Celulele implicate în fotosinteză. Fotosinteză

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 rezultat, 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 cei care studiază tema „fotosinteza” în biologie, un tabel cu indicație precisă caracteristicile celor două faze vor 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:

Aprinde;
- 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, mulțumesc plante verzi nu se creează așa-numitul efect de seră. Flora protejează în mod fiabil planeta noastră de supraîncălzire.

Flora ca bază a nutriției

Rolul fotosintezei pentru pădure și agricultură. Floră este o bază nutritivă pentru toate organismele heterotrofe. Cu toate acestea, semnificația fotosintezei constă nu numai în absorbția dioxidului de carbon de către frunzele verzi și în 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.

Știți că fiecare frunză verde este o „fabrică” în miniatură de nutrienți și oxigen, care este necesară pentru viața normală nu numai pentru animale, ci și pentru oameni. Fotosinteza este procesul de producere a acestor substanțe din apă și dioxid de carbon din atmosferă. Acesta este un proces chimic foarte complex care are loc cu participarea luminii. Fără îndoială, toată lumea este interesată de modul în care are loc procesul de fotosinteză. Procesul constă din două etape: prima etapă este absorbția cuantelor de lumină, iar a doua etapă este utilizarea în diverse reactii chimice energia lor.

Cum are loc procesul de fotosinteză?
Planta absoarbe lumina folosind o substanță verde numită clorofilă. Clorofila este conținută în cloroplaste, care se găsesc în fructe și tulpini. Dar mai ales ei număr mare se află în frunze, deoarece frunza, datorită structurii sale destul de simple, poate atrage o cantitate mare de lumină și, în consecință, primește mult mai multă energie pentru procesul de fotosinteză.
Clorofila, după absorbție, se află într-o stare excitată și transferă energie altor molecule ale corpului plantei, în special celor care participă direct la fotosinteză. A doua etapă a procesului de fotosinteză are loc fără participarea obligatorie a luminii și constă în obținerea unei legături chimice cu participarea dioxidului de carbon, care este obținut din apă și aer. În această etapă, sunt sintetizate diverse substanțe foarte utile pentru viață, precum glucoza și amidonul.

Plantele însele folosesc aceste substanțe organice pentru a-și hrăni diferitele părți, precum și pentru a menține funcțiile normale ale vieții. În plus, aceste substanțe sunt obținute și de animalele care se hrănesc cu plante. O persoană obține aceste substanțe prin consumul de alimente de origine vegetală și animală.

Condiții pentru fotosinteză
Procesul de fotosinteză poate avea loc nu numai sub influența luminii artificiale, ci și a luminii solare. În natură, de regulă, plantele își desfășoară intens activitățile primăvara și vara, adică într-un moment în care este nevoie de multă lumină solară. Toamna este mai puțină lumină, zilele se scurtează, frunzele se îngălbenesc și apoi cad. Dar de îndată ce apare soarele cald de primăvară, frunzișul verde se trezește și „fabricile” verzi își reiau activitatea pentru a furniza o cantitate mare de nutrienți și oxigen, atât de necesar pentru viață.

Unde are loc procesul de fotosinteză?
Fotosinteza are loc în principal, după cum am spus mai sus, dacă vă amintiți, în frunzele plantelor, pentru că acestea au capacitatea de a primi o cantitate mare de lumină, atât de necesară procesului de fotosinteză.

În concluzie, putem rezuma și spune că un proces precum fotosinteza este o parte integrantă a vieții plantelor. Sperăm că articolul nostru a ajutat mulți oameni să înțeleagă ce este fotosinteza și de ce este necesară.

Plantele obțin apă și minerale din rădăcini. Frunzele oferă plantelor nutriție organică. Spre deosebire de rădăcini, ele nu se află în sol, ci în aer, prin urmare nu oferă sol, ci hrănire cu aer.

Din istoria studierii nutriției aeriene a plantelor

Cunoștințele despre nutriția plantelor s-au acumulat treptat. Cu aproximativ 350 de ani în urmă, omul de știință olandez Jan Helmont a experimentat pentru prima dată studiul nutriției plantelor. El a crescut salcie într-un vas de lut plin cu pământ, adăugând doar apă. Omul de știință a cântărit cu grijă frunzele căzute. După cinci ani, masa salciei împreună cu frunzele căzute a crescut cu 74,5 kg, iar masa solului a scăzut cu doar 57 g. Pe baza acestui lucru, Helmont a ajuns la concluzia că toate substanțele din plantă nu sunt formate din sol , dar din apă. Opinia că o plantă crește în dimensiune doar datorită apei a persistat până când sfârşitul XVIII-lea secol.

În 1771, chimistul englez Joseph Priestley a studiat dioxidul de carbon sau, așa cum l-a numit el, „aerul stricat” și a făcut o descoperire remarcabilă. Dacă aprindeți o lumânare și o acoperiți cu un capac de sticlă, atunci după ce ardeți puțin se va stinge. Un șoarece sub o astfel de glugă începe să se sufoce. Cu toate acestea, dacă plasați o ramură de mentă sub capac cu mouse-ul, mouse-ul nu se sufocă și continuă să trăiască. Aceasta înseamnă că plantele „corectează” aerul stricat de respirația animalelor, adică transformă dioxidul de carbon în oxigen.

În 1862, botanistul german Julius Sachs a demonstrat prin experimente că plantele verzi nu numai că produc oxigen, ci creează și substanțe organice care servesc drept hrană pentru toate celelalte organisme.

Fotosinteză

Principala diferență dintre plantele verzi și alte organisme vii este prezența în celulele lor a cloroplastelor care conțin clorofilă. Clorofila are proprietatea de a capta razele solare, a căror energie este necesară pentru crearea substanțelor organice. Procesul de formare a materiei organice din dioxid de carbon și apă folosind energia solară se numește fotosinteză (lumina greacă pbo1os). În timpul procesului de fotosinteză, nu se formează numai substanțe organice - zaharuri -, ci se eliberează și oxigen.

