Co je to jednoduchými slovy fotosyntéza?

Tento proces je rozhodující pro přežití rostlin a slouží jako zdroj kyslíku, který dýcháme. V tomto článku si rozebereme, co je fotosyntéza, jak funguje a funguje, na jaké fáze se dělí a co s tím má společného podzimní opad listí.

Od dětství nás učí milovat přírodu a starat se o ni. A samozřejmě se zmiňují o důležitosti flóry při zásobování Země kyslíkem, který dýcháme. Stromy a tráva absorbují oxid uhličitý a dávají lidstvu možnost dýchat! To připomíná magii, vynález zručného vypravěče.

To si pravděpodobně myslel belgický vědec Jan Van Helmont již v roce 1600, když provedl experiment. Vrbovou větev, jejíž váhu předtím změřil, umístil do pytle s 80 kg zeminy a pět let ji zaléval dešťovou vodou. Na konci experimentu se hmotnost vrby zvýšila o 65 kg a hmotnost půdy se snížila pouze o 50 g. Van Helmondovo pozorování poskytlo více otázek než odpovědí, ale bylo stále významné, protože naznačovalo, že vrba nezíská hmotu z půdy, ve které roste. Je to opravdu jako kouzlo.

Mnohem nápadnější však je, že v tom není žádný zázrak – ale pouze jeden pozoruhodný biochemický proces, který se odehrává doslova před námi. Fotosyntéza.

Definice a vzorec fotosyntézy

Fotosyntéza je proces, který umožňuje rostlině přeměnit vodu a oxid uhličitý na kyslík a glukózu absorbováním světelné energie přijaté ze slunce. Překvapivě lze takto složitý a vícestupňový jev zredukovat na jeden malý diagram. 6CO2 + 6H2O -> C6H12O6 + 6O2. Tento vzorec ukazuje chemickou reakci, ke které dochází během procesu, kdy šest molekul oxidu uhličitého a šest molekul vody tvoří jednu molekulu glukózy a šest molekul kyslíku. Celá akce je odhalena v těchto významech.

Při procesu fotosyntézy vzniká glukóza, kterou pak rostliny využívají jako zdroj potřebné energie a do atmosféry se dostává kyslík, který slouží jako zdroj pro dýchání mnoha tvorů. Právě díky této půvabné reakci se život na Zemi mohl vyvinout a vyvinout k nám známým druhům a formám.

Hlavním aktérem fotosyntézy, bez kterého je tento proces nemožný, je chlorofyl. Chlorofyl je zelené barvivo, které se nachází v chloroplastech rostlinných buněk. Působí jako hlavní pigment zodpovědný za absorpci fotonů ve fotosyntetických organelách rostliny.

Význam chlorofylu spočívá také ve zpracování světelné energie na chemickou energii, která je zase nezbytná pro syntézu organických látek. Má schopnost absorbovat světlo v určitých rozsazích vlnových délek, především v červené a modré oblasti spektra, a odráží zelené světlo, které dává rostlinám zelenou barvu.

Chlorofyl má v tomto okruhu dvě hlavní funkce: absorpci energie a přenos energie. Většina – 90 % – látky v chloroplastech je koncentrována v komplexech sbírajících světlo (LHC). Tyto komplexy slouží jako anténa, která přenáší energii do reakčních center, kde probíhají fotosyntetické reakce. Karotenoidy a fykobiliny jsou pigmenty, které pomáhají chlorofylu rozšířit spektrum světelných vln, které absorbuje, aby získal maximum energie. Někdy chlorofyl v tomto procesu zcela ustoupí do pozadí a nemá svůj obvyklý význam. Například na dně oceánu, kde je zelená hmota bezmocná, řídí proces pohlcování světla fykobilin, který nejlépe funguje s modrým světlem, a proto má mnoho hlubinných řas charakteristický načervenalý nádech.

Zajímavý fakt! Na podzim, kdy se zkracuje délka dne, dostává rostlina méně světelné energie pro fotosyntézu. To vede ke snížení aktivity chlorofylu a snížení jeho koncentrace v listech. Snížení teploty vzduchu navíc zpomaluje výměnu plynů v rostlině. Při nízkých teplotách dochází k zúžení cév odpovědných za transport vody a živin v listech. To vede ke snížení dodávky vody a živin do listů, což způsobuje, že fotosyntéza probíhá stále méně aktivně. Proto na podzim můžeme pozorovat žloutnutí olistění.

