ფოტოსინთეზი - ეს არის პროცესების ერთობლიობა ორგანული ნაერთების არაორგანული ნაერთების სინთეზისთვის, სინათლის ენერგიის ქიმიური ბმების ენერგიად გადაქცევის გამო. მწვანე მცენარეები ეკუთვნის ფოტოტროფულ ორგანიზმებს, ზოგიერთი პროკარიოტი - ციანობაქტერიები, მეწამული და მწვანე გოგირდის ბაქტერიები, მცენარეთა ფლაგელატები.

ფოტოსინთეზის პროცესის კვლევა მე-18 საუკუნის მეორე ნახევარში დაიწყო. მნიშვნელოვანი აღმოჩენა გააკეთა გამოჩენილმა რუსმა მეცნიერმა K.A. Timiryazev-მა, რომელმაც დაასაბუთა დოქტრინა მწვანე მცენარეების კოსმოსური როლის შესახებ. მცენარეები შთანთქავენ მზის სხივებს და გარდაქმნიან სინათლის ენერგიას მათ მიერ სინთეზირებული ორგანული ნაერთების ქიმიური ბმების ენერგიად. ამრიგად, ისინი უზრუნველყოფენ დედამიწაზე სიცოცხლის შენარჩუნებას და განვითარებას. მეცნიერმა ასევე თეორიულად დაასაბუთა და ექსპერიმენტულად დაამტკიცა ქლოროფილის როლი სინათლის შთანთქმაში ფოტოსინთეზის დროს.

ქლოროფილები არის ძირითადი ფოტოსინთეზური პიგმენტები. ისინი აგებულებით ჰემოგლობინის ჰემის მსგავსია, მაგრამ რკინის ნაცვლად მაგნიუმს შეიცავს. რკინის შემცველობა აუცილებელია ქლოროფილის მოლეკულების სინთეზის უზრუნველსაყოფად. არსებობს რამდენიმე ქლოროფილი, რომლებიც განსხვავდება მათი ქიმიური სტრუქტურით. სავალდებულოა ყველა ფოტოტროფისთვის ქლოროფილი ა . ქლოროფილიბ გვხვდება მწვანე მცენარეებში ქლოროფილი გ დიატომებში და ყავისფერ წყალმცენარეებში. ქლოროფილი დ დამახასიათებელია წითელი წყალმცენარეებისთვის.

მწვანე და მეწამული ფოტოსინთეზური ბაქტერიები განსაკუთრებულია ბაქტერიოქლოროფილები . ბაქტერიების ფოტოსინთეზს ბევრი რამ აქვს საერთო მცენარეთა ფოტოსინთეზთან. ის განსხვავდება იმით, რომ ბაქტერიებში წყალბადის სულფიდი არის დონორი, ხოლო მცენარეებში წყალი. მწვანე და მეწამულ ბაქტერიებს არ აქვთ ფოტოსისტემა II. ბაქტერიების ფოტოსინთეზს არ ახლავს ჟანგბადის გამოყოფა. ბაქტერიული ფოტოსინთეზის საერთო განტოლებაა:

6C0 2 + 12H 2 S → C 6 H 12 O 6 + 12S + 6H 2 0.

ფოტოსინთეზი ეფუძნება რედოქს პროცესს. იგი დაკავშირებულია ელექტრონების გადაცემასთან ნაერთებიდან - ელექტრონ-დონორების მიმწოდებელ ნაერთებში, რომლებიც აღიქვამენ მათ - მიმღებებს. სინათლის ენერგია გარდაიქმნება სინთეზირებული ორგანული ნაერთების (ნახშირწყლების) ენერგიად.

ქლოროპლასტის მემბრანებს აქვთ სპეციალური სტრუქტურა - რეაქციის ცენტრები რომელიც შეიცავს ქლოროფილს. მწვანე მცენარეებში და ციანობაქტერიებში, ორი ფოტოსისტემები – პირველი (მე) და მეორე (II) , რომლებსაც აქვთ სხვადასხვა რეაქციის ცენტრები და ერთმანეთთან დაკავშირებულია ელექტრონების ტრანსპორტირების სისტემის მეშვეობით.

ფოტოსინთეზის ორი ეტაპი

ფოტოსინთეზის პროცესი ორი ეტაპისგან შედგება: სინათლისა და ბნელის.

ჩნდება მხოლოდ მიტოქონდრიის შიდა მემბრანებზე სინათლის არსებობისას სპეციალური სტრუქტურების მემბრანებში - თილაკოიდები . ფოტოსინთეზური პიგმენტები იჭერს სინათლის კვანტებს (ფოტონებს). ეს იწვევს ქლოროფილის მოლეკულის ერთ-ერთი ელექტრონის „აგზნებას“. გადამზიდავი მოლეკულების დახმარებით ელექტრონი გადადის თილაკოიდური მემბრანის გარე ზედაპირზე და იძენს გარკვეულ პოტენციურ ენერგიას.

ეს ელექტრონი არის ფოტოსისტემა I შეუძლია დაუბრუნდეს ენერგეტიკულ დონეს და აღადგინოს იგი. NADP (ნიკოტინამიდ ადენინ დინუკლეოტიდ ფოსფატი) ასევე შეიძლება გადაეცეს. წყალბადის იონებთან ურთიერთქმედებით ელექტრონები აღადგენს ამ ნაერთს. შემცირებული NADP (NADP H) აწვდის წყალბადს ატმოსფერული CO 2 გლუკოზამდე შესამცირებლად.

მსგავსი პროცესები მიმდინარეობს ფოტოსისტემა II . აღგზნებული ელექტრონები შეიძლება გადავიდეს I ფოტოსისტემაში და აღადგინოს იგი. ფოტოსისტემის II აღდგენა ხდება წყლის მოლეკულების მიერ მოწოდებული ელექტრონების გამო. წყლის მოლეკულები იშლება (წყლის ფოტოლიზი) წყალბადის პროტონებში და მოლეკულურ ჟანგბადში, რომელიც გამოიყოფა ატმოსფეროში. ელექტრონები გამოიყენება II ფოტოსისტემის აღსადგენად. წყლის ფოტოლიზის განტოლება:

2Н 2 0 → 4Н + + 0 2 + 2е.

როდესაც ელექტრონები ბრუნდებიან თილაკოიდური მემბრანის გარე ზედაპირიდან წინა ენერგეტიკულ დონეზე, ენერგია გამოიყოფა. ის ინახება ATP მოლეკულების ქიმიური ბმების სახით, რომლებიც სინთეზირდება ორივე ფოტოსისტემაში რეაქციების დროს. ATP-ის სინთეზის პროცესს ADP-ით და ფოსფორის მჟავით ე.წ ფოტოფოსფორილირება . ენერგიის ნაწილი გამოიყენება წყლის აორთქლებაზე.

ფოტოსინთეზის მსუბუქი ფაზის დროს წარმოიქმნება ენერგიით მდიდარი ნაერთები: ATP და NADP H. წყლის მოლეკულის დაშლის (ფოტოლიზის) დროს ატმოსფეროში გამოიყოფა მოლეკულური ჟანგბადი.

რეაქციები ხდება ქლოროპლასტების შიდა გარემოში. ისინი შეიძლება მოხდეს შუქით ან მის გარეშე. ორგანული ნივთიერებები სინთეზირდება (CO 2 მცირდება გლუკოზამდე) ენერგიის გამოყენებით, რომელიც წარმოიქმნა სინათლის ფაზაში.

ნახშირორჟანგის შემცირების პროცესი ციკლურია და ე.წ კალვინის ციკლი . დაარქვეს ამერიკელი მკვლევარის მ.კალვინის პატივსაცემად, რომელმაც აღმოაჩინა ეს ციკლური პროცესი.

