Lesy jsou považovány za „zelené plíce planety“ ne nadarmo. Co je to fotosyntéza a jak tento proces probíhá, budeme se podrobně zabývat.
Co je fotosyntéza?
Fotosyntéza - biochemický proces, během kterého vznikají organické, pomocí speciálních rostlinných pigmentů a světelné energie z anorganických látek (oxid uhličitý, voda). To je jeden z nejdůležitějších procesů, díky nimž se na planetě objevila a stále existuje většina organismů.
Zajímavý fakt: Pozemské rostliny i zelené řasy jsou schopné fotosyntézy. V tomto případě řasy (fytoplankton) produkují 80% kyslíku.
Význam fotosyntézy pro život na Zemi
Bez fotosyntézy by na naší planetě místo mnoha živých organismů existovaly pouze bakterie. Je to energie přijatá v důsledku tohoto chemického procesu, která umožnila vývoj bakterií.
Jakýkoli přírodní proces potřebuje energii. Pochází ze slunce. Ale sluneční světlo se formuje až po transformaci rostlinami.
Rostliny používají pouze část energie a zbytek se hromadí samy o sobě. Oni jedí býložravci, který být jídlo pro dravce. V průběhu řetězce obdrží každý článek potřebné cenné látky a energii.
Kyslík produkovaný během reakce je nezbytný pro to, aby všechna zvířata dýchala. Dýchání je opakem fotosyntézy. V tomto případě se organická hmota oxiduje, ničí. Výsledná energie je využívána organizmy k provádění různých životně důležitých úkolů.
Během existence planety, když bylo málo rostlin, nebyl kyslík prakticky přítomen. Primitivní formy života dostávaly minimum energie jinými způsoby. Na vývoj to bylo příliš málo. Proto dýchání v důsledku kyslíku otevřelo více příležitostí.
Další funkcí fotosyntézy je ochrana organismů před vystavením ultrafialovému světlu. Mluvíme o ozónové vrstvě umístěné ve stratosféře v nadmořské výšce asi 20-25 km. Vzniká díky kyslíku, který se působením slunečního záření mění na ozón. Bez této ochrany by byl život na Zemi omezen pouze na podvodní organismy.
Organismy uvolňují oxid uhličitý během dýchání. Je to základní prvek fotosyntézy. Jinak by se oxid uhličitý jednoduše hromadil v horní atmosféře, což by výrazně zlepšilo skleníkový efekt.
Jedná se o závažný environmentální problém, jehož podstatou je zvýšení teploty atmosféry s negativními důsledky. Patří mezi ně změna klimatu (globální oteplování), tající ledovce, stoupající hladiny moře atd.
Funkce fotosyntézy:
- vývoj kyslíku;
- tvorba energie;
- tvorba živin;
- vytvoření ozonové vrstvy.
Definice a vzorec fotosyntézy
Termín „fotosyntéza“ vychází z kombinace dvou slov: fotografie a syntézy. V překladu ze starověké řečtiny znamenají „světlo“ a „spojení“. Energie světla se tak přemění na energii vazeb organických látek.
Systém:
Oxid uhličitý + voda + světlo = uhlohydrát + kyslík.
Vědecký vzorec pro fotosyntézu:
6CO2 + 6H2O → C6N12O6 + 6O2.
Fotosyntéza probíhá tak, že přímý kontakt vody a CO2 neviditelný.
Význam fotosyntézy pro rostliny
Rostliny vyžadují pro růst a rozvoj organickou hmotu, energii. Díky fotosyntéze si tyto komponenty poskytují. Tvorba organických látek je hlavním cílem fotosyntézy rostlin a uvolňování kyslíku je považováno za vedlejší reakci.
Zajímavý fakt: Rostliny jsou jedinečné, protože k získání energie nepotřebují jiné organismy.Proto tvoří samostatnou skupinu - autotrofy (přeloženo ze starořeckého jazyka „Já sám“).
Jak probíhá fotosyntéza?
Fotosyntéza probíhá přímo v zelených částech rostlin - chloroplasty. Jsou součástí rostlinných buněk. Chloroplasty obsahují látku - chlorofyl. Toto je hlavní fotosyntetický pigment, díky němu dochází k celé reakci. Kromě toho chlorofyl určuje zelenou barvu vegetace.
Tento pigment se vyznačuje schopností absorbovat světlo. A v buňkách rostliny je spuštěna skutečná biochemická „laboratoř“, ve které je voda a CO2 přeměnit se na kyslík, uhlohydráty.
