Fotosinteza • Dzheyms Trefil, Enciclopedia „două sute și legi ale universului“

Plantele transformă lumina solară în energie chimică stocată în două etape: în primul rând, ele captează energia luminii solare, și apoi să-l utilizați pentru legarea cu formarea de molecule organice de carbon.

Plantele verzi - biologi le numesc autotrophs - fundamentul vieții pe planetă. Cu plante încep aproape toate lanțurile alimentare. Ele transformă energia incidente pe ele în formă de lumină solară în energie stocată în carbohidrați (vezi. Moleculele biologice), din care cel mai important glucoza sase carbon. Acest proces de conversie a energiei numit fotosinteza. Alte organisme au acces la această energie prin consumul plantelor. Acest lucru creează un lanț alimentar care susține ecosistemul planetar.

În plus, aerul pe care îl respira prin fotosinteză este saturat cu oxigen. Ecuația generală a fotosintezei este următoarea:

dioxid de carbon + + lumină apă + oxigen → carbohidrați

Plantele absorb dioxidul de carbon format în timpul respirației și eliberează oxigen - (. Vezi glicoliza și respirație) un produs de plante. În plus, fotosinteză este esențială în ciclul carbonului în natură.

Se pare uimitor că, în ciuda importanței fotosintezei, oamenii de știință atât de mult timp să-l studieze. După Van Gelmonta experiment. livrate în secolul al XVII-lea, a existat o perioadă de acalmie, și numai în 1905, fiziologul planta engleză Frederick Blackman (Frederick Blackman, 1866-1947) a efectuat cercetări și a stabilit procesele de bază ale fotosintezei. El a arătat că fotosinteza începe în lumină scăzută, că rata de fotosinteza crește odată cu o creștere a fluxului luminos, dar pornind de la un anumit nivel, îmbunătățirea în continuare a iluminării nu duce la creșterea activității fotosintetice. Blackman a arătat că creșterea temperaturii la lumină scăzută nu afectează rata de fotosinteza, dar în timp ce creșterea temperaturii și crește rata de fotosinteză iluminat mult mai mult decât atunci când numai o amplificare de lumină.

Pe baza acestor experimente, Blackman ajuns la concluzia că există două procese, dintre care una este dependentă în mare măsură de nivelul de iluminare, dar nu temperatura, în timp ce a doua temperatură este puternic determinată, indiferent de nivelul de lumină. Această înțelegere a format baza unor concepte moderne de fotosinteză. Cele două procese sunt uneori numite „lumină“ și reacția „neagră“, care nu este în întregime corectă, așa cum sa constatat că, deși reacția faza de „întuneric“ și merge în absența luminii, au nevoie de produse de fază „lumină“.

Fotosinteza începe cu faptul că fotonii emiși de soare se încadrează în molecule speciale de pigment în foaia, - molecula de clorofilă. Clorofila este conținută în celule de frunze, celule organite membranele cloroplastelor (acestea dau o foaie de culoare verde). Procesul de capturare a energiei este compus din două etape și se desfășoară în grupuri separate de molecule - aceste clustere se numește photosystem I și II photosystem. clusterele Non reflectă ordinea în care au fost descoperite aceste procese și este una dintre ciudățeniile științifice distractiv, deoarece reacțiile prima foaie apar la fotosistemul II, și numai apoi - în fotosistemul I.

Cand un foton se ciocnește cu 250-400 molecule de fotosistemul II, brusc crește și energia este transferată la molecula de clorofilă. In acest moment, apar două reacții chimice: molecula clorofilei pierde doi electroni (care ia o alta molecula numita acceptor de electroni) și o moleculă de apă este împărțită. Electronii doi atomi de hidrogen, incluși în molecula de apă, două pierdut compensa clorofilă electron.

