Izprot hloroplastu, hlorofila, grana, tilakoīdu membrānu un stromu nozīmi un nozīmi fotosintēzē Fotosintēzes vieta, nozīme un mehānismi. Pētiet hloroplastu, hlorofila, grana, tilakoīdu membrānu un stromu lomu fotosintēzē. Enciklopēdija Britannica, Inc. Skatiet visus šī raksta videoklipus
fotosintēze , process, kurā zaļa augi un daži citi organismi gaismas enerģiju pārveido par ķīmisko enerģiju. Zaļo augu fotosintēzes laikā gaismas enerģija tiek uztverta un izmantota pārveidošanai ūdens , oglekļa dioksīdu un minerālvielas skābekļa un enerģijas bagātā organiskā savienojumi .
fotosintēze Fotosintēzes diagramma parāda, kā augs absorbē ūdeni, gaismu un oglekļa dioksīdu, lai ražotu skābekli, cukurus un vairāk oglekļa dioksīda. Enciklopēdija Britannica, Inc.
Galvenie jautājumiFotosintēze ir kritiska, lai pastāvētu lielākā daļa dzīvības uz Zemes. Tas ir veids, kā praktiski visa enerģija biosfērā kļūst pieejama dzīvajām būtnēm. Kā primārie ražotāji fotosintētiskie organismi veido Zemes barības tīklu pamatu, un tos tieši vai netieši patērē visas augstākās dzīvības formas. Turklāt gandrīz viss skābeklis atmosfērā ir saistīts ar fotosintēzes procesu. Ja fotosintēze beigtos, uz Zemes drīz būtu maz pārtikas vai citu organisko vielu, lielākā daļa organismu izzustu, un Zemes atmosfērā galu galā gandrīz nebūtu gāzveida skābekļa.
Fotosintēzes procesu parasti raksta šādi: 6COdivi+ 6HdiviO → C6H12VAI6+ 6Odivi. Tas nozīmē, ka reaģenti, sešas oglekļa dioksīda molekulas un sešas ūdens molekulas, ar hlorofila uztverto gaismas enerģiju (ko norāda bulta) pārvērš cukura molekulā un sešās skābekļa molekulās - produktos. Organisms izmanto cukuru, un skābeklis izdalās kā blakusprodukts.
Spēja fotosintezēt ir atrodama abos eikariots un prokariotu organismi. Vispazīstamākie piemēri ir augi, jo visas, izņemot ļoti maz parazītu vai mikoheterotrofo sugu, satur hlorofilu un ražo paši savu pārtiku. Aļģes ir otra dominējošā eikariotu fotosintētisko organismu grupa. Visas aļģes, kas ietver masveida brūnaļģes un mikroskopiskās diatomas, ir svarīgi primārie ražotāji. Cianobaktērijas un dažas sēra baktērijas ir fotosintētiski prokarioti, kuros attīstījās fotosintēze. Neviens no dzīvniekiem netiek uzskatīts par patstāvīgu fotosintēzes spēju, lai gan smaragdzaļās jūras gliemezis var īslaicīgi savā ķermenī iekļaut hloroplastu aļģes pārtikas ražošanai.
Eikariots Uzziniet vairāk par eikariotiem. Prokariots Uzziniet vairāk par prokariotiem.Būtu neiespējami pārvērtēt fotosintēzes nozīmi dzīvības uzturēšanā uz Zemes. Ja fotosintēze beigtos, uz Zemes drīz būtu maz pārtikas vai citu organisko vielu. Lielākā daļa organismu izzustu, un laika gaitā Zemes atmosfērā gandrīz nebūtu gāzveida skābekļa. Vienīgie organismi, kas varētu pastāvēt šādos apstākļos, būtu ķīmiskās sintētiskās baktērijas, kas var izmantot noteiktu neorganisko savienojumu ķīmisko enerģiju un tādējādi nav atkarīgas no gaismas enerģijas pārveidošanas.
Enerģija, ko ražo fotosintēze, ko pirms miljoniem gadu veica augi, ir atbildīga par fosilo kurināmo (t.i., ogles, eļļa un gāze), kas darbojas industriālajā sabiedrībā. Iepriekšējos laikmetos zaļie augi un mazi organismi, kas barojās ar augiem, pieauga ātrāk nekā tie tika patērēti, un to atliekas nogulsnēšanās un citu ģeoloģisku procesu rezultātā nogulsnējās Zemes garozā. Tur, pasargāts no oksidēšanās , šīs organiskās atliekas lēnām tika pārveidotas par fosilo kurināmo. Šīs degvielas nodrošina ne tikai lielu daļu enerģijas, ko izmanto rūpnīcās, mājās un transportā, bet arī kalpo kā plastmasas un citu materiālu izejviela. sintētisks produktiem. Diemžēl mūsdienu civilizācija dažu gadsimtu laikā izmanto miljoniem gadu laikā uzkrāto fotosintētiskās produkcijas pārpalikumu. Līdz ar to oglekļa dioksīds, kas miljonu gadu laikā fotosintēzes laikā ir izvadīts no gaisa ogļhidrātu veidošanai, tiek atgriezts neticami ātri. Oglekļa dioksīda koncentrācija Zemes atmosfērā pieaug visātrāk, kāda tā jebkad ir bijusi Zemes vēsturē, un sagaidāms, ka šai parādībai būs ievērojama sekas uz Zemes klimats .
