Ormanlar boşuna değil "gezegenin yeşil akciğerleri" olarak kabul edilir. Fotosentez nedir ve bu sürecin nasıl gerçekleştiğini ayrıntılı olarak ele alacağız.
Fotosentez nedir?
Fotosentez - Organik bitkilerin özel bitki pigmentleri ve inorganik maddelerden (karbon dioksit, su) gelen ışık enerjisi kullanılarak ortaya çıktığı biyokimyasal bir süreç. Bu, organizmaların çoğunun ortaya çıktığı ve gezegende var olmaya devam ettiği için en önemli süreçlerden biridir.
İlginç gerçek: Karasal bitkiler ve yeşil algler fotosentez yapabilir. Bu durumda, algler (fitoplankton)% 80 oksijen üretir.
Fotosentezin Dünyadaki Yaşam için Önemi
Fotosentez olmadan, birçok canlı organizma yerine, gezegenimizde sadece bakteriler var olacaktı. Bakterilerin gelişmesine izin veren, bu kimyasal işlem sonucunda elde edilen enerjidir.
Herhangi bir doğal süreç enerjiye ihtiyaç duyar. Güneşten geliyor. Ancak güneş ışığı ancak bitkiler tarafından dönüştürüldükten sonra şekillenir.
Bitkiler enerjinin sadece bir kısmını kullanırlar ve geri kalanı kendi içlerinde birikir. Yırtıcı hayvanlar için yiyecek olan otçulları yerler. Zincir boyunca, her bağlantı gerekli değerli maddeleri ve enerjiyi alır.
Reaksiyon sırasında üretilen oksijen, tüm canlıların nefes alması için gereklidir. Nefes almak fotosentezin tam tersidir. Bu durumda, organik madde oksitlenir, yok edilir. Ortaya çıkan enerji organizmalar tarafından çeşitli hayati görevleri yerine getirmek için kullanılır.
Gezegenin varlığı sırasında, az sayıda bitki olduğunda, oksijen neredeyse yoktu. İlkel yaşam formları başka yollarla minimum enerji aldı. Geliştirme için çok azdı. Bu nedenle, oksijen nedeniyle nefes almak daha fazla fırsat yaratmıştır.
Fotosentezin bir başka işlevi, organizmaların ultraviyole ışığa maruz kalmasından korunmasıdır. Stratosferde yaklaşık 20-25 km yükseklikte bulunan ozon tabakasından bahsediyoruz. Güneş ışığının etkisi altında ozona dönüşen oksijen nedeniyle oluşur. Bu koruma olmasaydı, Dünya'daki yaşam sadece sualtı organizmaları ile sınırlı olurdu.
Organizmalar solunum sırasında karbondioksit salar. Fotosentezin vazgeçilmez bir unsurudur. Aksi takdirde, karbondioksit üst atmosferde birikerek sera etkisini büyük ölçüde artırır.
Bu, özü atmosferin sıcaklığını olumsuz sonuçlarla arttırmak olan ciddi bir çevresel sorundur. Bunlar arasında iklim değişikliği (küresel ısınma), eriyen buzullar, yükselen deniz seviyeleri vb.
Fotosentez Fonksiyonları:
- oksijen gelişimi;
- enerji oluşumu;
- besin oluşumu;
- ozon tabakasının oluşturulması.
Fotosentez tanımı ve formülü
“Fotosentez” terimi iki kelimenin bir kombinasyonundan gelir: fotoğraf ve sentez. Eski Yunancadan çevrilmiş, sırasıyla "hafif" ve "bağlantı" anlamına gelir. Böylece, ışığın enerjisi organik maddelerin bağ enerjisine dönüştürülür.
Şema:
Karbondioksit + su + ışık = karbonhidrat + oksijen.
Fotosentez için bilimsel formül:
6CO2 +6H2O → C6N-12HAKKINDA6 + 6O2.
Fotosentez, suyun ve CO'nun doğrudan teması2 görünmez.
Fotosentezin bitkiler için önemi
Bitkiler organik madde, büyüme ve gelişme için enerji gerektirir. Fotosentez sayesinde kendilerine bu bileşenleri sağlarlar. Organik maddelerin oluşturulması bitkiler için fotosentezin ana hedefidir ve oksijenin salınması bir yan reaksiyon olarak kabul edilir.
