compușii de azot și compușii de sulf în substanțe care alcătuiesc corpul său. Prin sistemul radicular, planta primește ioni de nitrat dizolvați în apa din sol și îi prelucrează în celulele sale în aminoacizi - componentele principale ale tuturor compușilor proteici. Componentele grăsimilor apar și din compușii formați în timpul proceselor metabolice și energetice. Acizii grași și glicerolul produc grăsimi și uleiuri, care servesc în principal ca substanțe de rezervă pentru plantă. Semințele a aproximativ 80% din toate plantele conțin grăsimi ca substanță de rezervă bogată în energie. Producția de semințe, grăsimi și uleiuri joacă un rol important în industria agricolă și alimentară.

Fotosinteză este procesul de transformare a energiei luminii în energia legăturilor chimice ale compușilor organici cu participarea clorofilei.

Ca rezultat al fotosintezei, se produc anual aproximativ 150 de miliarde de tone de materie organică și aproximativ 200 de miliarde de tone de oxigen. Acest proces asigură ciclul carbonului în biosferă, împiedicând acumularea dioxidului de carbon și prevenind astfel efectul de seră și supraîncălzirea Pământului. Substanțele organice formate ca urmare a fotosintezei nu sunt consumate complet de alte organisme; o parte semnificativă din ele de-a lungul a milioane de ani au format depozite de minerale (cărbune tare și brun, petrol). Recent, uleiul de rapiță („biodiesel”) și alcoolul obținut din reziduuri vegetale au început să fie și ele folosite drept combustibil. Ozonul se formează din oxigen sub influența descărcărilor electrice, care formează un ecran de ozon care protejează toată viața de pe Pământ de efectele distructive ale razelor ultraviolete.

Compatriotul nostru, remarcabilul fiziolog al plantelor K. A. Timiryazev (1843-1920), a numit rolul fotosintezei „cosmic”, deoarece conectează Pământul cu Soarele (spațiul), oferind un aflux de energie planetei.

Fazele fotosintezei. Reacții luminoase și întunecate ale fotosintezei, relația lor

În 1905, fiziologul englez F. Blackman a descoperit că rata fotosintezei nu poate crește la infinit, ci un factor o limitează. Pe baza acestui fapt, el a emis ipoteza că există două faze ale fotosintezei: ușoarăȘi întuneric. La intensitate scăzută a luminii, viteza reacțiilor luminii crește proporțional cu creșterea intensității luminii și, în plus, aceste reacții nu depind de temperatură, deoarece nu necesită enzime pentru a se produce. Reacțiile luminoase au loc pe membranele tilacoide.

Viteza reacțiilor întunecate, dimpotrivă, crește odată cu creșterea temperaturii, totuși, la atingerea unui prag de temperatură de 30°C, această creștere se oprește, ceea ce indică natura enzimatică a acestor transformări care au loc în stromă. Trebuie remarcat faptul că lumina are și un anumit efect asupra reacțiilor întunecate, în ciuda faptului că sunt numite reacții întunecate.

Faza ușoară a fotosintezei (Fig. 2.44) are loc pe membranele tilacoide care poartă mai multe tipuri de complexe proteice, dintre care principalele sunt fotosistemele I și II, precum și ATP sintaza. Fotosistemele includ complexe pigmentare, care, pe lângă clorofilă, conțin și carotenoizi. Carotenoizii captează lumina în zonele din spectru unde clorofila nu o face și, de asemenea, protejează clorofila de distrugerea de către lumina de mare intensitate.

Pe lângă complexele pigmentare, fotosistemele includ și o serie de proteine ​​acceptoare de electroni, care transferă secvenţial electroni de la moleculele de clorofilă unele la altele. Secvența acestor proteine ​​se numește lanțul de transport de electroni al cloroplastelor.

Un complex special de proteine ​​este asociat și cu fotosistemul II, care asigură eliberarea de oxigen în timpul fotosintezei. Acest complex care eliberează oxigen conține ioni de mangan și clor.

