Conceptul de fotosinteză, unde și ce se întâmplă în timpul fazei de lumină a fotosintezei. Faza întunecată a fotosintezei

- sinteza substanțelor organice din dioxid de carbon și apă cu utilizarea obligatorie a energiei luminoase:

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

La plantele superioare, organul fotosintezei este frunza, iar organelele fotosintezei sunt cloroplastele (structura cloroplastelor - prelegerea nr. 7). Membranele tilacoidelor cloroplastice conțin pigmenți fotosintetici: clorofile și carotenoizi. Există mai multe tipuri diferite de clorofilă ( a, b, c, d), principala este clorofila A. În molecula de clorofilă, se poate distinge un „cap” de porfirină cu un atom de magneziu în centru și o „coadă” de fitol. „Capul” de porfirina este o structură plată, este hidrofilă și, prin urmare, se află pe suprafața membranei care se confruntă cu mediul apos al stromei. „Coada” fitolului este hidrofobă și datorită acestui fapt reține molecula de clorofilă în membrană.

Clorofilele absorb lumina roșie și albastru-violet, reflectă lumina verde și, prin urmare, conferă plantelor culoarea verde caracteristică. Moleculele de clorofilă din membranele tilacoide sunt organizate în fotosisteme. Plantele și algele albastre-verzi au fotosistemul-1 și fotosistemul-2, în timp ce bacteriile fotosintetice au fotosistemul-1. Numai fotosistemul-2 poate descompune apa pentru a elibera oxigen și a prelua electroni din hidrogenul apei.

Fotosinteza este un proces complex în mai multe etape; reacțiile de fotosinteză se împart în două grupe: reacții faza luminoasași reacții faza intunecata.

Faza de lumină

Această fază are loc numai în prezența luminii în membranele tilacoide cu participarea clorofilei, a proteinelor de transport de electroni și a enzimei ATP sintetaza. Sub influența unui cuantum de lumină, electronii clorofilei sunt excitați, părăsesc molecula și intră în partea exterioară a membranei tilacoide, care în cele din urmă devine încărcată negativ. Moleculele de clorofilă oxidate sunt reduse, preluând electroni din apa aflată în spațiul intratilacoid. Aceasta duce la descompunerea sau fotoliza apei:

H 2 O + Q lumină → H + + OH - .

Ionii hidroxil renunță la electroni, devenind radicali reactivi.OH:

OH - → .OH + e - .

Radicalii OH se combină pentru a forma apă și oxigen liber:

4NR. → 2H2O + O2.

În acest caz, oxigenul este îndepărtat în mediul extern, iar protonii se acumulează în interiorul tilacoidului în „rezervorul de protoni”. Ca urmare, membrana tilacoidală, pe de o parte, este încărcată pozitiv datorită H +, iar pe de altă parte, datorită electronilor, este încărcată negativ. Când diferența de potențial dintre părțile exterioare și interioare ale membranei tilacoide atinge 200 mV, protonii sunt împinși prin canalele ATP sintetazei și ADP este fosforilat în ATP; Hidrogenul atomic este utilizat pentru a restabili purtătorul specific NADP + (nicotinamidă adenin dinucleotidă fosfat) la NADPH 2:

2H + + 2e - + NADP → NADPH 2.

Astfel, în faza de lumină are loc fotoliza apei, care este însoțită de trei procese importante: 1) sinteza ATP; 2) formarea NADPH 2; 3) formarea oxigenului. Oxigenul difuzează în atmosferă, ATP și NADPH 2 sunt transportate în stroma cloroplastei și participă la procesele fazei întunecate.

1 - stroma cloroplastică; 2 - tilacoid grana.

Faza intunecata

Această fază are loc în stroma cloroplastului. Reacțiile sale nu necesită energie luminoasă, așa că apar nu numai în lumină, ci și în întuneric. Reacțiile în fază întunecată sunt un lanț de transformări succesive ale dioxidului de carbon (venit din aer), care duc la formarea glucozei și a altor substanțe organice.