ციკლი იწყება ატმოსფერული ნახშირორჟანგის რეაქციით რიბულოზა ბიფოსფატთან. ფერმენტი ახდენს პროცესის კატალიზებას კარბოქსილაზა . რიბულოზა ბიფოსფატი არის ხუთნახშირბადიანი შაქარი, რომელიც შერწყმულია ფოსფორმჟავას ორ ნარჩენებთან. არსებობს მთელი რიგი ქიმიური გარდაქმნები, რომელთაგან თითოეული კატალიზებს თავის სპეციფიკურ ფერმენტს. როგორ იქმნება ფოტოსინთეზის საბოლოო პროდუქტი? გლუკოზა ასევე მცირდება რიბულოზა ბიფოსფატი.

ფოტოსინთეზის პროცესის საერთო განტოლება:

6C0 2 + 6H 2 0 → C 6 H 12 O 6 + 60 2

ფოტოსინთეზის პროცესის წყალობით, მზის სინათლის ენერგია შეიწოვება და გარდაიქმნება სინთეზირებული ნახშირწყლების ქიმიური ბმების ენერგიად. ენერგია კვებითი ჯაჭვების გასწვრივ გადადის ჰეტეროტროფულ ორგანიზმებზე. ფოტოსინთეზის დროს ნახშირორჟანგი მიიღება და გამოიყოფა ჟანგბადი. მთელი ატმოსფერული ჟანგბადი ფოტოსინთეზური წარმოშობისაა. ყოველწლიურად 200 მილიარდ ტონაზე მეტი თავისუფალი ჟანგბადი გამოიყოფა. ჟანგბადი იცავს დედამიწაზე სიცოცხლეს ულტრაიისფერი გამოსხივებისგან, ქმნის ოზონის ფარს ატმოსფეროში.

ფოტოსინთეზის პროცესი არაეფექტურია, რადგან მზის ენერგიის მხოლოდ 1-2% გადადის სინთეზირებულ ორგანულ ნივთიერებებში. ეს გამოწვეულია იმით, რომ მცენარეები არ შთანთქავენ საკმარის შუქს, მის ნაწილს ატმოსფერო შთანთქავს და ა.შ. მზის შუქის უმეტესი ნაწილი აირეკლება დედამიწის ზედაპირიდან უკან კოსმოსში.

- ორგანული ნივთიერებების სინთეზი ნახშირორჟანგიდან და წყლისგან სინათლის ენერგიის სავალდებულო გამოყენებით:

6CO 2 + 6H 2 O + Q სინათლე → C 6 H 12 O 6 + 6O 2.

მაღალ მცენარეებში ფოტოსინთეზის ორგანოა ფოთოლი, ფოტოსინთეზის ორგანელები – ქლოროპლასტები (ქლოროპლასტების აგებულება არის ლექცია No7). ქლოროპლასტების თილაკოიდური გარსები შეიცავს ფოტოსინთეზურ პიგმენტებს: ქლოროფილებს და კაროტინოიდებს. არსებობს ქლოროფილის რამდენიმე განსხვავებული ტიპი ( ა ბ გ დ), მთავარია ქლოროფილი ა. ქლოროფილის მოლეკულაში შეიძლება გამოირჩეოდეს პორფირინის „თავი“ მაგნიუმის ატომით ცენტრში და ფიტოლის „კუდი“. პორფირინის „თავი“ ბრტყელი სტრუქტურაა, არის ჰიდროფილური და, შესაბამისად, დევს მემბრანის ზედაპირზე, რომელიც დგას სტრომის წყლის გარემოს წინაშე. ფიტოლის „კუდი“ ჰიდროფობიურია და ამით ინარჩუნებს ქლოროფილის მოლეკულას მემბრანაში.

ქლოროფილი შთანთქავს წითელ და ლურჯ-იისფერ შუქს, ირეკლავს მწვანეს და ამიტომ აძლევს მცენარეებს დამახასიათებელ მწვანე ფერს. თილაკოიდურ მემბრანებში ქლოროფილის მოლეკულები ორგანიზებულია ფოტოსისტემები. მცენარეებსა და ლურჯ-მწვანე წყალმცენარეებს აქვთ ფოტოსისტემა-1 და ფოტოსისტემა-2; ფოტოსინთეზურ ბაქტერიებს აქვთ ფოტოსისტემა-1. მხოლოდ ფოტოსისტემა-2-ს შეუძლია წყლის დაშლა ჟანგბადის გამოყოფით და ელექტრონების აღება წყლის წყალბადიდან.

ფოტოსინთეზი რთული მრავალსაფეხურიანი პროცესია; ფოტოსინთეზის რეაქციები იყოფა ორ ჯგუფად: რეაქციები მსუბუქი ფაზადა რეაქციები ბნელი ფაზა.

მსუბუქი ფაზა

ეს ფაზა ხდება მხოლოდ სინათლის არსებობისას თილაკოიდურ მემბრანებში ქლოროფილის, ელექტრონის გადამზიდავი ცილების და ფერმენტ ATP სინთეტაზას მონაწილეობით. მსუბუქი კვანტის მოქმედებით ქლოროფილის ელექტრონები აღგზნდებიან, ტოვებენ მოლეკულას და შედიან თილაკოიდური მემბრანის გარე მხარეს, რომელიც საბოლოოდ უარყოფითად დამუხტული ხდება. ოქსიდირებული ქლოროფილის მოლეკულები აღდგება ინტრათილაკოიდურ სივრცეში მდებარე წყლიდან ელექტრონების ამოღებით. ეს იწვევს წყლის დაშლას ან ფოტოლიზს:

H 2 O + Q სინათლე → H + + OH -.

ჰიდროქსილის იონები ჩუქნიან თავიანთ ელექტრონებს, გადაიქცევიან რეაქტიულ რადიკალებად. OH:

OH - → .OH + e - .

რადიკალები.OH აერთიანებს წყალს და თავისუფალ ჟანგბადს:

4NO. → 2H 2 O + O 2.

ამ შემთხვევაში, ჟანგბადი გამოიყოფა გარე გარემოში და პროტონები გროვდება თილაკოიდის შიგნით "პროტონის რეზერვუარში". შედეგად, თილაკოიდური მემბრანა, ერთის მხრივ, დადებითად არის დამუხტული H +-ის გამო, მეორეს მხრივ, უარყოფითად ელექტრონების გამო. როდესაც პოტენციური სხვაობა თილაკოიდური მემბრანის გარე და შიდა მხარეებს შორის 200 მვ-ს აღწევს, პროტონები იძვრება ATP სინთეზის არხებით და ADP ფოსფორილირდება ATP-მდე; ატომური წყალბადი გამოიყენება სპეციფიკური მატარებლის NADP + (ნიკოტინამიდ ადენინ დინუკლეოტიდის ფოსფატი) NADP H2-მდე აღსადგენად:

2H + + 2e - + NADP → NADP H 2.

ამრიგად, წყლის ფოტოლიზი ხდება სინათლის ფაზაში, რომელსაც თან ახლავს სამი ძირითადი პროცესი: 1) ატფ-ის სინთეზი; 2) NADP·H 2-ის ფორმირება; 3) ჟანგბადის წარმოქმნა. ჟანგბადი დიფუზირდება ატმოსფეროში, ATP და NADP·H 2 ტრანსპორტირდება ქლოროპლასტის სტრომაში და მონაწილეობენ ბნელი ფაზის პროცესებში.

1 - ქლოროპლასტის სტრომა; 2 - გრანა თილაკოიდი.

ბნელი ფაზა

ეს ფაზა ხდება ქლოროპლასტის სტრომაში. მისი რეაქციები არ საჭიროებს სინათლის ენერგიას, ამიტომ ისინი წარმოიქმნება არა მხოლოდ სინათლეში, არამედ სიბნელეშიც. ბნელი ფაზის რეაქციები არის ნახშირორჟანგის თანმიმდევრული გარდაქმნების ჯაჭვი (გამოდის ჰაერიდან), რაც იწვევს გლუკოზის და სხვა ორგანული ნივთიერებების წარმოქმნას.