ÎN faza luminoasa cuantele de lumină, sau fotonii, care cad pe moleculele de clorofilă situate pe membranele tilacoide, le transferă într-o stare excitată, caracterizată prin energie electronică mai mare. În acest caz, electronii excitați din clorofila fotosistemului I sunt transferați printr-un lanț de intermediari către purtătorul de hidrogen NADP, care atașează protonii de hidrogen, întotdeauna prezenți într-o soluție apoasă:

NADP+ 2e-+ 2H + → NADPH + H + .

NADPH + H + redus va fi utilizat ulterior în stadiul de întuneric. Electronii din clorofila fotosistemului II sunt, de asemenea, transferați de-a lungul lanțului de transport de electroni, dar ei umplu „găurile de electroni” ale clorofilei fotosistemului I. Lipsa de electroni din clorofila fotosistemului II este umplută prin îndepărtarea moleculelor de apă, care apare cu participarea complexului de eliberare a oxigenului deja menționat mai sus. Ca urmare a descompunerii moleculelor de apă, care se numește fotoliză, Se formează protoni de hidrogen și se eliberează oxigen molecular, care este un produs secundar al fotosintezei:

Н 2 0 →2Н + +2е- +1/2О 2

Protonii de hidrogen, acumulați în cavitatea tilacoidă ca urmare a fotolizei apei și pompării în timpul transferului de electroni de-a lungul lanțului de transport de electroni, curg din tilacoid printr-un canal din proteina membranei - ATP sintetaza, în timp ce ATP este sintetizat din ADP. . Acest proces se numește fotofosforilarea. Nu necesită participarea oxigenului, dar este foarte eficient, deoarece produce de 30 de ori mai mult ATP decât mitocondriile în timpul oxidării. ATP-ul generat în reacțiile luminoase va fi ulterior utilizat în reacțiile întunecate.

Ecuația generală pentru reacțiile fazei luminoase a fotosintezei poate fi scrisă după cum urmează:

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

Pe parcursul reacții întunecate fotosinteză (Fig. 2.45) are loc legarea moleculelor de CO 2 sub formă de glucide, care consumă molecule de ATP și NADPH + H + sintetizate în reacții de lumină:

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

Procesul de legare a dioxidului de carbon este un lanț complex de transformări numit Ciclul Calvinîn onoarea descoperitorului său. Reacțiile întunecate apar în stroma cloroplastelor. Pentru apariția lor, este necesar un aflux constant de dioxid de carbon din exterior prin stomate și apoi prin sistemul intercelular.

Primele care se formează în procesul de fixare a dioxidului de carbon sunt zaharurile cu trei atomi de carbon, care sunt produsele primare ale fotosintezei, în timp ce glucoza formată mai târziu, care este cheltuită pentru sinteza amidonului și alte procese vitale, este numită produsul final al fotosintezei. .

Astfel, în timpul procesului de fotosinteză, energia luminii solare este transformată în energia legăturilor chimice ale compușilor organici complecși, nu fără participarea clorofilei. Ecuația generală pentru fotosinteză poate fi scrisă după cum urmează:

6С0 2 + 12Н 2 0 → С 6 Н 12 0 6 + 60 2 + 6Н 2 0 sau

6С0 2 + 6Н 2 0 →С 6 Н 12 0 6 + 60 2.

Reacțiile fazelor luminoase și întunecate ale fotosintezei sunt interconectate, deoarece o creștere a ratei unui singur grup de reacții afectează intensitatea întregului proces de fotosinteză doar până la un anumit punct, până când al doilea grup de reacții acționează ca un limitator. factor, și este nevoie de a accelera reacțiile celui de-al doilea grup pentru ca primul să aibă loc fără restricții.

Etapa de lumină, care are loc în tilacoizi, asigură stocarea energiei pentru formarea de ATP și purtători de hidrogen. În a doua etapă, întunecată, produsele energetice din prima etapă sunt utilizate pentru a reduce dioxidul de carbon, iar acest lucru se întâmplă în compartimentele stromei cloroplastice.

