Photosynthesis hufanyika. Mchakato wa photosynthesis katika majani ya mmea. Kazi za sehemu za seli za mmea

Usanisinuru ni mchakato wa usanisi wa vitu vya kikaboni kutoka kwa isokaboni kwa kutumia nishati nyepesi. Katika idadi kubwa ya matukio, photosynthesis hufanywa na mimea kwa kutumia organelles za seli kama vile kloroplasts zenye rangi ya kijani klorofili.

Ikiwa mimea haikuwa na uwezo wa kuunganisha vitu vya kikaboni, basi karibu viumbe vingine vyote duniani havingekuwa na chochote cha kula, kwani wanyama, kuvu na bakteria nyingi haziwezi kuunganisha vitu vya kikaboni kutoka kwa isokaboni. Wanachukua tu zile zilizotengenezwa tayari, huzigawanya kuwa rahisi zaidi, ambazo hukusanya tena zile ngumu, lakini tayari ni tabia ya mwili wao.

Hii ndio kesi ikiwa tunazungumza juu ya photosynthesis na jukumu lake kwa ufupi sana. Ili kuelewa photosynthesis, tunahitaji kusema zaidi: ni vitu gani maalum vya isokaboni vinavyotumiwa, jinsi ya awali hutokea?

Photosynthesis inahitaji vitu viwili vya isokaboni - dioksidi kaboni (CO 2) na maji (H 2 O). Ya kwanza inafyonzwa kutoka kwa hewa na sehemu za juu za ardhi za mimea haswa kupitia stomata. Maji hutoka kwenye udongo, kutoka ambapo hutolewa kwa seli za photosynthetic na mfumo wa uendeshaji wa mmea. Pia, usanisinuru huhitaji nishati ya fotoni (hν), lakini haziwezi kuhusishwa na jambo.

Kwa jumla, photosynthesis hutoa vitu vya kikaboni na oksijeni (O2). Kwa kawaida, jambo la kikaboni mara nyingi humaanisha glucose (C 6 H 12 O 6).

Michanganyiko ya kikaboni mara nyingi huundwa na atomi za kaboni, hidrojeni na oksijeni. Wanapatikana katika kaboni dioksidi na maji. Hata hivyo, wakati wa photosynthesis, oksijeni hutolewa. Atomi zake huchukuliwa kutoka kwa maji.

Kwa kifupi na kwa ujumla, equation ya mmenyuko wa photosynthesis kawaida huandikwa kama ifuatavyo:

6CO 2 + 6H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 6O 2

Lakini equation hii haionyeshi kiini cha photosynthesis na haifanyi kueleweka. Angalia, ingawa equation ni ya usawa, ndani yake jumla ya idadi ya atomi katika oksijeni ya bure ni 12. Lakini tulisema kwamba zinatoka kwa maji, na kuna 6 tu kati yao.

Kwa kweli, photosynthesis hutokea katika awamu mbili. Ya kwanza inaitwa mwanga, pili - giza. Majina hayo ni kutokana na ukweli kwamba mwanga unahitajika tu kwa awamu ya mwanga, awamu ya giza ni huru na uwepo wake, lakini hii haina maana kwamba hutokea katika giza. Awamu ya mwanga hutokea kwenye utando wa thylakoids ya kloroplast, na awamu ya giza hutokea katika stroma ya kloroplast.

Wakati wa awamu ya mwanga, kumfunga CO 2 haifanyiki. Kinachotokea ni kunaswa kwa nishati ya jua na vifaa vya klorofili, uhifadhi wake katika ATP, na matumizi ya nishati ili kupunguza NADP hadi NADP*H 2 . Mtiririko wa nishati kutoka kwa klorofili yenye msisimko wa mwanga hutolewa na elektroni zinazopitishwa kando ya mlolongo wa usafiri wa elektroni wa vimeng'enya vilivyojengwa kwenye utando wa thylakoid.