Schematic, procesul de fotosinteză poate fi descris după cum urmează:

Apa este absorbită de rădăcini și se deplasează prin sistemul conductiv al rădăcinilor și tulpinii către frunze. dioxid de carbon - componentă aer. Intră în frunze prin stomatele deschise. Absorbția dioxidului de carbon este facilitată de structura frunzei: suprafața plană a lamelor frunzelor, creșterea zonei de contact cu aerul și prezența număr mare stomatele din piele.

Zaharurile formate ca urmare a fotosintezei sunt transformate în amidon. Amidonul este o substanță organică care nu se dizolvă în apă. Kgo poate fi detectat cu ușurință folosind o soluție de iod.

Dovada formării amidonului în frunzele expuse la lumină

Să demonstrăm că amidonul se formează din dioxid de carbon și apă din frunzele verzi ale plantelor. Pentru a face acest lucru, luați în considerare un experiment care a fost efectuat cândva de Julius Sachs.

O planta de apartament (muscata sau primula) este tinuta la intuneric timp de doua zile, astfel incat tot amidonul sa fie consumat pentru procesele vitale. Apoi, mai multe frunze sunt acoperite pe ambele părți cu hârtie neagră, astfel încât doar o parte din ele să fie acoperită. În timpul zilei, planta este expusă la lumină, iar noaptea este iluminată suplimentar cu o lampă de masă.

După o zi, frunzele studiate sunt tăiate. Pentru a afla în ce parte din amidonul frunzelor se formează, frunzele se fierb în apă (pentru a umfla boabele de amidon) și apoi se păstrează în alcool fierbinte (clorofila se dizolvă și frunza se decolorează). Apoi frunzele sunt spălate în apă și tratate cu o soluție slabă de iod. Astfel, zonele de frunze care au fost expuse la lumină capătă o culoare albastră din acțiunea iodului. Aceasta înseamnă că amidonul s-a format în celulele părții iluminate a frunzei. Prin urmare, fotosinteza are loc numai în lumină.

Dovezi pentru necesitatea de dioxid de carbon pentru fotosinteză

Pentru a demonstra că dioxidul de carbon este necesar pentru formarea amidonului în frunze, planta de apartament de asemenea precondiționat în întuneric. Una dintre frunze se pune apoi într-un balon cu o cantitate mică de apă de var. Balonul este închis cu un tampon de bumbac. Planta este expusă la lumină. Dioxidul de carbon este absorbit de apa de var, deci nu va fi în balon. Frunza este tăiată și, la fel ca în experimentul anterior, examinată pentru prezența amidonului. Se ține în apă fierbinte și alcool și se tratează cu soluție de iod. Cu toate acestea, în acest caz, rezultatul experimentului va fi diferit: foaia nu este vopsită albastru, pentru că nu contine amidon. Prin urmare, pentru formarea amidonului, pe lângă lumină și apă, este nevoie de dioxid de carbon.

Astfel, am răspuns la întrebarea ce hrană primește planta din aer. Experiența a arătat că este dioxid de carbon. Este necesar pentru formarea materiei organice.

Organismele care creează în mod independent substanțe organice pentru a-și construi corpul se numesc autotrophamnes (greacă autos - în sine, trophe - hrană).

Dovezi ale producției de oxigen în timpul fotosintezei

Pentru a demonstra că în timpul fotosintezei plantele eliberează oxigen în mediul extern, luați în considerare un experiment cu planta acvatica Elodea. Lăstarii de Elodea sunt scufundați într-un vas cu apă și acoperiți cu o pâlnie deasupra. Puneți o eprubetă umplută cu apă la capătul pâlniei. Planta este expusă la lumină timp de două până la trei zile. În lumină, elodea produce bule de gaz. Se acumulează în partea de sus a eprubetei, înlocuind apa. Pentru a afla ce fel de gaz este, eprubeta este îndepărtată cu grijă și se introduce în ea o așchie care mocnește. Așchia clipește puternic. Aceasta înseamnă că oxigenul s-a acumulat în balon, susținând arderea.

Rolul cosmic al plantelor

Plantele care conțin clorofilă sunt capabile să absoarbă energia solară. Prin urmare K.A. Timiryazev a numit rolul lor pe Pământ cosmic. O parte din energia solară stocată în materia organică poate fi stocată pentru o perioadă lungă de timp. Cărbunele, turba, uleiul sunt formate din substanțe care în vremurile geologice străvechi erau create de plantele verzi și absorbeau energia Soarelui. Prin arderea materialelor naturale combustibile, o persoană eliberează energia stocată cu milioane de ani în urmă de plantele verzi.

Fotosinteza are loc la plante (în principal în frunzele lor) la lumină.

Acesta este un proces în care substanța organică glucoza (unul dintre tipurile de zaharuri) se formează din dioxid de carbon și apă. Apoi, glucoza din celule este transformată într-o substanță mai complexă, amidonul. Atât glucoza, cât și amidonul sunt carbohidrați.

Procesul de fotosinteză nu numai că produce materie organică, dar produce și oxigen ca produs secundar.

Dioxidul de carbon și apa sunt substanțe anorganice, în timp ce glucoza și amidonul sunt organice. Prin urmare, se spune adesea că fotosinteza este procesul de formare a substanțelor organice din substanțe anorganice în lumină. Doar plantele, unele eucariote unicelulare și unele bacterii sunt capabile de fotosinteză. Nu există un astfel de proces în celulele animalelor și ciupercilor, astfel încât acestea sunt forțate să absoarbă din mediu substanțe organice. În acest sens, plantele sunt numite autotrofe, iar animalele și ciupercile sunt numite heterotrofe.

Procesul de fotosinteză la plante are loc în cloroplaste, care conțin pigmentul verde clorofilă.

Deci, pentru ca fotosinteza să aibă loc, aveți nevoie de:

clorofilă,

dioxid de carbon.

În timpul procesului de fotosinteză se formează următoarele:

materie organica,

oxigen.

Plantele sunt adaptate pentru a capta lumina. Pentru mulți plante erbacee frunzele sunt adunate într-o așa-numită rozetă bazală, când frunzele nu se umbră unele pe altele. Copacii se caracterizează printr-un mozaic de frunze, în care frunzele cresc în așa fel încât să se umbrească cât mai puțin una pe cealaltă. La plante, lamele frunzelor se pot întoarce spre lumină datorită îndoirii pețiolelor frunzelor. Cu toate acestea, există plante iubitoare de umbră care pot crește doar la umbră.