Prasības pārtikai, materiāliem un enerģijai pasaulē, kur cilvēks iedzīvotāju skaits strauji pieaug, ir radusies nepieciešamība palielināt gan fotosintēzes, gan fotosintēzes daudzumu efektivitāte pārveidot fotosintētisko produkciju cilvēkiem noderīgos produktos. Viena atbilde uz šīm vajadzībām - tā sauktā Zaļā revolūcija , kas sākās 20. gadsimta vidū - sasniedza milzīgus lauksaimniecības ražas uzlabojumus, izmantojot ķīmiskos mēslošanas līdzekļus, kaitēkļu un augu slimību apkarošanu, augu selekciju un mehanizētu augsnes apstrādi, ražas novākšanu un kultūraugu apstrādi. Neraugoties uz straujo iedzīvotāju skaita pieaugumu, šie centieni ierobežoja smagas bada parādības tikai dažos pasaules rajonos, taču tas nenovērsa plašu nepietiekamu uzturu. Turklāt, sākot ar 90. gadu sākumu, galveno kultūru ražas pieauguma temps sāka samazināties. Tas jo īpaši attiecās uz rīsiem Āzijā. Daudzu valstu lauksaimniekiem kļuva problemātiski arī pieaugošās izmaksas, kas saistītas ar augstu lauksaimniecības produkcijas līmeni, kam vajadzēja arvien vairāk mēslošanas līdzekļu un pesticīdu, kā arī pastāvīgi attīstīt jaunas augu šķirnes.
Otra lauksaimniecības revolūcija, kuras pamatā ir augs gēnu inženierija , tika prognozēts, ka tas palielinās augu produktivitāti un tādējādi daļēji atvieglot nepietiekams uzturs. Kopš 20. gadsimta 70. gadiem molekulārajiem biologiem ir līdzekļi, lai mainītu augu ģenētisko materiālu (dezoksiribonukleīnskābi vai DNS), lai uzlabotu izturību pret slimībām un sausumu, produkcijas ražu un kvalitāti, salizturību un citas vēlamās īpašības. Tomēr šādas iezīmes pēc būtības ir sarežģītas, un kultūraugu izmaiņu veikšanas process, izmantojot gēnu inženieriju, ir izrādījies sarežģītāks, nekā paredzēts. Nākotnē šāda gēnu inženierija var uzlabot fotosintēzes procesu, taču 21. gadsimta pirmajās desmitgadēs tai vēl bija jāpierāda, ka tā var dramatiski palielināt ražas ražu.
Vēl viena intriģējoša joma fotosintēzes pētījumā ir atklājums, ka daži dzīvnieki spēj gaismas enerģiju pārvērst ķīmiskajā enerģijā. Smaragdzaļās jūras gliemezis ( Elīzija hlorotika ), piemēram, iegūst gēnus un hloroplastus no Vauchena granti , an aļģes tas patērē, dodot ierobežotas iespējas ražot hlorofilu. Kad ir pietiekami daudz hloroplastu asimilēts , plēksne var atteikties no ēdiena uzņemšanas. Zirņu laputu ( Acyrthosiphon pisum ) var izmantot gaismu, lai ražotu enerģijas bagātu savienojums adenozīna trifosfāts (ATP); šī spēja ir saistīta ar laputu karotinoīdu pigmentu ražošanu.
Fotosintēzes izpēte sākās 1771. gadā ar angļu garīdznieka un zinātnieka Džozefa Priestlija novērojumiem. Priestlijs slēgtā traukā bija sadedzinājis sveci, līdz gaiss konteinerā vairs nevarēja noturēties sadedzināšana . Tad viņš nolika zariņu kā augu konteinerā un atklāja, ka pēc vairākām dienām piparmētra bija ražojusi kādu vielu (vēlāk atzītu par skābekli), kas ierobežotajam gaisam ļāva atkal atbalstīt degšanu. 1779. gadā holandiešu ārsts Jans Ingenhouszs paplašināja Priestley darbu, parādot, ka iekārta bija pakļauta gaismai, lai atjaunotu degošo vielu (t.i., skābekli). Viņš arī parādīja, ka šim procesam ir nepieciešama auga zaļo audu klātbūtne.
