Lekcje biologii: czym jest fotosynteza. Proces fotosyntezy: krótki i zrozumiały dla dzieci. Fotosynteza: fazy jasne i ciemne Co to jest fotosynteza

Fotosynteza to proces powstawania substancji organicznych w roślinach zielonych. Fotosynteza stworzyła całą masę roślin na Ziemi i nasyciła atmosferę tlenem.

W jaki sposób roślina odżywia się?

Wcześniej ludzie byli pewni, że rośliny pobierają z gleby wszystkie substancje potrzebne do odżywiania. Jednak jedno doświadczenie pokazało, że tak nie jest.

W doniczce z ziemią posadzono drzewo. W tym samym czasie zmierzono masę zarówno ziemi, jak i drzewa. Kiedy kilka lat później ponownie zważono obie rośliny, okazało się, że masa ziemi spadła zaledwie o kilka gramów, a masa rośliny wzrosła o wiele kilogramów.

Do gleby dodano tylko wodę. Skąd wzięły się te kilogramy masy roślinnej?

Z powietrza. Cała materia organiczna w roślinach powstaje z atmosferycznego dwutlenku węgla i wody glebowej.

TOP 2 artykułyktórzy czytają razem z tym

Energia

Zwierzęta i ludzie jedzą rośliny, aby uzyskać energię do życia. Energia ta zawarta jest w wiązaniach chemicznych substancji organicznych. Skąd ona pochodzi?

Wiadomo, że roślina nie może normalnie rosnąć bez światła. Światło to energia, za pomocą której roślina buduje substancje organiczne swojego ciała.

Nie ma znaczenia, jakiego rodzaju jest to światło, słoneczne czy elektryczne. Każdy promień światła niesie energię, która staje się energią wiązań chemicznych i podobnie jak klej utrzymuje atomy w dużych cząsteczkach substancji organicznych.

Gdzie zachodzi fotosynteza?

Fotosynteza zachodzi wyłącznie w zielonych częściach roślin, a dokładniej w specjalnych narządach komórek roślinnych – chloroplastach.

Ryż. 1. Chloroplasty pod mikroskopem.

Chloroplasty są rodzajem plastydów. Zawsze są zielone, bo zawierają zieloną substancję – chlorofil.

Chloroplast jest oddzielony od reszty komórki błoną i ma wygląd ziarna. Wnętrze chloroplastu nazywa się zrębem. To tutaj rozpoczynają się procesy fotosyntezy.

Ryż. 2. Wewnętrzna struktura chloroplastu.

Chloroplasty są jak fabryka, która otrzymuje surowce:

• dwutlenek węgla (wzór – CO₂);
• woda (H₂O).

Woda pochodzi z korzeni, a dwutlenek węgla z atmosfery przez specjalne dziury w liściach. Światło jest energią niezbędną do działania fabryki, a powstałe w jej wyniku substancje organiczne są produktami.

Najpierw powstają węglowodany (glukoza), a następnie powstają liczne substancje o różnorodnych zapachach i smakach, które tak bardzo kochają zwierzęta i ludzie.

Z chloroplastów powstałe substancje transportowane są do różnych organów rośliny, gdzie są magazynowane lub wykorzystywane.

Reakcja fotosyntezy

Ogólnie równanie fotosyntezy wygląda następująco:

CO₂ + H₂O = materia organiczna + O₂ (tlen)

Rośliny zielone należą do grupy autotrofów (w tłumaczeniu „odżywiam się”) – organizmów, które nie potrzebują innych organizmów do pozyskiwania energii.

Główną funkcją fotosyntezy jest tworzenie substancji organicznych, z których zbudowany jest organizm rośliny.

Efektem ubocznym procesu jest uwalnianie się tlenu.

Znaczenie fotosyntezy

Rola fotosyntezy w przyrodzie jest niezwykle duża. Dzięki niemu powstał cały świat roślin planety.

Ryż. 3. Fotosynteza.

Dzięki fotosyntezie rośliny:

• są źródłem tlenu dla atmosfery;
• przekształcają energię słoneczną w formę dostępną dla zwierząt i ludzi.

Życie na Ziemi stało się możliwe dzięki zgromadzeniu wystarczającej ilości tlenu w atmosferze. Ani człowiek, ani zwierzęta nie mogli żyć w tych odległych czasach, kiedy go nie było lub było go niewiele.

Jaka nauka bada proces fotosyntezy?