Apăpentru fotosintezăajungeîn frunzedin rădăcinide-a lungul tulpinii. Prin urmare, este important ca planta să primească suficientă umiditate. Cu lipsa apei și a anumitor minerale, procesul de fotosinteză este inhibat.

dioxid de carbonluate pentru fotosintezădirectdin aerfrunze. Oxigenul, care este produs de plantă în timpul fotosintezei, dimpotrivă, este eliberat în aer. Schimbul de gaze este facilitat de spațiile intercelulare (spații dintre celule).

Substanțele organice formate în timpul procesului de fotosinteză sunt parțial folosite în frunzele în sine, dar curg în principal în toate celelalte organe și sunt transformate în alte substanțe organice, utilizate în metabolismul energetic și transformate în nutrienți de rezervă.

Fotosinteza plantelor

Fotosinteza este un proces fizic și chimic unic desfășurat pe Pământ de către toate plantele verzi și unele bacterii și asigură conversia energiei electromagnetice a razelor solare în energia legăturilor chimice ale diferiților compuși organici. Baza fotosintezei este un lanț secvențial de reacții redox, în timpul căruia electronii sunt transferați de la un donor - un agent reducător (apă, hidrogen) la un acceptor - un agent de oxidare (CO2, acetat) cu formarea de compuși redusi (carbohidrați). iar eliberarea de O2 dacă apa este oxidată

Fotosinteza joacă un rol principal în procesele biosferei, conducând la scară globală la formarea materiei organice din materie anorganică.

Organismele fotosintetice, folosind energia solară în reacțiile de fotosinteză, conectează viața de pe Pământ cu Universul și, în cele din urmă, îi determină toată complexitatea și diversitatea. Organismele heterotrofe - animale, ciuperci, majoritatea bacteriilor, precum și plante și alge non-clorofile - își datorează existența organismelor autotrofe - plante fotosintetice care creează materie organică pe Pământ și reînnoiesc pierderile de oxigen din atmosferă. Omenirea este din ce în ce mai conștientă de adevărul evident, mai întâi fundamentat științific de K.A. Timiryazev și V.I. Vernadsky: bunăstarea ecologică a biosferei și existența umanității în sine depind de starea acoperirii vegetale a planetei noastre.

Procese care au loc în foaie

Leaf instrumente trei proces important– fotosinteza, evaporarea apei si 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 este 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 și mai puțin intensă în partea albastru-violet.

Foto: Nat Tarbox

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 (zaharurile 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 se evaporă sau transperează cantități foarte mari de apă. Evaporarea apei este una dintre cauzele curentului ascendent. Datorită evaporării apei de către plantă, mineralele se acumulează în ea, iar în timpul încălzirii solare are loc o scădere benefică a temperaturii plantei.
Planta reglează procesul de evaporare a apei prin lucrul stomatelor. Depunerea cuticulei sau a stratului 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 a izotopilor a arătat că oxigenul reîntors în atmosferă 16O aparține apei, și nu dioxidului de carbon din aer, în care predomină celălalt izotop al său, 15O. În timpul respirației celulelor vii (oxidarea substanțelor organice din interiorul celulei de către oxigenul liber la dioxid de carbon și apă), oxigenul trebuie furnizat din atmosferă și dioxidul de carbon trebuie returnat. Acest schimb de gaze se realizează în principal prin aparatul stomatic.

Procesul de fotosinteză constă din două etape succesive și interconectate: lumină (fotochimică) și întuneric (metabolic). În prima etapă, energia cuantelor de lumină absorbită de pigmenții fotosintetici este transformată în energia legăturilor chimice ale compusului de înaltă energie ATP și agentul reducător universal NADPH - produsele primare reale ale fotosintezei sau așa-numita „asimilare”. vigoare". În reacțiile întunecate ale fotosintezei, ATP și NADPH formate în lumină sunt utilizate în ciclul de fixare a dioxidului de carbon și reducerea ulterioară a acestuia la carbohidrați.
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.

Rata fotosintezei plante lemnoase variază foarte mult în funcție de interacțiunea multor factori externi și interni, iar aceste interacțiuni variază în timp și diferă între specii.

Capacitatea fotosintetică este uneori evaluată prin creșterea netă a masei uscate. Astfel de date sunt de o importanță deosebită deoarece câștigul reprezintă creșterea medie reală a masei pe o perioadă lungă de timp în condiții de mediu care includ solicitări periodice normale.
Unele specii de angiosperme efectuează fotosinteza în mod eficient atât la intensități luminoase scăzute, cât și la cele mari. Multe gimnosperme sunt mult mai productive în condiții de lumină ridicată. Compararea acestor două grupuri la intensități luminoase scăzute și mari oferă adesea o imagine diferită a capacității fotosintetice în ceea ce privește acumularea de nutrienți. În plus, gimnospermele acumulează adesea o masă uscată în timpul repausului, în timp ce angiospermele de foioase o pierd prin respirație. Prin urmare, o plantă gimnospermă cu o rată fotosintetică ceva mai mică decât o angiospermă de foioase în timpul perioadei de creștere poate acumula cât mai mult sau mai multă masă uscată totală în timpul anului datorită perioadei mult mai lungi de activitate fotosintetică.

Primele experimente de fotosinteză au fost efectuate de Joseph Priestley în anii 1770-1780, când a atras atenția asupra „alterării” aerului într-un vas sigilat cu o lumânare aprinsă (aerul nu mai era capabil să susțină arderea, animalele puse în s-a sufocat) și „corectarea” ei de către plante . Priestley a concluzionat că plantele produc oxigen, care este necesar pentru respirație și ardere, dar nu a observat că plantele au nevoie de lumină pentru aceasta. Acest lucru a fost în curând arătat de Jan Ingenhouse. Mai târziu s-a constatat că, pe lângă eliberarea de oxigen, plantele absorb dioxidul de carbon și, cu participarea apei, sintetizează materia organică în lumină. În 1842, Robert Mayer, bazat pe legea conservării energiei, a postulat că plantele convertesc energia luminii solare în energia legăturilor chimice. În 1877, W. Pfeffer a numit acest proces fotosinteză.