Prima reacție din acest lanț este fixarea dioxidului de carbon; Acceptorul de dioxid de carbon este un zahăr cu cinci atomi de carbon. ribuloză bifosfat(RiBF); enzima catalizează reacția Ribulozobifosfat carboxilază(RiBP carboxilază). Ca urmare a carboxilării ribulozei bifosfat, se formează un compus instabil cu șase atomi de carbon, care se descompune imediat în două molecule. acid fosfogliceric(FGK). Apoi are loc un ciclu de reacții în care acidul fosfogliceric este transformat printr-o serie de intermediari în glucoză. Aceste reacții folosesc energia ATP și NADPH 2 formată în faza luminoasă; Ciclul acestor reacții se numește „ciclul Calvin”:

6CO2 + 24H + + ATP → C6H12O6 + 6H2O.

Pe lângă glucoză, în timpul fotosintezei se formează și alți monomeri ai compușilor organici complecși - aminoacizi, glicerol și acizi grași, nucleotide. În prezent, există două tipuri de fotosinteză: C 3 - și C 4 fotosinteză.

C 3-fotosinteză

Acesta este un tip de fotosinteză în care primul produs sunt compuși cu trei atomi de carbon (C3). Fotosinteza C 3 a fost descoperită înainte de fotosinteza C 4 (M. Calvin). Este vorba despre fotosinteza C3 care este descrisă mai sus la titlul „Fază întunecată”. Trăsături caracteristice ale fotosintezei C 3: 1) acceptorul de dioxid de carbon este RiBP, 2) reacția de carboxilare a RiBP este catalizată de RiBP carboxilază, 3) ca urmare a carboxilării RiBP, se formează un compus cu șase atomi de carbon, care se descompune în două PGA-uri. FGK este restaurat la trioză fosfați(TF). O parte din TF este folosită pentru regenerarea RiBP, iar o parte este transformată în glucoză.

1 - cloroplast; 2 - peroxizom; 3 - mitocondriile.

Aceasta este o absorbție dependentă de lumină a oxigenului și eliberarea de dioxid de carbon. La începutul secolului trecut, s-a stabilit că oxigenul suprimă fotosinteza. După cum sa dovedit, pentru RiBP carboxilază substratul poate fi nu numai dioxid de carbon, ci și oxigen:

O 2 + RiBP → fosfoglicolat (2C) + PGA (3C).

Enzima se numește RiBP oxigenază. Oxigenul este un inhibitor competitiv al fixării dioxidului de carbon. Gruparea fosfat este separată și fosfoglicolatul devine glicolat, pe care planta trebuie să-l folosească. Intră în peroxizomi, unde este oxidat în glicină. Glicina intră în mitocondrii, unde este oxidată la serină, cu pierderea carbonului deja fixat sub formă de CO 2 . Ca rezultat, două molecule de glicolat (2C + 2C) sunt transformate într-un singur PGA (3C) și CO2. Fotorespirația duce la o scădere a randamentului plantelor C3 cu 30-40% ( Cu 3 plante- plante caracterizate prin fotosinteză C 3).

Fotosinteza C 4 este fotosinteza în care primul produs sunt compuși cu patru atomi de carbon (C 4). În 1965, s-a constatat că la unele plante (trestie de zahăr, porumb, sorg, mei) primii produse ale fotosintezei sunt acizii cu patru atomi de carbon. Aceste plante au fost numite Cu 4 plante. În 1966, oamenii de știință australieni Hatch și Slack au arătat că plantele C4 nu au practic fotorespirație și absorb dioxidul de carbon mult mai eficient. Calea transformărilor carbonului în plantele C 4 a început să fie numită de Hatch-Slack.

Plantele C 4 se caracterizează printr-o structură anatomică specială a frunzei. Toate fasciculele vasculare sunt înconjurate de un strat dublu de celule: stratul exterior este reprezentat de celule mezofile, stratul interior este de celule de teacă. Dioxidul de carbon este fixat în citoplasma celulelor mezofile, acceptorul este fosfoenolpiruvat(PEP, 3C), ca urmare a carboxilării PEP, se formează oxalacetat (4C). Procesul este catalizat PEP carboxilază. Spre deosebire de RiBP carboxilaza, PEP carboxilaza are o afinitate mai mare pentru CO2 și, cel mai important, nu interacționează cu O2. Cloroplastele mezofile au multe granule în care au loc activ reacții de fază ușoară. Reacțiile în fază întunecată apar în cloroplastele celulelor învelișului.

Oxaloacetatul (4C) este transformat în malat, care este transportat prin plasmodesme în celulele tecii. Aici este decarboxilat și dehidrogenat pentru a forma piruvat, CO2 și NADPH2.