Fotosyntezę bada się w różnych naukach, ale przede wszystkim w botanice i fizjologii roślin.

Botanika jest nauką o roślinach i dlatego bada ją jako ważny proces życiowy roślin.

Fizjologia roślin szczegółowo bada fotosyntezę. Naukowcy zajmujący się fizjologią ustalili, że proces ten jest złożony i ma etapy:

• światło;
• ciemny

Oznacza to, że fotosynteza rozpoczyna się w świetle, ale kończy w ciemności.

Czego się nauczyliśmy?

Po przestudiowaniu tego tematu w klasie 5 biologii możesz krótko i jasno wyjaśnić fotosyntezę jako proces powstawania w roślinach substancji organicznych z substancji nieorganicznych (CO₂ i H₂O). Jego cechy: zachodzi w zielonych plastydach (chloroplastach), towarzyszy mu wydzielanie tlenu i zachodzi pod wpływem światła.

Testuj w temacie

Ocena raportu

Średnia ocena: 4,5. Łączna liczba otrzymanych ocen: 730.

W naturze pod wpływem światła słonecznego zachodzi istotny proces, bez którego nie może obejść się żadna żywa istota na planecie Ziemia. W wyniku reakcji do powietrza, którym oddychamy, uwalniany jest tlen. Proces ten nazywa się fotosyntezą. Czym jest fotosynteza z naukowego punktu widzenia i co dzieje się w chloroplastach komórek roślinnych, rozważymy poniżej.

Fotosynteza w biologii to przemiana substancji organicznych i tlenu ze związków nieorganicznych pod wpływem energii słonecznej. Jest to charakterystyczne dla wszystkich fotoautotrofów, które są zdolne do samodzielnego wytwarzania związków organicznych.

Organizmy takie obejmują rośliny, bakterie zielone i fioletowe oraz sinice (niebiesko-zielone algi).

Rośliny fotoautotroficzne pobierają wodę z gleby i dwutlenek węgla z powietrza. Pod wpływem energii słonecznej powstaje glukoza, która następnie przekształca się w polisacharyd – skrobię, niezbędną organizmom roślinnym do odżywiania się i produkcji energii. Do środowiska uwalniany jest tlen – ważna substancja wykorzystywana przez wszystkie żywe organizmy do oddychania.

Jak zachodzi fotosynteza. Reakcję chemiczną można przedstawić za pomocą następującego równania:

6СО2 + 6Н2О + E = С6Н12О6 + 6О2

Reakcje fotosyntezy zachodzą w roślinach na poziomie komórkowym, a mianowicie w chloroplastach zawierających główny pigment chlorofil. Związek ten nie tylko nadaje roślinom zielony kolor, ale także bierze czynny udział w samym procesie.

Aby lepiej zrozumieć proces, musisz zapoznać się ze strukturą zielonych organelli - chloroplastów.

Struktura chloroplastów

Chloroplasty to organelle komórkowe występujące tylko w roślinach i sinicach. Każdy chloroplast pokryty jest podwójną membraną: zewnętrzną i wewnętrzną. Wewnętrzna część chloroplastu wypełniona jest zrębem - główną substancją, której konsystencja przypomina cytoplazmę komórki.

Struktura chloroplastów

Zrąb chloroplastowy składa się z:

• tylakoidy – struktury przypominające płaskie worki zawierające barwnik chlorofil;
• gran - grupy tylakoidów;
• blaszka - kanaliki łączące granę tylakoidów.

Każda grana wygląda jak stos monet, gdzie każda moneta jest tylakoidem, a blaszka to półka, na której układane są grany. Ponadto chloroplasty mają własną informację genetyczną, reprezentowaną przez dwuniciowe nici DNA, a także rybosomy, które biorą udział w syntezie białek, kropli oleju i ziaren skrobi.

Przydatne wideo: fotosynteza

Główne fazy

Fotosynteza ma dwie naprzemienne fazy: jasną i ciemną. Każdy z nich ma swoją własną charakterystykę i produkty powstałe w wyniku pewnych reakcji. Dwa fotosystemy, utworzone z pomocniczych pigmentów zbierających światło, chlorofilu i karotenoidu, przenoszą energię do pigmentu głównego. W efekcie energia świetlna zamieniana jest na energię chemiczną – ATP (kwas adenozynotrójfosforowy). Co dzieje się w procesach fotosyntezy.

Światło

Faza świetlna ma miejsce, gdy fotony światła uderzają w roślinę. W chloroplastach występuje na błonach tylakoidów.