İlginç gerçek: Bitkiler benzersizdir, çünkü enerji elde etmek için başka organizmalara ihtiyaç duymazlar.Bu nedenle, ayrı bir grup oluştururlar - ototroflar (antik Yunan dilinden “Kendimi yerim” den çevrilmiştir).
Fotosentez nasıl oluşur?
Fotosentez doğrudan bitkilerin yeşil kısımlarında gerçekleşir - kloroplast. Bunlar bitki hücrelerinin bir parçasıdır. Kloroplastlar bir madde içerir - klorofil. Bu ana fotosentetik pigmenttir, bunun sayesinde tüm reaksiyon gerçekleşir. Ek olarak, klorofil bitki örtüsünün yeşil rengini belirler.
Bu pigment, ışığı emme yeteneği ile karakterizedir. Ve bitkinin hücrelerinde, su ve CO'nun bulunduğu gerçek bir biyokimyasal "laboratuvar" başlatılır2 oksijene, karbonhidratlara dönüşür.
Su bitkinin kök sistemine girer ve gaz doğrudan yapraklara nüfuz eder. Işık bir enerji kaynağı olarak hareket eder. Hafif bir parçacık bir klorofil molekülüne etki ettiğinde, aktivasyonu meydana gelir. Su molekülünde H2O oksijen (O) henüz talep edilmemiştir. Böylece, bitkiler için bir yan ürün haline gelir, ancak bizim için çok önemli bir reaksiyon ürünüdür.
Fotosentez Aşamaları
Fotosentez iki aşamaya ayrılır: açık ve koyu. Aynı anda, ancak kloroplastın farklı kısımlarında ortaya çıkarlar. Her aşamanın adı kendisi için konuşur. Işığa veya ışığa bağımlı faz sadece hafif parçacıkların katılımıyla gerçekleşir. Karanlık veya uçucu olmayan fazda, ışık gerekli değildir.
Her aşamayı daha ayrıntılı olarak incelemeden önce, aşamaların özünü ve yerini belirlediği için kloroplastın yapısını anlamaya değer. Kloroplast çeşitli plastidlerdir ve hücrenin içinde diğer bileşenlerinden ayrı olarak bulunur. Bir tohum şeklindedir.
Fotosenteze katılan kloroplast bileşenleri:
- 2 membran;
- stroma (iç sıvı);
- tilakoidler;
- lümenler (tilakoidlerin içindeki boşluklar).
Fotosentezin ışık fazı
Tilakoidlerden, daha doğrusu zarlarından akar. Işık onlara çarptığında, negatif yüklü elektronlar serbest kalır ve birikir. Böylece, fotosentetik pigmentler tüm elektronları kaybeder, bundan sonra su moleküllerinin bozulma sırasıdır:
'H2O → H + + OH-
Bu durumda, oluşan hidrojen protonları pozitif bir yüke sahiptir ve iç tilakoid membran üzerinde birikir. Sonuç olarak, yükü artı olan protonlar ve yükü eksi olan elektronlar sadece bir zar ile ayrılır.
Oksijen bir yan ürün olarak üretilir:
4OH → O2 + 2H2Ö
Belli bir anda, elektronların ve hidrojen protonlarının fazları çok fazla olur. Daha sonra ATP sentaz enzimi işe girer. Görevi, hidrojen protonlarını tilakoid membrandan kloroplast sıvı ortamına - stromaya aktarmaktır.
Bu aşamada, hidrojen başka bir taşıyıcı - NADP'nin (nikotinamidin nükleotid fosfatın kısaltması) hizmetindedir. Aynı zamanda hücrelerdeki oksidatif reaksiyonları hızlandıran bir enzim türüdür. Bu durumda, görevi bir karbonhidrat reaksiyonunda hidrojen protonlarını taşımaktır.
Bu aşamada, büyük miktarda enerjinin üretildiği fotofosfolasyon süreci meydana gelir. Kaynağı ATP - adenosin trifosforik asittir.
Kısa anahat:
- Klorofil üzerindeki kuantum ışığın vuruşu.
- Elektronların seçimi.
- Oksijenin evrimi.
- NADPH oksidaz oluşumu.
- ATP enerji üretimi.