Piruvatul revine în celulele mezofile și este regenerat folosind energia ATP din PEP. CO2 este din nou fixat de RiBP carboxilază pentru a forma PGA. Regenerarea PEP necesită energie ATP, deci necesită aproape de două ori mai multă energie decât fotosinteza C3.

Sensul fotosintezei

Datorită fotosintezei, miliarde de tone de dioxid de carbon sunt absorbite din atmosferă în fiecare an și sunt eliberate miliarde de tone de oxigen; fotosinteza este principala sursă de formare a substanțelor organice. Oxigenul formează stratul de ozon, care protejează organismele vii de radiațiile ultraviolete cu unde scurte.

În timpul fotosintezei, o frunză verde folosește doar aproximativ 1% din energia solară care cade pe ea, productivitatea este de aproximativ 1 g de materie organică pe 1 m2 de suprafață pe oră.

Chemosinteza

Sinteza compușilor organici din dioxid de carbon și apă, realizată nu datorită energiei luminii, ci datorită energiei de oxidare a substanțelor anorganice, se numește chimiosinteză. Organismele chemosintetice includ unele tipuri de bacterii.

Bacteriile nitrificatoare amoniacul este oxidat la azot și apoi la acid azotic (NH 3 → HNO 2 → HNO 3).

Bacteriile de fier transformă fierul feros în fier oxid (Fe 2+ → Fe 3+).

Bacteriile cu sulf oxidează hidrogenul sulfurat la sulf sau acid sulfuric (H 2 S + ½O 2 → S + H 2 O, H 2 S + 2O 2 → H 2 SO 4).

Ca urmare a reacțiilor de oxidare a substanțelor anorganice, se eliberează energie, care este stocată de bacterii sub formă de legături ATP de înaltă energie. ATP este utilizat pentru sinteza substanțelor organice, care se desfășoară în mod similar cu reacțiile fazei întunecate a fotosintezei.

Bacteriile chemosintetice contribuie la acumularea de minerale în sol, îmbunătățesc fertilitatea solului, promovează tratarea apelor uzate etc.

Mergi la cursurile nr. 11„Conceptul de metabolism. Biosinteza proteinelor"

Mergi la cursurile nr. 13„Metode de diviziune a celulelor eucariote: mitoză, meioză, amitoză”

Cum să explic pe scurt și clar un proces atât de complex precum fotosinteza? Plantele sunt singurele organisme vii care își pot produce propria hrană. Cum o fac? Pentru creștere, primesc toate substanțele necesare din mediu: dioxid de carbon din aer, apă și din sol. Au nevoie și de energie, pe care o primesc din razele soarelui. Această energie declanșează anumite reacții chimice în timpul cărora dioxidul de carbon și apa sunt transformate în glucoză (hrană) și este fotosinteză. Esența procesului poate fi explicată pe scurt și clar chiar și copiilor de vârstă școlară.

„Împreună cu Lumina”

Cuvântul „fotosinteză” provine din două cuvinte grecești – „foto” și „sinteză”, a căror combinație înseamnă „împreună cu lumina”. Energia solară este transformată în energie chimică. Ecuația chimică a fotosintezei:

6CO 2 + 12H 2 O + lumină = C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + 6H 2 O.

Aceasta înseamnă că 6 molecule de dioxid de carbon și douăsprezece molecule de apă sunt folosite (împreună cu lumina soarelui) pentru a produce glucoză, rezultând șase molecule de oxigen și șase molecule de apă. Dacă reprezentați aceasta ca o ecuație verbală, obțineți următoarele:

Apa + soare => glucoza + oxigen + apa.

Soarele este o sursă foarte puternică de energie. Oamenii încearcă întotdeauna să-l folosească pentru a genera electricitate, a izola casele, a încălzi apa și așa mai departe. Plantele și-au dat seama cum să folosească energia solară cu milioane de ani în urmă, deoarece aceasta era necesară pentru supraviețuirea lor. Fotosinteza poate fi explicată pe scurt și clar astfel: plantele folosesc energia luminoasă a soarelui și o transformă în energie chimică, al cărei rezultat este zahărul (glucoza), al cărui exces este stocat sub formă de amidon în frunze, rădăcini, tulpini. și semințele plantei. Energia soarelui este transferată plantelor, precum și animalelor care mănâncă aceste plante. Atunci când o plantă are nevoie de nutrienți pentru creștere și alte procese de viață, aceste rezerve sunt foarte utile.