N.Yu.FEOKTISTOVA

Viața de noapte a plantelor

Orhideea Dendrobium speciosum, care deschide flori numai noaptea

Ce „fac” plantele noaptea? Vreau doar să răspund la această întrebare: „Se odihnesc”. La urma urmei, s-ar părea că toate viata activa» plantele apar în timpul zilei. În timpul zilei, florile se deschid și sunt polenizate de insecte, frunzele se desfășoară, tulpinile tinere cresc și își întind vârfurile spre soare. În timpul zilei, plantele folosesc energia solară pentru a transforma dioxidul de carbon din care absorb aerul atmosferic, în zahăr.

Cu toate acestea, planta nu numai că sintetizează substanțe organice, ci le folosește și în procesul de respirație, oxidându-l din nou la dioxid de carbon și absorbind oxigen. Dar cantitatea de oxigen de care plantele au nevoie pentru respirație este de aproximativ 30 de ori mai mică decât cea eliberată în timpul fotosintezei. Noaptea, pe întuneric, fotosinteza nu are loc, dar nici în acest moment plantele consumă atât de puțin oxigen încât acest lucru nu ne afectează deloc. Prin urmare, vechea tradiție de a scoate plantele din camera pacientului noaptea este complet nefondată.

Există, de asemenea, o serie de specii de plante care consumă dioxid de carbon noaptea. Deoarece nu este nevoie de energie din lumina soarelui pentru a reduce complet carbonul în acest moment, zahărul, desigur, nu se formează. Dar dioxidul de carbon absorbit din aer este stocat în compoziția acizilor malic sau aspartic, care apoi, deja la lumină, se descompun din nou, eliberând CO2. Aceste molecule de dioxid de carbon sunt incluse în ciclul reacțiilor de bază ale fotosintezei - așa-numitul ciclu Calvin. La majoritatea plantelor, acest ciclu începe cu captarea unei molecule de CO2 direct din aer. Această metodă „simplă” se numește calea C3 a fotosintezei, iar dacă dioxidul de carbon este depozitat preliminar în acid malic, este calea C4.

S-ar părea, de ce avem nevoie de complicații suplimentare? În primul rând pentru a economisi apă. La urma urmei, o plantă poate absorbi dioxidul de carbon doar prin stomatele deschise, prin care apa se evaporă. Și în timpul zilei, la căldură, prin stomată se pierde mult mai multă apă decât noaptea. Și la plantele C4, stomatele sunt închise în timpul zilei, iar apa nu se evaporă. Aceste instalații efectuează schimburi de gaze în timpul orelor răcoroase ale nopții. În plus, calea C4 este în general mai eficientă, permite sinteza Mai mult materie organică pe unitatea de timp. Dar numai în condiții de iluminare bună și la o temperatură a aerului suficient de ridicată.

Deci fotosinteza C4 este caracteristică „sudicilor” - plante din regiunile fierbinți. Este inerent în majoritatea cactusilor, în alte suculente și în o serie de bromeliade - de exemplu, binecunoscutul ananas ( Ananas comosus), trestie de zahăr și porumb.

Interesant este că în 1813, cu mult înainte ca reacțiile biochimice care stau la baza fotosintezei să fie cunoscute, cercetătorul Benjamin Hayne a scris Societății Științifice Linnean că frunzele unui număr de plante suculente aveau un gust deosebit de înțepător dimineața, iar apoi, la mijlocul zilei, gustul devine mai moale.

Capacitatea de a utiliza CO2 legat în acizi organici este determinată genetic, dar implementarea acestui program este și sub controlul mediului extern. În timpul ploii abundente, când nu există nicio amenințare de uscare și nivelul de lumină este scăzut, plantele C4 își pot deschide stomatele în timpul zilei și pot trece pe calea obișnuită C3.

Ce se mai poate întâmpla cu plantele noaptea?

Unele specii s-au adaptat pentru a-și atrage polenizatorii noaptea. Pentru a face acest lucru, folosesc diferite mijloace: un miros care se intensifică noaptea și o culoare plăcută și vizibilă pentru ochii polenizatorilor de noapte - alb sau gălbui-bej. Moliile zboară spre astfel de flori. Ei sunt cei care polenizează florile de iasomie ( Iasminum), gardenii ( Gardenie), flori de lună ( Ipomea alba), noctul sau violeta de noapte ( Hesperis), Lyubka bifolia ( Platanthera bifolia), crin creț ( Lilium martagon) și o serie de alte plante.

Lilium martagon, desen de epocă

Și există plante (se numesc chiropterofile) care sunt polenizate noaptea de lilieci. Cele mai multe dintre aceste plante sunt în tropicele din Asia, America și Australia și mai puțin în Africa. Acestea sunt banane, agave, boabab, unii reprezentanți ai familiilor de mirtacee, leguminoase, begoniaceae, gesneriaceae și cyanaceae.

Florile plantelor chiropterofile se deschid doar la amurg și nu sunt foarte strălucitoare la culoare - de regulă, sunt galben-verzui, maro sau violet. Mirosul unor astfel de flori este foarte specific, adesea neplăcut pentru noi, dar probabil atractiv pentru lilieci. În plus, florile plantelor chiropterofile sunt de obicei mari, au un perianth puternic și sunt echipate cu „locuri de aterizare” pentru polenizatorii lor. Astfel de locuri pot fi pedicele groase și pedunculi sau zone fără frunze de ramuri adiacente florilor.

Unele plante chiropterofile chiar „vorbesc” cu polenizatorii lor, atrăgându-le. Când floarea viței de vie Mucuna holtonii, aparținând familiei leguminoase și care crește în pădurile tropicale din America Centrală, devine gata de polenizare, una dintre petalele sale capătă o formă specifică concavă. Acest lob concav concentrează și reflectă semnalul emis de lilieci în căutarea hranei, informându-i astfel despre locația lor.

