Разберете значението и ролята на хлоропластите, хлорофила, граната, тилакоидните мембрани и стромата при фотосинтезата Местоположението, значението и механизмите на фотосинтезата. Изучете ролята на хлоропластите, хлорофила, граната, тилакоидните мембрани и стромата при фотосинтезата. Енциклопедия Британика, Inc. Вижте всички видеоклипове за тази статия
фотосинтеза , процесът, при който зелено растения и някои други организми трансформират светлинната енергия в химическа енергия. По време на фотосинтезата в зелените растения светлинната енергия се улавя и използва за преобразуване вода , въглероден диоксид и минерали в кислород и богата на енергия органична съединения .
фотосинтеза Диаграма на фотосинтезата, показваща как водата, светлината и въглеродният диоксид се абсорбират от растението, за да произвеждат кислород, захари и повече въглероден диоксид. Енциклопедия Британика, Inc.
Най-важните въпросиФотосинтезата е критична за съществуването на по-голямата част от живота на Земята. Това е начинът, по който на практика цялата енергия в биосферата става достъпна за живите същества. Като първични производители, фотосинтетичните организми формират основата на хранителните мрежи на Земята и се консумират пряко или косвено от всички висши форми на живот. Освен това почти целият кислород в атмосферата се дължи на процеса на фотосинтеза. Ако фотосинтезата престане, скоро на Земята ще има малко храна или други органични вещества, повечето организми ще изчезнат и земната атмосфера в крайна сметка ще стане почти лишена от газообразен кислород.
Процесът на фотосинтеза обикновено се пише като: 6COдве+ 6НдвеO → C6Н12ИЛИ6+ 6Oдве. Това означава, че реагентите, шест молекули въглероден диоксид и шест молекули вода, се превръщат от светлинна енергия, уловена от хлорофила (подразбираща се от стрелката), в молекула захар и шест молекули кислород, продукти. Захарта се използва от организма, а кислородът се отделя като страничен продукт.
Способността за фотосинтезиране се открива и в двете еукариот и прокариотни организми. Най-известните примери са растенията, тъй като всички, с изключение на много малко паразитни или микохетеротрофни видове, съдържат хлорофил и произвеждат собствена храна. Водорасли са другата доминираща група еукариотни фотосинтетични организми. Всички водорасли, които включват масивни келпи и микроскопични диатоми, са важни първични производители. Цианобактерии и някои сярни бактерии са фотосинтетични прокариоти, при които еволюира фотосинтезата. Смята се, че нито едно животно не може независимо да фотосинтезира, въпреки че изумруденозеленият морски охлюв може временно да включи хлоропласти от водорасли в тялото си за производство на храна.
Еукариот Научете повече за еукариотите. Прокариот Научете повече за прокариотите.Би било невъзможно да се надценява значението на фотосинтезата за поддържането на живота на Земята. Ако фотосинтезата престане, скоро на Земята ще има малко храна или друга органична материя. Повечето организми щяха да изчезнат и с времето атмосферата на Земята щеше да бъде почти лишена от газообразен кислород. Единствените организми, които могат да съществуват при такива условия, биха били хемосинтетичните бактерии, които могат да използват химическата енергия на някои неорганични съединения и по този начин не зависят от преобразуването на светлинната енергия.
Енергията, произведена от фотосинтеза, извършена от растения преди милиони години, е отговорна за изкопаемите горива (т.е. въглищата, масло и газ), които захранват индустриалното общество. В миналите епохи зелените растения и малките организми, които се хранят с растения, се увеличават по-бързо, отколкото са били консумирани, а останките им се отлагат в земната кора чрез утаяване и други геоложки процеси. Там, защитен от окисление , тези органични останки бавно се превръщат във фосилни горива. Тези горива не само осигуряват голяма част от енергията, използвана във фабрики, домове и транспорт, но също така служат като суровина за пластмаси и други синтетични продукти. За съжаление съвременната цивилизация използва за няколко века излишъка от фотосинтетично производство, натрупан в продължение на милиони години. Следователно въглеродният диоксид, който е бил отстранен от въздуха, за да образува въглехидрати при фотосинтеза в продължение на милиони години, се връща с невероятно бързи темпове. Концентрацията на въглероден диоксид в земната атмосфера се повишава най-бързо, което някога е имало в историята на Земята и се очаква това явление да има големи последици на Земята климат .