Cum absorb plantele energia de la soare?

Vorbind despre fotosinteză pe scurt și clar, merită să abordăm întrebarea cum reușesc plantele să absoarbă energia solară. Acest lucru se întâmplă datorită structurii speciale a frunzelor, care include celule verzi - cloroplaste, care conțin o substanță specială numită clorofilă. Acesta este ceea ce dă frunzelor culoarea verde și este responsabil pentru absorbția energiei din lumina soarelui.

De ce majoritatea frunzelor sunt late și plate?

Fotosinteza are loc în frunzele plantelor. Faptul uimitor este că plantele sunt foarte bine adaptate să capteze lumina soarelui și să absoarbă dioxidul de carbon. Datorită suprafeței largi, va fi captată mult mai multă lumină. Din acest motiv, panourile solare, care sunt uneori instalate pe acoperișurile caselor, sunt, de asemenea, largi și plate. Cu cât suprafața este mai mare, cu atât absorbția este mai bună.

Ce altceva este important pentru plante?

La fel ca oamenii, plantele au nevoie de nutrienți benefici pentru a rămâne sănătoase, pentru a crește și pentru a-și îndeplini bine funcțiile vitale. Ei obțin minerale dizolvate în apă din sol prin rădăcini. Dacă solului îi lipsesc substanțele nutritive minerale, planta nu se va dezvolta normal. Fermierii testează adesea solul pentru a se asigura că are suficienți nutrienți pentru ca culturile să crească. În caz contrar, apelați la utilizarea îngrășămintelor care conțin minerale esențiale pentru nutriția și creșterea plantelor.

De ce este atât de importantă fotosinteza?

Pentru a explica fotosinteza pe scurt și clar pentru copii, merită să spunem că acest proces este una dintre cele mai importante reacții chimice din lume. Ce motive există pentru o declarație atât de tare? În primul rând, fotosinteza hrănește plantele, care, la rândul lor, hrănesc toate celelalte ființe vii de pe planetă, inclusiv animale și oameni. În al doilea rând, ca rezultat al fotosintezei, oxigenul necesar respirației este eliberat în atmosferă. Toate ființele vii inspiră oxigen și expiră dioxid de carbon. Din fericire, plantele fac opusul, așa că sunt foarte importante pentru oameni și animale, deoarece le oferă capacitatea de a respira.

Proces uimitor

Se dovedește că și plantele știu să respire, dar, spre deosebire de oameni și animale, ele absorb dioxidul de carbon din aer, nu oxigenul. Plantele beau și ele. De aceea trebuie să le udați, altfel vor muri. Cu ajutorul sistemului radicular, apa și nutrienții sunt transportate în toate părțile corpului plantei, iar dioxidul de carbon este absorbit prin mici găuri de pe frunze. Declanșatorul pentru începerea unei reacții chimice este lumina soarelui. Toate produsele metabolice obținute sunt folosite de plante pentru nutriție, oxigenul este eliberat în atmosferă. Acesta este modul în care puteți explica pe scurt și clar cum are loc procesul de fotosinteză.

Fotosinteza: fazele luminoase și întunecate ale fotosintezei

Procesul luat în considerare constă din două părți principale. Există două faze ale fotosintezei (descriere și tabel de mai jos). Prima se numește faza luminoasă. Apare numai în prezența luminii în membranele tilacoide cu participarea clorofilei, a proteinelor de transport de electroni și a enzimei ATP sintetaza. Ce altceva ascunde fotosinteza? Iluminați și înlocuiți unul pe altul pe măsură ce ziua și noaptea progresează (ciclurile Calvin). În timpul fazei întunecate, are loc producerea aceleiași glucoze, hrană pentru plante. Acest proces se mai numește și reacție independentă de lumină.