İlginç gerçek: Atlantik Okyanusu'nun Afrika kıyısında yetişen Velvichia adında bir kalıntı bitki var. Bu, fotosentez yapabilen minimum yaprak sayısına sahip bir türün tek temsilcisidir. Bununla birlikte, Velvich'in yaşı yaklaşık 2000 yıla ulaşmaktadır.
Fotosentezin karanlık aşaması
Işıktan bağımsız faz doğrudan stromada meydana gelir. Bir dizi enzimatik reaksiyonu temsil eder. Suda çözünen ışık aşamasında emilen karbon dioksit ve bu aşamada glikoza indirgenir. Karmaşık organik maddeler de üretilir.
Karanlık fazın reaksiyonları üç ana türe ayrılır ve fotosentezin gerçekleştiği hücrelerde bitkilerin tipine (daha kesin olarak metabolizmaları) bağlıdır:
- İLE3-Bitkiler;
- İLE4-Bitkiler;
- CAM bitkileri.
K C3- Bitkiler ılıman iklimlerde yetişen tarımsal ürünlerin çoğunu içerir. Fotosentez sırasında karbondioksit fosfogliserik asit olur.
Subtropikal ve tropikal türler, özellikle yabani otlar, C4 bitkilerine aittir. Karbondioksitin oksaloasetata dönüşümü ile karakterizedirler. CAM bitkileri, nemi olmayan bir bitki kategorisidir. Özel bir fotosentez türünde farklılık gösterirler - CAM.
İLE3-fotosentez
En yaygın olanı C3Bu reaksiyonların incelenmesine büyük katkıda bulunan ve bunun için Nobel Ödülü alan Amerikalı bilim adamı Melvin Calvin'in onuruna - Calvin döngüsü olarak da adlandırılan fotosentez.
Bitkiler C olarak adlandırılır3 çünkü karanlık fazın reaksiyonları sırasında 3-fosfogliserik asit - 3-PGA'nın 3-karbon molekülleri oluşur. Çeşitli enzimler doğrudan dahil edilir.
Tam bir glikoz molekülünün oluşması için, ışıktan bağımsız fazın 6 reaksiyon döngüsü geçmelidir. Karbonhidrat, Calvin döngüsünde fotosentezin ana ürünüdür, ancak buna ek olarak, yağ ve amino asitlerin yanı sıra glikolipidler üretilir. C3 bitki fotosentezi sadece mezofil hücrelerde gerçekleşir.
C'nin ana dezavantajı3fotosentez
C Grubu tesisler3önemli bir dezavantaj ile karakterizedir. Ortamda yeterli nem yoksa, fotosentez yeteneği önemli ölçüde azalır. Bu fotorespirasyondan kaynaklanmaktadır.
Gerçek şu ki, kloroplastlarda düşük konsantrasyonda karbondioksit (50: 1000 000'dan az) ile, karbon sabitleme yerine oksijen sabitlenir. Özel enzimler önemli ölçüde yavaşlar ve güneş enerjisini boşa harcar.
Aynı zamanda, bitkinin büyüme ve gelişmesi yavaşlar, çünkü organik madde içermez. Ayrıca, atmosfere oksijen salınımı yoktur.
İlginç gerçek: Elysia chlorotica deniz salyangozu, bitkiler gibi fotosentez yapan eşsiz bir hayvandır. Kloroplastlar sindirim sisteminin hücrelerine nüfuz eden ve orada aylarca fotosentez yapan yosunlarla beslenir. Üretilen karbonhidratlar sülüklere yiyecek olarak hizmet eder.
C4 fotosentezi
C'nin aksine3-sentez, burada karbon dioksit fiksasyon reaksiyonları çeşitli bitki hücrelerinde gerçekleştirilir. Bu tür bitkiler fotorespirasyon problemiyle başa çıkabilir ve bunu iki aşamalı bir döngü ile yaparlar.
Bir yandan yüksek düzeyde karbondioksit korunurken, diğer yandan kloroplastlardaki düşük oksijen seviyesi kontrol edilir. Bu taktik C4 bitkilerinin foto nefes almasını ve buna bağlı zorlukları önlemesini sağlar. Bu gruptaki bitkilerin temsilcileri şeker kamışı, mısır, darı vb.