Główne procesy:

1. Pigmenty Fotosystemu I zaczynają „absorbować” fotony energii słonecznej, które przekazywane są do centrum reakcji.
2. Pod wpływem fotonów światła elektrony są „wzbudzane” w cząsteczce pigmentu (chlorofilu).
3. „wzbudzony” elektron jest przenoszony na zewnętrzną błonę tylakoidu za pomocą białek transportowych.
4. Ten sam elektron oddziałuje ze związkiem kompleksowym NADP (fosforan dinukleotydu nikotynamidoadeninowego), redukując go do NADP*H2 (związek ten bierze udział w fazie ciemnej).

Podobne procesy zachodzą w fotosystemie II. „wzbudzone” elektrony opuszczają centrum reakcji i są przenoszone na zewnętrzną błonę tylakoidów, gdzie wiążą się z akceptorem elektronów, wracają do fotosystemu I i go przywracają.

Faza jasna fotosyntezy

W jaki sposób przywracany jest fotosystem II? Dzieje się tak na skutek fotolizy wody – reakcji rozkładu H2O. Po pierwsze, cząsteczka wody oddaje elektrony do centrum reakcji fotosystemu II, dzięki czemu następuje jego redukcja. Następnie woda jest całkowicie rozkładana na wodór i tlen. Ten ostatni przenika do środowiska przez aparaty szparkowe naskórka liści.

Fotolizę wody można przedstawić za pomocą równania:

2H2O = 4H + 4e + O2

Dodatkowo w fazie lekkiej syntetyzuje się cząsteczki ATP – energię chemiczną, która idzie na utworzenie glukozy. Błona tylakoidów zawiera układ enzymatyczny biorący udział w tworzeniu ATP. Proces ten zachodzi na skutek przeniesienia jonu wodorowego poprzez specjalny kanał enzymatyczny z otoczki wewnętrznej do otoczki zewnętrznej. Po czym uwalniana jest energia.

Ważne jest, aby wiedzieć! W jasnej fazie fotosyntezy wytwarzany jest tlen oraz energia ATP, która w fazie ciemnej wykorzystywana jest do syntezy monosacharydów.

Ciemny

Reakcje fazy ciemnej zachodzą przez całą dobę, nawet bez obecności światła słonecznego. Reakcje fotosyntezy zachodzą w zrębie (środowisku wewnętrznym) chloroplastu. Temat ten został szczegółowo zbadany przez Melvina Calvina, na którego cześć reakcje ciemnej fazy nazwano cyklem Calvina, czyli ścieżką C3.

Cykl ten przebiega w 3 etapach:

1. Karboksylacja.
2. Powrót do zdrowia.
3. Regeneracja akceptorów.

Podczas karboksylacji substancja zwana bifosforanem rybulozy łączy się z cząsteczkami dwutlenku węgla. W tym celu stosuje się specjalny enzym – karboksylazę. Tworzy się niestabilny sześciowęglowy związek, który niemal natychmiast rozpada się na 2 cząsteczki PGA (kwasu fosfoglicerynowego).

Do odtworzenia PHA wykorzystuje się energię ATP i NADP*H2 powstałą w fazie jasnej. W kolejnych reakcjach powstaje cukier trójwęglowy z grupą fosforanową.

Podczas regeneracji akceptorów część cząsteczek PGA wykorzystywana jest do odbudowy cząsteczek bisfosforanu rybulozy, będącego akceptorem CO2. Ponadto w wyniku kolejnych reakcji powstaje monosacharyd - glukoza. We wszystkich tych procesach wykorzystywana jest energia ATP powstałego w fazie lekkiej, a także NADP*H2.

Procesy przemiany 6 cząsteczek dwutlenku węgla w 1 cząsteczkę glukozy wymagają rozkładu 18 cząsteczek ATP i 12 cząsteczek NADP*H2. Procesy te można przedstawić za pomocą następującego równania:

6СО2 + 24Н = С6Н12О6 + 6Н2О

Następnie z powstałej glukozy syntetyzowane są bardziej złożone węglowodany – polisacharydy: skrobia, celuloza.

Notatka! Podczas fotosyntezy fazy ciemnej powstaje glukoza – substancja organiczna niezbędna do odżywiania roślin i produkcji energii.

Poniższa tabela fotosyntezy pomoże Ci lepiej zrozumieć podstawową istotę tego procesu.