Faza de lumină

Faza intunecata

1. Reacțiile care apar în cloroplaste sunt posibile numai în prezența luminii. În aceste reacții, energia luminii este transformată în energie chimică 2. Clorofila și alți pigmenți absorb energie din lumina soarelui. Această energie este transferată către fotosistemele responsabile de fotosinteză 3. Apa este folosită pentru electroni și ioni de hidrogen și este, de asemenea, implicată în producerea de oxigen 4. Electronii și ionii de hidrogen sunt folosiți pentru a crea ATP (moleculă de stocare a energiei), care este necesar în următoarea fază a fotosintezei

1. În stroma cloroplastelor apar reacții de ciclu extraluminos 2. Dioxidul de carbon și energia din ATP sunt folosite sub formă de glucoză

Concluzie

Din toate cele de mai sus se pot trage următoarele concluzii:

• Fotosinteza este un proces care produce energie din soare.
• Energia luminii de la soare este transformată în energie chimică de către clorofilă.
• Clorofila dă plantelor culoarea lor verde.
• Fotosinteza are loc în cloroplastele celulelor frunzelor plantelor.
• Dioxidul de carbon și apa sunt necesare pentru fotosinteză.
• Dioxidul de carbon intră în plantă prin găuri minuscule, stomatele și oxigenul iese prin ele.
• Apa este absorbită în plantă prin rădăcini.
• Fără fotosinteză nu ar exista hrană în lume.

Fotosinteză - un sistem unic de procese de creare a substanțelor organice din cele anorganice folosind clorofila și energia luminoasă și eliberarea oxigenului în atmosferă, implementat la scară mare pe uscat și în apă.

Toate procesele fazei întunecate a fotosintezei au loc fără consum direct de lumină, dar substanțele cu energie înaltă (ATP și NADP.H), formate cu participarea energiei luminoase, joacă un rol important în ele în timpul fazei luminoase a fotosintezei. În timpul fazei întunecate, energia legăturilor macroenergetice ale ATP este transformată în energia chimică a compușilor organici ai moleculelor de carbohidrați. Aceasta înseamnă că energia luminii solare este, parcă, conservată în legături chimice între atomii de substanțe organice, ceea ce are o mare importanță în energia biosferei și în special pentru activitatea de viață a întregii populații vii a planetei noastre.

Fotosinteza are loc în cloroplastele celulei și este sinteza carbohidraților în celulele purtătoare de clorofilă, care are loc odată cu consumul de energie din lumina soarelui. Există faze de lumină și temperatură ale fotosintezei. Faza de lumină, cu consumul direct de quante luminoase, asigură procesului de sinteză energia necesară sub formă de NADH și ATP. Faza întunecată - fără participarea luminii, dar printr-o serie numeroasă de reacții chimice (Ciclul Calvin) asigură formarea carbohidraților, în principal a glucozei. Importanța fotosintezei în biosferă este enormă.

Pe această pagină există material pe următoarele subiecte:

• Fotosinteza fazele luminoase și întunecate abstracte

• Rezolvarea fazei întunecate a testului de fotosinteză

• Faza luminii si procesele intunecate

• Raport pe tema fazei întunecate a fotosintezei

• Reacțiile luminoase ale fotosintezei au loc în

Întrebări despre acest material:

Fotosinteza constă din două faze - lumină și întuneric.

În faza de lumină, cuantele de lumină (fotonii) interacționează cu moleculele de clorofilă, drept urmare aceste molecule se deplasează într-o stare „excitată” mai bogată în energie pentru un timp foarte scurt. Excesul de energie al unora dintre moleculele „excitate” este apoi transformat în căldură sau emis ca lumină. O altă parte a acestuia este transferată la ionii de hidrogen, care sunt întotdeauna prezenți într-o soluție apoasă datorită disocierii apei. Atomii de hidrogen rezultați sunt combinați lejer cu molecule organice - purtători de hidrogen. Ionii de hidroxid „OH” își renunță electronii altor molecule și se transformă în radicali liberi OH. Radicalii OH interacționează între ei, rezultând formarea de apă și oxigen molecular:

4OH = O2 + 2H2O Astfel, sursa de oxigen molecular formată în timpul fotosintezei și eliberată în atmosferă este fotoliza – descompunerea apei sub influența luminii. Pe lângă fotoliza apei, energia radiației solare este utilizată în faza de lumină pentru sinteza ATP și ADP și fosfat fără participarea oxigenului. Acesta este un proces foarte eficient: cloroplastele produc de 30 de ori mai mult ATP decât în ​​mitocondriile acelorași plante cu participarea oxigenului. În acest fel, se acumulează energia necesară proceselor din faza întunecată a fotosintezei.