პირველი რეაქცია ამ ჯაჭვში არის ნახშირორჟანგის ფიქსაცია; ნახშირორჟანგის მიმღები არის ხუთნახშირბადიანი შაქარი რიბულოზა ბიფოსფატი(RiBF); ფერმენტი ახდენს რეაქციის კატალიზებას რიბულოზა ბიფოსფატ კარბოქსილაზა(RiBP-კარბოქსილაზა). რიბულოზა ბიფოსფატის კარბოქსილირების შედეგად წარმოიქმნება არასტაბილური ექვსნახშირბადოვანი ნაერთი, რომელიც მაშინვე იშლება ორ მოლეკულად. ფოსფოგლიცერინის მჟავა(FGK). შემდეგ არის რეაქციების ციკლი, რომლის დროსაც, შუალედური პროდუქტების სერიის მეშვეობით, ფოსფოგლიცერინის მჟავა გარდაიქმნება გლუკოზად. ეს რეაქციები იყენებენ სინათლის ფაზაში წარმოქმნილ ATP და NADP·H 2 ენერგიას; ამ რეაქციების ციკლს ეწოდება კალვინის ციკლი:

6CO 2 + 24H + + ATP → C 6 H 12 O 6 + 6H 2 O.

გლუკოზის გარდა ფოტოსინთეზის დროს წარმოიქმნება რთული ორგანული ნაერთების სხვა მონომერები - ამინომჟავები, გლიცერინი და ცხიმოვანი მჟავები, ნუკლეოტიდები. ამჟამად, არსებობს ორი სახის ფოტოსინთეზი: C 3 - და C 4 - ფოტოსინთეზი.

C 3 -ფოტოსინთეზი

ეს არის ფოტოსინთეზის ტიპი, რომელშიც სამი ნახშირბადის (C3) ნაერთები პირველი პროდუქტია. C 3 -ფოტოსინთეზი აღმოაჩინეს C 4 -ფოტოსინთეზამდე (M. Calvin). ეს არის C3-ფოტოსინთეზი, რომელიც აღწერილია ზემოთ, სათაურით "ბნელი ფაზა". C 3 ფოტოსინთეზის დამახასიათებელი ნიშნები: 1) RiBP არის ნახშირორჟანგის მიმღები, 2) RiBP კარბოქსილაზა კატალიზებს RiBP კარბოქსილირების რეაქციას, 3) RiBP კარბოქსილირების შედეგად წარმოიქმნება ექვსნახშირბადოვანი ნაერთი, რომელიც იშლება ორ FHA-ად. FHA აღდგენილია ტრიოზა ფოსფატები(TF). TF-ის ნაწილი გამოიყენება RiBP-ის რეგენერაციისთვის, ნაწილი გარდაიქმნება გლუკოზად.

1 - ქლოროპლასტი; 2 - პეროქსისომა; 3 - მიტოქონდრიონი.

ეს არის ჟანგბადის შუქზე დამოკიდებული ათვისება და ნახშირორჟანგის გამოყოფა. ჯერ კიდევ გასული საუკუნის დასაწყისში აღმოჩნდა, რომ ჟანგბადი აფერხებს ფოტოსინთეზს. როგორც გაირკვა, არა მხოლოდ ნახშირორჟანგი, არამედ ჟანგბადიც შეიძლება იყოს სუბსტრატი RiBP კარბოქსილაზასთვის:

O 2 + RiBP → ფოსფოგლიკოლატი (2С) + FHA (3С).

ფერმენტს RiBP-ოქსიგენაზას უწოდებენ. ჟანგბადი არის ნახშირორჟანგის ფიქსაციის კონკურენტული ინჰიბიტორი. ფოსფატის ჯგუფი იშლება და ფოსფოგლიკოლატი ხდება გლიკოლატი, რომელიც მცენარემ უნდა გამოიყენოს. ის ხვდება პეროქსიზომებში, სადაც იჟანგება გლიცინამდე. გლიცინი ხვდება მიტოქონდრიაში, სადაც ის იჟანგება სერინამდე, უკვე ფიქსირებული ნახშირბადის დაკარგვით CO 2-ის სახით. შედეგად, გლიკოლატის ორი მოლეკულა (2C + 2C) გარდაიქმნება ერთ FHA (3C) და CO 2-ად. ფოტორესპირაცია იწვევს C 3-მცენარეების მოსავლიანობის შემცირებას 30-40%-ით ( C 3 - მცენარეები- მცენარეები, რომლებსაც ახასიათებთ C 3 -ფოტოსინთეზი).

C 4 -ფოტოსინთეზი - ფოტოსინთეზი, რომელშიც პირველი პროდუქტია ოთხნახშირბადოვანი (C 4) ნაერთები. 1965 წელს გაირკვა, რომ ზოგიერთ მცენარეში (შაქარი, სიმინდი, სორგო, ფეტვი) ფოტოსინთეზის პირველი პროდუქტებია ოთხნახშირბადოვანი მჟავები. ასეთ მცენარეებს ე.წ 4 მცენარით. 1966 წელს ავსტრალიელმა მეცნიერებმა ჰეჩმა და სლაკმა აჩვენეს, რომ C 4 მცენარეებს პრაქტიკულად არ აქვთ ფოტოსუნთქვა და ბევრად უფრო ეფექტურად შთანთქავენ ნახშირორჟანგს. ნახშირბადის გარდაქმნების გზა C 4 მცენარეებში დაიწყო ეწოდოს ჰეჩ-სლეკის მიერ.

C 4 მცენარეები ხასიათდებიან ფოთლის განსაკუთრებული ანატომიური აგებულებით. ყველა გამტარი შეკვრა გარშემორტყმულია უჯრედების ორმაგი ფენით: გარე არის მეზოფილის უჯრედები, შიდა კი - უგულებელყოფის უჯრედები. ნახშირორჟანგი ფიქსირდება მეზოფილის უჯრედების ციტოპლაზმაში, მიმღები არის ფოსფოენოლპირუვატი(PEP, 3C), PEP კარბოქსილირების შედეგად წარმოიქმნება ოქსალოაცეტატი (4C). პროცესი კატალიზებულია PEP კარბოქსილაზა. RiBP კარბოქსილაზასგან განსხვავებით, PEP კარბოქსილაზას აქვს მაღალი მიდრეკილება CO 2-თან და, რაც მთავარია, არ ურთიერთქმედებს O2-თან. მეზოფილურ ქლოროპლასტებში ბევრია გრანა, სადაც აქტიურად მიმდინარეობს მსუბუქი ფაზის რეაქციები. გარსის უჯრედების ქლოროპლასტებში ხდება ბნელი ფაზის რეაქციები.

ოქსალოაცეტატი (4C) გარდაიქმნება მალატად, რომელიც პლაზმოდესმატის მეშვეობით გადაიგზავნება გარსების უჯრედებში. აქ ხდება დეკარბოქსილირება და დეჰიდრატაცია პირუვატის, CO 2 და NADP·H 2 ფორმირებისთვის.

პირუვატი უბრუნდება მეზოფილის უჯრედებს და აღდგება PEP-ში ატფ ენერგიის ხარჯზე. CO 2 კვლავ ფიქსირდება RiBP კარბოქსილაზას მიერ FHA-ს წარმოქმნით. PEP-ის რეგენერაცია მოითხოვს ATP-ის ენერგიას, ამიტომ თითქმის ორჯერ მეტი ენერგიაა საჭირო, ვიდრე C 3 ფოტოსინთეზის დროს.