Изисквания за храна, материали и енергия в свят, където човек населението бързо нараства, създадоха необходимост от увеличаване както на количеството на фотосинтезата, така и на ефективност за превръщане на фотосинтетичната продукция в продукти, полезни за хората. Един отговор на тези нужди - т.нар Зелена революция , започнал в средата на 20-ти век - постигна огромни подобрения в земеделския добив чрез използване на химически торове, борба с вредители и болести по растенията, отглеждане на растения и механизирано обработване, събиране и обработка на култури. Това усилие ограничи тежкия глад до няколко области по света въпреки бързия растеж на населението, но не премахна широкото недохранване. Нещо повече, в началото на 90-те години скоростта, с която се увеличават добивите от основните култури, започва да намалява. Това важи особено за ориза в Азия. Нарастващите разходи, свързани с поддържането на високи темпове на селскостопанско производство, което изисква непрекъснато нарастващи количества торове и пестициди и постоянно развитие на нови сортове растения, също станаха проблематични за фермерите в много страни.
Втора селскостопанска революция, основана на растения генното инженерство се очаква да доведе до увеличаване на производителността на растенията и по този начин частично облекчаване недохранване. От 70-те години на миналия век молекулярните биолози притежават средства за промяна на генетичния материал на растението (дезоксирибонуклеинова киселина или ДНК) с цел постигане на подобрения в устойчивостта на болести и суша, добив и качество на продукта, устойчивост на замръзване и други желани свойства. Такива черти обаче по своята същност са сложни и процесът на извършване на промени в културните растения чрез генно инженерство се оказва по-сложен от очакваното. В бъдеще подобно генно инженерство може да доведе до подобрения в процеса на фотосинтеза, но през първите десетилетия на 21 век тепърва трябваше да докаже, че може драстично да увеличи добивите.
Друга интригуваща област в изследването на фотосинтезата е откритието, че някои животни са в състояние да преобразуват светлинната енергия в химическа енергия. Изумруденозеленият морски охлюв ( Elysia chlorotica ), например, придобива гени и хлоропласти от Ваучена чакъл , an водорасли консумира, като му дава ограничена способност да произвежда хлорофил. Когато има достатъчно хлоропласти асимилиран , охлювът може да се откаже от поглъщането на храна. Граховата листна въшка ( Acyrthosiphon pisum ) може да използва светлина за производство на енергийно богати съединение аденозин трифосфат (ATP); тази способност е свързана с производството на листни въшки на каротеноидни пигменти.
Изследването на фотосинтезата започва през 1771 г. с наблюдения, направени от английския духовник и учен Джоузеф Пристли. Пристли беше изгорил свещ в затворен съд, докато въздухът в контейнера вече не можеше да поддържа изгаряне . След това постави стрък от като растение в контейнера и откри, че след няколко дни ментата е произвела някакво вещество (по-късно разпознато като кислород), което позволява на затворения въздух отново да поддържа изгарянето. През 1779 г. холандският лекар Ян Ингенхоуз разширява работата на Пристли, показвайки, че растението трябва да бъде изложено на светлина, за да бъде възстановено горимото вещество (т.е. кислородът). Той също така демонстрира, че този процес изисква присъствието на зелените тъкани на растението.
През 1782 г. беше демонстрирано, че поддържащият горенето газ (кислород) се образува за сметка на друг газ или неподвижен въздух, който беше идентифициран предходната година като въглероден диоксид. Газообменните експерименти през 1804 г. показват, че увеличаването на теглото на растение, отглеждано в внимателно претеглена саксия, е резултат от усвояването на въглерод, който идва изцяло от абсорбирания въглероден диоксид, и водата, погълната от корените на растенията; балансът е кислород, освободен обратно в атмосферата. Измина почти половин век, преди концепцията за химическата енергия да се е развила достатъчно, за да позволи откриването (през 1845 г.), че светлинната енергия от слънцето се съхранява като химическа енергия в продуктите, образувани по време на фотосинтезата.