Voda vstupuje skrz kořenový systém rostliny a plyn proniká přímo do listů. Světlo funguje jako zdroj energie. Když lehká částice působí na molekulu chlorofylu, dojde k její aktivaci. V molekule vody H2O kyslík (O) zůstává nevyžádaný. Stává se tak vedlejším produktem pro rostliny, ale pro nás tak důležitým, reakčním produktem.
Fáze fotosyntézy
Fotosyntéza je rozdělena do dvou fází: světlá a tmavá. Vyskytují se současně, ale v různých částech chloroplastu. Název každé fáze hovoří sám za sebe. Světlo nebo fáze závislá na světle nastává pouze za účasti částic světla. V temné nebo netěkavé fázi není vyžadováno světlo.
Před podrobnějším zkoumáním každé fáze je třeba porozumět struktuře chloroplastu, protože určuje podstatu a místo fází. Chloroplast je řada plastidů a je umístěn uvnitř buňky odděleně od ostatních složek. Má tvar semene.
Složky chloroplastů zapojené do fotosyntézy:
- 2 membrány;
- stroma (vnitřní tekutina);
- thylakoidy;
- lumeny (mezery uvnitř tylakoidů).
Světelná fáze fotosyntézy
To teče na thylakoids, přesněji, jejich membrány. Když na ně dopadne světlo, uvolní se a akumulují se záporně nabité elektrony. Fotosyntetické pigmenty tak ztratí všechny elektrony, po kterých se rozpadají molekuly vody:
H2O → H + + OH-
V tomto případě mají vytvořené vodíkové protony kladný náboj a hromadí se na vnitřní tylakoidní membráně. V důsledku toho jsou protony s nábojem plus a elektrony s nábojem minus odděleny pouze membránou.
Kyslík se vyrábí jako vedlejší produkt:
4OH → O2 + 2H2Ó
V určitém okamžiku jsou fáze elektronů a protonů vodíku příliš mnoho. Potom enzym ATP syntáza vstupuje do práce. Jeho úkolem je přenést vodíkové protony z tylakoidní membrány do kapalného média chloroplastů - stroma.
V tomto stadiu je vodík k dispozici dalšímu nosiči - NADP (zkratka pro nikotinamidinový nukleotidfosfát). Je to také druh enzymu, který urychluje oxidační reakce v buňkách. V tomto případě je jeho úkolem transportovat protony vodíku v uhlohydrátové reakci.
V této fázi dochází k procesu fotofosforylace, během kterého se vytváří velké množství energie. Jeho zdrojem je ATP - kyselina adenosintrifosforečná.
Stručný přehled:
- Zásah kvantového světla na chlorofyl.
- Výběr elektronů.
- Vývoj kyslíku.
- Tvorba NADPH oxidázy.
- Výroba energie ATP.
Zajímavý fakt: Na africkém pobřeží Atlantského oceánu roste reliktní rostlina zvaná Velvichia. Toto je jediný zástupce druhu s minimem listů schopných fotosyntézy. Věk Velvichů však dosahuje asi 2000 let.
Temná fáze fotosyntézy
Fáze nezávislá na světle se vyskytuje přímo ve stromě. Představuje řadu enzymatických reakcí. Oxid uhličitý absorbovaný ve světelné fázi rozpuštěný ve vodě a v této fázi je redukován na glukózu. Produkují se také komplexní organické látky.
Reakce temné fáze jsou rozděleny do tří hlavních typů a závisí na typu rostlin (přesněji na jejich metabolismu), v buňkách, kde dochází k fotosyntéze:
- S3-planety;
- S4-planety;
- CAM rostliny.
K C3- Rostliny zahrnují většinu zemědělských plodin, které rostou v mírném podnebí. Během fotosyntézy se oxid uhličitý stává kyselinou fosfo-glycerovou.
Subtropické a tropické druhy, zejména plevele, patří k rostlinám C4. Vyznačují se přeměnou oxidu uhličitého na oxaloacetát. Rostliny CAM jsou kategorií rostlin, které postrádají vlhkost. Liší se zvláštním typem fotosyntézy - CAM.
S3-fotosyntéza
Nejběžnější je C3- fotosyntéza, která se také nazývá Calvinův cyklus - na počest amerického vědce Melvina Calvina, který významně přispěl ke studiu těchto reakcí a za toto obdržel Nobelovu cenu.
Rostliny se nazývají C.3 vzhledem k tomu, že během reakcí temné fáze vznikají 3-uhlíkové molekuly kyseliny 3-fosfoglycerinové - 3-PGA. Přímo jsou zapojeny různé enzymy.
Aby se vytvořila úplná molekula glukózy, musí projít 6 cyklů reakcí na fázi nezávislé na světle. Sacharidy jsou hlavním produktem fotosyntézy v Calvinově cyklu, ale kromě toho se vyrábějí také mastné a aminokyseliny, jakož i glykolipidy. C3 fotosyntéza rostlin probíhá výhradně v mezofylových buňkách.