Viteza fotosintezei este influențată de diverși factori de mediu: lumină, concentrația de dioxid de carbon în atmosferă, temperatura aerului și a solului, disponibilitatea apei etc.

Pentru a caracteriza fotosinteza se folosește conceptul de productivitate a acesteia.

Productivitate fotosintetică este masa de glucoză sintetizată în 1 oră la 1 dm 2 de suprafață a frunzei. Această rată de fotosinteză este maximă în condiții optime.

Fotosinteza este inerentă nu numai plantelor verzi, ci și multor bacterii, inclusiv cianobacteriile, bacteriile verzi și violete, dar în acestea din urmă poate avea unele diferențe, în special, în timpul fotosintezei, este posibil ca bacteriile să nu elibereze oxigen (acest lucru nu se aplică pentru cianobacterii).

Fotosinteza este procesul care are ca rezultat formarea și eliberarea de oxigen de către celulele vegetale și unele tipuri de bacterii.

Concept de bază

Fotosinteza nu este altceva decât un lanț de reacții fizice și chimice unice. În ce constă? Plantele verzi, precum și unele bacterii, absorb lumina soarelui și le transformă în energie electromagnetică. Rezultatul final al fotosintezei este energia legăturilor chimice ale diferiților compuși organici.

Într-o plantă expusă la lumina soarelui, reacțiile redox apar într-o anumită secvență. Apa și hidrogenul, care sunt agenți reducători ai donatorilor, se deplasează sub formă de electroni la agentul acceptor-oxidant (dioxid de carbon și acetat). Ca urmare, se formează compuși de carbohidrați redusi, precum și oxigen, care este eliberat de plante.

Istoria studiului fotosintezei

Timp de multe milenii, omul a fost convins că nutriția unei plante are loc prin sistemul radicular prin sol. La începutul secolului al XVI-lea, naturalistul olandez Jan Van Helmont a efectuat un experiment cu cultivarea plantei într-un ghiveci. După ce a cântărit solul înainte de plantare și după ce planta a atins o anumită dimensiune, a ajuns la concluzia că toți reprezentanții florei au primit nutrienți în principal din apă. Oamenii de știință au aderat la această teorie în următoarele două secole.

O presupunere neașteptată, dar corectă, despre nutriția plantelor a fost făcută în 1771 de chimistul englez Joseph Priestley. Experimentele pe care le-a efectuat au demonstrat în mod convingător că plantele sunt capabile să purifice aerul care anterior nu era potrivit pentru respirația umană. Ceva mai târziu, s-a ajuns la concluzia că aceste procese sunt imposibile fără participarea luminii solare. Oamenii de știință au descoperit că frunzele verzi ale plantelor fac mai mult decât simpla transformare a dioxidului de carbon pe care îl primesc în oxigen. Fără acest proces viața lor este imposibilă. Împreună cu apa și sărurile minerale, dioxidul de carbon servește ca hrană pentru plante. Aceasta este semnificația principală a fotosintezei pentru toți reprezentanții florei.

Rolul oxigenului pentru viața pe Pământ

Experimentele efectuate de chimistul englez Priestley au ajutat omenirea să explice de ce aerul de pe planeta noastră rămâne respirabil. La urma urmei, viața se menține în ciuda existenței unui număr mare de organisme vii și a arderii a nenumărate incendii.

Apariția vieții pe Pământ cu miliarde de ani în urmă a fost pur și simplu imposibilă. Atmosfera planetei noastre nu conținea oxigen liber. Totul s-a schimbat odată cu apariția plantelor. Tot oxigenul din atmosferă de astăzi este rezultatul fotosintezei care are loc în frunzele verzi. Acest proces a schimbat aspectul Pământului și a dat impuls dezvoltării vieții. Această semnificație neprețuită a fotosintezei a fost pe deplin realizată de omenire abia la sfârșitul secolului al XVIII-lea.