C bitkilerine kıyasla3 yüksek sıcaklık ve nem eksikliği durumunda fotosentez işlemlerini çok daha yoğun bir şekilde gerçekleştirebilirler. İlk aşamada, 4-karbonik asidin oluştuğu mezofil hücrelerinde karbon dioksit sabitlenir. Daha sonra asit kabuğa geçer ve orada 3 karbonlu bir bileşik ve karbon dioksite ayrışır.
İkinci aşamada, elde edilen karbon dioksit, enerji metabolizması için gerekli olan gliseraldehid-3-fosfat ve karbonhidratların üretildiği Calvin döngüsünde çalışmaya başlar.
C4 bitkilerindeki iki aşamalı fotosentez nedeniyle, Kelvin döngüsü için yeterli miktarda karbondioksit oluşur. Bu nedenle, enzimler tam güçle çalışır ve boşuna enerji harcamaz.
Ancak bu sistemin dezavantajları vardır. Özellikle, daha fazla miktarda ATP enerjisi tüketilir - 4-karbon asitlerin 3-karbon asitlere ve ters yönde dönüştürülmesi için gereklidir. Yani C3-Fotosentez her zaman uygun miktarda su ve ışık ile C4'ten daha verimlidir.
Fotosentez oranını ne etkiler?
Fotosentez farklı hızlarda ortaya çıkabilir. Bu süreç çevresel koşullara bağlıdır:
- Su;
- ışığın dalga boyu;
- karbon dioksit;
- sıcaklık.
Su temel bir faktördür, bu nedenle eksik olduğunda reaksiyonlar yavaşlar. Fotosentez için en uygun olanı kırmızı ve mavi-mor spektrumun dalgalarıdır. Yüksek derecede bir aydınlatma da tercih edilir, ancak sadece belirli bir değere - ulaşıldığında, aydınlatma ve reaksiyon hızı arasındaki bağlantı kaybolur.
Yüksek bir karbondioksit konsantrasyonu, hızlı fotosentetik işlemler sağlar veya bunun tersi de geçerlidir. Belirli sıcaklıklar reaksiyonları hızlandıran enzimler için önemlidir. Onlar için ideal koşullar yaklaşık 25-30 ℃.
Fotoğraf nefesi
Tüm canlıların nefes alması gerekir ve bitkiler istisna değildir. Bununla birlikte, içlerindeki bu süreç insanlara ve hayvanlara göre biraz farklıdır, bu yüzden buna fotorespirasyon denir.
Genellikle, nefes - canlı bir organizmanın ve çevresinin gaz alışverişinde bulunduğu fiziksel bir süreç. Tüm canlılar gibi, bitkilerin de nefes almak için oksijene ihtiyacı vardır. Ama ürettiklerinden çok daha az tüketiyorlar.
Sadece güneş ışığında meydana gelen fotosentez sırasında bitkiler kendileri için yiyecek oluştururlar. Gece gündüz gerçekleştirilen foto-solunum sırasında, bu besinler hücrelerdeki metabolizmayı desteklemek için onlar tarafından emilir.
İlginç gerçek: güneşli bir günde, 1 hektarlık bir orman arazisi 120 ila 280 kg karbon dioksit tüketir ve 180 ila 200 kg oksijen yayar.
Oksijen (karbondioksit gibi) bitki hücrelerine özel açıklıklar - stoma yoluyla nüfuz eder. Yaprakların altında bulunurlar. Bir sayfada yaklaşık 1000 stoma bulunabilir.
Aydınlatmaya bağlı olarak tesislerin gaz değişimi
Farklı aydınlatmalarda gaz değişim süreci aşağıdaki gibidir:
- Parlak ışık. Fotosentez sırasında karbondioksit kullanılır. Bitkiler tükettiklerinden daha fazla oksijen üretir. Fazlaları atmosfere girer. Karbondioksit solunumla salındığından daha hızlı tüketilir. Kullanılmayan karbonhidratlar, ileride kullanılmak üzere bitki tarafından depolanır.
- Düşük ışık. Bitki ürettiği tüm oksijeni tükettiği için çevre ile gaz değişimi gerçekleşmez.
- Işık eksikliği. Sadece solunum süreçleri meydana gelir. Karbondioksit açığa çıkar ve oksijen tüketilir.