Dar nu numai mamiferele chiroptere polenizează florile. La tropice sunt cunoscute peste 40 de specii de animale din alte ordine, participând activ la polenizarea a aproximativ 25 de specii de plante. Multe dintre aceste plante, precum cele polenizate de lilieci, au flori mari și robuste, adesea urât mirositoare și produc cantități mari de polen și nectar. De obicei, numărul de flori de pe astfel de plante sau în inflorescențele lor este mic, florile sunt situate jos deasupra solului și se deschid numai noaptea pentru a oferi un confort maxim pentru animalele nocturne.

Viața de noapte a florilor nu se limitează la atragerea polenizatorilor. Un număr de plante își închid petalele noaptea, dar insectele rămân peste noapte în interiorul florii. Cele mai multe exemplu celebru Un „hotel” similar pentru insecte este crinul Amazonului ( Victoria amasonica). Europenii l-au văzut pentru prima dată în 1801 și descriere detaliată planta a fost realizată în 1837 de botanistul englez Schomburg. Omul de știință a fost pur și simplu șocat de frunzele sale gigantice și florile minunate și a numit floarea „Nymphea Victoria”, în onoarea Regina Angliei Victoria.

Semințele de Victoria din Amazonia au fost trimise pentru prima dată în Europa în 1827, dar nu au germinat atunci. În 1846, semințele au fost trimise din nou în Europa, de data aceasta în sticle de apă. Și nu numai că au rezistat perfect drumului, dar s-au dezvoltat și în plante cu drepturi depline, care au înflorit după 3 ani. Acest lucru s-a întâmplat la Grădina Botanică Kew din Anglia. Vestea că Victoria era pe cale să înflorească s-a răspândit rapid nu doar printre angajații grădinii botanice, ci și printre artiști și reporteri. O mulțime uriașă se adunase în seră. Toți priveau cu nerăbdare ceasul, așteptând să se deschidă floarea. La ora 5 seara, mugurele încă închis s-a ridicat deasupra apei, sepalele i s-au deschis și au apărut petale albe ca zăpada. Mirosul minunat de ananas copt s-a răspândit în toată sera. Câteva ore mai târziu, floarea s-a închis și s-a scufundat sub apă. A apărut din nou abia la 19 seara a doua zi. Dar, spre surprinderea tuturor celor prezenți, petalele florii minune nu mai erau albe, ci roz aprins. Curând au început să cadă, în timp ce culoarea lor devenea din ce în ce mai intensă. După ce petalele au căzut complet, a început mișcarea activă a staminelor, care, conform mărturiei celor prezenți, era chiar audibilă.

Dar, pe lângă frumusețea lor extraordinară, florile Victoria au și caracteristici uimitoare asociate cu atragerea insectelor. În prima zi, temperatura în floarea albă Victoria crește cu aproximativ 11°C față de aerul din jur, iar seara, odată cu apariția răcorului, în acest „loc cald” se acumulează un număr mare de insecte. În plus, pe carpelele florii se formează corpuri alimentare speciale, care atrag și polenizatorii. Când floarea se închide și se scufundă sub apă, și insectele se scufundă cu ea. Acolo își petrec noaptea și toată ziua următoare, până când floarea iese din nou la suprafață. Abia acum este deja frig și nu este parfumat, iar insectele, încărcate cu polen, zboară în căutarea unor noi flori albe, calde și parfumate, pentru a le poleniza și, în același timp, pentru a petrece noaptea în următorul „hotel” cald și sigur.

Încă una, poate nu mai puțin frumoasa floare oferă, de asemenea, camere de noapte pentru polenizatorii săi - acesta este lotusul. Există două tipuri de lotus. În Lumea Veche, lotusul purtător de nuci cu flori roz crește, iar în America - lotusul american cu flori galbene. Lotusul este capabil să mențină o temperatură relativ constantă în interiorul florilor sale - semnificativ mai mare decât temperatura aerului din jur. Chiar dacă afară sunt doar +10°C, în interiorul florii sunt +30...+35°C!

Florile de lotus sunt încălzite cu 1-2 zile înainte de deschidere și se menține o temperatură constantă în ele timp de 2-4 zile. În acest timp, anterele se coc, iar stigma pistilului devine capabilă să primească polen.

Lotusul este polenizat de gândaci și albine, al căror zbor activ necesită o temperatură de aproximativ 30°C. Dacă insectele se găsesc într-o floare după ce se închide și își petrec noaptea în căldură și confort, mișcându-se activ și fiind acoperite cu polen, atunci dimineața, când floarea se deschide, sunt imediat capabile să zboare către alte flori. Astfel, „rezidenții” lotusului câștigă un avantaj față de insectele amorțite care au petrecut noaptea în frig. Astfel, căldura florii, transferată insectei, contribuie la prosperitatea populației de lotus.

Mulți membri ai familiei aroid, cum ar fi amorfofalul gigant ( Amorphophallus titanus), cunoscutele monstera și filodendronii au pețioli de flori care produc căldură noaptea, sporind mirosul și ajutând insectele polenizatoare să petreacă noaptea cu confort maxim. Mirosul neplăcut de amorphophallus atrage, de exemplu, o mulțime de gândaci, care găsesc printre petalele inflorescenței uriașe un apartament cald, mâncare și parteneri de căsătorie. O altă plantă interesantă din familia aroid este Typophonium brownii - imită grămezi de excremente de animale, atrăgând gândacii de bălegar, pe care îi „captează” noaptea și forțează să-și transporte polenul pe sine.

Fotosinteză este procesul de sinteză a substanțelor organice din cele anorganice folosind energia luminoasă. În marea majoritate a cazurilor, fotosinteza este efectuată de plante folosind organele celulare precum cloroplaste care conţine pigmentul verde clorofilă.

Dacă plantele nu ar fi capabile să sintetizeze materie organică, atunci aproape toate celelalte organisme de pe Pământ nu ar avea ce să mănânce, deoarece animalele, ciupercile și multe bacterii nu pot sintetiza substanțe organice din cele anorganice. Ei le absorb doar pe cele gata făcute, le împart în altele mai simple, din care le asamblează din nou pe cele complexe, dar deja caracteristice corpului lor.