ფოტოსინთეზის მნიშვნელობა

ფოტოსინთეზის წყალობით ყოველწლიურად მილიარდობით ტონა ნახშირორჟანგი შეიწოვება ატმოსფეროდან, გამოიყოფა მილიარდობით ტონა ჟანგბადი; ფოტოსინთეზი არის ორგანული ნივთიერებების წარმოქმნის ძირითადი წყარო. ოზონის შრე წარმოიქმნება ჟანგბადისგან, რომელიც იცავს ცოცხალ ორგანიზმებს მოკლე ტალღის ულტრაიისფერი გამოსხივებისგან.

ფოტოსინთეზის დროს მწვანე ფოთოლი იყენებს მასზე დაცემული მზის ენერგიის მხოლოდ 1%-ს, პროდუქტიულობა შეადგენს დაახლოებით 1 გ ორგანულ ნივთიერებას 1 მ 2 ზედაპირზე საათში.

ქიმიოსინთეზი

ნახშირორჟანგიდან და წყლისგან ორგანული ნაერთების სინთეზს, რომელიც ხორციელდება არა სინათლის ენერგიის, არამედ არაორგანული ნივთიერებების დაჟანგვის ენერგიის ხარჯზე, ე.წ. ქიმიოსინთეზი. ქიმიოსინთეზურ ორგანიზმებში შედის ბაქტერიების ზოგიერთი სახეობა.

ნიტრიფიცირებული ბაქტერიებიამიაკის დაჟანგვა აზოტამდე, შემდეგ კი აზოტმჟავამდე (NH 3 → HNO 2 → HNO 3).

რკინის ბაქტერიაშავი რკინის ოქსიდად გადაქცევა (Fe 2+ → Fe 3+).

გოგირდის ბაქტერიაწყალბადის სულფიდის დაჟანგვა გოგირდად ან გოგირდმჟავად (H 2 S + ½O 2 → S + H 2 O, H 2 S + 2O 2 → H 2 SO 4).

არაორგანული ნივთიერებების დაჟანგვის რეაქციების შედეგად გამოიყოფა ენერგია, რომელიც ინახება ბაქტერიების მიერ ATP-ის მაღალენერგეტიკული ბმების სახით. ATP გამოიყენება ორგანული ნივთიერებების სინთეზისთვის, რომელიც მიმდინარეობს ფოტოსინთეზის ბნელი ფაზის რეაქციების მსგავსად.

ქიმიოსინთეზური ბაქტერიები ხელს უწყობენ ნიადაგში მინერალების დაგროვებას, აუმჯობესებენ ნიადაგის ნაყოფიერებას, ხელს უწყობენ ჩამდინარე წყლების გაწმენდას და ა.შ.

Წადი ლექციები №11"მეტაბოლიზმის კონცეფცია. ცილების ბიოსინთეზი"

Წადი ლექციები №13"ევკარიოტული უჯრედების გაყოფის მეთოდები: მიტოზი, მეიოზი, ამიტოზი"

ფოტოსინთეზი შედგება ორი ფაზისაგან - სინათლისა და ბნელისაგან.

სინათლის ფაზაში სინათლის კვანტები (ფოტონები) ურთიერთქმედებენ ქლოროფილის მოლეკულებთან, რის შედეგადაც ეს მოლეკულები ძალიან მოკლე დროში გადადიან უფრო ენერგიით მდიდარ „აღგზნებულ“ მდგომარეობაში. შემდეგ „აღგზნებული“ მოლეკულების ნაწილის ჭარბი ენერგია გარდაიქმნება სითბოდ ან გამოიყოფა სინათლის სახით. მისი მეორე ნაწილი გადადის წყალბადის იონებში, რომლებიც წყლის დისოციაციის გამო ყოველთვის წყალხსნარშია. წარმოქმნილი წყალბადის ატომები თავისუფლად არის დაკავშირებული ორგანულ მოლეკულებთან - წყალბადის მატარებლებთან. OH ჰიდროქსიდის იონები "ჩუქნიან თავიანთ ელექტრონებს სხვა მოლეკულებს და გადაიქცევიან თავისუფალ OH რადიკალებად. OH რადიკალები ურთიერთქმედებენ ერთმანეთთან, რის შედეგადაც წარმოიქმნება წყალი და მოლეკულური ჟანგბადი:

4OH \u003d O2 + 2H2O ამრიგად, ფოტოსინთეზის დროს წარმოქმნილი და ატმოსფეროში გამოშვებული მოლეკულური ჟანგბადის წყაროა ფოტოლიზი - წყლის დაშლა სინათლის გავლენის ქვეშ. წყლის ფოტოლიზის გარდა, მზის გამოსხივების ენერგია გამოიყენება სინათლის ფაზაში ATP და ADP და ფოსფატის სინთეზისთვის ჟანგბადის მონაწილეობის გარეშე. ეს ძალიან ეფექტური პროცესია: ქლოროპლასტებში 30-ჯერ მეტი ATP წარმოიქმნება, ვიდრე იმავე მცენარეების მიტოქონდრიებში ჟანგბადის მონაწილეობით. ამ გზით გროვდება ფოტოსინთეზის ბნელ ფაზაში მიმდინარე პროცესებისთვის საჭირო ენერგია.

ბნელი ფაზის ქიმიური რეაქციების კომპლექსში, რომლისთვისაც სინათლე არ არის საჭირო, საკვანძო ადგილი უჭირავს CO2-ის შეკავშირებას. ეს რეაქციები მოიცავს ATP მოლეკულებს, რომლებიც სინთეზირებულია სინათლის ფაზაში და წყალბადის ატომები, რომლებიც წარმოიქმნება წყლის ფოტოლიზის დროს და დაკავშირებულია გადამზიდავ მოლეკულებთან:

6CO2 + 24H - "C6H12O6 + 6NEO

ასე რომ, მზის ენერგია გარდაიქმნება რთული ორგანული ნაერთების ქიმიური ბმების ენერგიად.

87. ფოტოსინთეზის მნიშვნელობა მცენარეებისთვის და პლანეტისთვის.

ფოტოსინთეზი არის ბიოლოგიური ენერგიის მთავარი წყარო, ფოტოსინთეზური ავტოტროფები მას იყენებენ ორგანული ნივთიერებების სინთეზისთვის არაორგანული ნივთიერებებისგან, ჰეტეროტროფები არსებობენ ავტოტროფების მიერ ქიმიური ბმების სახით შენახული ენერგიის გამო, რომლებიც ათავისუფლებენ მას სუნთქვისა და დუღილის პროცესში. წიაღისეული საწვავის (ქვანახშირი, ნავთობი, ბუნებრივი აირი, ტორფი) წვის შედეგად კაცობრიობის მიერ მიღებული ენერგია ასევე ინახება ფოტოსინთეზის პროცესში.

ფოტოსინთეზი არის არაორგანული ნახშირბადის ძირითადი შეყვანა ბიოლოგიურ ციკლში. ატმოსფეროში არსებული ყველა თავისუფალი ჟანგბადი ბიოგენური წარმოშობისაა და წარმოადგენს ფოტოსინთეზის ქვეპროდუქტს. ჟანგვის ატმოსფეროს წარმოქმნამ (ჟანგბადის კატასტროფა) მთლიანად შეცვალა დედამიწის ზედაპირის მდგომარეობა, შესაძლებელი გახადა სუნთქვის გაჩენა და მოგვიანებით, ოზონის შრის წარმოქმნის შემდეგ, სიცოცხლის საშუალება მისცა მიწაზე მოსულიყო. ფოტოსინთეზის პროცესი ყველა ცოცხალი არსების კვების საფუძველია და ასევე ამარაგებს კაცობრიობას საწვავით (ხის, ქვანახშირი, ზეთი), ბოჭკოებით (ცელულოზა) და უთვალავი სასარგებლო ქიმიური ნაერთებით. ფოტოსინთეზის დროს ჰაერიდან შეკრული ნახშირორჟანგიდან და წყლისგან წარმოიქმნება მოსავლის მშრალი წონის დაახლოებით 90-95%. დარჩენილი 5-10% არის მინერალური მარილები და ნიადაგიდან მიღებული აზოტი.