În complexul de reacții chimice ale fazei întunecate, pentru care lumina nu este necesară, locul cheie este ocupat de legarea CO2. Aceste reacții implică molecule de ATP sintetizate în timpul fazei de lumină și atomi de hidrogen formați în timpul fotolizei apei și asociați cu molecule purtătoare:

6СО2 + 24Н -» С6Н12О6 + 6НО

Acesta este modul în care energia luminii solare este convertită în energia legăturilor chimice ale compușilor organici complecși.

87. Importanța fotosintezei pentru plante și pentru planetă.

Fotosinteza este principala sursă de energie biologică; autotrofele fotosintetice o folosesc pentru a sintetiza substanțe organice din cele anorganice, există în detrimentul energiei stocate de autotrofe sub formă de legături chimice, eliberând-o în procesele de respirație și fermentație. Energia obținută de umanitate prin arderea combustibililor fosili (cărbune, petrol, gaze naturale, turbă) este stocată și în procesul de fotosinteză.

Fotosinteza este principala intrare de carbon anorganic în ciclul biologic. Tot oxigenul liber din atmosferă este de origine biogenă și este un produs secundar al fotosintezei. Formarea unei atmosfere oxidante (catastrofa de oxigen) a schimbat complet starea suprafeței pământului, a făcut posibilă apariția respirației, iar mai târziu, după formarea stratului de ozon, a permis vieții să ajungă pe uscat. Procesul de fotosinteză este baza nutriției pentru toate ființele vii și, de asemenea, furnizează omenirii combustibil (lemn, cărbune, ulei), fibre (celuloză) și nenumărați compuși chimici utili. Aproximativ 90-95% din greutatea uscată a culturii este formată din dioxid de carbon și apă combinate din aer în timpul fotosintezei. Restul de 5-10% provin din săruri minerale și azot obținut din sol.

Oamenii folosesc aproximativ 7% din produsele fotosintetice ca hrană, ca hrană pentru animale și ca combustibil și materiale de construcție.

Fotosinteza, care este unul dintre cele mai frecvente procese de pe Pământ, determină ciclurile naturale ale carbonului, oxigenului și altor elemente și oferă baza materială și energetică pentru viața de pe planeta noastră. Fotosinteza este singura sursă de oxigen atmosferic.

Fotosinteza este unul dintre cele mai frecvente procese de pe Pământ, determină ciclul carbonului, O2 și alte elemente din natură. Ea formează baza materială și energetică a întregii vieți de pe planetă. În fiecare an, ca urmare a fotosintezei, se leagă aproximativ 8 1010 tone de carbon sub formă de materie organică și se formează până la 1011 tone de celuloză. Datorită fotosintezei, plantele terestre produc aproximativ 1,8 1011 tone de biomasă uscată pe an; aproximativ aceeași cantitate de biomasă vegetală se formează anual în oceane. Pădurea tropicală contribuie cu până la 29% la producția totală fotosintetică a pământului, iar contribuția pădurilor de toate tipurile este de 68%. Fotosinteza plantelor superioare și algelor este singura sursă de O2 atmosferic. Apariția pe Pământ în urmă cu aproximativ 2,8 miliarde de ani a mecanismului de oxidare a apei cu formarea de O2 este cel mai important eveniment din evoluția biologică, făcând din lumina Soarelui principala sursă de energie liberă în biosferă, iar apa un aproape nelimitat. sursă de hidrogen pentru sinteza substanțelor din organismele vii. Ca urmare, s-a format o atmosferă de compoziție modernă, O2 a devenit disponibil pentru oxidarea alimentelor, iar acest lucru a condus la apariția unor organisme heterotrofe foarte organizate (folosind substanțe organice exogene ca sursă de carbon). Stocarea totală a energiei radiațiilor solare sub formă de produse de fotosinteză este de aproximativ 1,6 1021 kJ pe an, ceea ce este de aproximativ 10 ori mai mare decât consumul de energie modern al umanității. Aproximativ jumătate din energia radiației solare se află în regiunea vizibilă a spectrului (lungimea de undă l de la 400 la 700 nm), care este utilizată pentru fotosinteză (radiație fiziologic activă sau PAR). Radiația IR nu este potrivită pentru fotosinteza organismelor producătoare de oxigen (plante superioare și alge), dar este folosită de unele bacterii fotosintetice.