Tabela porównawcza faz fotosyntezy

Chociaż cykl Calvina jest najbardziej charakterystyczny dla ciemnej fazy fotosyntezy, niektóre rośliny tropikalne charakteryzują się cyklem Hatcha-Slacka (ścieżka C4), który ma swoją własną charakterystykę. Podczas karboksylacji w cyklu Hatcha-Slacka nie powstaje kwas fosfoglicerynowy, ale inne, np. szczawiooctowy, jabłkowy, asparaginowy. Ponadto podczas tych reakcji dwutlenek węgla gromadzi się w komórkach roślinnych i nie jest usuwany poprzez wymianę gazową, jak w większości przypadków.

Następnie gaz ten bierze udział w reakcjach fotosyntezy i tworzeniu glukozy. Warto również zauważyć, że szlak fotosyntezy C4 wymaga więcej energii niż cykl Calvina. Główne reakcje i produkty powstawania w cyklu Hatcha-Slacka nie różnią się od cyklu Calvina.

Dzięki reakcjom cyklu Hatch-Slack fotooddychanie praktycznie nie zachodzi u roślin, ponieważ aparaty szparkowe naskórka są w stanie zamkniętym. Pozwala im to dostosować się do określonych warunków życia:

• ekstremalne ciepło;
• suchy klimat;
• zwiększone zasolenie siedlisk;
• brak CO2.

Porównanie faz jasnych i ciemnych

Znaczenie w naturze

W wyniku fotosyntezy powstaje tlen - substancja niezbędna do procesów oddychania i gromadzenia energii wewnątrz komórek, która pozwala organizmom żywym rosnąć, rozwijać się, rozmnażać, a także bierze bezpośredni udział w pracy wszystkich układów fizjologicznych człowieka i człowieka. ciało zwierzęcia.

Ważny! Tlen w atmosferze tworzy kulę ozonową, która chroni wszystkie organizmy przed szkodliwym działaniem niebezpiecznego promieniowania ultrafioletowego.

Przydatny film: przygotowanie do jednolitego egzaminu państwowego z biologii - fotosynteza

Wniosek

Dzięki zdolności do syntezy tlenu i energii rośliny stanowią pierwsze ogniwo we wszystkich łańcuchach pokarmowych, będąc producentami. Spożywając zielone rośliny, wszystkie heterotrofy (zwierzęta, ludzie) otrzymują wraz z pożywieniem niezbędne zasoby. Dzięki procesowi zachodzącemu w roślinach zielonych i sinicach utrzymuje się stały skład gazowy atmosfery i życia na Ziemi.

W kontakcie z

Rośliny otrzymują ze środowiska wszystko, czego potrzebują do wzrostu i rozwoju. Tym właśnie różnią się od innych żywych organizmów. Aby dobrze się rozwijały, potrzebują żyznej gleby, naturalnego lub sztucznego podlewania oraz dobrego oświetlenia. Nic nie będzie rosło w ciemności.

Gleba jest źródłem wody oraz odżywczych związków organicznych i mikroelementów. Ale drzewa, kwiaty i trawa również potrzebują energii słonecznej. To pod wpływem światła słonecznego zachodzą pewne reakcje, w wyniku których dwutlenek węgla pochłonięty z powietrza zamienia się w tlen. Proces ten nazywa się fotosyntezą. Reakcja chemiczna zachodząca pod wpływem światła słonecznego prowadzi również do powstania glukozy i wody. Substancje te są niezbędne do rozwoju rośliny.

W języku chemików reakcja wygląda następująco: 6CO2 + 12H2O + światło = C6H12O6 + 6O2 + 6H2O. Uproszczona postać równania: dwutlenek węgla + woda + światło = glukoza + tlen + woda.

Dosłownie „fotosynteza” jest tłumaczona jako „razem ze światłem”. Słowo to składa się z dwóch prostych słów „foto” i „synteza”. Słońce jest bardzo potężnym źródłem energii. Ludzie wykorzystują go do wytwarzania prądu, izolowania domów i podgrzewania wody. Rośliny również potrzebują energii słonecznej, aby podtrzymać życie. Glukoza powstająca w procesie fotosyntezy to cukier prosty będący jednym z najważniejszych składników odżywczych. Rośliny wykorzystują go do wzrostu i rozwoju, a nadmiar odkłada się w liściach, nasionach i owocach. Nie cała glukoza pozostaje niezmieniona w zielonych częściach roślin i owoców. Cukry proste mają tendencję do przekształcania się w cukry bardziej złożone, do których zalicza się skrobię. Rośliny wykorzystują te rezerwy w okresach niedoboru składników odżywczych. Określają wartość odżywczą ziół, owoców, kwiatów, liści dla zwierząt i ludzi spożywających pokarmy roślinne.