1782. gadā tika pierādīts, ka degšanu veicinošā gāze (skābeklis) veidojas uz citas gāzes jeb fiksēta gaisa rēķina, kas gadu iepriekš tika identificēts kā oglekļa dioksīds. Gāzes apmaiņas eksperimenti 1804. gadā parādīja, ka rūpīgi nosvērtajā podā audzēta auga svara pieaugums bija saistīts ar oglekļa uzņemšanu, kas pilnībā radās no absorbētā oglekļa dioksīda un augu sakņu uzņemtā ūdens; atlikums ir skābeklis, kas izdalās atpakaļ atmosfērā. Gandrīz pusgadsimts pagāja, pirms ķīmiskās enerģijas jēdziens bija pietiekami attīstījies, lai ļautu atklāt (1845. gadā), ka saules gaismas enerģija tiek glabāta kā ķīmiskā enerģija produktos, kas veidojas fotosintēzes laikā.
cik dziļi bija ierakumi WW1
Ķīmiskajā izteiksmē fotosintēze ir gaismas enerģija oksidēšanās – reducēšanas process . (Oksidēšana attiecas uz elektronu atdalīšanu no molekulas; reducēšana attiecas uz elektronu pieaugumu, ko veic molekula.) Augu fotosintēzē gaismas enerģija tiek izmantota ūdens oksidācijas (HdiviKas rada skābekļa gāzi (Odivi), ūdeņraža joni (H+), un elektroni. Lielākā daļa noņemto elektronu un ūdeņraža jonu galu galā tiek pārnesti uz oglekļa dioksīdu (COdivi), kas tiek samazināts līdz bioloģiskiem produktiem. Citus elektronus un ūdeņraža jonus izmanto, lai aminoskābēs nitrātus un sulfātus pārvērstu par amino un sulfhidrilgrupām, kas ir olbaltumvielu celtniecības bloki. Lielākajā daļā zaļo šūnu ogļhidrāti, īpaši ciete un cukurs saharoze - tie ir galvenie fotosintēzes tiešie bioloģiskie produkti. Ogļhidrātu kopējā reakcija, ko attēlo vispārējā formula (CHdiviO) - veidojas augu fotosintēzes laikā, var norādīt ar šādu vienādojumu:
Šis vienādojums ir tikai kopsavilkuma paziņojums, jo fotosintēzes process faktiski ietver daudzas reakcijas, kuras katalizē fermenti (organiskie katalizatori). Šīs reakcijas notiek divos posmos: gaismas stadija, kas sastāv no fotoķīmiskām (t.i., gaismas uztveršanas) reakcijām; un tumšā stadija, kas satur ķīmiskās reakcijas, kuras kontrolē fermenti. Pirmajā posmā gaismas enerģija tiek absorbēta un izmantota elektronu pārneses virknes vadīšanai, kā rezultātā rodas ATP un ar elektronu donoru reducēto nikotīna adenīna dinukleotīda fosfātu (NADPH). Tumšajā stadijā ATP un NADPH, kas veidojas gaismas uztveršanas reakcijās, tiek izmantoti, lai oglekļa dioksīdu reducētu par organiskiem oglekļa savienojumiem. Šo neorganiskā oglekļa asimilāciju organiskos savienojumos sauc par oglekļa fiksāciju.
20. gadsimta laikā zaļo augu fotosintēzes procesu un dažu fotosintētisko sēra baktēriju salīdzinājumi sniedza svarīgu informāciju par fotosintēzes mehānismu. Sēra baktērijas izmanto sērūdeņradi (HdiviS) kā ūdeņraža atomu avots un fotosintēzes laikā skābekļa vietā rada sēru. Kopējā reakcija ir
1930. gadu holandiešu biologs Kornelis van Nīls atzina, ka oglekļa dioksīda izmantošana organisko savienojumu veidošanai abos fotosintētisko organismu veidos bija līdzīga. Piedāvājot, ka pastāv atšķirības no gaismas atkarīgajā stadijā un to savienojumu raksturā, kurus izmanto kā ūdeņraža atomu avotu, viņš ierosināja ūdeņradi pārnest no sērūdeņraža (baktērijās) vai ūdens (zaļajos augos) uz nezināmu akceptoru ( sauca A), kas tika samazināts līdz HdiviA. Tumšo reakciju laikā, kas ir līdzīgas gan baktērijās, gan zaļajos augos, reducētais akceptors (HdiviA) reaģēja ar oglekļa dioksīdu (COdivi), veidojot ogļhidrātus (CHdiviO) un oksidēt nezināmo akceptoru līdz A. Tas domājams reakciju var attēlot kā:
Van Niela priekšlikums bija svarīgs, jo populārā (bet nepareiza) teorija bija tāda, ka skābeklis tika noņemts no oglekļa dioksīda (nevis ūdeņradis no ūdens, atbrīvojot skābekli) un ka ogleklis pēc tam tika apvienots ar ūdeni, veidojot ogļhidrātus (nevis ūdeņradi no ūdens apvienojot ar COdivilai izveidotu CHdiviVAI).
Līdz 1940. gadam ķīmiķi izmantoja smagos izotopus, lai sekotu fotosintēzes reakcijām. Ūdens, kas apzīmēts ar skābekļa izotopu (18O) tika izmantots agrīnajos eksperimentos. Augi, kas fotosintēzes ūdenī, kas satur H, klātbūtnēdivi18O radīja skābekļa gāzi, kas satur18O; tie, kas fotosintezēja normāla ūdens klātbūtnē, radīja normālu skābekļa gāzi. Šie rezultāti sniedza galīgu atbalstu Van Nīla teorijai, ka fotosintēzes laikā radusies skābekļa gāze ir iegūta no ūdens.