Descoperirea procesului de chemosinteză de către S.N. Vinogradsky. Caracteristicile procesului.

Chemosinteza este procesul de sinteză a substanțelor organice din dioxid de carbon, care are loc datorită energiei eliberate în timpul oxidării amoniacului, hidrogenului sulfurat și a altor substanțe chimice în timpul vieții microorganismelor. Chemosinteza are și o altă denumire - chemolitoautotrofia. Descoperirea chimiosintezei de către S. N. Vinogradovsky în 1887 a schimbat radical înțelegerea științei despre tipurile de metabolism care sunt de bază pentru organismele vii. Chemosinteza este singurul tip de nutriție pentru multe microorganisme, deoarece acestea sunt capabile să asimileze dioxidul de carbon ca singura sursă de carbon. Spre deosebire de fotosinteză, chimiosinteza utilizează energia care este generată ca rezultat al reacțiilor redox în loc de energia luminoasă.

Această energie ar trebui să fie suficientă pentru sinteza acidului adenozin trifosforic (ATP), iar cantitatea sa ar trebui să depășească 10 kcal/mol. Unele dintre substanțele oxidate își donează electronii lanțului deja la nivelul citocromului și astfel se creează un consum suplimentar de energie pentru sinteza agentului reducător. În timpul chimiosintezei, biosinteza compușilor organici are loc datorită asimilării autotrofice a dioxidului de carbon, adică exact în același mod ca în timpul fotosintezei. Ca urmare a transferului de electroni prin lanțul de enzime respiratorii bacteriene, care sunt încorporate în membrana celulară, se obține energie sub formă de ATP. Datorită consumului foarte mare de energie, toate bacteriile de chimiosinteză, cu excepția celor cu hidrogen, formează o cantitate destul de mică de biomasă, dar în același timp oxidează un volum mare de substanțe anorganice. Bacteriile cu hidrogen sunt folosite de oamenii de știință pentru a produce proteine ​​și pentru a curăța atmosfera de dioxid de carbon, necesar în special în sistemele ecologice închise. Există o mare varietate de bacterii chemosintetice, majoritatea aparțin pseudomonadelor, ele se găsesc și printre bacteriile filamentoase și în devenire, leptospire, spirilla și corinebacterii.

Exemple de utilizare a chimiosintezei de către procariote.

Esența chimiosintezei (un proces descoperit de cercetătorul rus Serghei Nikolaevici Vinogradsky) este producerea de energie a organismului prin reacții redox efectuate de organismul însuși cu substanțe simple (anorganice). Exemple de astfel de reacții pot fi oxidarea amoniului la nitrit, sau a fierului bivalent în feric, hidrogen sulfurat în sulf etc. Numai anumite grupuri de procariote (bacterii în sensul larg al cuvântului) sunt capabile de chimiosinteză. Datorită chimiosintezei, în prezent există doar ecosisteme ale unor situri hidrotermale (locuri de pe fundul oceanului în care există ieșiri ale apelor subterane fierbinți bogate în substanțe reduse - hidrogen, hidrogen sulfurat, sulfură de fier etc.), precum și extrem de simple. , constând numai din bacterii , ecosisteme găsite la adâncimi mari în faliile de roci de pe uscat.

Bacteriile sunt chimiosintetice, distrug rocile, purifică apele uzate și participă la formarea mineralelor.

Fotosinteză este un proces de sinteză materie organică din cele anorganice datorate energiei luminoase. În marea majoritate a cazurilor, fotosinteza este efectuată de plante folosind organele celulare precum cloroplaste conţinând pigment verde clorofilă.

Dacă plantele nu ar fi capabile să sintetizeze materie organică, atunci aproape toate celelalte organisme de pe Pământ nu ar avea ce să mănânce, deoarece animalele, ciupercile și multe bacterii nu pot sintetiza substanțe organice din cele anorganice. Ei le absorb doar pe cele gata făcute, le împart în altele mai simple, din care le asamblează din nou pe cele complexe, dar deja caracteristice corpului lor.

Acesta este cazul dacă vorbim foarte pe scurt despre fotosinteză și rolul acesteia. Pentru a înțelege fotosinteza, trebuie să spunem mai multe: ce substanțe anorganice specifice sunt folosite, cum are loc sinteza?