Jak rośliny absorbują światło?

Proces fotosyntezy jest dość złożony, ale można go krótko opisać, aby stał się zrozumiały nawet dla dzieci w wieku szkolnym. Jedno z najczęstszych pytań dotyczy mechanizmu absorpcji światła. W jaki sposób energia świetlna dostaje się do roślin? Proces fotosyntezy zachodzi w liściach. Liście wszystkich roślin zawierają zielone komórki - chloroplasty. Zawierają substancję zwaną chlorofilem. Chlorofil to pigment, który nadaje liściom zielony kolor i odpowiada za pochłanianie energii świetlnej. Wiele osób nie zastanawiało się, dlaczego liście większości roślin są szerokie i płaskie. Okazuje się, że natura nie bez powodu to zapewniła. Szeroka powierzchnia pozwala na pochłonięcie większej ilości światła słonecznego. Z tego samego powodu panele słoneczne są szerokie i płaskie.

Górna część liści jest chroniona warstwą woskową (kutikułą) przed utratą wody oraz niekorzystnym wpływem warunków atmosferycznych i szkodników. Nazywa się to palisadą. Jeśli przyjrzysz się uważnie liściowi, zobaczysz, że jego górna strona jest jaśniejsza i gładsza. Bogaty kolor uzyskuje się dzięki temu, że w tej części znajduje się więcej chloroplastów. Nadmiar światła może zmniejszyć zdolność rośliny do wytwarzania tlenu i glukozy. Pod wpływem jasnego słońca chlorofil ulega uszkodzeniu, co spowalnia fotosyntezę. Spowolnienie następuje również wraz z nadejściem jesieni, kiedy jest mniej światła, a liście zaczynają żółknąć z powodu zniszczenia w nich chloroplastów.

Nie można niedoceniać roli wody w fotosyntezie i utrzymaniu życia roślin. Woda jest potrzebna do:

• dostarczanie roślinom rozpuszczonych w nim minerałów;
• utrzymanie tonu;
• chłodzenie;
• możliwość wystąpienia reakcji chemicznych i fizycznych.

Drzewa, krzewy i kwiaty korzeniami pobierają wodę z gleby, a następnie wilgoć unosi się wzdłuż łodygi i przechodzi do liści wzdłuż żył widocznych nawet gołym okiem.

Dwutlenek węgla przedostaje się przez małe otwory w dolnej części liścia - szparki. W dolnej części liścia komórki są ułożone w taki sposób, że dwutlenek węgla może wnikać głębiej. Dzięki temu tlen wytwarzany w procesie fotosyntezy z łatwością opuszcza liść. Jak wszystkie żywe organizmy, rośliny mają zdolność oddychania. Co więcej, w przeciwieństwie do zwierząt i ludzi, pochłaniają dwutlenek węgla i uwalniają tlen, a nie odwrotnie. Tam, gdzie jest dużo roślin, powietrze jest bardzo czyste i świeże. Dlatego tak ważna jest dbałość o drzewa i krzewy oraz tworzenie publicznych ogrodów i parków w dużych miastach.

Jasne i ciemne fazy fotosyntezy

Proces fotosyntezy jest złożony i składa się z dwóch faz – jasnej i ciemnej. Faza jasna jest możliwa tylko w obecności światła słonecznego. Pod wpływem światła cząsteczki chlorofilu jonizują, wytwarzając energię, która służy jako katalizator reakcji chemicznych. Kolejność zdarzeń zachodzących w tej fazie jest następująca:

• światło uderza w cząsteczkę chlorofilu, która jest absorbowana przez zielony pigment i wprowadza go w stan wzbudzony;
• woda pęka;
• Syntetyzowany jest ATP, który jest akumulatorem energii.

Ciemna faza fotosyntezy zachodzi bez udziału energii świetlnej. Na tym etapie powstaje glukoza i tlen. Ważne jest, aby zrozumieć, że tworzenie glukozy i tlenu zachodzi przez całą dobę, a nie tylko w nocy. Fazę ciemną nazywa się fazą ciemną, ponieważ do jej wystąpienia nie jest już konieczna obecność światła. Katalizatorem jest ATP, który został zsyntetyzowany wcześniej.

