Bossen worden niet voor niets beschouwd als de "groene longen van de planeet". Wat fotosynthese is en hoe dit proces plaatsvindt, zullen we in detail bespreken.

Wat is fotosynthese?

Fotosynthese - een biochemisch proces waarbij organische ontstaan ​​met behulp van speciale plantpigmenten en lichtenergie uit anorganische stoffen (kooldioxide, water). Dit is een van de belangrijkste processen waardoor de meeste organismen op de planeet zijn verschenen en blijven bestaan.

Interessant feit: Terrestrische planten, evenals groene algen, zijn in staat tot fotosynthese. In dit geval produceren algen (fytoplankton) 80% zuurstof.

Het belang van fotosynthese voor het leven op aarde

Zonder fotosynthese zouden er in plaats van veel levende organismen alleen bacteriën op onze planeet bestaan. Het is de energie die wordt verkregen als gevolg van dit chemische proces waardoor bacteriën konden evolueren.

Alle natuurlijke processen hebben energie nodig. Ze komt van de zon. Maar zonlicht krijgt pas vorm nadat het door planten is getransformeerd.

Planten gebruiken slechts een deel van de energie en de rest hopen ze op in zichzelf. Ze eten herbivoren, die voedsel zijn voor roofdieren. Elke schakel krijgt in de loop van de ketting de nodige waardevolle stoffen en energie.

Zuurstof die tijdens de reactie wordt geproduceerd, is nodig voor alle wezens om te ademen. Ademen is het tegenovergestelde van fotosynthese. In dit geval wordt organisch materiaal geoxideerd en vernietigd. De resulterende energie wordt door organismen gebruikt om verschillende vitale taken uit te voeren.

Tijdens het bestaan ​​van de planeet, toen er weinig planten waren, was zuurstof praktisch afwezig. Primitieve levensvormen kregen op andere manieren een minimum aan energie. Het was te weinig voor ontwikkeling. Daarom heeft ademen door zuurstof meer mogelijkheden geopend.

Een andere functie van fotosynthese is de bescherming van organismen tegen blootstelling aan ultraviolet licht. We hebben het over de ozonlaag in de stratosfeer op een hoogte van ongeveer 20-25 km. Het wordt gevormd door zuurstof, dat onder invloed van zonlicht in ozon verandert. Zonder deze bescherming zou het leven op aarde alleen beperkt zijn tot onderwaterorganismen.

Organismen geven kooldioxide af tijdens de ademhaling. Het is een essentieel onderdeel van fotosynthese. Anders zou koolstofdioxide zich eenvoudig ophopen in de bovenste atmosfeer, wat het broeikaseffect sterk zou versterken.

Dit is een ernstig milieuprobleem, waarvan de essentie is het verhogen van de temperatuur van de atmosfeer met negatieve gevolgen. Deze omvatten klimaatverandering (opwarming van de aarde), smeltende gletsjers, stijgende zeespiegel, enz.

Fotosynthese Functies:

• zuurstofontwikkeling;
• energie vorming;
• vorming van voedingsstoffen;
• de vorming van de ozonlaag.

Definitie en formule van fotosynthese

De term "fotosynthese" komt van een combinatie van twee woorden: foto en synthese. Vertaald uit het Oudgrieks betekenen ze respectievelijk "licht" en "verbinding". Zo wordt de energie van licht omgezet in de energie van bindingen van organische stoffen.

Regeling:

Kooldioxide + water + licht = koolhydraten + zuurstof.

De wetenschappelijke formule voor fotosynthese:

6CO₂ + 6H₂O → C₆N₁₂OVER₆ + 6O_2.

Fotosynthese vindt plaats zodat direct contact van water en CO₂ Niet zichtbaar.

Het belang van fotosynthese voor planten

Planten hebben organisch materiaal nodig, energie voor groei en ontwikkeling. Dankzij fotosynthese voorzien ze zichzelf van deze componenten. Het aanmaken van organische stoffen is het belangrijkste doel van fotosynthese voor planten en het vrijkomen van zuurstof wordt als een nevenreactie beschouwd.