Ulterior, o mare energie ( „fast“) electroni aruncă unul de altul ca un cartof fierbinte colectat în vectorii de lanț molecular. În această parte a energiei duce la formarea trifosfat moleculei de adenozin (ATP), unul dintre principalii purtători de energie în celulă (vezi. Molecula biologică). Între timp, o moleculă ușor diferită de clorofilă fotosistemul I absoarbe o energie fotonica și donează un electron la un alt acceptor moleculă. Acest electron este înlocuit în electroni clorofila care sosesc din purtătorii de circuit fotosistemul II. Energia electronilor din fotosistemul I și ionii de hidrogen sunt formate anterior în scindarea unei molecule de apă, du-te la formarea NADPH, o altă moleculă purtătoare.

Ca urmare, procesul de colectare de lumină, energia a doi fotoni este stocată în moleculele utilizate pentru reacția celulară, și este produs în continuare o moleculă de oxigen. (Rețineți că, ca urmare a unei alte, mult mai puțin eficient proces care implică doar un singur fotosistemul I, de asemenea, forma molecule ATP.) După ce energia solară este absorbită și stocată de către, formarea rândul său carbohidrat. Mecanismul principal al sintezei carbohidraților în plante a fost descoperit Melvin Calvin, făcut în 1940, o serie de experimente care au devenit clasice. Calvin și colaboratorii săi alga crescute în prezența dioxidului de carbon care conține carbon-14 radioactiv. Ei au reușit să stabilească reacțiile chimice ale fazei de întuneric, intrerupe fotosinteză la diferite etape.

conversie Ciclul de energie solară în carbohidrați - așa-numitul ciclu Calvin - similar cu ciclul Krebs (vezi glicolizei și respirația.): constă, de asemenea, dintr-o serie de reacții chimice care încep cu un compus al moleculei de intrare a unei molecule cu un „ajutor“, urmată de inițierea altor reacții chimice . Aceste reacții conduc la formarea produsului final și în același timp reproduce molekulu- „ajutor“, și ciclul începe din nou. Rolul molekuly- Ciclul Calvin de astfel de „ajutor“ transportă ribulozodifosfat zahăr cinci carbon (RDF). Ciclul Calvin începe cu faptul că moleculele de dioxid de carbon sunt conectate la RDF. Datorita energiei luminii solare stocată sub formă de ATP și NADP-H, primele reacții chimice pentru a forma hidrati de carbon de legare de carbon și apoi - recrearea reacție ribulozodifosfat. Șase bobine ciclu de șase atomi de carbon incluși în moleculele precursoare de glucoză și alți carbohidrați. Acest ciclu de reacții chimice va continua atâta timp cât vine energia. Cu acest ciclu energia luminii solare este disponibil pentru organismele vii.

In cele mai multe plante ciclul Calvin se realizează așa cum este descris mai sus, în care dioxidul de carbon care participă direct în reacțiile asociate cu ribulozodifosfat. Aceste plante sunt numite C3 -rasteniyami. Complexul ca „dioxid de carbon-ribulozodifosfat“ se imparte in doua molecule mai mici, fiecare fiind format din trei atomi de carbon. Unele plante (de exemplu, porumb și trestie de zahăr, precum și în multe ierburi tropicale, inclusiv târâtor buruieni) ciclu este diferit. Faptul că dioxidul de carbon penetrează în mod normal prin găurile din foaia de suprafață, numită stomatelor. La temperaturi ridicate, stomatele sunt închise, protejarea plantelor împotriva pierderii excesive de umiditate. C3 -rasteniya închisă stomatelor terminată și carbon flux de dioxid de care duce la o decelerare și o schimbare în fotosinteză reacțiilor fotosintetice. În cazul dioxidului de porumb carbon este legat la molecula trei carbon pe suprafața foaie, și apoi transferat la porțiunile interioare ale foii, în care dioxidul de carbon este eliberat și pornește ciclul Calvin. Datorită acestui proces destul de complex de fotosinteză la porumb se realizează chiar și în vreme extrem de cald, uscat. Plantele în care există un proces ce numim -rasteniyami C4. deoarece dioxidul de carbon la începutul ciclului este transportat ca parte a patru molecule. C3 -rasteniya - este cea mai mare parte un plante cu climat temperat. și C4 -rasteniya cresc în principal la tropice.