Acesta este cazul dacă vorbim foarte pe scurt despre fotosinteză și rolul acesteia. Pentru a înțelege fotosinteza, trebuie să spunem mai multe: ce substanțe anorganice specifice sunt folosite, cum are loc sinteza?

Fotosinteza necesită două substanțe anorganice - dioxid de carbon (CO2) și apă (H2O). Primul este absorbit din aer de părțile supraterane ale plantelor, în principal prin stomate. Apa provine din sol, de unde este livrată celulelor fotosintetice prin sistemul conducător al plantei. De asemenea, fotosinteza necesită energia fotonilor (hν), dar aceștia nu pot fi atribuiți materiei.

În total, fotosinteza produce materie organică și oxigen (O2). De obicei, materia organică înseamnă cel mai adesea glucoză (C6H12O6).

Compușii organici sunt alcătuiți în cea mai mare parte din atomi de carbon, hidrogen și oxigen. Se găsesc în dioxid de carbon și apă. Cu toate acestea, în timpul fotosintezei, oxigenul este eliberat. Atomii săi sunt prelevați din apă.

Pe scurt și în general, ecuația pentru reacția fotosintezei este de obicei scrisă după cum urmează:

6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2

Dar această ecuație nu reflectă esența fotosintezei și nu o face de înțeles. Uite, deși ecuația este echilibrată, în ea numărul total de atomi din oxigenul liber este de 12. Dar noi am spus că provin din apă și sunt doar 6.

De fapt, fotosinteza are loc în două faze. Primul se numește aprinde, a doua - întuneric. Astfel de denumiri se datorează faptului că lumina este necesară doar pentru faza luminoasă, faza întunecată este independentă de prezența sa, dar asta nu înseamnă că apare în întuneric. Faza luminoasă are loc pe membranele tilacoidelor cloroplastei, faza întunecată apare în stroma cloroplastei.

În timpul fazei de lumină, legarea CO2 nu are loc. Tot ceea ce se întâmplă este că energia solară este captată de complexele de clorofilă, stocată în ATP, iar energia este folosită pentru a reduce NADP la NADP*H2. Fluxul de energie din clorofila excitată de lumină este asigurat de electronii transmiși de-a lungul lanțului de transport de electroni al enzimelor încorporate în membranele tilacoide.

Hidrogenul pentru NADP provine din apă, care este descompusă de lumina soarelui în atomi de oxigen, protoni de hidrogen și electroni. Acest proces se numește fotoliză. Oxigenul din apă nu este necesar pentru fotosinteză. Atomii de oxigen din două molecule de apă se combină pentru a forma oxigen molecular. Ecuația de reacție pentru faza luminoasă a fotosintezei arată pe scurt astfel:

H2O + (ADP+P) + NADP → ATP + NADP*H2 + ½O2

Astfel, eliberarea de oxigen are loc în timpul fazei de lumină a fotosintezei. Numărul de molecule de ATP sintetizate din ADP și acid fosforic pe fotoliza unei molecule de apă poate fi diferit: unul sau două.

Deci, ATP și NADP*H2 vin din faza de lumină la faza de întuneric. Aici, energia primului și puterea reducătoare a celui de-al doilea sunt cheltuite pentru legarea dioxidului de carbon. Această etapă a fotosintezei nu poate fi explicată simplu și concis, deoarece nu se desfășoară în modul în care șase molecule de CO2 se combină cu hidrogenul eliberat din moleculele NADP*H2 pentru a forma glucoză:

6CO2 + 6NADP*H2 →С6H12O6 + 6NADP
(reacția are loc cu cheltuirea energiei ATP, care se descompune în ADP și acid fosforic).

Reacția dată este doar o simplificare pentru a o face mai ușor de înțeles. De fapt, moleculele de dioxid de carbon se leagă una câte una, alăturându-se substanței organice cu cinci atomi de carbon deja pregătită. Se formează o substanță organică instabilă cu șase atomi de carbon, care se descompune în molecule de carbohidrați cu trei atomi de carbon. Unele dintre aceste molecule sunt folosite pentru a resintetiza substanța originală cu cinci atomi de carbon pentru a lega CO2. Această resinteză este asigurată Ciclul Calvin. O minoritate de molecule de carbohidrați care conțin trei atomi de carbon părăsesc ciclul. Toate celelalte substanțe organice (carbohidrați, grăsimi, proteine) sunt sintetizate din acestea și alte substanțe.

Adică, de fapt, zaharurile cu trei atomi de carbon, nu glucoza, ies din faza întunecată a fotosintezei.

Fotosinteză- procesul de sinteza a substantelor organice folosind energia luminoasa. Organismele care sunt capabile să sintetizeze substanțe organice din compuși anorganici sunt numite autotrofe. Fotosinteza este caracteristică numai celulelor organismelor autotrofe. Organismele heterotrofe nu sunt capabile să sintetizeze substanțe organice din compuși anorganici.
Celulele plantelor verzi și ale unor bacterii au structuri speciale și complexe de substanțe chimice care le permit să capteze energia din lumina soarelui.

Rolul cloroplastelor în fotosinteză

Celulele vegetale conțin formațiuni microscopice - cloroplaste. Acestea sunt organele în care energia și lumina sunt absorbite și transformate în energia ATP și a altor molecule - purtători de energie. Grana de cloroplaste conține clorofilă, o substanță organică complexă. Clorofila captează energia luminoasă pentru a fi utilizată în biosinteza glucozei și a altor substanțe organice. Enzimele necesare sintezei glucozei se gasesc si in cloroplaste.