Kemosentez
Bazı canlı organizmalar güneş ışığına ihtiyaç duymazken su ve karbondioksitten monokarbohidratlar oluşturabilirler. Bunlar bakterileri içerir ve enerji dönüşüm sürecine kemosentez denir.
Kemosentez Bu, glikozun sentezlendiği bir süreçtir, ancak güneş enerjisi yerine kimyasallar kullanılır. Enzimlerin çalışması için uygun olan ve ışığın olmadığı, yeterince yüksek bir sıcaklığa sahip alanlarda akar. Bunlar hidrotermal kaynakların yakınındaki alanlar, deniz derinliklerinde metan sızıntıları vb. Olabilir.
Fotosentez keşfinin tarihi
Fotosentezin keşfi ve çalışmasının tarihi, Jan Baptiste van Helmont'un o zamanki acil soruyu anlamaya karar verdiği 1600 yılına dayanıyor: bitkiler ne yiyor ve nereden faydalı maddeler alıyorlar?
O zaman, değerli elementlerin kaynağının toprak olduğuna inanılıyordu. Bilim adamı, dünyaya sahip bir kaba söğüt dalını yerleştirdi, ancak daha önce ağırlıklarını ölçtü. 5 yıl boyunca, ağacı suladı, suladı, daha sonra tekrar ölçüm prosedürleri yaptı.
Dünyanın ağırlığının 56 g azaldığı, ancak ağacın 30 kat daha ağır olduğu ortaya çıktı. Bu keşif, bitkilerin toprağa beslendiği ve yeni bir teori - su beslemesi yarattığı görüşünü çürüttü.
Gelecekte, birçok bilim adamı bunu reddetmeye çalıştı.Örneğin, Lomonosov kısmen yapısal bileşenlerin bitkilere yapraklardan girdiğine inanıyordu. Kurak bölgelerde başarılı bir şekilde yetişen bitkiler tarafından yönlendirildi. Ancak bu sürümü kanıtlamak mümkün olmadı.
Gerçek duruma en yakın şey, kimyasal bir bilim adamı ve yarı zamanlı rahip olan Joseph Priestley'di. Bir kez baş aşağı kavanozda ölü bir fare keşfetti ve bu olay onu 1770'lerde kemirgenler, mumlar ve kaplarla bir dizi deney yapmaya zorladı.
Priestley, üstte bir kavanozla kapatırsanız, mumun her zaman hızlı bir şekilde söneceğini buldu. Ayrıca, yaşayan bir organizma yaşayamaz. Bilim adamı, havayı yaşam için uygun hale getiren bazı kuvvetler olduğu sonucuna vardı ve bu fenomeni bitkilerle ilişkilendirmeye çalıştı.
Deneyler yapmaya devam etti, ancak bu sefer cam bir kabın altına nane büyüyen bir tencere koymaya çalıştı. Büyük bir sürprizle, bitki aktif olarak gelişmeye devam etti. Sonra Priestley bir kavanozun altına bir bitki ve bir fare ve ikincisinin altına sadece bir hayvan yerleştirdi. Sonuç açıktır - ilk tankın altında kemirgen zarar görmedi.
Kimyacının başarısı, dünyadaki diğer bilim insanlarının deneyi tekrarlama motivasyonu oldu. Ancak yakalama, papazın gündüz deneyler yapmasıydı. Ve örneğin, eczacı Karl Scheele - geceleri, boş zamanın olduğu zamanlarda. Sonuç olarak, bilim adamı Priestley'i aldatmakla suçladı, çünkü deneysel özneleri bitki ile deneye dayanamadı.
Kimyagerler arasında önemli faydalar sağlayan ve başka bir keşif yapılmasını mümkün kılan gerçek bir bilimsel çatışma başladı - bitkilerin havayı geri kazanmaları, güneş ışığına ihtiyaçları var.
Tabii ki, hiç kimse bu fenomeni fotosentez olarak adlandırmadı ve hala birçok soru vardı. Bununla birlikte, 1782'de botanikçi Jean Senebier, güneş ışığı varlığında bitkilerin hücresel düzeyde karbondioksiti parçalayabildiğini kanıtlayabildi. Ve son olarak, 1864'te bitkilerin karbondioksiti emdiğini ve oksijen salgıladığını gösteren deneysel kanıtlar ortaya çıktı. Bu, Almanya'dan bilim adamının erdemidir - Julius Sachs.