Fázová fotosyntéza

Samotný proces fotosyntézy se dělí na dvě fáze: světlo a tmu. Během světelné fáze je sluneční světlo pohlcováno chloroplasty v listech rostliny, které obsahují molekuly výše zmíněného chlorofylu, zodpovědné za pohlcování slunečního záření. Světelná energie se používá k štěpení molekul vody a uvolňování kyslíku za vzniku protonů a elektronů.

Elektrony se používají k redukci NADP+ (nikotinamid adenindinukleotid fosfát – koenzym, který přijímá elektrony a vodík pro následný přenos do jiných látek) na NADPH – chemickou látku, která bude následně využita v další, temné fázi, během níž uvolněná energie podporuje přeměna vody a oxidu uhličitého na glukózu a kyslík.

Světelná fáze fotosyntézy

Světelná fáze fotosyntézy je první fází procesu, který se „rozvine“ v chloroplastu.

Chlorofyl absorbuje světlo, vzrušuje se a uvolňuje elektron. Tento elektron prochází mezi speciálními proteinovými komplexy fotosystémy, které si půjčují energii získanou pohybem tohoto elektronu k redukci NADP na NADPH.

Při přenosu elektronů se uvolňuje energie, která aktivuje práci speciálního enzymu ATP syntázy, která přispívá k syntéze ATP (adenosintrifosfátu), nejdůležitějšího zdroje energie pro buňku. ATP se používá pro různé buněčné procesy, včetně syntézy organických molekul.

Současně s přenosem elektronů dochází ve fázi světla k procesu fotolýzy. Částice vody se rozkládají na vodíkové protony a kyslík. Ukazuje se, že toho druhého je hodně a následně „odchází“ do atmosféry, kde již slouží jako zdroj našeho dechu. Protony vodíku se hromadí, aby se účastnily další fáze fotosyntézy.

Temná fáze fotosyntézy

Tmavá fáze, také známá jako Calvinův cyklus nebo fixace uhlíku, se vyskytuje ve stromatu, vnitřní buňce chloroplastu. Navzdory svému názvu se tato fáze může vyskytovat jak ve tmě, tak ve světle. Atmosférický oxid uhličitý, který se dostal do rostliny spolu s dalšími anorganickými látkami přijatými rostlinou z vody z kořenového systému, prochází mezibuněčným prostorem a končí v buňkách, kde je fixován.

Dále dochází k reakci, při které se protony a elektrony používají k přeměně oxidu uhličitého na glukózu. Energie získaná ve světelné fázi z molekul ATP se spolu s NADP+ a protony vody využívá ke zpracování oxidu uhličitého na glukózu. Někdy se ukáže, že je to ještě víc, než je nutné, a pak rostlina část „odloží“ a syntetizuje ji na jinou organickou hmotu, například bílkoviny nebo polysacharidy. Celý tento řetězec reakcí se nazývá fixace uhlíku, protože oxid uhličitý absorbovaný rostlinou ze vzduchu se přeměňuje na organické sloučeniny.

Fáze světla a tmy jsou vzájemně propojeny a jsou na sobě úzce závislé. Světlá fáze produkuje energii potřebnou k provedení temné fáze a tmavá fáze ji využívá k syntéze organických molekul. Obě fáze fotosyntézy jsou ekvivalentní, protože obě působí přímo na podporu života rostliny a nepřímo na život na planetě, protože rostliny jsou zdrojem potravy pro mnoho organismů a „produkují“ kyslík nezbytný pro jejich dýchání.

Význam fotosyntézy

Význam a význam fotosyntézy nejvýstižněji popsal akademik K.A. Timiryazev. Když mluvil o roli tohoto procesu v přírodě, přirovnal zrno chlorofylu k laboratoři, ve které se spouštějí všechny organické procesy. Byly to rostliny se schopností přeměňovat anorganickou hmotu na organickou hmotu, která umožnila rozvoj nám známých forem života.

Kromě toho zvláštní význam fotosyntézy pochází také z její role při skládání potravního řetězce Rostliny produkují glukózu, která se pak potravním řetězcem přenáší do jiných organismů. Zvířata a lidé konzumují rostlinnou potravu, aby získali energii a živiny potřebné k udržení života.

Bez fotosyntézy by Země neměla dostatek kyslíku pro život. Navíc by neexistovala potrava pro zvířata a lidi. Fotosyntéza hraje klíčovou roli v biodiverzitě a ekosystémech, poskytuje energii a výživu všem živým organismům.