Hidrojeni ya NADP hutoka kwa maji, ambayo hutenganishwa na mwanga wa jua kuwa atomi za oksijeni, protoni za hidrojeni na elektroni. Utaratibu huu unaitwa upigaji picha. Oksijeni kutoka kwa maji haihitajiki kwa photosynthesis. Atomi za oksijeni kutoka kwa molekuli mbili za maji huchanganyika na kuunda oksijeni ya molekuli. Mlinganyo wa majibu kwa awamu nyepesi ya usanisinuru inaonekana kama hii:

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

Kwa hivyo, kutolewa kwa oksijeni hutokea wakati wa awamu ya mwanga ya photosynthesis. Idadi ya molekuli za ATP zilizounganishwa kutoka kwa ADP na asidi ya fosforasi kwa kila upigaji picha wa molekuli moja ya maji inaweza kuwa tofauti: moja au mbili.

Kwa hiyo, ATP na NADP * H 2 hutoka kwenye awamu ya mwanga hadi awamu ya giza. Hapa, nishati ya kwanza na nguvu ya kupunguza ya pili hutumiwa kwenye kumfunga dioksidi kaboni. Hatua hii ya usanisinuru haiwezi kuelezewa kwa urahisi na kwa ufupi kwa sababu haiendelei kwa njia ambayo molekuli sita za CO 2 huchanganyika na hidrojeni iliyotolewa kutoka kwa molekuli za NADP*H 2 kuunda glukosi:

6CO 2 + 6NADP*H 2 →C 6 H 12 O 6 + 6NADP
(mmenyuko hutokea kwa matumizi ya ATP ya nishati, ambayo hugawanyika ndani ya ADP na asidi ya fosforasi).

Majibu uliyopewa ni kurahisisha tu kurahisisha kuelewa. Kwa kweli, molekuli za kaboni dioksidi hufunga moja kwa wakati, na kujiunga na dutu ya kikaboni ya kaboni tano tayari. Dutu ya kikaboni ya kaboni sita isiyo imara huundwa, ambayo hugawanyika katika molekuli tatu za kabohaidreti za kaboni. Baadhi ya molekuli hizi hutumika kusawazisha upya dutu asili ya kaboni tano ili kuunganisha CO 2 . Resynthesis hii imehakikishwa Mzunguko wa Calvin. Idadi ndogo ya molekuli za kabohaidreti zilizo na atomi tatu za kaboni hutoka kwenye mzunguko. Dutu zingine zote za kikaboni (wanga, mafuta, protini) hutengenezwa kutoka kwao na vitu vingine.

Hiyo ni, kwa kweli, sukari tatu-kaboni, sio glucose, hutoka kwenye awamu ya giza ya photosynthesis.

Mimea, kama viumbe vyote vilivyo hai, inahitaji vitu mbalimbali ili kuishi, kukua na kuendeleza. Wanatoka kwa mazingira ya nje ya mmea. Michakato mbalimbali ya kemikali hufanyika katika seli za mimea, kama matokeo ambayo vitu vingine vya tabia ya mmea huundwa kutoka kwa vitu vinavyoingia.

Kutoka kwenye udongo, mmea hutumia mizizi yake kunyonya maji na vitu vya isokaboni (madini) vilivyoyeyushwa ndani yake. Na katika sehemu za kijani za mimea, hasa katika majani, vitu vya kikaboni huundwa. Mchakato wa mimea kutengeneza vitu vya kikaboni kutoka kwa isokaboni huitwa usanisinuru.

Photosynthesis ni mchakato mgumu sana wa hatua nyingi, unaojumuisha hatua kuu mbili:

• Hatua ya 1(awamu ya mwanga) Sharti ni ushiriki wa nishati ya jua! Mchakato huanza na mwanga. Huwasha klorofili (dutu inayopatikana katika kloroplasti). Na klorofili iliyoamilishwa huvunja molekuli ya maji ndani ya hidrojeni na oksijeni. Oksijeni hutolewa angani.
• Hatua ya 2(awamu ya giza) Hatua hii ya photosynthesis inaitwa giza, kwa sababu hapa taratibu zote hutokea bila ushiriki wa mwanga. Katika hatua hii, wakati wa athari nyingi za kemikali zinazohusisha dioksidi kaboni na vipengele vilivyopatikana wakati wa hatua ya kwanza ya photosynthesis, suala la kikaboni (wanga) huundwa - sukari (sukari).