Hlavní nevýhoda C3fotosyntéza
Rostliny skupiny C3jsou charakterizovány jednou významnou nevýhodou. Pokud v prostředí není dostatečná vlhkost, je výrazně snížena schopnost fotosyntézy. Je to kvůli fotorezi.
Skutečnost je taková, že při nízké koncentraci oxidu uhličitého v chloroplastech (méně než 50: 1 000 000) je místo fixace uhlíku fixován kyslík. Speciální enzymy významně zpomalují a plýtvají sluneční energií.
Současně se zpomaluje růst a vývoj rostliny, protože jí chybí organická hmota. Rovněž nedochází k uvolňování kyslíku do atmosféry.
Zajímavý fakt: Elysia chlorotica sea slug je jedinečné zvíře, které fotosyntetizuje jako rostliny. Živí se řasami, jejichž chloroplasty pronikají do buněk zažívacího traktu a fotosyntetizují tam měsíce. Vyrobené uhlohydráty slouží slimákovi jako jídlo.
Fotosyntéza C4
Na rozdíl od C3-syntéza, zde se reakce fixace oxidu uhličitého provádějí v různých rostlinných buňkách. Tyto typy rostlin jsou schopny se vypořádat s problémem fotorezi a dělají to dvoustupňovým cyklem.
Na jedné straně je udržována vysoká hladina oxidu uhličitého a na druhé straně je řízena nízká hladina kyslíku v chloroplastech. Tato taktika umožňuje rostlinám C4 vyhnout se dýchání foto a souvisejícím potížím. Zástupci rostlin této skupiny jsou cukrová třtina, kukuřice, proso atd.
Ve srovnání s rostlinami C3 jsou schopni provádět fotosyntetické procesy mnohem intenzivněji za podmínek vysoké teploty a nedostatku vlhkosti. V první fázi je oxid uhličitý fixován v mezofylových buňkách, kde se tvoří kyselina 4-uhličitá. Poté kyselina přechází do skořepiny a rozkládá se na sloučeninu 3-uhlík a oxid uhličitý.
Ve druhé fázi začíná získaný oxid uhličitý pracovat v Calvinově cyklu, kde se produkují glyceraldehyd-3-fosfát a uhlovodíky, které jsou nezbytné pro energetický metabolismus.
Díky dvoustupňové fotosyntéze v rostlinách C4 se vytváří dostatečné množství oxidu uhličitého pro Kelvinův cyklus. Enzymy proto pracují v plné síle a neztrácejí zbytečně energii.
Tento systém má však své nevýhody. Zejména se spotřebuje větší množství energie ATP - je nezbytné pro přeměnu 4-uhlíkových kyselin na 3-uhlíkové kyseliny a v opačném směru. Takže C3- Fotosyntéza je vždy produktivnější než C4 se správným množstvím vody a světla.
Co ovlivňuje rychlost fotosyntézy?
Fotosyntéza může nastat při různých rychlostech. Tento proces závisí na podmínkách prostředí:
- voda;
- vlnová délka světla;
- oxid uhličitý;
- teplota.
Voda je zásadním faktorem, takže když chybí, reakce zpomalují. Pro fotosyntézu jsou nejvýhodnější vlny červeného a modrofialového spektra. Výhodný je také vysoký stupeň osvětlení, ale pouze na určitou hodnotu - jakmile je dosaženo, spojení mezi osvětlením a rychlostí reakce zmizí.
Vysoká koncentrace oxidu uhličitého zajišťuje rychlé fotosyntetické procesy a naopak. Určité teploty jsou důležité pro enzymy, které urychlují reakce. Ideální podmínky pro ně jsou asi 25-30 ℃.
Foto dech
Všechny živé věci potřebují dýchat a rostliny nejsou výjimkou. Tento proces se však v nich odehrává trochu jinak než u lidí a zvířat, a proto se nazývá fotorezi.
Obvykle, dech - fyzický proces, během něhož živý organismus a jeho prostředí vyměňují plyny. Stejně jako všechny živé věci, rostliny potřebují kyslík k dýchání. Konzumují ji však mnohem méně, než produkují.
Během fotosyntézy, ke které dochází pouze na slunci, si rostliny vytvářejí jídlo pro sebe. Během foto-dýchání, které se provádí nepřetržitě, jsou tyto živiny jimi absorbovány, aby podporovaly metabolismus v buňkách.
Zajímavý fakt: během slunečného dne spotřebuje 1 hektarový lesní pozemek 120 až 280 kg oxidu uhličitého a emituje 180 až 200 kg kyslíku.