Fotosyntéza má však také „příbuznou“ – chemosyntézu. Tento proces provádějí některé organismy, jako jsou archaea a některé druhy bakterií, a stejně jako fotosyntéza jim dává schopnost produkovat organické látky z anorganických pomocí chemických reakcí. Na rozdíl od fotosyntézy, ke které dochází za použití světla jako zdroje energie, je však chemosyntéza založena na oxidaci anorganických sloučenin.

Chemosyntéza má velký význam pro ekosystémy, zejména v těch místech nebo podmínkách, kde je málo nebo žádná světelná energie. Organismy schopné chemosyntézy jsou hlavními producenty takových ekosystémů a poskytují organické látky pro jiné organismy, které si je samy syntetizovat nemohou. Kromě toho je studium chemosyntézy zvláště důležité pro budoucí vědu. Studiem tohoto procesu mohou vědci potenciálně významně rozšířit naše znalosti o možnosti života v extrémních podmínkách a hledat analogie s jinými planetami nebo způsoby života ve Vesmíru.

Závěr

Fotosyntéza je neuvěřitelně důležitá pro veškerý život na Zemi, poskytuje nám kyslík, který potřebujeme k dýchání, a pomáhá udržovat uhlíkový cyklus. Na příkladu tohoto procesu můžeme vidět, jak příroda funguje hladce, jak jsou v jednom řetězci zapojeny zcela odlišné prvky a stvoření. Slunce, rostliny, kyslík, zvířata, glukóza, voda, lidé – všichni jsme součástí jednoho řetězce. Odstraněním nebo oslabením jedné proměnné v této rovnici můžete doslova zničit veškerý život na naší planetě. To je důvod, proč jsme od dětství vedeni k šetrnému přístupu k rostlinám. A proto je tak důležité si tyto lekce vždy pamatovat a řídit se jimi.

Biologie může být zajímavá! A příprava na zkoušky je vzrušující a zábavná. Přihlaste se na bezplatnou úvodní lekci , a my vám prozradíme, jak se připravit na biologii s požadovanými body se Sotkou.

Bylo to užitečné
podíl

Doporučujeme také přečíst:

Fotosyntéza – fotochemické reakce neboli Fotochemie je proces vzniku oxidu uhličitého a vody na světle za účasti fotosyntetických pigmentů (chlorofyl u rostlin; fyziologie rostlin, fotosyntéza je častěji chápána jako fotoautotrofní funkce – soubor procesů absorpce, přeměny a využití energie světelných kvant při různých endergonických reakcích, včetně přeměny oxidu uhličitého na organickou hmotu.

Existují kyslíkové a anoxygenní typy fotosyntézy. Kyslík je mnohem rozšířenější, provádějí ho rostliny, sinice a světelná kvanta pigmentů, jejich přechod do excitovaného stavu a přenos energie na další molekuly fotosystému. Ve druhé fázi dochází v reakčním centru k separaci nábojů, přenosu elektronů po fotosyntetickém elektronovém transportním řetězci, který končí syntézou cukrů a

• 1 Prostorová lokalizace
• 2 Stupeň světla (závislý na světle).
  • 2.1 Fotochemická podstata procesu
  • 2.2 Světelné komplexy
  • 2.3 Hlavní složky elektronového transportního řetězce
    • 2.3.1 Fotosystém II
    • 2.3.2 b₆f nebo b/f komplex
    • 2.3.3 Fotosystém I
    • 3.1 ° C₃ – fotosyntéza, Calvinův cyklus
    • 3.2 ° C₄ – fotosyntéza
    • 3.3 CAM fotosyntéza

    Prostorová lokalizace [ ]

    

    Fotosyntéza rostlin probíhá v listu. V listu je tkáň nejbohatší na chloroplasty epidermis, ale většina z ní difunduje do listu přes C₄ a CO₂ se vyskytuje ve stromatu.

    Světelný (na světle závislý) stupeň [ ]

    Během světelné fáze fotosyntézy vznikají vysokoenergetické produkty: ATP, který slouží jako zdroj energie v buňce, a NADPH, který se používá jako redukční činidlo. Jako vedlejší produkt se uvolňuje kyslík. Obecně je role světelných reakcí ve fotosyntéze taková, že molekula ATP a molekuly nosiče protonu jsou syntetizovány ve světelné fázi, tzn. NADP H2.