Ni vitu gani vya isokaboni vinavyohitajika kwa usanisinuru? Hizi ni kaboni dioksidi na maji. Dioksidi kaboni hupatikana katika hewa. Kuna takriban 0.03% yake huko. Dioksidi kaboni hutolewa kwenye hewa wakati wa mchakato wa kupumua wa karibu viumbe vyote vilivyo hai. Kwa hivyo, licha ya ukweli kwamba kuna kidogo ndani ya hewa, na mimea huichukua kila wakati kutoka hapo, kiasi cha dioksidi kaboni hujazwa tena. Aidha, viwanda na magari, miongoni mwa mambo mengine, hutoa kaboni dioksidi angani. Maji kwa ajili ya usanisinuru hutoka kwenye udongo kupitia eneo la kufyonza la mizizi.

Ni vitu gani vya kikaboni huundwa wakati wa photosynthesis? Hii ni glucose. Glucose ni wanga. Ni tamu na ni sehemu ya molekuli ya sukari. Kama tunavyojua, kuna vikundi vitatu kuu vya vitu vya kikaboni: protini, mafuta na wanga. Je, mimea haihitaji protini na mafuta kweli? Inahitajika. Walakini, hazijaundwa wakati wa mchakato wa photosynthesis, lakini baadaye, kama matokeo ya athari mbalimbali za biochemical zinazotokea katika seli na viungo vya mmea. Ikiwa ni pamoja na katika mizizi. Athari hizi huhusisha glukosi na misombo mingine ya kemikali. Glucose ya ziada inabadilishwa kuwa wanga katika mimea na kuhifadhiwa katika viungo maalum (kwa mfano, mizizi).

Ni vitu gani vya isokaboni vinaundwa wakati wa photosynthesis? Hii ni oksijeni. Inatolewa angani. Oksijeni hutumiwa na viumbe hai wakati wa mchakato wa kupumua.

Mchakato wa photosynthesis hufanyikaje? Mchakato wa photosynthesis unahitaji mwanga wa jua ufanyike. mwanga. Anayo nishati, ambayo inabadilishwa na mimea kuwa nishati ya vifungo vya kemikali katika molekuli ya glucose. Rangi maalum inahusika katika mchakato wa photosynthesis klorofili, ambayo hupatikana katika kloroplasts ya seli za mimea. Ni klorofili ambayo inatoa mimea rangi yao ya kijani. Inachukua wigo mzima wa mionzi inayoonekana isipokuwa kijani, ambayo inaonyesha. Tunaona vitu katika rangi ambayo inaonyeshwa nao.

Hivyo, photosynthesis ni mchakato wa malezi ya vitu vya kikaboni kutoka kwa isokaboni kwa madhumuni ya kuhifadhi nishati ya mwanga katika vifungo vya kemikali, ambayo hutokea kwa msaada wa rangi maalum (katika mimea ni chlorophyll)..

Kwa kuwa mwanga wa jua ni muhimu sana kwa mimea, wanajaribu kukamata kadiri iwezekanavyo. Kwa kusudi hili, marekebisho maalum yameandaliwa katika mchakato wa mageuzi. Majani ya mimea kawaida ni gorofa na pana. Ngozi yao ni nyembamba na ya uwazi. Kawaida majani kwenye mmea hupangwa ili sio kivuli kila mmoja.