Ipoteză Van Nilya

Procesul de fotosinteză este descrisă prin următoarea reacție chimică:

La începutul secolului XX se credea ca oxigenul dezvoltat în timpul fotosintezei, este format prin scindarea dioxidului de carbon. Acest punct de vedere a fost respins în 1930 Cornelis Bernardus Van Niel (Van Niel, 1897-1986), în timp ce un student absolvent de la Universitatea Stanford din California. A studiat bacteriile purpurii de sulf (pentru imagini), care are nevoie pentru fotosinteză în hidrogen sulfurat (H2S) și emite ca sulf atomic produs rezidual produs secundar. Pentru aceste bacterii ecuația fotosintetic este după cum urmează:

CO2 + H2 → S + lumina carbohidrat + 2S.

Bazat pe similitudinea dintre aceste două procese, van Niel a presupus că în timpul sursei normale fotosintetice oxigen nu este dioxidul de carbon și apă, deoarece bacteriile de sulf, în care, în loc metabolismului oxigen sulf implicat, fotosinteză returnează că sulf, care este un produs secundar al reacțiilor fotosinteză. Modern explicație detaliată fotosinteză confirmă această presupunere: un prim pas al fotosintezei, procesul (realizat în fotosistemul II) este scindarea moleculelor de apă.

Melvin Calvin
Melvin Calvin, 1911-1997

biolog american. Născut în St. Paul, Minnesota, fiul imigranților din România. În 1931, el a primit o diplomă de licență în chimie la Michigan Colegiul de Minerit și Tehnologie, și în 1935 - un doctorat in chimie la Universitatea din Minnesota. Doi ani mai târziu, Calvin a început să lucreze la Universitatea din California, Berkeley, iar in 1948 a devenit profesor; an înainte de el a fost numit director al bioorganiki departament din Lawrence Radiații Laboratory din Berkeley, unde a folosit progresele tehnologice ale cercetării militare în timpul al doilea război mondial, de exemplu, noi metode de cromatografie, pentru studiul fazei de întuneric a fotosintezei. În 1961, Calvin a primit Premiul Nobel pentru Chimie.

Din câte știu, cercetătorul, care a negat teoria convențională (se credea că carbohidrații sunt derivate din C și H2O și O2 este eliberată din dioxid de carbon) și a avut o contribuție decisivă la studiul fotosintezei a fost Cornelius Van Niel (S. Van Niel) când era încă student absolvent (Universitatea Stamford), a examinat metabolismul diferitelor procariote fotosintetice anoxie. Fără a intra în detalii, trebuie remarcat faptul că se sugerează următoarea ecuație totală fotosintetic: CO2 + 2N2A lumină = (CH2O) + H2O + 2A. În această ecuație H2A reprezintă fie apa sau alte substanțe oxidabile, de exemplu, hidrogen sulfurat sau H2 (plante verzi, inclusiv alge, H2A = H2O și ecuația este după cum urmează: 6SO2 + 12N2O lumina 6O2 = C6H12O6 + 6H2O +). Ie K. Van Niel a sugerat ca H2O, nu dioxidul de carbon, este descompus în timpul fotosintezei. Această idee genial prezentat în treizeci de ani, a fost experimental dovedit ulterior (metode izotopice de oxigen a fost trasată de calea apei în stare gazoasă). Este interesant de notat faptul că în 1926, microbiologi Albert Kluyver (A. Kluyver) și Hendrik Donker (H. Donker), urmat de C. van Niel în 1931 a propus un model universal de apariție a reacțiilor metabolice (cai) din interiorul celulei, ceea ce a permis (inclusiv, de asemenea, fiziologia de date a animalelor, și apoi geneticienii) la aproximativ la mijlocul secolului XX pentru a formula conceptul de „unitate biochimice de viață“, una dintre puținele paradigme care există în biologie în ziua de azi.

oh Zaneta I bio Pct nu place, dar sunt de acord cu tine.