Nu este o exagerare să spunem că însăși existența oamenilor de pe planeta noastră depinde de starea lumii vegetale. Importanța fotosintezei constă în rolul său principal pentru apariția diferitelor procese ale biosferei. La scară globală, această reacție fizico-chimică uimitoare duce la formarea de substanțe organice din cele anorganice.

Clasificarea proceselor de fotosinteză

Într-o frunză verde apar trei reacții importante. Ele reprezintă fotosinteza. Tabelul în care sunt înregistrate aceste reacții este folosit în studiul biologiei. Liniile sale includ:

Fotosinteză;
- schimb de gaze;
- evaporarea apei.

Acele reacții fizico-chimice care apar în plantă în timpul zilei permit frunzelor verzi să elibereze dioxid de carbon și oxigen. În întuneric - doar prima dintre aceste două componente.

Sinteza clorofilei la unele plante are loc chiar și la iluminare scăzută și difuză.

Etape principale

Există două faze ale fotosintezei, care sunt strâns legate între ele. În prima etapă, energia razelor de lumină este transformată în compuși cu energie înaltă ATP și agenți reducători universali NADPH. Aceste două elemente sunt produsele primare ale fotosintezei.

În a doua etapă (întunecată), ATP și NADPH rezultate sunt folosite pentru a fixa dioxidul de carbon până când acesta este redus la carbohidrați. Cele două faze ale fotosintezei diferă nu numai în timp. Ele apar și în spații diferite. Pentru oricine studiază subiectul „fotosinteză” în biologie, un tabel cu o indicație precisă a caracteristicilor celor două faze va ajuta la o înțelegere mai precisă a procesului.

Mecanismul de producere a oxigenului

După ce plantele absorb dioxidul de carbon, nutrienții sunt sintetizați. Acest proces are loc în pigmenții verzi numiți clorofile atunci când sunt expuși la lumina soarelui. Principalele componente ale acestei reacții uimitoare sunt:

Ușoară;
- cloroplaste;
- apa;
- dioxid de carbon;
- temperatura.

Secvența fotosintezei

Plantele produc oxigen în etape. Principalele etape ale fotosintezei sunt următoarele:

Absorbția luminii de către clorofile;
- diviziunea apei obtinute din sol in oxigen si hidrogen de catre cloroplaste (organite intracelulare de pigment verde);
- deplasarea unei părți a oxigenului în atmosferă, iar a celeilalte pentru procesul respirator al plantelor;
- formarea moleculelor de zahăr în granulele proteice (pirenoide) ale plantelor;
- producerea de amidon, vitamine, grăsimi etc. ca urmare a amestecării zahărului cu azotul.

În ciuda faptului că fotosinteza necesită lumină solară, această reacție poate apărea și sub lumină artificială.

Rolul florei pentru Pământ

Procesele de bază care au loc într-o frunză verde au fost deja studiate destul de pe deplin de știința biologiei. Importanța fotosintezei pentru biosferă este enormă. Aceasta este singura reacție care duce la o creștere a cantității de energie liberă.

În timpul procesului de fotosinteză, în fiecare an se formează o sută cincizeci de miliarde de tone de substanțe organice. În plus, în această perioadă, plantele eliberează aproape 200 de milioane de tone de oxigen. În acest sens, se poate susține că rolul fotosintezei este enorm pentru întreaga umanitate, deoarece acest proces servește ca principală sursă de energie pe Pământ.

În procesul unei reacții fizico-chimice unice, are loc ciclul carbonului, oxigenului și multe alte elemente. Aceasta implică o altă semnificație importantă a fotosintezei în natură. Această reacție menține o anumită compoziție a atmosferei la care este posibilă viața pe Pământ.

Un proces care are loc în plante limitează cantitatea de dioxid de carbon, împiedicând acumularea acestuia în concentrații crescute. Acesta este, de asemenea, un rol important pentru fotosinteză. Pe Pământ, datorită plantelor verzi, așa-numitul efect de seră nu este creat. Flora protejează în mod fiabil planeta noastră de supraîncălzire.