Faza ușoară a fotosintezei

O cantitate de lumină roșie absorbită de clorofilă transferă electronul într-o stare excitată. Un electron excitat de lumină dobândește o cantitate mare de energie, în urma căreia se deplasează la un nivel de energie mai înalt. Un electron excitat de lumină poate fi comparat cu o piatră ridicată la o înălțime, care dobândește și energie potențială. Îl pierde, căzând de la înălțime. Electronul excitat, ca în trepte, se mișcă de-a lungul unui lanț de compuși organici complecși încorporați în cloroplastă. Trecând de la o treaptă la alta, electronul pierde energie, care este folosită pentru sinteza ATP. Electronul care a irosit energia se întoarce la clorofilă. O nouă porțiune de energie luminoasă excită din nou electronul clorofilei. Urmează din nou aceeași cale, cheltuind energie pentru formarea moleculelor de ATP.
Ionii de hidrogen și electronii, necesari pentru refacerea moleculelor purtătoare de energie, se formează prin scindarea moleculelor de apă. Descompunerea moleculelor de apă din cloroplaste este efectuată de o proteină specială sub influența luminii. Acest proces se numește fotoliza apei.
Astfel, energia luminii solare este utilizată direct de celula plantei pentru:
1. excitarea electronilor clorofilei, a căror energie este cheltuită în continuare pentru formarea ATP și a altor molecule purtătoare de energie;
2. fotoliza apei, furnizând ioni de hidrogen și electroni fazei luminoase a fotosintezei.
Aceasta eliberează oxigen ca produs secundar al reacțiilor de fotoliză. Etapa în care, datorită energiei luminii, se formează compuși bogați în energie - ATP și molecule purtătoare de energie, numit faza ușoară a fotosintezei.

Faza întunecată a fotosintezei

Cloroplastele conțin zaharuri cu cinci atomi de carbon, dintre care unul ribuloză difosfat, este un acceptor de dioxid de carbon. O enzimă specială leagă zahărul cu cinci atomi de carbon cu dioxidul de carbon din aer. În acest caz, se formează compuși care, folosind energia ATP și a altor molecule purtătoare de energie, sunt reduse la o moleculă de glucoză cu șase atomi de carbon. Astfel, energia luminoasă convertită în timpul fazei luminoase în energia ATP și a altor molecule purtătoare de energie este utilizată pentru sinteza glucozei. Aceste procese pot avea loc în întuneric.
A fost posibilă izolarea cloroplastelor din celulele vegetale, care într-o eprubetă, sub influența luminii, au efectuat fotosinteza - au format noi molecule de glucoză și au absorbit dioxid de carbon. Dacă s-a oprit iluminarea cloroplastelor, s-a oprit și sinteza glucozei. Cu toate acestea, dacă la cloroplaste s-ar adăuga ATP și molecule purtătoare de energie redusă, sinteza glucozei s-a reluat și ar putea continua pe întuneric. Aceasta înseamnă că lumina este într-adevăr necesară doar pentru a sintetiza ATP și a încărca moleculele purtătoare de energie. Absorbția dioxidului de carbon și formarea glucozei în plante numit faza întunecată a fotosintezei, deoarece poate merge în întuneric.
Iluminarea intensă și conținutul crescut de dioxid de carbon în aer duc la creșterea activității fotosintezei.

1. Este fotosinteza un proces de metabolism plastic sau energetic? De ce?

Fotosinteza se referă la procesele metabolismului plastic deoarece insotita de:

● prin sinteza compuşilor organici complecşi din substanţe mai simple şi anume: glucoza (C 6 H 12 O 6) se sintetizează din substanţe anorganice (H 2 O şi CO 2);

● absorbția energiei luminoase.

2. În ce organite ale unei celule vegetale are loc fotosinteza? Ce este un fotosistem? Ce funcție îndeplinesc fotosistemele?

Fotosinteza are loc în plastide verzi - cloroplaste.

Fotosistemele sunt complexe pigment-proteine ​​speciale situate în membranele tilacoidelor cloroplastice. Există două tipuri de fotosisteme - fotosistemul I și fotosistemul II. Fiecare dintre ele include o antenă de captare a luminii formată din molecule de pigment, un centru de reacție și purtători de electroni.

Antena de captare a luminii funcționează ca o pâlnie: moleculele de pigment absorb lumina și transferă toată energia colectată în centrul de reacție, unde se află molecula capcană reprezentată de clorofila a. După ce a absorbit energie, molecula capcană intră într-o stare excitată și dă unul dintre electronii săi unui purtător special, adică. oxidează. Astfel, fotosistemele îndeplinesc funcția de a absorbi lumina și de a transforma energia luminoasă în energie chimică.

3. Care este importanța fotosintezei pe Pământ? De ce ar fi imposibilă existența biosferei fără organisme fototrofe?

Fotosinteza este singurul proces de pe planetă în timpul căruia energia luminoasă a Soarelui este convertită în energia legăturilor chimice ale substanțelor organice sintetizate. În acest caz, compușii de pornire pentru sinteza substanțelor organice sunt substanțe anorganice sărace din punct de vedere energetic - dioxid de carbon și apă.

Compușii organici formați în timpul fotosintezei sunt transferați ca parte a alimentelor de la organismele fototrofe la ierbivore, apoi la carnivore, fiind o sursă de energie și material de constructie pentru sinteza altor substante, pentru formarea de noi celule si structuri. În consecință, datorită activității fototrofilor, nevoile nutriționale ale organismelor heterotrofe sunt satisfăcute.

În plus, fotosinteza este o sursă de oxigen molecular necesară respirației majorității organismelor vii. Stratul de ozon este format și menținut din oxigen, protejând organismele vii de pe planetă de efectele nocive ale radiațiilor ultraviolete cu unde scurte. Datorită fotosintezei, se menține un conținut relativ constant de CO 2 în atmosferă.

4. Caracterizați fazele luminoase și întunecate ale fotosintezei conform planului:

1) locația scurgerii; 2) materii prime; 3) procese în derulare; 4) produse finale.

Ce produse din faza luminoasă a fotosintezei sunt utilizate în faza întunecată?

Faza ușoară a fotosintezei.

1) Locul scurgerii: membrane tilacoide.

2) Substanțe inițiale: H 2 O, NADP oxidat (NADP +), ADP, H 3 PO 4. Pigmenții fotosintetici (clorofile etc.) sunt necesari și pentru apariția fazei luminoase, dar nu pot fi numiți substanțe inițiale ale fazei luminoase.