ადამიანი იყენებს ფოტოსინთეზის პროდუქტების დაახლოებით 7%-ს საკვებად, ცხოველების საკვებად და საწვავად და სამშენებლო მასალებში.

ფოტოსინთეზი, რომელიც ერთ-ერთი ყველაზე გავრცელებული პროცესია დედამიწაზე, განსაზღვრავს ნახშირბადის, ჟანგბადის და სხვა ელემენტების ბუნებრივ ციკლებს და უზრუნველყოფს ჩვენს პლანეტაზე სიცოცხლის მატერიალურ და ენერგეტიკულ საფუძველს. ფოტოსინთეზი ატმოსფერული ჟანგბადის ერთადერთი წყაროა.

ფოტოსინთეზი დედამიწაზე ერთ-ერთი ყველაზე გავრცელებული პროცესია, რომელიც განსაზღვრავს ნახშირბადის, O2 და ბუნებაში სხვა ელემენტების ციკლს.ეს არის პლანეტის მთელი სიცოცხლის მატერიალური და ენერგეტიკული საფუძველი. ყოველწლიურად, ფოტოსინთეზის შედეგად, დაახლოებით 8 1010 ტონა ნახშირბადი ორგანული ნივთიერებების სახით იკვრება და 1011 ტონამდე ცელულოზა წარმოიქმნება. ფოტოსინთეზის შედეგად მიწის მცენარეები ქმნიან დაახლოებით 1,8 1011 ტონა მშრალ ბიომასას წელიწადში; ოკეანეებში ყოველწლიურად დაახლოებით იგივე რაოდენობის მცენარეული ბიომასი იქმნება. ტროპიკული ტყე 29%-მდე მონაწილეობს ხმელეთზე ფოტოსინთეზის მთლიან წარმოებაში, ხოლო ყველა ტიპის ტყეების წვლილი 68%-ია. უმაღლესი მცენარეებისა და წყალმცენარეების ფოტოსინთეზი ატმოსფერული O2-ის ერთადერთი წყაროა. დედამიწაზე დაახლოებით 2,8 მილიარდი წლის წინ წყლის დაჟანგვის მექანიზმის გაჩენა O2-ის წარმოქმნით არის ყველაზე მნიშვნელოვანი მოვლენა ბიოლოგიურ ევოლუციაში, რამაც მზის სინათლე მთავარ წყაროდ აქცია - ბიოსფეროს თავისუფალი ენერგია, ხოლო წყალი - წყალბადის თითქმის შეუზღუდავი წყარო ცოცხალ ორგანიზმებში ნივთიერებების სინთეზისთვის. შედეგად, ჩამოყალიბდა თანამედროვე შემადგენლობის ატმოსფერო, O2 ხელმისაწვდომი გახდა საკვების დაჟანგვისთვის, რამაც გამოიწვია მაღალორგანიზებული ჰეტეროტროფული ორგანიზმების გაჩენა (ეგზოგენური ორგანული ნივთიერებები გამოიყენება ნახშირბადის წყაროდ). მზის გამოსხივების ენერგიის მთლიანი შენახვა ფოტოსინთეზის პროდუქტების სახით შეადგენს დაახლოებით 1,6 1021 კჯ წელიწადში, რაც დაახლოებით 10-ჯერ აღემატება კაცობრიობის ენერგიის ამჟამინდელ მოხმარებას. მზის გამოსხივების ენერგიის დაახლოებით ნახევარი მოდის სპექტრის ხილულ რეგიონზე (ტალღის სიგრძე l 400-დან 700 ნმ-მდე), რომელიც გამოიყენება ფოტოსინთეზისთვის (ფიზიოლოგიურად აქტიური გამოსხივება, ან PAR). IR გამოსხივება არ არის შესაფერისი ჟანგბადის მწარმოებელი ორგანიზმების ფოტოსინთეზისთვის (უფრო მაღალი მცენარეები და წყალმცენარეები), მაგრამ გამოიყენება ზოგიერთი ფოტოსინთეზური ბაქტერიის მიერ.

ქიმიოსინთეზის პროცესის აღმოჩენა S.N. ვინოგრადსკის მიერ. პროცესის მახასიათებელი.

ქიმიოსინთეზი არის ნახშირორჟანგიდან ორგანული ნივთიერებების სინთეზის პროცესი, რომელიც ხდება მიკროორგანიზმების სიცოცხლის განმავლობაში ამიაკის, წყალბადის სულფიდის და სხვა ქიმიკატების დაჟანგვის დროს გამოთავისუფლებული ენერგიის გამო. ქიმიოსინთეზს სხვა სახელიც აქვს - ქიმიოლითოავტოტროფია. 1887 წელს ს.ნ. ვინოგრადოვსკის მიერ ქიმიოსინთეზის აღმოჩენამ რადიკალურად შეცვალა მეცნიერების იდეები მეტაბოლიზმის ტიპების შესახებ, რომლებიც ძირითადია ცოცხალი ორგანიზმებისთვის. მრავალი მიკროორგანიზმისთვის ქიმიოსინთეზი არის კვების ერთადერთი ტიპი, რადგან მათ შეუძლიათ ნახშირორჟანგის, როგორც ნახშირბადის ერთადერთი წყაროს შთანთქმა. ფოტოსინთეზისგან განსხვავებით, ქიმიოსინთეზი იყენებს ენერგიას სინათლის ენერგიის ნაცვლად, რომელიც წარმოიქმნება რედოქსული რეაქციების შედეგად.

ეს ენერგია საკმარისი უნდა იყოს ადენოზინტრიფოსფორმჟავას (ATP) სინთეზისთვის და მისი რაოდენობა უნდა აღემატებოდეს 10 კკალ/მოლს. ზოგიერთი დაჟანგვადი ნივთიერება თავის ელექტრონებს აწვდის ჯაჭვს უკვე ციტოქრომის დონეზე და, ამრიგად, იქმნება დამატებითი ენერგიის მოხმარება შემცირების აგენტის სინთეზისთვის. ქიმიოსინთეზში, ორგანული ნაერთების ბიოსინთეზი ხდება ნახშირორჟანგის ავტოტროფიული ასიმილაციის გამო, ანუ ზუსტად ისევე, როგორც ფოტოსინთეზში. უჯრედის მემბრანაში ჩაშენებული ბაქტერიების რესპირაციული ფერმენტების ჯაჭვის გასწვრივ ელექტრონების გადაცემის შედეგად, ენერგია მიიღება ატფ-ის სახით. ენერგიის ძალიან მაღალი მოხმარების გამო, ყველა ქიმიოსინთეზური ბაქტერია, გარდა წყალბადისა, ქმნის საკმაოდ მცირე ბიომასას, მაგრამ ამავე დროს ისინი ჟანგავს დიდი რაოდენობით არაორგანულ ნივთიერებებს. წყალბადის ბაქტერიებს მეცნიერები იყენებენ ცილების წარმოებისთვის და ნახშირორჟანგის ატმოსფეროს გასაწმენდად, განსაკუთრებით დახურულ ეკოლოგიურ სისტემებში. არსებობს ქიმიოსინთეზური ბაქტერიების დიდი მრავალფეროვნება, მათი უმეტესობა მიეკუთვნება ფსევდომონას, ასევე გვხვდება ძაფისებრ და ყვავილოვან ბაქტერიებს შორის, ლეპტოსპირა, სპირილუმი ​​და კორინებაქტერია.

პროკარიოტების მიერ ქიმიოსინთეზის გამოყენების მაგალითები.