Flora ca bază a nutriției

Rolul fotosintezei este important pentru silvicultură și agricultură. Lumea plantelor este baza nutrițională pentru toate organismele heterotrofe. Cu toate acestea, semnificația fotosintezei constă nu numai în absorbția dioxidului de carbon de către frunzele verzi și producerea unui astfel de produs finit al unei reacții unice precum zahărul. Plantele sunt capabile să transforme compușii de azot și sulf în substanțe care formează corpul lor.

Cum se întâmplă asta? Care este importanța fotosintezei în viața plantelor? Acest proces se realizează prin producerea de ioni de nitrați de către plantă. Aceste elemente se găsesc în apa din sol. Ele intră în plantă prin sistemul radicular. Celulele unui organism verde procesează ionii de nitrat în aminoacizi, care alcătuiesc lanțurile proteice. Procesul de fotosinteză produce, de asemenea, componente de grăsime. Sunt substanțe de rezervă importante pentru plante. Astfel, semințele multor fructe conțin ulei nutritiv. Acest produs este important și pentru oameni, deoarece este utilizat în industria alimentară și agricolă.

Rolul fotosintezei în producția de culturi

În practica mondială a întreprinderilor agricole, rezultatele studierii modelelor de bază ale dezvoltării și creșterii plantelor sunt utilizate pe scară largă. După cum știți, baza formării culturilor este fotosinteza. Intensitatea sa, la rândul ei, depinde de regimul de apă al culturilor, precum și de nutriția minerală a acestora. Cum poate o persoană să crească densitatea culturii și dimensiunea frunzelor, astfel încât planta să folosească la maximum energia soarelui și să ia dioxid de carbon din atmosferă? Pentru a realiza acest lucru, sunt optimizate condițiile de nutriție minerală și de alimentare cu apă a culturilor agricole.

S-a dovedit științific că randamentul depinde de suprafața frunzelor verzi, precum și de intensitatea și durata proceselor care au loc în acestea. Dar, în același timp, o creștere a densității culturii duce la umbrirea frunzelor. Lumina soarelui nu poate pătrunde în ele, iar din cauza deteriorării ventilației maselor de aer, dioxidul de carbon intră în volume mici. Ca urmare, activitatea procesului de fotosinteză scade, iar productivitatea plantelor scade.

Rolul fotosintezei pentru biosferă

Conform celor mai aproximative estimări, doar plantele autotrofe care trăiesc în apele Oceanului Mondial transformă anual de la 20 la 155 de miliarde de tone de carbon în materie organică. Și asta în ciuda faptului că energia razelor solare este folosită de ei doar cu 0,11%. În ceea ce privește plantele terestre, acestea absorb anual de la 16 la 24 de miliarde de tone de carbon. Toate aceste date indică în mod convingător cât de importantă este fotosinteza în natură. Numai ca urmare a acestei reacții atmosfera este completată cu oxigenul molecular necesar vieții, care este necesar pentru ardere, respirație și diferite activități industriale. Unii oameni de știință cred că atunci când nivelul de dioxid de carbon din atmosferă crește, rata fotosintezei crește. În același timp, atmosfera este completată cu oxigen lipsă.

Rolul cosmic al fotosintezei

Plantele verzi sunt intermediari între planeta noastră și Soare. Ele captează energia corpului ceresc și asigură existența vieții pe planeta noastră.

Fotosinteza este un proces care poate fi discutat la scară cosmică, deoarece a contribuit cândva la transformarea imaginii planetei noastre. Datorită reacției care are loc în frunzele verzi, energia razelor solare nu este disipată în spațiu. Se transformă în energie chimică a substanțelor organice nou formate.

Societatea umană are nevoie de produsele fotosintezei nu numai pentru hrană, ci și pentru activități economice.

Cu toate acestea, nu numai acele raze de soare care cad pe Pământul nostru în prezent sunt importante pentru umanitate. Acele produse ale fotosintezei care au fost obținute cu milioane de ani în urmă sunt extrem de necesare vieții și activităților de producție. Ele se găsesc în intestinele planetei sub formă de straturi de cărbune, gaz combustibil și petrol și depozite de turbă.