Fotosyntéza: co je, definice, fáze
Nejdůležitějším organickým procesem, bez něhož by byla otázka existence všech živých bytostí naší planety, je fotosyntéza. Co je fotosyntéza? známý všem ze školy. Zhruba jde o proces tvorby organických látek z oxidu uhličitého a vody, který se objevuje ve světle a je doprovázen uvolňováním kyslíku. Složitější definice je následující: fotosyntéza - proces přeměny světelné energie na energii chemických vazeb organických látek za účasti fotosyntetických pigmentů. V moderní praxi se fotosyntéza obvykle chápe jako soubor procesů absorpce, syntézy a použití světla v řadě endergonických reakcí, z nichž jedním je konverze oxidu uhličitého na organickou hmotu. A teď se dozvíme podrobněji, jak probíhá fotosyntéza a do kterých fází je tento proces rozdělen!
Obecné charakteristiky
Chloroplasty, které má každá rostlina, jsou zodpovědné za fotosyntézu. Co jsou chloroplasty? Jedná se o oválné plastidy obsahující pigment, jako je chlorofyl. Je to chlorofyl, který určuje zelenou barvu rostlin. V řasách je tento pigment přítomen ve složení chromoforních pigmentů obsahujících světlo odrážející buňky různých tvarů. Hnědé a červené řasy, které žijí ve značné hloubce, kde se sluneční světlo nedostává dobře, mají jiné pigmenty.
Fotosyntézní látky jsou součástí autotrof - organismů, ze kterých lze syntetizovat anorganické látky jsou organické. Jsou to nejnižší úrovně potravní pyramidy, a proto jsou zahrnuty do stravy všech živých organismů planety Země.
Výhody fotosyntézy
Proč potřebujeme fotosyntézu? Kyslík, který je uvolňován z rostlin během fotosyntézy, vstupuje do atmosféry. Stoupající ve svých horních vrstvách vytváří ozon, který chrání zemský povrch před silným slunečním zářením. Díky ozonovému sítu se živé organismy mohou pohodlně nacházet na zemi. Navíc, jak víte, kyslík je potřebný pro dýchání živých organismů.
Proces
Všechno začíná tím, že světlo vstupuje do chloroplastů. Pod jeho vlivem organely odvádějí vodu z půdy a také ji rozdělují na vodík a kyslík. Existují tedy dva procesy. Fotosyntéza rostlin začíná v okamžiku, kdy listy už absorbovaly vodu a oxid uhličitý. Světelná energie se shromažďuje v tylakoidů - zvláštních odděleních chloroplastů a dělí molekulu vody na dvě složky. Část kyslíku jde do dýchání rostliny a zbytek do atmosféry.
Pak oxid uhličitý vstupuje pyrenoidy - bílkovinné granule obklopené škrobem. Zde přichází vodík. Směs mezi sebou tvoří tyto látky cukr. Tato reakce také probíhá při uvolňování kyslíku. Když cukr (obecný název jednoduché sacharidy) smíchané s dusíkem, sírou a fosforem, které přicházejí do rostliny z půdy, tvoří škrob (komplexní sacharidy), bílkoviny, tuky, vitamíny a další látky nezbytné pro život rostlin. V absolutní většině případů dochází k fotosyntéze při podmínkách přirozeného světla. Umělé osvětlení se ovšem může účastnit.
Třídy fotosyntézy
Až do 60. let dvacátého století byl vědeckému vědci znám jeden mechanismus redukce oxidu uhličitého - podél cesty C 3- pentozofosfátu. V poslední době australští vědci ukázali, že u některých druhů rostlin může tento proces pokračovat v cyklu C4-dikarboxylových kyselin.
V rostlinách, které redukují oxid uhličitý po cestách C 3 , se nejlépe fotosyntéza odehrává při mírných teplotách a slabém světle, v lesích nebo na tmavých místech. Mezi tyto rostliny patří lví podíl kultivovaných rostlin a téměř veškerá zelenina, která tvoří základ naší stravy.
V druhé třídě rostlin nejvíce aktivně probíhá fotosyntéza za podmínek vysoké teploty a vysokého osvětlení. Tato skupina zahrnuje rostliny, které rostou v tropickém a teplém podnebí, například kukuřice, cukrová třtina, čirok a tak dále.
Metabolismus rostlin, mimochodem, byl objeven velmi nedávno. Vědci zjistili, že některé rostliny mají speciální tkáně k úspoře vody. Oxid uhličitý z nich se hromadí ve formě organických kyselin a jde do sacharidů až po 24 hodinách. Tento mechanismus dává rostlinám možnost šetřit vodu.
Jak probíhá proces?
Již obecně víme, jak probíhá proces fotosyntézy a jaká fotosyntéza se děje, teď se na to podívejme hlouběji.
Vše začíná tím, že rostlina absorbuje světlo. Pomáhá v ní chlorofyl, který je ve formě chloroplastů umístěn v listech, stoncích a plodu rostliny. Hlavní množství této látky je koncentrováno do listů. Faktem je, že díky své ploché struktuře přitahuje plech hodně světla. A čím více světla, tím více energie pro fotosyntézu. Takže listy v rostlině působí jako lokátory, které zachycují světlo.
Když je světlo absorbováno, chlorofyl je ve stavu excitace. Přenáší energii na další rostlinné orgány, které se účastní další fáze fotosyntézy. Druhá fáze procesu probíhá bez účasti světla a sestává z chemické reakce za účasti vody získané z půdy a oxidu uhličitého získaného ze vzduchu. V této fázi se syntetizují sacharidy, které jsou nezbytné pro život každého organismu. V takovém případě nejen živí samotnou rostlinu, ale jsou přenášena i na zvířata, která ji konzumují. Lidé také dostávají tyto látky konzumací produktů rostlinného nebo živočišného původu.