как умря ученикът Джон
В химически план фотосинтезата е енергийна енергия окислително-редукционен процес . (Окислението се отнася до отстраняване на електрони от молекула; намаляването се отнася до печалбата на електрони от молекула.) При фотосинтезата на растенията енергията на светлината се използва за стимулиране на окисляването на водата (НдвеO), произвеждайки кислороден газ (Oдве), водородни йони (H+) и електрони. Повечето от отстранените електрони и водородните йони в крайна сметка се прехвърлят във въглероден диоксид (COдве), което се свежда до органични продукти. Други електрони и водородни йони се използват за намаляване на нитратите и сулфатите до амино и сулфхидрилни групи в аминокиселините, които са градивните елементи на протеините. В повечето зелени клетки въглехидратите - особено нишестето и захар захароза - са основните директни органични продукти на фотосинтезата. Цялостната реакция, при която въглехидратите - представени от общата формула (СНдвеO) - образуват се по време на фотосинтезата на растенията, могат да бъдат посочени от следното уравнение:
Това уравнение е просто обобщено твърдение, тъй като процесът на фотосинтеза всъщност включва множество реакции, катализирани от ензими (органични катализатори). Тези реакции протичат на два етапа: светлинен етап, състоящ се от фотохимични (т.е. улавящи светлина) реакции; и тъмната сцена, включващи химични реакции, контролирани от ензими. По време на първия етап енергията на светлината се абсорбира и използва за задвижване на поредица от електронни трансфери, което води до синтеза на ATP и редуцираният с донори на електрони никотин аденин динуклеотид фосфат (NADPH). По време на тъмния етап, ATP и NADPH, образувани в реакциите за улавяне на светлина, се използват за намаляване на въглеродния диоксид до органични въглеродни съединения. Това усвояване на неорганичен въглерод в органични съединения се нарича въглеродна фиксация.
През 20-ти век сравненията между фотосинтетичните процеси в зелените растения и някои фотосинтетични сярни бактерии предоставят важна информация за фотосинтетичния механизъм. Сярните бактерии използват сероводород (HдвеS) като източник на водородни атоми и произвеждат сяра вместо кислород по време на фотосинтезата. Цялостната реакция е
През 30-те години холандският биолог Корнелис ван Нил признава, че използването на въглероден диоксид за образуване на органични съединения е подобно при двата вида фотосинтетични организми. Предполагайки, че съществуват различия в зависимия от светлината етап и в естеството на съединенията, използвани като източник на водородни атоми, той предлага водородът да се прехвърля от сероводород (в бактерии) или вода (в зелени растения) в неизвестен акцептор ( наречен A), който беше намален до HдвеА. По време на тъмните реакции, които са сходни както при бактериите, така и при зелените растения, редуцираният акцептор (HдвеA) реагира с въглероден диоксид (COдве) за образуване на въглехидрати (СНдвеО) и да окисли неизвестния акцептор до А. Това предполагаем реакцията може да бъде представена като:
Предложението на Ван Нийл беше важно, тъй като популярната (но неправилна) теория беше, че кислородът се отстранява от въглеродния диоксид (а не водородът от водата, освобождавайки кислород) и че въглеродът след това се комбинира с вода, за да образува въглехидрати (а не водородът от водата, комбинирайки с COдведа се образува СНдвеИЛИ).
Към 1940 г. химиците използват тежки изотопи, за да следят реакциите на фотосинтезата. Вода, маркирана с изотоп на кислород (18.O) се използва в ранните експерименти. Растения, които фотосинтезират в присъствието на вода, съдържаща Ндве18.O произвежда кислород, съдържащ газ18.О; тези, които фотосинтезират в присъствието на нормална вода, произвеждат нормален кислороден газ. Тези резултати предоставиха категорична подкрепа за теорията на ван Нийл, че кислородният газ, получен по време на фотосинтезата, се получава от водата.