Mchakato mzima changamano wa hatua kwa hatua wa usanisinuru hutokea bila kuingiliwa katika kloroplast huku majani mabichi yakipokea nishati ya jua. Glucose inabadilishwa mara moja kuwa wanga nyingine, kama vile wanga. Dutu hizi za kikaboni hutiririka kupitia mirija ya ungo ya bast kutoka kwa majani hadi sehemu zote za mmea: kwa buds, viungo vya uzazi. Kutoka kwa sukari na madini katika seli za mimea, kupitia mchakato wa mabadiliko mengi, vitu vingine vya kikaboni huundwa, ikiwa ni pamoja na protini na mafuta. Dutu hizi zote za kikaboni huenda kwenye ukuaji na maendeleo ya mmea - yaani, kujenga mwili wake, na pia huwekwa kwenye tishu za kuhifadhi na kutumika wakati wa kupumua.

Usanisinuru ni usanisi wa misombo ya kikaboni katika majani ya mimea ya kijani kutoka kwa maji na dioksidi kaboni ya anga kwa kutumia nishati ya jua (mwanga) inayotangazwa na klorofili katika kloroplast.

Shukrani kwa photosynthesis, nishati ya mwanga inayoonekana inachukuliwa na kubadilishwa kuwa nishati ya kemikali, ambayo huhifadhiwa (kuhifadhiwa) katika vitu vya kikaboni vilivyoundwa wakati wa photosynthesis.

Tarehe ya ugunduzi wa mchakato wa photosynthesis inaweza kuchukuliwa 1771. Mwanasayansi wa Kiingereza J. Priestley alielezea mabadiliko katika utungaji wa hewa kutokana na shughuli muhimu ya wanyama. Katika uwepo wa mimea ya kijani, hewa tena ikawa inafaa kwa kupumua na mwako. Baadaye, kazi ya wanasayansi kadhaa (Y. Ingenhaus, J. Senebier, T. Saussure, J.B. Boussingault) iligundua kuwa mimea ya kijani inachukua CO 2 kutoka angani, ambayo vitu vya kikaboni huundwa kwa ushiriki wa maji kwenye mwanga. . Ilikuwa ni mchakato huu kwamba mwaka wa 1877 mwanasayansi wa Ujerumani W. Pfeffer aliita photosynthesis. Sheria ya uhifadhi wa nishati iliyoandaliwa na R. Mayer ilikuwa ya umuhimu mkubwa kwa kufichua kiini cha photosynthesis. Mnamo 1845, R. Mayer alipendekeza kuwa nishati inayotumiwa na mimea ni nishati ya Jua, ambayo mimea hubadilisha kuwa nishati ya kemikali kupitia mchakato wa photosynthesis. Msimamo huu uliendelezwa na kuthibitishwa kwa majaribio katika utafiti wa mwanasayansi wa ajabu wa Kirusi K.A. Timuryazev.

Jukumu kuu la viumbe vya photosynthetic:

1) mabadiliko ya nishati ya jua kuwa nishati ya vifungo vya kemikali vya misombo ya kikaboni;

2) kueneza kwa anga na oksijeni;

Kama matokeo ya photosynthesis, tani bilioni 150 za vitu vya kikaboni huundwa Duniani na karibu tani bilioni 200 za oksijeni ya bure hutolewa kwa mwaka. Inazuia ongezeko la mkusanyiko wa CO2 katika anga, kuzuia overheating ya Dunia (athari ya chafu).

Angahewa inayoundwa na usanisinuru hulinda viumbe hai dhidi ya mionzi hatari ya mawimbi mafupi ya UV (ngao ya oksijeni-ozoni ya angahewa).

Ni 1-2% tu ya nishati ya jua huhamishiwa kwenye mavuno ya mimea ya kilimo; hasara ni kwa sababu ya kunyonya kwa mwanga. Kwa hivyo, kuna matarajio makubwa ya kuongeza tija kupitia uteuzi wa aina zenye ufanisi wa hali ya juu wa usanisinuru na uundaji wa muundo wa mazao unaofaa kwa kunyonya kwa mwanga. Katika suala hili, maendeleo ya misingi ya kinadharia ya udhibiti wa photosynthesis inakuwa muhimu sana.