Fáze procesu
Jako poměrně komplikovaný proces je fotosyntéza rozdělena do dvou fází: světlé a tmavé. Jak název naznačuje, pro první fázi je přítomnost slunečního záření povinná, a druhá - ne. Během světelné fáze chlorofyl absorbuje kvantum světla, tvořící molekuly ATP a NADH, bez kterých není fotosyntéza možná. Co je ATP a NADH?
ATP (adenosithifosfát) je nukleový koenzym, který obsahuje vazby s vysokou energií a slouží jako zdroj energie v jakékoli organické transformaci. Sloučenina se často nazývá energetická spirála.
NADH (nikotinamid adenin dinukleotid) je zdrojem vodíku, který se používá pro syntézu sacharidů oxidem uhličitým v druhé fázi procesu, jako je fotosyntéza.
Světelná fáze
Chloroplasty obsahují mnoho molekul chlorofylu, z nichž každá absorbuje světlo. Jiné pigmenty absorbují, ale nejsou schopné fotosyntézy. Proces probíhá pouze v části molekul chlorofylu. Zbývající molekuly tvoří antény a komplexy pro sběr světla (SSC). Kumulují kvantum světelného záření a přenášejí je do reakčních center, které se také nazývají pasti. Reakční centra jsou umístěna ve fotosystému, což jsou dvě fotosyntetické rostliny. První obsahuje molekulu chlorofylu schopnou absorbovat světlo s vlnovou délkou 700 nm a druhou - 680 nm.
Takže dva typy molekul chlorofylu absorbují světlo a jsou vzrušeny, což přispívá k přechodu elektronů na vyšší energetickou úroveň. Vzrušené elektrony s velkým množstvím energie se rozpadají a vstupují do nosného řetězce umístěného v tylakoidních membránách (vnitřní struktury chloroplastů).
Elektronický přechod
Elektron z prvního fotosystému přechází z chlorofylu P680 na plastochinon a elektron z druhého systému přechází na ferredoxin. V tomto případě se vytvoří prázdný prostor v místě oddělení elektronů v molekule chlorofylu.
Aby se vyřešil nedostatek, molekula chlorofylu P680 vezme elektrony z vody a tvoří ionty vodíku. A druhá molekula chlorofylu vynahradí nedostatek prostřednictvím nosného systému z prvního fotosystému.
Takto probíhá světelná fáze fotosyntézy, jejíž podstatou je přenos elektronů. Souběžně s transportem elektronů prochází přes ionty vodíku membránou. To vede k jejich hromadění uvnitř tylakoidu. Akumulují se ve velkém množství, uvolňují se za použití konjugačního faktoru. Výsledkem transportu elektronů je tvorba sloučeniny NADH. Přenos iontů vodíku vede k vytvoření energetické měny ATP.
Na konci světelné fáze kyslík vstupuje do atmosféry a ATP a NADH se tvoří uvnitř okvětní lístky. Pak začíná tmavá fáze fotosyntézy.
Tmavá fáze
Tato fáze fotosyntézy vyžaduje oxid uhličitý. Rostlina ho stále absorbuje ze vzduchu. Za tímto účelem je na povrchu plechu stoma - speciální struktury, které při otevření nasávají oxid uhličitý. V rámci listu se rozpouští ve vodě a podílí se na procesech světelné fáze.
Během světelné fáze ve většině rostlin se kysličník uhličitý váže organické sloučeniny který obsahuje 5 atomů uhlíku. Výsledkem je dvojice molekul tří-uhlíkové sloučeniny nazývané kyselina 3-fosfoglycerová. Právě proto, že tato sloučenina je primárním výsledkem procesu, že rostliny s tímto typem fotosyntézy se nazývají rostliny C 3 .
Další procesy probíhající v chloroplastu jsou pro nezkušené obyvatele velmi obtížné. Výsledkem je šestikarbonová sloučenina, která syntetizuje jednoduché nebo komplexních sacharidů. Je to ve formě sacharidů, že rostlina akumuluje energii. Malá část látek zůstává v listu a splňuje jeho potřeby. Zbývající sacharidy cirkulují v celé rostlině a jdou tam, kde jsou nejvíce potřebné.
Fotosyntéza v zimě
Mnozí, alespoň jednou v životě, si uvědomovali, odkud pochází kyslík během chladné sezóny. Nejprve kyslík vyrábí nejen listnaté rostliny, ale i jehličnany a také mořské rostliny. A jestliže opadavé rostliny zmrazí v zimě, potom jehličnaté stromy i nadále dýchají, i když méně intenzivně. Zadruhé, obsah kyslíku v atmosféře nezávisí na tom, zda stromy vyhodily z listů. Kyslík zachycuje 21% atmosféry, kdekoliv na světě, kdykoli během roku. Tato hodnota se nemění, protože se vzdušné hmoty pohybují velmi rychle a zimy se ve všech zemích vyskytují současně. A za třetí, v zimě v nižších vrstvách vzduchu, které dýcháme, je obsah kyslíku ještě vyšší než v létě. Důvodem tohoto jevu je nízká teplota, díky které se kyslík stává hustší.
Závěr
Dnes jsme si pamatovali, jaká je fotosyntéza, jaký je chlorofyl a jak rostliny uvolňují kyslík absorbováním oxidu uhličitého. Samozřejmě, fotosyntéza je nejdůležitějším procesem v našem životě. Připomíná nám potřebu respektování přírody.