Interessant feit: Planten zijn uniek omdat ze geen andere organismen nodig hebben om energie te krijgen.Daarom vormen ze een afzonderlijke groep - autotrofen (vertaald uit de oude Griekse taal "ik eet mezelf").

Hoe vindt fotosynthese plaats?

Fotosynthese vindt direct plaats in de groene delen van planten - chloroplasten. Ze maken deel uit van plantencellen. Chloroplasten bevatten een stof - chlorofyl. Dit is het belangrijkste fotosynthetische pigment, dankzij dit gebeurt de hele reactie. Daarnaast bepaalt chlorofyl de groene kleur van de vegetatie.

Dit pigment wordt gekenmerkt door het vermogen om licht te absorberen. En in de cellen van de plant wordt een echt biochemisch 'laboratorium' gelanceerd, waarin water en CO₂ veranderen in zuurstof, koolhydraten.

Water komt binnen via het wortelsysteem van de plant en gas dringt rechtstreeks door in de bladeren. Licht werkt als energiebron. Wanneer een licht deeltje inwerkt op een chlorofylmolecuul, vindt de activering plaats. In het water molecuul H₂O zuurstof (O) blijft niet opgeëist. Zo wordt het een bijproduct voor planten, maar zo belangrijk voor ons, een reactieproduct.

Fotosynthesefasen

Fotosynthese is verdeeld in twee fasen: licht en donker. Ze komen tegelijkertijd voor, maar in verschillende delen van de chloroplast. De naam van elke fase spreekt voor zich. De licht- of lichtafhankelijke fase treedt alleen op bij deelname van lichtdeeltjes. In de donkere of niet-vluchtige fase is licht niet nodig.

Alvorens elke fase in meer detail te onderzoeken, is het de moeite waard om de structuur van de chloroplast te begrijpen, omdat deze de essentie en plaats van de fasen bepaalt. Chloroplast is een verscheidenheid aan plastiden en bevindt zich los van de andere componenten in de cel. Het heeft de vorm van een zaadje.

Bestanddelen van chloroplast betrokken bij fotosynthese:

• 2 membranen;
• stroma (interne vloeistof);
• thylakoïden;
• lumen (gaten in thylakoïden).

Lichte fase van fotosynthese

Het stroomt op thylakoïden, meer bepaald hun membranen. Als er licht op valt, komen negatief geladen elektronen vrij en hopen ze zich op. Zo verliezen fotosynthetische pigmenten alle elektronen, waarna het de beurt is aan watermoleculen om te vervallen:

H₂O → H + + OH-

In dit geval hebben de gevormde waterstofprotonen een positieve lading en hopen ze zich op op het binnenste thylakoïde membraan. Als resultaat worden protonen met een lading plus en elektronen met een lading minus alleen gescheiden door een membraan.

Zuurstof wordt geproduceerd als bijproduct:

4OH → O₂ + 2H₂O

Op een gegeven moment worden de fasen van elektronen en protonen van waterstof te veel. Dan komt het enzym ATP-synthase het werk binnen. Zijn taak is om waterstofprotonen over te brengen van het thylakoïde membraan naar het chloroplast vloeibare medium - het stroma.

In dit stadium wordt waterstof ter beschikking gesteld van een andere drager - NADP (afkorting van nicotinamidinucleotidefosfaat). Het is ook een type enzym dat oxidatieve reacties in cellen versnelt. In dit geval is het zijn taak om waterstofprotonen te transporteren in een koolhydraatreactie.

In dit stadium vindt het proces van fotofosfolatie plaats, waarbij een enorme hoeveelheid energie wordt opgewekt. De bron is ATP - adenosinetrifosforzuur.

Beknopt overzicht:

1. Hit of a quantum of light on chlorophyll.
2. De selectie van elektronen.
3. De evolutie van zuurstof.
4. De vorming van NADPH-oxidase.
5. ATP-energieproductie.