Znaczenie fotosyntezy w przyrodzie

Fotosynteza jest jednym z najważniejszych procesów naturalnych. Konieczne jest nie tylko utrzymanie życia roślin, ale także całego życia na planecie. Fotosynteza jest potrzebna do:

• zaopatrywanie zwierząt i ludzi w żywność;
• usuwanie dwutlenku węgla i nasycanie powietrza tlenem;
• utrzymanie obiegu składników odżywczych.

Wszystkie rośliny zależą od tempa fotosyntezy. Energię słoneczną można postrzegać jako czynnik sprzyjający lub hamujący wzrost. Na przykład w południowych regionach i obszarach jest dużo słońca, a rośliny mogą rosnąć dość wysokie. Jeśli weźmiemy pod uwagę przebieg tego procesu w ekosystemach wodnych, na powierzchni mórz i oceanów nie brakuje światła słonecznego, a w tych warstwach obserwuje się obfity rozwój glonów. W głębszych warstwach wody występuje niedobór energii słonecznej, co wpływa na tempo wzrostu flory wodnej.

Proces fotosyntezy przyczynia się do powstawania warstwy ozonowej w atmosferze. Jest to bardzo ważne, ponieważ pomaga chronić całe życie na planecie przed szkodliwym działaniem promieni ultrafioletowych.

Historia badań nad fotosyntezą zaczęło się, gdy M.V. Łomonosow w 1761 r. jako pierwszy wyraził ideę odżywiania roślin z powietrza, ale nie miał danych eksperymentalnych. Fotosynteza u roślin.

Wpływ roślin na skład powietrza

Uczenie się wpływ roślin na skład powietrza atmosferycznego po raz pierwszy przeprowadził D. Priestley (1773). W jego eksperymentach zdechła mysz owinięta szklanym dzwonkiem, ale umieszczona w tych samych warunkach z gałązką mięty pozostała żywa. D. Priestley ustalił, że rośliny potrafią „korygować” powietrze.
Doświadczenia D. Priestleya. Jednak fakt, że ta „korekta” powietrza zachodzi tylko w świetle, umknął uwadze D. Priestleya w jego pierwszych eksperymentach. Następnie D. Priestley i I. Ingenhaus (1779) ustalili, że rośliny mogą korygować powietrze tylko w świetle, a w ciemności, podobnie jak zwierzęta, „psują” powietrze. Korekcja powietrza w świetle jest jedynie charakterystyczna. Zatem w tych eksperymentach po raz pierwszy uzyskano dowód na istnienie w roślinach dwóch bezpośrednio przeciwstawnych procesów wpływających na skład powietrza. Ale ani Priestley, ani Ingenhaus nie rozumieli znaczenia „poprawiania” powietrza dla samej rośliny.

Proces odżywiania węglem

J. Senebier (1782) udowodnił, że pobieranie dwutlenku węgla przez rośliny i uwalnianie tlenu w świetle jest proces odżywiania się węglem, w wyniku czego węgiel gromadzi się w roślinach. Senebier jako pierwszy poprawnie wyjaśnił istotę wymiany gazowej w roślinach. Szereg tych odkryć w terenie zakończył się eksperymentami N. Saussure’a (1804), który ilościowo wykazał, że objętości wymienianych gazów – tlenu i dwutlenku węgla – w tym procesie są równe oraz że jednocześnie z dwutlenkiem węgla wykorzystuje się wodę, ponieważ zysk w masie suchej masy roślin znacznie przekraczał masę węgla w dwutlenku węgla. W ten sposób ustalono pochodzenie węgla, tlenu i wodoru w roślinach.
Wymiana gazowa w roślinach. W ten sposób w XVIII i na początku XIX wieku wyjaśniono podstawowe zasady żywienia roślin w powietrzu: wchłanianie dwutlenku węgla, uwalnianie tlenu, zapotrzebowanie na światło i chlorofil oraz charakter produktów końcowych. Niejasna była jednak rola światła.