3) Procese care au loc: absorbția luminii de către fotosisteme, fotoliza apei, transportul electronilor în exteriorul tilacoidului și acumularea de protoni în interiorul tilacoidului (adică apariția unui potențial electrochimic pe membrana tilacoidului), sinteza ATP, reducerea de NADP +.

4) Produse finale: ATP, NADP redus (NADP H+H+), produs secundar - oxigen molecular (O 2).

Faza întunecată a fotosintezei.

1) Locul scurgerii: stroma de cloroplast.

2) Substanțe inițiale: CO 2, ATP, NADP redus (NADP H+H +).

3) Procese în desfășurare: sinteza glucozei (reducerea CO 2 la substanțe organice), în timpul cărora au loc hidroliza ATP și oxidarea NADP H+H +.

4) Produse finale: glucoză (C 6 H 12 O 6), NADP oxidat (NADP +), ADP, H 3 PO 4.

În faza întunecată a fotosintezei, se folosesc produse din fază luminoasă, cum ar fi NADP H+H + (servește ca sursă de atomi de hidrogen pentru sinteza glucozei) și ATP (servează ca sursă de energie pentru sinteza glucozei).

5. Comparați fotosinteza și respirația aerobă. Indicați asemănările și diferențele.

Asemănări:

● Procese complexe în mai multe etape care implică enzime.

● Fotosinteza și etapa finală (oxigen) a respirației aerobe au loc în organele cu membrană dublă (cloroplaste și, respectiv, mitocondrii).

● Procesele redox, care sunt însoțite de transferul de electroni de-a lungul lanțurilor de transport de electroni ale membranelor interne ale organelelor corespunzătoare, apariția unei diferențe de potențial pe aceste membrane, activitatea ATP sintetazei și sinteza ATP.

Diferențe:

● Procesul de fotosinteză se referă la metabolismul plastic deoarece este insotita de sinteza substantelor organice din cele anorganice si are loc cu absorbtia energiei luminoase. Procesul de respirație aerobă se referă la metabolismul energetic, deoarece substanțele organice complexe sunt descompuse și energia conținută în ele este eliberată.

● Fotosinteza are loc numai în celulele organismelor fototrofe, iar respirația aerobă are loc în celulele majorității organismelor vii (inclusiv fototrofe).

● Diverse materii prime și produse finale. Dacă luăm în considerare ecuațiile rezumative ale fotosintezei și ale respirației aerobe, putem observa că produsele fotosintezei sunt de fapt materialele de plecare pentru respirația aerobă și invers.

● NAD și FAD servesc ca purtători ai atomilor de hidrogen în procesul de respirație, iar NADP în fotosinteză.

Și (sau) alte caracteristici semnificative.

6. O persoană consumă aproximativ 430 g de oxigen pe zi. Un copac de dimensiuni medii absoarbe aproximativ 30 kg de dioxid de carbon pe an. Câți copaci sunt necesari pentru a furniza oxigen unei persoane?

● Într-un an, o persoană consumă: 430 g × 365 = 156.950 g oxigen.

● Să calculăm cantitatea chimică de dioxid de carbon absorbită pe an de un copac:

M (CO 2 ) = 12 + 16 × 2 = 44 g/mol. n (C02) = m: M = 30.000 g: 44 g/mol ≈ 681,8 mol.

● Ecuația rezumativă a fotosintezei:

6CO 2 + 6H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 6O 2

Absorbția a 6 moli de dioxid de carbon este însoțită de eliberarea a 6 moli de oxigen. Aceasta înseamnă că, absorbind 681,8 moli de dioxid de carbon pe an, copacul eliberează 681,8 moli de oxigen.

● Să aflăm masa de oxigen eliberată de copac pe an:

M (O 2) = 16 × 2 = 32 g/mol. m (O 2) = n × M = 681,8 mol × 32 g/mol = 21.817,6 g

● Să stabilim câți copaci sunt necesari pentru a furniza oxigen unei persoane. Număr de arbori = 156.950 g: 21.817,6 ≈ 7,2 arbori.

Răspuns: Pentru a furniza oxigen unei persoane, în medie, vor fi necesari 7,2 copaci (răspunsurile acceptabile ar fi „8 copaci” sau „7 copaci”).

7. Cercetătorii au împărțit plantele de grâu în două grupe și le-au crescut în laborator în aceleași condiții, cu excepția faptului că plantele din primul grup au fost iluminate cu lumină roșie, iar plantele din al doilea grup au fost iluminate cu lumină verde. În ce grup de plante a avut loc fotosinteza mai intens? Cu ce ​​este legat asta?

Fotosinteza a decurs mai intens la plantele iluminate cu lumină roșie. Acest lucru se datorează faptului că principalii pigmenți fotosintetici - clorofilele - absorb intens lumina roșie (precum și partea albastru-violet a spectrului) și reflectă verdele, ceea ce determină culoarea verde a acestor pigmenți.

8*. Ce experiment poate fi folosit pentru a demonstra că oxigenul eliberat în timpul fotosintezei este format tocmai din molecule de apă, și nu din molecule de dioxid de carbon sau orice altă substanță?

Dacă apa marcată cu oxigen radioactiv este folosită pentru a efectua fotosinteza (moleculele conțin radionuclid de oxigen în loc de nuclidul stabil 16 O), atunci eticheta radioactivă poate fi detectată în oxigenul molecular eliberat. Dacă utilizați orice altă substanță care conține radionuclizi de oxigen pentru fotosinteză, atunci O2 eliberat nu va conține o etichetă radioactivă. În special, oxigenul radioactiv conținut în moleculele de dioxid de carbon absorbit se va găsi în substanțele organice sintetizate, dar nu și în compoziția O2.

*Sarcinile marcate cu un asterisc impun elevilor să prezinte diverse ipoteze. Prin urmare, atunci când notează, profesorul ar trebui să se concentreze nu numai pe răspunsul dat aici, ci să ia în considerare fiecare ipoteză, evaluând gândirea biologică a elevilor, logica raționamentului lor, originalitatea ideilor etc. După aceasta, este recomandabil. pentru a familiariza elevii cu răspunsul dat.