Interessant feit: Er groeit een relictplant genaamd Velvichia aan de Afrikaanse kust van de Atlantische Oceaan. Dit is de enige vertegenwoordiger van een soort met een minimum aan bladeren die in staat zijn tot fotosynthese. De leeftijd van de Velvich bereikt echter ongeveer 2000 jaar.

De donkere fase van fotosynthese

De lichtonafhankelijke fase komt direct in het stroma voor. Het vertegenwoordigt een reeks enzymatische reacties. Kooldioxide geabsorbeerd in het lichte stadium lost op in water en wordt in dit stadium gereduceerd tot glucose. Er worden ook complexe organische stoffen geproduceerd.

De reacties van de donkere fase zijn onderverdeeld in drie hoofdtypen en zijn afhankelijk van het type plant (meer bepaald hun metabolisme), in de cellen waarvan fotosynthese plaatsvindt:

• MET₃-planten;
• MET₄-planten;
• CAM-planten.

K C₃- Planten omvatten de meeste landbouwgewassen die groeien in gematigde klimaten. Tijdens fotosynthese wordt kooldioxide fosfoglycerinezuur.

Subtropische en tropische soorten, voornamelijk onkruid, behoren tot C4-planten. Ze worden gekenmerkt door de omzetting van kooldioxide in oxaloacetaat. CAM-planten zijn een categorie planten die geen vocht bevatten. Ze verschillen in een speciaal type fotosynthese - CAM.

MET3-fotosynthese

De meest voorkomende is C₃-fotosynthese, ook wel de Calvin-cyclus genoemd - ter ere van de Amerikaanse wetenschapper Melvin Calvin, die een enorme bijdrage heeft geleverd aan de studie van deze reacties en hiervoor de Nobelprijs heeft ontvangen.

Planten worden C genoemd₃ omdat tijdens de reacties van de donkere fase 3-koolstofmoleculen van 3-fosfoglycerinezuur - 3-PGA worden gevormd. Verschillende enzymen zijn direct betrokken.

Om een ​​compleet glucosemolecuul te vormen, moeten er 6 cycli van reacties van de lichtonafhankelijke fase verlopen. Koolhydraten zijn het belangrijkste product van fotosynthese in de Calvin-cyclus, maar daarnaast worden er ook vet en aminozuren en glycolipiden geproduceerd. C₃ fotosynthese van planten vindt uitsluitend plaats in mesofylcellen.

Het grootste nadeel van C3fotosynthese

Groep C-planten₃worden gekenmerkt door één belangrijk nadeel. Als er onvoldoende vocht in de omgeving is, wordt het vermogen tot fotosynthese aanzienlijk verminderd. Dit komt door fotorespiratie.

Feit is dat bij een lage concentratie kooldioxide in chloroplasten (minder dan 50: 1 000 000) zuurstof wordt vastgezet in plaats van koolstofbinding. Speciale enzymen vertragen aanzienlijk en verspillen zonne-energie.

Tegelijkertijd vertraagt ​​de groei en ontwikkeling van de plant, omdat er geen organisch materiaal is. Ook komt er geen zuurstof in de atmosfeer terecht.

Interessant feit: Elysia chlorotica zeeslak is een uniek dier dat fotosynthetiseert als planten. Het voedt zich met algen, waarvan de chloroplasten de cellen van het spijsverteringskanaal binnendringen en daar maandenlang fotosynthetiseren. De geproduceerde koolhydraten dienen de slak als voedsel.

C4 fotosynthese

In tegenstelling tot C₃-synthese, hier worden de reacties van kooldioxidefixatie uitgevoerd in verschillende plantencellen. Dit soort planten kan het probleem van fotorespiratie aan en ze doen dit met een tweefasencyclus.

Enerzijds wordt een hoog kooldioxidegehalte gehandhaafd en anderzijds wordt een laag zuurstofgehalte in chloroplasten gereguleerd. Deze tactiek stelt C4-planten in staat foto-ademhaling en de bijbehorende moeilijkheden te vermijden. Vertegenwoordigers van planten van deze groep zijn suikerriet, maïs, gierst, enz.