    Fotochemická podstata procesu [ ]

    Druhý excitovaný stav je nejvíce vysokoenergetický, nestabilní a chlorofyl z něj přechází do prvního za 10 -12 sekund se ztrátou 100 kJ/mol energie pouze ve formě tepla. Z prvního singletového a tripletového stavu může molekula přejít do základního stavu s uvolněním energie ve formě světla (fluorescence) nebo tepla, s přenosem energie na jinou molekulu, nebo, protože elektron na vysoké energetické úrovni je slabě vázána na jádro, s přenosem elektronů na jinou sloučeninu.

    Druhá možnost je realizována ve světlosběrných komplexech, první – v reakčních centrech, kde se chlorofyl, který pod vlivem světelného kvanta přechází do excitovaného stavu, stává donorem elektronů (redoxní potenciály vody (pro poloviční reakci H₂0 → O₂ E=+0,82 V) a NADP+ (E=-0,32 V). V tomto případě musí mít chlorofyl potenciál v základním stavu větší než +0,82 V, aby oxidoval vodu, ale zároveň musí mít potenciál v excitovaném stavu menší než -0,32 V, aby se snížil NADP +. Jedna molekula chlorofylu nemůže splnit oba požadavky. Vznikly proto dva fotosystémy a aby proběhl kompletní proces, jsou potřeba dvě světelná kvanta a dva chlorofyly různých typů.

    Světelné komplexy [ ]

    Chlorofyl plní dvě funkce: absorpci a přenos energie. Více než 90 % celkového chlorofylu chloroplastů je součástí světlosběrných komplexů (LHC), které fungují jako anténa přenášející energii do reakčního centra fotosystémů I nebo II. SSC obsahuje kromě chlorofylu řasy a sinice – nm. Přenos je provázen určitými energetickými ztrátami (10 % z chlorofylu a na chlorofyl b, 60 % z karotenoidů do chlorofylu), proto je možné pouze od pigmentu s maximální absorpcí při kratší vlnové délce k pigmentu s delší. V tomto pořadí jsou pigmenty SSC vzájemně lokalizovány, přičemž chlorofyly s nejdelší vlnovou délkou jsou umístěny v reakčních centrech. Opačný přechod energie je nemožný.

    SSC rostlin se u sinic nachází v membránách thylakoidů, jeho hlavní část je vynášena mimo membrány do hlavních složek elektronového transportního řetězce na ně navázaných [ ];

    Hlavní článek: Elektronový transportní řetězec fotosyntézy

    Fotosystém II [ ]

    Fotosystém je soubor SSC, centra fotochemické reakce a nosičů elektronů. Světelný komplex II obsahuje 200 molekul chlorofylu a, 100 molekul chlorofylu b, 50 molekul karotenoidů a 2 molekuly feofytinu. Reakční centrum fotosystému II je pigment-proteinový komplex umístěný v thylakoidních membránách a obklopený SSC. Obsahuje dimer chlorofylu a s absorpčním maximem při 680 nm (P680). Energie světelného kvanta z SSC je v konečném důsledku přenesena do něj, v důsledku čehož se jeden z elektronů přesune do vyššího energetického stavu, jeho spojení s jádrem se oslabí a z excitované molekuly P680 se stane silné redukční činidlo (E=-0,7 V).

    K vyplnění elektronového prázdného místa v molekule P680 dochází vlivem vody. PS II obsahuje komplex oxidující vodu, obsahující 4 ionty manganu v aktivním centru. K vytvoření jedné molekuly kyslíku jsou zapotřebí dvě molekuly vody, což dává 4 elektrony. Proces tedy probíhá ve 4 cyklech a pro jeho kompletní realizaci jsou zapotřebí 4 kvanta světla. Komplex se nachází na straně intratylakoidního prostoru a uvolňují se do něj vzniklé 4 protony.

    Celkovým výsledkem práce PS II je tedy oxidace 2 molekul vody pomocí 4 světelných kvant za vzniku 4 protonů v intratylakoidním prostoru a 2 redukovaných plastochinonů v membráně.

    b₆f nebo b/f-komplex [ ]

    Světelný komplex I obsahuje přibližně 200 molekul chlorofylu.

    V reakčním centru prvního fotosystému je dimer chlorofylu a s absorpčním maximem při 700 nm (P700). Po excitaci světelným kvantem obnovuje primární akceptor – chlorofyl a, který je sekundární (ferridoxin-NADP reduktáza.

    Plastocyanin protein redukovaný na b₆f komplex, je transportován do reakčního centra prvního fotosystému ze strany intratylakoidního prostoru a přenáší elektron do oxidovaného P700.