Umuhimu wa photosynthesis ni mkubwa sana. Hebu tuangalie tu kwamba hutoa mafuta (nishati) na oksijeni ya anga muhimu kwa kuwepo kwa viumbe vyote. Kwa hiyo, jukumu la photosynthesis ni sayari.

Sayari ya photosynthesis pia imedhamiriwa na ukweli kwamba shukrani kwa mzunguko wa oksijeni na kaboni (haswa) muundo wa sasa wa angahewa unadumishwa, ambayo kwa upande huamua matengenezo zaidi ya maisha duniani. Tunaweza kusema zaidi kwamba nishati ambayo imehifadhiwa katika bidhaa za photosynthesis kimsingi ndiyo chanzo kikuu cha nishati ambayo wanadamu wanayo sasa.

Jumla ya mmenyuko wa photosynthesis

CO 2 +H 2 O = (CH 2 O) + O 2 .

Kemia ya photosynthesis inaelezewa na hesabu zifuatazo:

Photosynthesis - vikundi 2 vya athari:

hatua ya mwanga (inategemea na mwanga)

hatua ya giza (inategemea joto).

Makundi yote mawili ya athari hutokea wakati huo huo

Photosynthesis hutokea katika kloroplasts ya mimea ya kijani.

Usanisinuru huanza kwa kukamata na kufyonzwa kwa mwanga na klorofili ya rangi, inayopatikana katika kloroplasts za seli za mimea ya kijani.

Hii inageuka kuwa ya kutosha kuhamisha wigo wa kunyonya wa molekuli.

Molekuli ya chlorophyll inachukua photoni katika violet na bluu, na kisha katika sehemu nyekundu ya wigo, na haiingiliani na photoni katika sehemu ya kijani na njano ya wigo.

Ndio maana klorofili na mimea huonekana kijani kibichi - haziwezi kuchukua fursa ya miale ya kijani kibichi na kuwaacha wakitangatanga kote ulimwenguni (na hivyo kuifanya kuwa ya kijani kibichi).

Rangi ya photosynthetic iko kwenye upande wa ndani wa membrane ya thylakoid.

Nguruwe zimepangwa ndani mifumo ya picha(mashamba ya antenna kwa kukamata mwanga) - yenye molekuli 250-400 ya rangi tofauti.

Mfumo wa picha unajumuisha:

kituo cha majibu mifumo ya picha (molekuli ya klorofili A),

molekuli za antenna

Rangi zote kwenye mfumo wa picha zina uwezo wa kuhamisha nishati ya hali ya msisimko kwa kila mmoja. Nishati ya photoni inayofyonzwa na molekuli moja au nyingine ya rangi huhamishiwa kwenye molekuli ya jirani hadi kufikia kituo cha majibu. Wakati mfumo wa resonance wa kituo cha mmenyuko unaingia katika hali ya msisimko, huhamisha elektroni mbili za msisimko kwenye molekuli ya kipokeaji na hivyo inakuwa oxidized na kupata malipo mazuri.

Katika mimea:

mfumo wa picha 1(unyonyaji wa juu wa mwanga kwa urefu wa 700 nm - P700)

mfumo wa picha 2(unyonyaji wa juu wa mwanga kwa urefu wa 680 nm - P680

Tofauti katika optima ya kunyonya ni kutokana na tofauti kidogo katika muundo wa rangi.

Mifumo hii miwili hufanya kazi kwa pamoja, kama kidhibiti cha sehemu mbili kiitwacho photophosphorylation isiyo ya cyclic .

Muhtasari wa equation kwa photophosphorylation isiyo ya cyclic:

Ф - ishara ya mabaki ya asidi ya fosforasi

Mzunguko huanza na mfumo wa picha 2.