Fotosinteza necesită două substanțe anorganice - dioxid de carbon (CO 2 ) și apă (H 2 O). Primul este absorbit din aer de părțile supraterane ale plantelor, în principal prin stomatele. Apa provine din sol, de unde este livrată celulelor fotosintetice prin sistemul conducător al plantei. De asemenea, fotosinteza necesită energia fotonilor (hν), dar aceștia nu pot fi atribuiți materiei.

În total, fotosinteza produce materie organică și oxigen (O2). De obicei, materia organică înseamnă cel mai adesea glucoză (C 6 H 12 O 6).

Compușii organici sunt alcătuiți în cea mai mare parte din atomi de carbon, hidrogen și oxigen. Se găsesc în dioxid de carbon și apă. Cu toate acestea, în timpul fotosintezei, oxigenul este eliberat. Atomii săi sunt prelevați din apă.

Pe scurt și în general, ecuația pentru reacția fotosintezei este de obicei scrisă după cum urmează:

6CO 2 + 6H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 6O 2

Dar această ecuație nu reflectă esența fotosintezei și nu o face de înțeles. Uite, deși ecuația este echilibrată, în ea numărul total de atomi din oxigenul liber este de 12. Dar noi am spus că provin din apă și sunt doar 6.

De fapt, fotosinteza are loc în două faze. Primul se numește ușoară, al doilea - întuneric. Astfel de nume se datorează faptului că lumina este necesară doar pentru, indiferent de prezența ei, dar asta nu înseamnă că merge în întuneric. Faza luminoasă are loc pe membranele tilacoide, faza întunecată în stroma cloroplastei.

În timpul fazei de lumină, legarea CO2 nu are loc. Tot ceea ce are loc este captarea energiei solare de către complexele de clorofilă, stocarea acesteia în , și utilizarea energiei pentru a reduce NADP la NADP*H 2 . Fluxul de energie din clorofila excitată de lumină este asigurat de electronii transmiși de-a lungul lanțului de transport de electroni al enzimelor încorporate în membranele tilacoide.

Hidrogenul pentru NADP provine din apă, care este descompusă de lumina soarelui în atomi de oxigen, protoni de hidrogen și electroni. Acest proces se numește fotoliză. Oxigenul din apă nu este necesar pentru fotosinteză. Atomii de oxigen din două molecule de apă se combină pentru a forma oxigen molecular. Ecuația de reacție pentru faza luminoasă a fotosintezei arată pe scurt astfel:

H 2 O + (ADP+P) + NADP → ATP + NADP*H 2 + ½O 2

Astfel, eliberarea de oxigen are loc în timpul fazei de lumină a fotosintezei. Numărul de molecule de ATP sintetizate din ADP și acid fosforic pe fotoliza unei molecule de apă poate fi diferit: unul sau două.

Deci, ATP și NADP*H 2 vin din faza de lumină la faza de întuneric. Aici, energia primului și puterea reducătoare a celui de-al doilea sunt cheltuite pentru legarea dioxidului de carbon. Această etapă a fotosintezei nu poate fi explicată simplu și concis, deoarece nu se desfășoară în așa fel încât șase molecule de CO 2 să se combine cu hidrogenul eliberat din moleculele NADP*H 2 pentru a forma glucoză:

6CO 2 + 6NADP*H 2 →C 6 H 12 O 6 + 6NADP
(reacția are loc cu cheltuirea energiei ATP, care se descompune în ADP și acid fosforic).

Reacția dată este doar o simplificare pentru a o face mai ușor de înțeles. De fapt, moleculele de dioxid de carbon se leagă una câte una, alăturându-se substanței organice cu cinci atomi de carbon deja pregătită. Se formează o substanță organică instabilă cu șase atomi de carbon, care se descompune în molecule de carbohidrați cu trei atomi de carbon. Unele dintre aceste molecule sunt folosite pentru a resintetiza substanța originală cu cinci atomi de carbon pentru a lega CO 2 . Această resinteză este asigurată Ciclul Calvin. O minoritate de molecule de carbohidrați care conțin trei atomi de carbon părăsesc ciclul. Toate celelalte substanțe organice (carbohidrați, grăsimi, proteine) sunt sintetizate din acestea și alte substanțe.

Adică, de fapt, zaharurile cu trei atomi de carbon, nu glucoza, ies din faza întunecată a fotosintezei.