Kolejnym etapem zrozumienia natury fotosyntezy są badania K. A. Timiryazeva nad energetyczną stroną tego procesu i rola światła.
Rola światła w życiu roślin. K. A. Timiryazev wykazał, że światło pochłonięte przez chlorofil jest niezbędne jako źródło energii oraz udowodnił możliwość zastosowania prawa zachowania energii w procesie fotosyntezy. Duży wkład w badania pigmentów biorących udział w fotosyntezie wnieśli Willstetter, który podał wzór na chlorofil i karotenoidy, oraz M. S. Tsvet, który opracował chromatograficzną metodę rozdzielania pigmentów liści. Ekologię fotosyntezy badało wielu rosyjskich naukowców: S. P. Kostychev, V. N. Lyubimenko, A. A. Iwanow, D. I. Iwanowski i A. A. Richter. W latach 70. XX wieku chemię fotosyntezy aktywnie badali A. I. Terenin, A. A. Krasnovsky, A. A. Nichiporovich T. N. Godnev, a za granicą O. Warburg, M. Calvin, E. I. Rabinovich i inni.

Historia odkrycia niesamowitego i niezwykle ważnego zjawiska, jakim jest fotosynteza, ma głębokie korzenie w przeszłości. Ponad cztery wieki temu, w 1600 roku, belgijski naukowiec Jan Van Helmont przeprowadził prosty eksperyment. Włożył gałązkę wierzby do worka zawierającego 80 kg ziemi. Naukowiec zanotował początkową masę wierzby, a następnie przez pięć lat podlewał roślinę wyłącznie wodą deszczową. Wyobraźcie sobie zdziwienie Jana Van Helmonta, kiedy ponownie zważył wierzbę. Masa rośliny wzrosła o 65 kg, a masa ziemi spadła tylko o 50 gramów! Skąd roślina dostała 64 kg 950 gramów składników odżywczych, pozostaje dla naukowca tajemnicą!

Kolejny znaczący eksperyment na drodze do odkrycia fotosyntezy należał do angielskiego chemika Josepha Priestleya. Naukowiec umieścił mysz pod maską, a pięć godzin później gryzoń zdechł. Kiedy Priestley umieścił mysz gałązkę mięty, a także przykrył gryzonia czapką, mysz pozostała przy życiu. Eksperyment ten doprowadził naukowca do wniosku, że istnieje proces przeciwny do oddychania. Jan Ingenhouse w 1779 roku ustalił, że tylko zielone części roślin są zdolne do uwalniania tlenu. Trzy lata później szwajcarski naukowiec Jean Senebier udowodnił, że dwutlenek węgla pod wpływem światła słonecznego rozkłada się w zielonych organellach roślinnych. Zaledwie pięć lat później francuski naukowiec Jacques Boussingault, prowadząc badania laboratoryjne, odkrył, że pobieranie wody przez rośliny następuje także podczas syntezy substancji organicznych. Epokowego odkrycia dokonał w 1864 roku niemiecki botanik Julius Sachs. Udało mu się udowodnić, że objętość zużytego dwutlenku węgla i uwolnionego tlenu występuje w stosunku 1:1.

Fotosynteza jest jednym z najważniejszych procesów biologicznych

Z naukowego punktu widzenia fotosynteza (od starożytnego greckiego φῶς – światło i σύνθεσις – połączenie, wiązanie) to proces, w którym pod wpływem światła powstają substancje organiczne z dwutlenku węgla i wody. Główną rolę w tym procesie odgrywają segmenty fotosyntezy.

Mówiąc obrazowo, liść rośliny można porównać do laboratorium, którego okna wychodzą na słoneczną stronę. To w nim zachodzi powstawanie substancji organicznych. Proces ten jest podstawą istnienia wszelkiego życia na Ziemi.

Wielu słusznie zada pytanie: czym oddychają ludzie mieszkający w miastach, gdzie w ciągu dnia przy ogniu nie można znaleźć nawet drzewa ani źdźbła trawy? Odpowiedź jest bardzo prosta. Faktem jest, że rośliny lądowe odpowiadają tylko za 20% tlenu uwalnianego przez rośliny. Wodorosty odgrywają wiodącą rolę w produkcji tlenu do atmosfery. Stanowią 80% produkowanego tlenu. Mówiąc językiem liczb, zarówno rośliny, jak i glony uwalniają do atmosfery rocznie 145 miliardów ton (!) tlenu! Nie bez powodu oceany świata nazywane są „płucami planety”.

Ogólny wzór na fotosyntezę jest następujący:

Woda + Dwutlenek węgla + Światło → Węglowodany + Tlen

Dlaczego rośliny potrzebują fotosyntezy?