1) molekuli za antenna hukamata fotoni na kusambaza msisimko kwa molekuli ya kituo inayofanya kazi P680;

2) molekuli ya P680 yenye msisimko hutoa elektroni mbili kwa cofactor Q, wakati ni oxidized na hupata malipo mazuri;

Cofactor(cofactor). Coenzyme au dutu nyingine yoyote muhimu kwa kimeng'enya kufanya kazi yake

Coenzymes (coenzymes)[kutoka lat. co (cum) - pamoja na vimeng'enya], misombo ya kikaboni ya asili isiyo ya protini inayoshiriki katika mmenyuko wa enzymatic kama wapokeaji wa atomi za mtu binafsi au vikundi vya atomiki vilivyounganishwa na kimeng'enya kutoka kwa molekuli ya substrate, i.e. kutekeleza hatua ya kichocheo ya enzymes. Dutu hizi, tofauti na sehemu ya protini ya enzyme (apoenzyme), ina uzito mdogo wa Masi na, kama sheria, ni thermostable. Wakati mwingine coenzymes inamaanisha dutu yoyote ya chini ya Masi, ushiriki wake ambao ni muhimu kwa hatua ya kichocheo ya enzyme kutokea, ikiwa ni pamoja na ions, kwa mfano. K + , Mg 2+ na Mn 2+ . Enzymes ziko. katikati ya kazi ya enzyme na, pamoja na substrate na vikundi vya kazi vya kituo cha kazi, huunda tata iliyoamilishwa.

Enzymes nyingi zinahitaji uwepo wa coenzyme ili kuonyesha shughuli za kichocheo. Isipokuwa ni enzymes ya hidrolitiki (kwa mfano, proteases, lipases, ribonuclease), ambayo hufanya kazi yao kwa kutokuwepo kwa coenzyme.

Masi hupunguzwa na P680 (chini ya hatua ya enzymes). Katika kesi hii, maji hutengana katika protoni na oksijeni ya molekuli, hizo. maji ni wafadhili wa elektroni, ambayo inahakikisha kujazwa tena kwa elektroni katika P 680.

PICHA MAJI- mgawanyiko wa molekuli ya maji, hasa wakati wa photosynthesis. Kutokana na photolysis ya maji, oksijeni hutolewa, ambayo hutolewa na mimea ya kijani katika mwanga.

UFAFANUZI: Usanisinuru ni mchakato wa uundaji wa vitu vya kikaboni kutoka kwa kaboni dioksidi na maji, katika mwanga, na kutolewa kwa oksijeni.

Mchakato wa photosynthesis unajumuisha:

1) kloroplast,

3) dioksidi kaboni,

5) joto.

Katika mimea ya juu, photosynthesis hutokea katika kloroplasts - plastids yenye umbo la mviringo (organelles ya nusu ya uhuru) iliyo na klorofili ya rangi, shukrani kwa rangi ya kijani ambayo sehemu za mmea pia zina rangi ya kijani.

Katika mwani, klorofili iko katika chromatophores (seli zenye rangi na zinazoonyesha mwanga). Mwani wa hudhurungi na mwekundu, ambao huishi kwenye kina kirefu ambapo jua haifiki vizuri, wana rangi zingine.

Ikiwa unatazama piramidi ya chakula ya viumbe vyote vilivyo hai, viumbe vya photosynthetic viko chini kabisa, kati ya autotrophs (viumbe vinavyounganisha vitu vya kikaboni kutoka kwa isokaboni). Kwa hiyo, wao ni chanzo cha chakula kwa maisha yote kwenye sayari.

Wakati wa photosynthesis, oksijeni hutolewa kwenye angahewa. Katika tabaka za juu za angahewa, ozoni huundwa kutoka kwayo. Ngao ya ozoni hulinda uso wa Dunia dhidi ya mionzi mikali ya urujuanimno, ikiruhusu uhai kuibuka kutoka baharini hadi nchi kavu.

Oksijeni ni muhimu kwa kupumua kwa mimea na wanyama. Wakati glukosi inapooksidishwa na ushiriki wa oksijeni, mitochondria huhifadhi nishati karibu mara 20 zaidi kuliko bila hiyo. Hii inafanya matumizi ya chakula kwa ufanisi zaidi, ambayo imesababisha viwango vya juu vya kimetaboliki katika ndege na mamalia.