ქიმიოსინთეზის არსი (პროცესი, რომელიც აღმოაჩინა რუსმა მკვლევარმა სერგეი ნიკოლაევიჩ ვინოგრადსკიმ) არის სხეულის ენერგიის მიღება რედოქსის რეაქციების გზით, რომელსაც ახორციელებს თავად ეს ორგანიზმი მარტივი (არაორგანული) ნივთიერებებით. ასეთი რეაქციების მაგალითები შეიძლება იყოს ამონიუმის დაჟანგვა ნიტრიტად, ან შავი რკინის დაჟანგვა რკინაში, წყალბადის სულფიდი გოგირდად და ა.შ. პროკარიოტების მხოლოდ ზოგიერთ ჯგუფს (ბაქტერიებს ამ სიტყვის ფართო გაგებით) შეუძლია ქიმიოსინთეზი. ქიმიოსინთეზის გამო, ამჟამად არსებობს მხოლოდ ზოგიერთი ჰიდროთერმული ეკოსისტემა (ოკეანის ფსკერზე ადგილები, სადაც არის შემცირებული ნივთიერებებით მდიდარი მიწისქვეშა წყლების გამოსასვლელები - წყალბადი, წყალბადის სულფიდი, რკინის სულფიდი და ა.შ.), ასევე უკიდურესად მარტივი, რომელიც შედგება. მხოლოდ ბაქტერიები, ეკოსისტემები, რომლებიც გვხვდება დიდ სიღრმეებში ხმელეთის კლდეების რღვევებში.

ბაქტერიები - ქიმიოსინთეზები, ანადგურებენ ქანებს, ასუფთავებენ ჩამდინარე წყლებს, მონაწილეობენ მინერალების წარმოქმნაში.

სინათლის ენერგიით ან მის გარეშე. დამახასიათებელია მცენარეებისთვის. მოდით განვიხილოთ, რა არის ფოტოსინთეზის მუქი და მსუბუქი ფაზები.

Ზოგადი ინფორმაცია

მაღალ მცენარეებში ფოტოსინთეზის ორგანოა ფოთოლი. ქლოროპლასტები მოქმედებენ როგორც ორგანელები. მათი თილაკოიდების გარსები შეიცავს ფოტოსინთეზურ პიგმენტებს. ეს არის კაროტინოიდები და ქლოროფილები. ეს უკანასკნელი რამდენიმე ფორმით არსებობს (ა, გ, ბ, დ). მთავარია ა-ქლოროფილი. მისი მოლეკულა შეიცავს პორფირინის „თავი“ მაგნიუმის ატომს, რომელიც მდებარეობს ცენტრში, ასევე ფიტოლის „კუდს“. პირველი ელემენტი წარმოდგენილია როგორც ბრტყელი სტრუქტურა. „თავი“ ჰიდროფილურია, ამიტომ იგი მდებარეობს მემბრანის იმ ნაწილზე, რომელიც მიმართულია წყლის გარემოსკენ. ფიტოლის „კუდი“ ჰიდროფობიურია. ამის გამო ის ინარჩუნებს ქლოროფილის მოლეკულას მემბრანაში. ქლოროფილი შთანთქავს ლურჯ-იისფერ და წითელ შუქს. ისინი ასევე ასახავს მწვანეს, რაც მცენარეებს აძლევს მათ დამახასიათებელ ფერს. თილაქტურ მემბრანებში ქლოროფილის მოლეკულები ორგანიზებულია ფოტოსისტემებად. ლურჯ-მწვანე წყალმცენარეებსა და მცენარეებს ახასიათებთ 1 და 2 სისტემები. ფოტოსინთეზურ ბაქტერიებს აქვთ მხოლოდ პირველი. მეორე სისტემას შეუძლია დაშალოს H 2 O და გაათავისუფლოს ჟანგბადი.

ფოტოსინთეზის მსუბუქი ფაზა

მცენარეებში მიმდინარე პროცესები რთული და მრავალეტაპიანია. კერძოდ, გამოიყოფა რეაქციების ორი ჯგუფი. ისინი ფოტოსინთეზის ბნელი და მსუბუქი ფაზებია. ეს უკანასკნელი მიმდინარეობს ATP ფერმენტის, ელექტრონის ტრანსპორტირების ცილების და ქლოროფილის მონაწილეობით. ფოტოსინთეზის მსუბუქი ფაზა ხდება თილაქტოიდების გარსებში. ქლოროფილის ელექტრონები აღგზნებულია და ტოვებს მოლეკულას. ამის შემდეგ ისინი ეცემა თილაქტური გარსის გარე ზედაპირზე. ის, თავის მხრივ, უარყოფითად არის დამუხტული. დაჟანგვის შემდეგ იწყება ქლოროფილის მოლეკულების აღდგენა. ისინი იღებენ ელექტრონებს წყლისგან, რომელიც იმყოფება ინტრალაკოიდურ სივრცეში. ამრიგად, ფოტოსინთეზის მსუბუქი ფაზა მიმდინარეობს მემბრანაში დაშლის დროს (ფოტოლიზი): H 2 O + Q სინათლე → H + + OH -

ჰიდროქსილის იონები გარდაიქმნება რეაქტიულ რადიკალებად მათი ელექტრონების შემოწირულობით:

OH - → .OH + e -

OH რადიკალები აერთიანებენ და ქმნიან თავისუფალ ჟანგბადსა და წყალს:

4NO. → 2H 2 O + O 2.

ამ შემთხვევაში ჟანგბადი გამოიყოფა მიმდებარე (გარე) გარემოში და პროტონები გროვდება თილაქტოიდის შიგნით სპეციალურ „რეზერვუარში“. შედეგად, სადაც მიმდინარეობს ფოტოსინთეზის მსუბუქი ფაზა, თილაქტური მემბრანა იღებს დადებით მუხტს H +-ის გამო, ერთი მხრივ. ამავდროულად, ელექტრონების გამო იგი უარყოფითად დამუხტულია.

ADP-ის ფოსფირილაცია

სადაც მიმდინარეობს ფოტოსინთეზის მსუბუქი ფაზა, არსებობს პოტენციური განსხვავება მემბრანის შიდა და გარე ზედაპირებს შორის. როდესაც ის 200 მვ-ს მიაღწევს, პროტონები გადაადგილდებიან ATP სინთეზის არხებით. ამრიგად, ფოტოსინთეზის მსუბუქი ფაზა ხდება მემბრანაში, როდესაც ADP ფოსფორილირდება ATP-მდე. ამ შემთხვევაში ატომური წყალბადი მიმართულია ნიკოტინამიდ ადენინ დინუკლეოტიდ ფოსფატის NADP+ სპეციალური გადამტანის NADP-მდე შემცირებისკენ.H2:

2H + + 2e - + NADP → NADP.H 2

ამგვარად, ფოტოსინთეზის მსუბუქი ფაზა მოიცავს წყლის ფოტოლიზს. მას, თავის მხრივ, თან ახლავს სამი ძირითადი რეაქცია:

1. ატფ-ის სინთეზი.
2. განათლება NADP.H 2 .
3. ჟანგბადის ფორმირება.

ფოტოსინთეზის მსუბუქ ფაზას თან ახლავს ამ უკანასკნელის ატმოსფეროში გაშვება. NADP.H2 და ATP გადადის ქლოროპლასტის სტრომაში. ეს ასრულებს ფოტოსინთეზის სინათლის ფაზას.