Vergeleken met planten C₃ ze zijn in staat fotosyntheseprocessen veel intensiever uit te voeren onder omstandigheden van hoge temperatuur en gebrek aan vocht. In de eerste fase wordt kooldioxide gefixeerd in de mesofylcellen, waar 4-koolzuur wordt gevormd. Vervolgens gaat het zuur in de schaal en ontleedt daar in een 3-koolstofverbinding en kooldioxide.

In de tweede fase begint het verkregen kooldioxide te werken in de Calvin-cyclus, waar glyceraldehyde-3-fosfaat en koolhydraten worden geproduceerd, die nodig zijn voor het energiemetabolisme.

Door de tweestaps-fotosynthese in C4-planten wordt voldoende kooldioxide gevormd voor de Kelvin-cyclus. Enzymen werken daarom volledig en verspillen niet tevergeefs energie.

Maar dit systeem heeft zijn nadelen. Er wordt met name meer ATP-energie verbruikt - het is nodig voor de omzetting van 4-koolstofzuren in 3-koolstofzuren en in de tegenovergestelde richting. Dus C₃-Fotosynthese is altijd productiever dan C4 met de juiste hoeveelheid water en licht.

Wat beïnvloedt de snelheid van fotosynthese?

Fotosynthese kan bij verschillende snelheden plaatsvinden. Dit proces is afhankelijk van omgevingsomstandigheden:

• water;
• golflengte van licht;
• kooldioxide;
• temperatuur.

Water is een fundamentele factor, dus als het ontbreekt, vertragen de reacties. Voor fotosynthese zijn de golven van het rode en blauwviolette spectrum het meest gunstig. Een hoge mate van verlichting verdient ook de voorkeur, maar alleen tot een bepaalde waarde - wanneer deze wordt bereikt, verdwijnt de verbinding tussen de verlichting en de reactiesnelheid.

Een hoge concentratie kooldioxide zorgt voor snelle fotosynthetische processen en vice versa. Bepaalde temperaturen zijn belangrijk voor enzymen die reacties versnellen. Ideale omstandigheden voor hen zijn ongeveer 25-30 ℃.

Foto adem

Alle levende wezens hebben ademhaling nodig en planten zijn geen uitzondering. Dit proces treedt bij hen echter iets anders op dan bij mensen en dieren, daarom wordt het fotorespiratie genoemd.

Over het algemeen, adem - een fysiek proces waarbij een levend organisme en zijn omgeving gassen uitwisselen. Zoals alle levende wezens hebben planten zuurstof nodig om te ademen. Maar ze consumeren het veel minder dan ze produceren.

Tijdens fotosynthese, die alleen in zonlicht voorkomt, creëren planten voedsel voor zichzelf. Tijdens foto-ademhaling, die de klok rond wordt uitgevoerd, worden deze voedingsstoffen door hen opgenomen om het metabolisme in de cellen te ondersteunen.

Interessant feit: op een zonnige dag verbruikt een bosperceel van 1 hectare 120 tot 280 kg kooldioxide en stoot het 180 tot 200 kg zuurstof uit.

Zuurstof (zoals koolstofdioxide) dringt plantencellen binnen via speciale openingen - huidmondjes. Ze bevinden zich aan de onderkant van de bladeren. Op één vel kunnen ongeveer 1000 huidmondjes zitten.

Gasuitwisseling van installaties afhankelijk van verlichting

Het gasuitwisselingsproces bij verschillende belichting wordt als volgt gepresenteerd:

1. Helder licht. Koolstofdioxide wordt gebruikt tijdens fotosynthese. Planten produceren meer zuurstof dan ze verbruiken. De overschotten komen in de atmosfeer. Kooldioxide wordt sneller verbruikt dan door ademhaling vrijkomt. Ongebruikte koolhydraten worden door de plant opgeslagen voor toekomstig gebruik.
2. Weinig licht. Gasuitwisseling met de omgeving vindt niet plaats, aangezien de plant alle zuurstof verbruikt die ze produceert.
3. Gebrek aan licht. Alleen ademhalingsprocessen vinden plaats. Er komt kooldioxide vrij en er wordt zuurstof verbruikt.