    Cyklický a pseudocyklický transport elektronů [ ]

    Kromě výše popsané kompletní necyklické elektronové dráhy byla objevena cyklická a pseudocyklická dráha.

    Podstatou cyklické dráhy je, že ferridoxin místo NADP redukuje plastochinon, který jej převede zpět na b₆f komplexní. To má za následek větší protonový gradient a více ATP, ale žádný NADPH.

    V pseudocyklické dráze ferridoxin redukuje kyslík, který se dále přeměňuje na vodu a může být použit ve fotosystému II. V tomto případě se také netvoří NADPH.

    Temné jeviště [ ]

    Ve stádiu tmy dochází ke snížení CO za účasti ATP a NADPH₂ na glukózu. Přestože světlo není pro tento proces potřeba, podílí se na jeho regulaci.

    С₃ — fotosyntéza, Calvinův cyklus [ ]

    Hlavní článek: Reduktivní pentózofosfátový cyklus se skládá ze tří fází:

    • Karboxylace
    • Zotavení
    • Regenerace akceptoru CO₂

    V první fázi se k ribulóza-1,5-bisfosfátu přidá CO₂ působením enzymu ribulózabisfosfátkarboxyláza/oxygenáza (C₄ — fotosyntéza [ ]

    Hlavní články: C4 fotosyntéza

    Při nízkých koncentracích CO rozpuštěného ve stromatu₂ Rubisco katalyzuje oxidační reakci ribulóza-1,5-bifosfátu a jeho rozklad na kyselinu 3-fosfoglycerovou a fotosyntézu CAM [ ]

    Při fotosyntéze CAM (Crassulaceae acid metabolism) se odděluje asimilace CO₂ a Calvinův cyklus není ve vesmíru jako C₄, ale včas. V noci se malát hromadí ve vakuolách buněk, podle mechanismu podobného výše popsanému s otevřenými průduchy během dne, s uzavřenými průduchy nastává Calvinův cyklus; Tento mechanismus vám umožňuje co nejvíce šetřit vodou, ale má nižší účinnost a C₄a C₃. Je to odůvodněno hodnotou fotosyntézy [ ]

    Fotosyntéza je hlavním vstupem anorganického uhlíku do biologického cyklu. Veškerý kyslík v atmosféře je biogenního původu a je jeho vedlejším produktem. Vznik oxidační atmosféry zcela změnil stav zemského povrchu, umožnil vznik dýchání a později po vzniku i studium fotosyntézy [ ]

    Chlorofyly byly poprvé izolovány v roce 1818 P. J. Peletierem a J. Caventouem. M. S. Tsvetovi se podařilo oddělit pigmenty a samostatně je studovat pomocí metody, kterou vytvořil K. A. Timiryazev, který při rozvíjení Mayerových principů ukázal, že právě ty absorbované umožňují zvýšit energii systému, vytvářejí C-O a O- vazby místo slabých H vysokoenergetické C-C (před tím se věřilo, že fotosyntéza využívá žluté paprsky, které nejsou absorbovány listovými pigmenty). To se podařilo díky metodě, kterou vytvořil pro účetní fotosyntézu založenou na absorbovaném CO₂, při pokusech na osvětlení rostliny světlem různých vlnových délek (různých barev) se ukázalo, že intenzita fotosyntézy se shoduje s absorpčním spektrem chlorofylu.

    Redoxní povaha fotosyntézy (jak kyslíkové, tak anoxygenní) byla postulována Cornelisem van Nielem. To znamenalo, že kyslík se při fotosyntéze tvoří výhradně z vody, což experimentálně potvrdil v roce 1941 A.P. Vinogradov při pokusech s izotopovou značkou. V roce 1937 Robert Hill zjistil, že proces oxidace vody (a uvolňování kyslíku), stejně jako asimilace CO₂ lze oddělit. V letech 1954-1958 D. Arnon stanovil mechanismus světelných fází fotosyntézy a podstatu procesu asimilace CO₂ byl objeven Melvinem Calvinem pomocí izotopů uhlíku na konci 1940. let, za což mu byla v roce 1961 udělena Nobelova cena.

    Rubisco bylo izolováno a purifikováno v roce 1955. S₄ fotosyntézu popsal Yu S. Karpilov v roce 1960 a M. D. Hatch a K. R. Slack v roce 1966.

    literatura [ ]

    • Hala D., Rao K. Fotosyntéza: Transl. z angličtiny – M.: Mir, 1983.