Kyslík (jako oxid uhličitý) proniká do rostlinných buněk speciálními otvory - stomatou. Jsou umístěny ve spodní části listů. Na jeden list může být umístěno asi 1000 stomat.
Výměna plynů rostlin v závislosti na osvětlení
Proces výměny plynu při různém osvětlení je uveden takto:
- Jasné světlo. Oxid uhličitý se používá při fotosyntéze. Rostliny produkují více kyslíku, než spotřebují. Jeho přebytky vstupují do atmosféry. Oxid uhličitý se spotřebovává rychleji, než se uvolňuje dýcháním. Nepoužité uhlohydráty jsou v zařízení uloženy pro budoucí použití.
- Slabé světlo. K výměně plynu s prostředím nedochází, protože rostlina spotřebovává veškerý kyslík, který produkuje.
- Nedostatek světla. Vyskytují se pouze dýchací procesy. Oxid uhličitý se uvolňuje a spotřebovává se kyslík.
Chemosyntéza
Některé živé organismy jsou také schopné tvořit monokarbohydráty z vody a oxidu uhličitého, zatímco nepotřebují sluneční světlo. Patří sem bakterie a proces přeměny energie se nazývá chemosyntéza.
Chemosyntéza Je to proces, během kterého se syntetizuje glukóza, ale místo sluneční energie se používají chemikálie. Teče v oblastech s dostatečně vysokou teplotou, vhodnou pro provoz enzymů a bez světla. Mohou to být oblasti v blízkosti hydrotermálních pramenů, úniků metanu v hlubinách moře atd.
Historie objevu fotosyntézy
Historie objevu a studie fotosyntézy sahá až do roku 1600, kdy se Jan Baptiste van Helmont rozhodl pochopit naléhavou otázku té doby: co rostliny jedí a odkud získávají užitečné látky?
V té době se věřilo, že půda je zdrojem cenných prvků. Vědec umístil vrbovou větvičku do nádoby se zemí, ale dříve změřil jejich hmotnost. Po dobu 5 let se o strom postaral a zaléval, poté znovu provedl měřící postupy.
Ukázalo se, že hmotnost Země klesla o 56 g, ale strom byl 30krát těžší. Tento objev vyvrátil názor, že rostliny se živí půdou a vedly k nové teorii - výživě vody.
V budoucnu se to mnoho vědců pokusilo vyvrátit.Například Lomonosov věřil, že částečně strukturální složky vstupují do rostlin prostřednictvím listů. Vedl ho rostliny, které úspěšně rostou ve vyprahlých oblastech. Tuto verzi však nebylo možné prokázat.
Nejblíže skutečné situaci byl Joseph Priestley, chemický vědec a kněz na částečný úvazek. Jednou objevil mrtvou myš v nádobě vzhůru nohama a tento incident ho v sedmdesátých letech přinutil provést řadu experimentů s hlodavci, svíčkami a kontejnery.
Priestley zjistil, že svíčka vždy rychle vyjde, pokud ji zakryjete sklenicí nahoře. Živý organismus také nemůže přežít. Vědec dospěl k závěru, že existují určité síly, díky nimž je vzduch vhodný pro život, a pokusil se tento jev spojit s rostlinami.
Pokračoval v experimentech, ale tentokrát se pokusil umístit hrnec s rostoucí mátou pod skleněnou nádobu. K velkému překvapení rostlina pokračovala v aktivním rozvoji. Potom Priestley umístil rostlinu a myš pod jednu nádobu a pouze zvíře pod druhou. Výsledek je zřejmý - pod prvním tankem zůstal hlodavec nezraněn.
Úspěch lékárny se stal motivací pro další vědce z celého světa k opakování experimentu. Úlovek však spočíval v tom, že kněz ve dne experimentoval. A například lékárník Karl Scheele - v noci, když byl volný čas. V důsledku toho vědec obvinil Priestleyho z podvodu, protože jeho experimentální předměty nedokázaly obstát v experimentu s rostlinou.
Mezi chemiky propukla skutečná vědecká konfrontace, která přinesla významné výhody a umožnila další objev - že rostliny potřebují obnovit vzduch, potřebují sluneční světlo.
Samozřejmě pak nikdo nenazval tento jev fotosyntézu a stále zde bylo mnoho otázek. V roce 1782 byl však botanik Jean Senebier schopen prokázat, že v přítomnosti slunečního záření jsou rostliny schopné rozkládat oxid uhličitý na buněčné úrovni. A v roce 1864 se nakonec objevily experimentální důkazy, že rostliny absorbují oxid uhličitý a produkují kyslík. To je zásluha vědce z Německa - Julius Sachs.