Jak się dowiedzieliśmy, fotosynteza jest warunkiem koniecznym istnienia człowieka na Ziemi. Jednak nie jest to jedyny powód, dla którego organizmy fotosyntetyzujące aktywnie wytwarzają tlen do atmosfery. Faktem jest, że zarówno glony, jak i rośliny tworzą rocznie ponad 100 miliardów substancji organicznych (!), które stanowią podstawę ich aktywności życiowej. Pamiętając eksperyment Jana Van Helmonta, rozumiemy, że fotosynteza jest podstawą odżywiania roślin. Udowodniono naukowo, że w 95% plonów decydują substancje organiczne pozyskane przez roślinę w procesie fotosyntezy, a w 5% nawozy mineralne, które ogrodnik aplikuje do gleby.

Współcześni mieszkańcy lata zwracają główną uwagę na odżywianie roślin w glebie, zapominając o odżywianiu powietrza. Nie wiadomo, jakie zbiory mogliby uzyskać ogrodnicy, gdyby ostrożnie podchodzili do procesu fotosyntezy.

Jednak ani rośliny, ani glony nie mogłyby tak aktywnie wytwarzać tlenu i węglowodanów, gdyby nie posiadały niesamowitego zielonego pigmentu – chlorofilu.

Tajemnica zielonego pigmentu

Główną różnicą między komórkami roślinnymi a komórkami innych żywych organizmów jest obecność chlorofilu. Nawiasem mówiąc, to on jest odpowiedzialny za to, że liście roślin mają kolor zielony. Ten złożony związek organiczny ma jedną niesamowitą właściwość: może absorbować światło słoneczne! Dzięki chlorofilowi ​​możliwy staje się także proces fotosyntezy.

Dwa etapy fotosyntezy

W uproszczeniu fotosynteza to proces, w którym woda i dwutlenek węgla pochłonięte przez roślinę w świetle za pomocą chlorofilu tworzą cukier i tlen. W ten sposób substancje nieorganiczne w zaskakujący sposób przekształcają się w organiczne. Cukier uzyskany w wyniku konwersji jest źródłem energii roślinnej.

Fotosynteza składa się z dwóch etapów: jasnego i ciemnego.

Faza jasna fotosyntezy

Przeprowadza się go na błonach tylakoidów.

Tylakoidy są strukturami ograniczonymi błoną. Znajdują się w zrębie chloroplastu.

Kolejność zdarzeń w fazie świetlnej fotosyntezy jest następująca:

1. Światło uderza w cząsteczkę chlorofilu, która następnie jest absorbowana przez zielony pigment i powoduje jego wzbudzenie. Elektron zawarty w cząsteczce przenosi się na wyższy poziom i bierze udział w procesie syntezy.
2. Woda ulega rozszczepieniu, podczas którego pod wpływem elektronów protony przekształcają się w atomy wodoru. Następnie są wydawane na syntezę węglowodanów.
3. W końcowej fazie fazy lekkiej syntetyzowany jest ATP (trifosforan adenozyny). Jest to substancja organiczna, która pełni rolę uniwersalnego akumulatora energii w układach biologicznych.

Ciemna faza fotosyntezy

Miejscem występowania fazy ciemnej jest zrąb chloroplastów. To właśnie w fazie ciemnej uwalniany jest tlen i syntetyzowana jest glukoza. Wielu pomyśli, że ta faza otrzymała tę nazwę, ponieważ proces zachodzący na tym etapie zachodzi wyłącznie w nocy. W rzeczywistości nie jest to do końca prawdą. Synteza glukozy zachodzi przez całą dobę. Faktem jest, że na tym etapie energia świetlna nie jest już zużywana, co oznacza, że ​​​​po prostu nie jest potrzebna.

Znaczenie fotosyntezy dla roślin

Ustaliliśmy już, że rośliny potrzebują fotosyntezy nie mniej niż my. O skali fotosyntezy bardzo łatwo mówić w liczbach. Naukowcy obliczyli, że same rośliny lądowe magazynują tyle energii słonecznej, ile mogłoby zużyć 100 megamiast w ciągu 100 lat!

Oddychanie roślin jest procesem odwrotnym do fotosyntezy. Znaczenie oddychania roślin polega na uwolnieniu energii w procesie fotosyntezy i skierowaniu jej na potrzeby roślin. Krótko mówiąc, wydajność to różnica między fotosyntezą a oddychaniem. Im więcej fotosyntezy i mniejsze oddychanie, tym większe zbiory i odwrotnie!

Fotosynteza to niesamowity proces, dzięki któremu możliwe jest życie na Ziemi!