რეაქციების კიდევ ერთი ჯგუფი

ფოტოსინთეზის ბნელი ფაზა არ საჭიროებს სინათლის ენერგიას. ის მიდის ქლოროპლასტის სტრომაში. რეაქციები წარმოდგენილია ჰაერიდან მომდინარე ნახშირორჟანგის თანმიმდევრული გარდაქმნების ჯაჭვით. შედეგად წარმოიქმნება გლუკოზა და სხვა ორგანული ნივთიერებები. პირველი რეაქცია არის ფიქსაცია. RiBF მოქმედებს როგორც ნახშირორჟანგის მიმღები. რეაქციის კატალიზატორია რიბულოზა ბიფოსფატ კარბოქსილაზა (ფერმენტი). RiBP-ის კარბოქსილირების შედეგად წარმოიქმნება ექვსნახშირბადოვანი არასტაბილური ნაერთი. ის თითქმის მყისიერად იშლება FHA-ს (ფოსფოგლიცერინის მჟავა) ორ მოლეკულად. ამას მოჰყვება რეაქციების ციკლი, სადაც იგი გარდაიქმნება გლუკოზად რამდენიმე შუალედური პროდუქტის მეშვეობით. ისინი იყენებენ NADP.H 2-ისა და ATP-ის ენერგიებს, რომლებიც გარდაიქმნება ფოტოსინთეზის მსუბუქი ფაზის მიმდინარეობისას. ამ რეაქციების ციკლს ეწოდება "კალვინის ციკლი". ის შეიძლება წარმოდგენილი იყოს შემდეგნაირად:

6CO 2 + 24H+ + ATP → C 6 H 12 O 6 + 6H 2 O

ფოტოსინთეზის დროს გლუკოზის გარდა წარმოიქმნება ორგანული (კომპლექსური) ნაერთების სხვა მონომერები. ეს მოიცავს, კერძოდ, ცხიმოვან მჟავებს, გლიცეროლს, ამინომჟავებს, ნუკლეოტიდებს.

C3 რეაქციები

ისინი წარმოადგენს ფოტოსინთეზის სახეობას, რომელშიც სამი ნახშირბადის ნაერთები წარმოიქმნება, როგორც პირველი პროდუქტი. სწორედ ის არის აღწერილი ზემოთ, როგორც კალვინის ციკლი. C3 ფოტოსინთეზის დამახასიათებელი ნიშნებია:

1. RiBP არის ნახშირორჟანგის მიმღები.
2. კარბოქსილირების რეაქცია კატალიზებულია RiBP კარბოქსილაზას მიერ.
3. იქმნება ექვსნახშირბადოვანი ნივთიერება, რომელიც შემდგომში იშლება 2 FHA-ად.

ფოსფოგლიცერინის მჟავა მცირდება TF-მდე (ტრიოზ ფოსფატები). ზოგიერთი მათგანი იგზავნება რიბულოზა ბიფოსფატის რეგენერაციაში, ხოლო დანარჩენი გარდაიქმნება გლუკოზაში.

C4 რეაქციები

ამ ტიპის ფოტოსინთეზი ხასიათდება ოთხი ნახშირბადის ნაერთების პირველ პროდუქტად გამოჩენით. 1965 წელს დადგინდა, რომ C4 ნივთიერებები პირველად ჩნდება ზოგიერთ მცენარეში. მაგალითად, ეს დადგინდა ფეტვის, სორგოს, შაქრის ლერწმის, სიმინდისთვის. ეს კულტურები ცნობილი გახდა, როგორც C4 მცენარეები. მომდევნო წელს, 1966 წელს, სლეკმა და ჰეჩმა (ავსტრალიელმა მეცნიერებმა) დაადგინეს, რომ მათ თითქმის მთლიანად აკლიათ ფოტოსუნთქვა. ასევე აღმოჩნდა, რომ ასეთი C4 მცენარეები ბევრად უფრო ეფექტურია ნახშირორჟანგის შთანთქმაში. შედეგად, ნახშირბადის ტრანსფორმაციის გზა ასეთ კულტურებში მოიხსენიება, როგორც ჰეჩ-სლაკის გზა.

დასკვნა

ფოტოსინთეზის მნიშვნელობა ძალიან დიდია. მისი წყალობით, ნახშირორჟანგი ყოველწლიურად შეიწოვება ატმოსფეროდან უზარმაზარი მოცულობით (მილიარდობით ტონა). ამის ნაცვლად, ნაკლები ჟანგბადი გამოიყოფა. ფოტოსინთეზი მოქმედებს როგორც ორგანული ნაერთების წარმოქმნის მთავარი წყარო. ჟანგბადი მონაწილეობს ოზონის შრის ფორმირებაში, რომელიც იცავს ცოცხალ ორგანიზმებს მოკლე ტალღის ულტრაიისფერი გამოსხივების ზემოქმედებისგან. ფოტოსინთეზის დროს ფოთოლი შთანთქავს მასზე დაცემული სინათლის ენერგიის მხოლოდ 1%-ს. მისი პროდუქტიულობა არის 1 გ ორგანული ნაერთის ფარგლებში 1 კვ. მ ზედაპირი საათში.

როგორ ავხსნათ ისეთი რთული პროცესი, როგორიცაა ფოტოსინთეზი, მოკლედ და ნათლად? მცენარეები ერთადერთი ცოცხალი ორგანიზმია, რომელსაც შეუძლია საკუთარი საკვების წარმოება. როგორ აკეთებენ ამას? ზრდისთვის ისინი გარემოდან იღებენ ყველა საჭირო ნივთიერებას: ნახშირორჟანგს - ჰაერიდან, წყლიდან და - ნიადაგიდან. მათ ასევე სჭირდებათ ენერგია მზისგან. ეს ენერგია იწვევს გარკვეულ ქიმიურ რეაქციებს, რომლის დროსაც ნახშირორჟანგი და წყალი გარდაიქმნება გლუკოზად (კვება) და ხდება ფოტოსინთეზი. მოკლედ და ნათლად, პროცესის არსი სასკოლო ასაკის ბავშვებსაც კი შეიძლება ავუხსნათ.

"ნათელთან ერთად"

სიტყვა "ფოტოსინთეზი" მომდინარეობს ორი ბერძნული სიტყვიდან - "ფოტო" და "სინთეზი", კომბინაცია, რომელიც თარგმანში ნიშნავს "შუქთან ერთად". მზის ენერგია გარდაიქმნება ქიმიურ ენერგიად. ფოტოსინთეზის ქიმიური განტოლება:

6CO 2 + 12H 2 O + სინათლე \u003d C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + 6H 2 O.

ეს ნიშნავს, რომ ნახშირორჟანგის 6 მოლეკულა და თორმეტი წყლის მოლეკულა გამოიყენება (მზის შუქთან ერთად) გლუკოზის წარმოებისთვის, რის შედეგადაც ექვსი ჟანგბადის მოლეკულა და ექვსი წყლის მოლეკულაა. თუ ამას წარმოვადგენთ ვერბალური განტოლების სახით, მივიღებთ შემდეგს:

წყალი + მზე => გლუკოზა + ჟანგბადი + წყალი.

მზე ენერგიის ძალიან ძლიერი წყაროა. ხალხი ყოველთვის ცდილობს გამოიყენოს იგი ელექტროენერგიის გამომუშავებისთვის, სახლების იზოლირებისთვის, წყლის გასათბობად და ა.შ. მცენარეებმა მილიონობით წლის წინ „გაერკვია“ მზის ენერგიის გამოყენება, რადგან ეს აუცილებელი იყო მათი გადარჩენისთვის. ფოტოსინთეზი შეიძლება მოკლედ და ნათლად აიხსნას შემდეგნაირად: მცენარეები იყენებენ მზის სინათლის ენერგიას და გარდაქმნიან მას ქიმიურ ენერგიად, რის შედეგადაც არის შაქარი (გლუკოზა), რომლის ჭარბი რაოდენობა სახამებლის სახით ინახება ფოთლებში, ფესვებში, ღეროებში. და მცენარის თესლები. მზის ენერგია გადაეცემა როგორც მცენარეებს, ასევე ცხოველებს, რომლებსაც ეს მცენარეები ჭამენ. როდესაც მცენარეს სჭირდება საკვები ნივთიერებები ზრდისა და სხვა სასიცოცხლო პროცესებისთვის, ეს რეზერვები ძალიან სასარგებლოა.