Chemosynthese

Sommige levende organismen zijn ook in staat om monocarbohydraten te vormen uit water en kooldioxide, terwijl ze geen zonlicht nodig hebben. Deze omvatten bacteriën en het proces van energieomzetting wordt chemosynthese genoemd.

Chemosynthese Het is een proces waarbij glucose wordt gesynthetiseerd, maar chemicaliën worden gebruikt in plaats van zonne-energie. Het stroomt in gebieden met een voldoende hoge temperatuur, geschikt voor de werking van enzymen en bij afwezigheid van licht. Dit kunnen gebieden zijn in de buurt van hydrothermale bronnen, methaanlekkage op zeediepte, enz.

De geschiedenis van de ontdekking van fotosynthese

De geschiedenis van de ontdekking en studie van fotosynthese gaat terug tot 1600, toen Jan Baptiste van Helmont op dat moment besloot de urgente vraag te begrijpen: wat eten planten en waar halen ze nuttige stoffen uit?

Destijds werd aangenomen dat de grond een bron was van waardevolle elementen. De wetenschapper plaatste een wilgentakje in een bak met aarde, maar mat eerder hun gewicht. Hij zorgde 5 jaar lang voor de boom, gaf hem water, waarna hij opnieuw meetprocedures uitvoerde.

Het gewicht van de aarde bleek met 56 g te zijn afgenomen, maar de boom werd 30 keer zwaarder. Deze ontdekking weerlegde de opvatting dat planten zich met aarde voeden en leidde tot een nieuwe theorie - watervoeding.

In de toekomst probeerden veel wetenschappers het te weerleggen.Zo geloofde Lomonosov dat gedeeltelijk structurele componenten planten binnendringen via bladeren. Hij liet zich leiden door planten die succesvol groeien in droge gebieden. Deze versie kon echter niet worden bewezen.

Joseph Priestley, een chemisch wetenschapper en parttime priester, bleek het dichtst bij de werkelijke stand van zaken te staan. Toen hij eenmaal een dode muis in een omgekeerde pot ontdekte, dwong dit incident hem in de jaren 1770 tot een reeks experimenten met knaagdieren, kaarsen en containers.

Priestley ontdekte dat de kaars altijd snel uitgaat als je hem afdekt met een pot erop. Ook kan een levend organisme niet overleven. De wetenschapper kwam tot de conclusie dat er bepaalde krachten zijn die lucht levenslang geschikt maken en probeerde dit fenomeen met planten te verbinden.

Hij bleef experimenten opzetten, maar deze keer probeerde hij een pot met groeiende munt onder een glazen bak te plaatsen. Tot grote verrassing bleef de plant zich actief ontwikkelen. Vervolgens plaatste Priestley een plant en een muis onder een pot en alleen een dier onder de tweede. Het resultaat is duidelijk: onder de eerste tank bleef het knaagdier ongedeerd.

De prestatie van de chemicus werd de motivatie voor andere wetenschappers over de hele wereld om het experiment te herhalen. Maar de vangst was dat de priester overdag experimenten uitvoerde. En bijvoorbeeld apotheker Karl Scheele - 's nachts, wanneer er vrije tijd was. Als gevolg hiervan beschuldigde de wetenschapper Priestley van bedrog, omdat zijn proefpersonen het experiment met de plant niet konden verdragen.

Een echte wetenschappelijke confrontatie brak uit tussen chemici, wat aanzienlijke voordelen opleverde en het mogelijk maakte om nog een ontdekking te doen - dat planten lucht moeten herstellen, ze hebben zonlicht nodig.

Niemand noemde dit fenomeen natuurlijk fotosynthese en er waren nog veel vragen. In 1782 kon de botanicus Jean Senebier echter bewijzen dat planten in aanwezigheid van zonlicht kooldioxide op cellulair niveau kunnen afbreken. En in 1864, tenslotte, bleek uit experimenteel bewijs dat planten kooldioxide opnemen en zuurstof produceren. Dit is de verdienste van de Duitse wetenschapper - Julius Sachs.