როგორ შთანთქავენ მცენარეები მზის ენერგიას?

მოკლედ და ნათლად რომ ვისაუბროთ ფოტოსინთეზზე, ღირს შევეხოთ კითხვას, თუ როგორ ახერხებენ მცენარეები მზის ენერგიის შთანთქმას. ეს გამოწვეულია ფოთლების განსაკუთრებული სტრუქტურით, რომელშიც შედის მწვანე უჯრედები - ქლოროპლასტები, რომლებიც შეიცავს სპეციალურ ნივთიერებას, რომელსაც ქლოროფილს უწოდებენ. სწორედ ეს აძლევს ფოთლებს მწვანე ფერს და პასუხისმგებელია მზის ენერგიის შთანთქმაზე.

რატომ არის ფოთლების უმეტესობა ფართო და ბრტყელი?

ფოტოსინთეზი ხდება მცენარის ფოთლებში. გასაკვირი ფაქტი ისაა, რომ მცენარეები ძალიან კარგად არიან ადაპტირებული მზის შუქის დასაჭერად და ნახშირორჟანგის შთანთქმისთვის. ფართო ზედაპირის გამო, გაცილებით მეტი შუქი დაიჭერს. სწორედ ამიტომ არის მზის პანელები, რომლებიც ხანდახან სახლების სახურავებზეა დამონტაჟებული, ასევე ფართო და ბრტყელია. რაც უფრო დიდია ზედაპირი, მით უკეთესია შეწოვა.

კიდევ რა არის მნიშვნელოვანი მცენარეებისთვის?

ისევე როგორც ადამიანებს, მცენარეებსაც სჭირდებათ საკვები და საკვები ნივთიერებები, რათა დარჩეს ჯანმრთელი, გაიზარდოს და კარგად იმოქმედოს. ისინი იღებენ წყალში გახსნილ მინერალებს ნიადაგიდან ფესვების მეშვეობით. თუ ნიადაგს აკლია მინერალური ელემენტები, მცენარე ნორმალურად ვერ განვითარდება. ფერმერები ხშირად ამოწმებენ ნიადაგს, რათა დარწმუნდნენ, რომ მას აქვს საკმარისი საკვები ნივთიერებები მოსავლის ზრდისთვის. წინააღმდეგ შემთხვევაში მიმართეთ მცენარეთა კვებისა და ზრდისთვის აუცილებელი მინერალების შემცველი სასუქების გამოყენებას.

რატომ არის ფოტოსინთეზი ასე მნიშვნელოვანი?

ბავშვებისთვის ფოტოსინთეზის მოკლედ და გარკვევით ახსნით, აღსანიშნავია, რომ ეს პროცესი მსოფლიოში ერთ-ერთი უმნიშვნელოვანესი ქიმიური რეაქციაა. რა არის ასეთი ხმამაღალი განცხადების მიზეზები? პირველ რიგში, ფოტოსინთეზი კვებავს მცენარეებს, რომლებიც, თავის მხრივ, კვებავენ პლანეტის ყველა სხვა ცოცხალ არსებას, მათ შორის ცხოველებსა და ადამიანებს. მეორეც, ფოტოსინთეზის შედეგად, სუნთქვისთვის საჭირო ჟანგბადი გამოიყოფა ატმოსფეროში. ყველა ცოცხალი არსება სუნთქავს ჟანგბადს და ამოისუნთქავს ნახშირორჟანგს. საბედნიეროდ, მცენარეები პირიქით აკეთებენ, რის გამოც ისინი ძალიან მნიშვნელოვანია ადამიანებისა და ცხოველების სუნთქვისთვის.

საოცარი პროცესი

როგორც ჩანს, მცენარეებმაც იციან სუნთქვა, მაგრამ ადამიანებისა და ცხოველებისგან განსხვავებით, ისინი ჰაერიდან შთანთქავენ ნახშირორჟანგს და არა ჟანგბადს. მცენარეებიც სვამენ. ამიტომ საჭიროა მათი მორწყვა, თორემ დაიღუპებიან. ფესვთა სისტემის დახმარებით წყალი და საკვები ნივთიერებები მცენარის სხეულის ყველა ნაწილში გადაიგზავნება, ნახშირორჟანგი კი ფოთლებში არსებული პატარა ხვრელების მეშვეობით შეიწოვება. ქიმიური რეაქციის დაწყების გამომწვევი ფაქტორი მზის სხივია. ყველა მიღებული მეტაბოლური პროდუქტი გამოიყენება მცენარეების მიერ კვებისთვის, ჟანგბადი გამოიყოფა ატმოსფეროში. ასე შეგიძლიათ მოკლედ და ნათლად აგიხსნათ, როგორ ხდება ფოტოსინთეზის პროცესი.

ფოტოსინთეზი: ფოტოსინთეზის მსუბუქი და ბნელი ფაზები

განხილული პროცესი შედგება ორი ძირითადი ნაწილისგან. არსებობს ფოტოსინთეზის ორი ფაზა (აღწერილობა და ცხრილი - ქვემოთ). პირველს სინათლის ფაზას უწოდებენ. ის ჩნდება მხოლოდ სინათლის არსებობისას თილაკოიდურ გარსებში ქლოროფილის, ელექტრონის გადამზიდავი ცილების და ფერმენტ ატფ სინთეტაზას მონაწილეობით. კიდევ რას მალავს ფოტოსინთეზი? განათეთ და შეცვალეთ ერთმანეთი, როგორც დღე და ღამე მოდის (კალვინის ციკლები). ბნელ ფაზაში ხდება იგივე გლუკოზის, მცენარეების საკვების წარმოება. ამ პროცესს ასევე უწოდებენ სინათლისგან დამოუკიდებელ რეაქციას.

მსუბუქი ფაზა

ბნელი ფაზა

1. ქლოროპლასტებში წარმოქმნილი რეაქციები შესაძლებელია მხოლოდ სინათლის თანდასწრებით. ეს რეაქციები გარდაქმნის სინათლის ენერგიას ქიმიურ ენერგიად. 2. ქლოროფილი და სხვა პიგმენტები შთანთქავს ენერგიას მზისგან. ეს ენერგია გადაეცემა ფოტოსინთეზზე პასუხისმგებელ ფოტოსისტემებს. 3. წყალი გამოიყენება ელექტრონებისა და წყალბადის იონებისთვის, ასევე მონაწილეობს ჟანგბადის გამომუშავებაში 4. ელექტრონები და წყალბადის იონები გამოიყენება ATP-ის (ენერგიის შესანახი მოლეკულის) შესაქმნელად, რომელიც საჭიროა ფოტოსინთეზის მომდევნო ფაზაში.

1. უშუქობის ციკლის რეაქციები ხდება ქლოროპლასტების სტრომაში 2. ნახშირორჟანგი და ენერგია ATP-დან გამოიყენება გლუკოზის სახით

დასკვნა

ყოველივე ზემოთქმულიდან შეიძლება გამოვიდეს შემდეგი დასკვნები:

• ფოტოსინთეზი არის პროცესი, რომელიც შესაძლებელს ხდის მზისგან ენერგიის მიღებას.
• მზის სინათლის ენერგია ქლოროფილით გარდაიქმნება ქიმიურ ენერგიად.
• ქლოროფილი მცენარეებს აძლევს მწვანე ფერს.
• ფოტოსინთეზი ხდება მცენარის ფოთლების ქლოროპლასტებში.
• ნახშირორჟანგი და წყალი აუცილებელია ფოტოსინთეზისთვის.
• ნახშირორჟანგი მცენარეში ხვდება პაწაწინა ხვრელების, სტომატების მეშვეობით და მათში ჟანგბადი გამოდის.
• წყალი მცენარეში შეიწოვება მისი ფესვების მეშვეობით.
• ფოტოსინთეზის გარეშე მსოფლიოში საკვები არ იქნებოდა.