Maelezo ya kina zaidi ya mchakato wa photosynthesis katika mimea

Maendeleo ya photosynthesis:

Mchakato wa photosynthesis huanza na kloroplasts za kupiga mwanga - organelles za nusu-uhuru za ndani zenye rangi ya kijani. Inapofunuliwa na mwanga, kloroplast huanza kutumia maji kutoka kwenye udongo, na kuigawanya katika hidrojeni na oksijeni.

Sehemu ya oksijeni hutolewa kwenye anga, sehemu nyingine huenda kwenye michakato ya oxidative kwenye mmea.

Sukari inachanganya na nitrojeni, sulfuri na fosforasi inayotoka kwenye udongo, kwa njia hii mimea ya kijani hutoa wanga, mafuta, protini, vitamini na misombo mingine tata muhimu kwa maisha yao.

Photosynthesis hutokea bora chini ya ushawishi wa jua, lakini mimea mingine inaweza kuridhika na taa za bandia.

Maelezo changamano ya taratibu za usanisinuru kwa msomaji wa hali ya juu

Hadi miaka ya 60 ya karne ya 20, wanasayansi walijua utaratibu mmoja tu wa kurekebisha kaboni dioksidi - kupitia njia ya C3-pentose phosphate. Hata hivyo, hivi karibuni kundi la wanasayansi wa Australia waliweza kuthibitisha kwamba katika mimea fulani kupunguzwa kwa dioksidi kaboni hutokea kupitia mzunguko wa asidi ya C4-dicarboxylic.

Katika mimea yenye mmenyuko wa C3, photosynthesis hutokea kikamilifu chini ya hali ya joto la wastani na mwanga, hasa katika misitu na maeneo ya giza. Mimea hiyo inajumuisha karibu mimea yote iliyopandwa na mboga nyingi. Wanaunda msingi wa lishe ya mwanadamu.

Katika mimea yenye mmenyuko wa C4, photosynthesis hutokea kikamilifu chini ya hali ya joto la juu na mwanga. Mimea hiyo ni pamoja na, kwa mfano, mahindi, mtama na miwa, ambayo hukua katika hali ya hewa ya joto na ya kitropiki.

Kimetaboliki ya mmea yenyewe iligunduliwa hivi karibuni, wakati iligunduliwa kuwa katika mimea mingine ambayo ina tishu maalum za kuhifadhi maji, dioksidi kaboni hujilimbikiza kwa njia ya asidi ya kikaboni na imewekwa kwenye wanga tu baada ya siku. Utaratibu huu husaidia mimea kuokoa maji.

Mchakato wa photosynthesis hufanyikaje?

Mmea hufyonza mwanga kwa kutumia dutu ya kijani kiitwacho klorofili. Chlorophyll hupatikana katika kloroplasts, ambayo hupatikana katika shina au matunda. Kuna kiasi kikubwa chao katika majani, kwa sababu kutokana na muundo wake wa gorofa sana, jani linaweza kuvutia mwanga mwingi, na kwa hiyo kupokea nishati zaidi kwa mchakato wa photosynthesis.

Baada ya kunyonya, klorofili iko katika hali ya msisimko na huhamisha nishati kwa molekuli zingine za mwili wa mmea, haswa zile zinazohusika moja kwa moja katika usanisinuru. Hatua ya pili ya mchakato wa photosynthesis hufanyika bila ushiriki wa lazima wa mwanga na inajumuisha kupata dhamana ya kemikali na ushiriki wa dioksidi kaboni iliyopatikana kutoka kwa hewa na maji. Katika hatua hii, vitu mbalimbali muhimu sana kwa maisha, kama vile wanga na glucose, vinatengenezwa.

Dutu hizi za kikaboni hutumiwa na mimea yenyewe kulisha sehemu zake mbalimbali, na pia kudumisha kazi za kawaida za maisha. Aidha, vitu hivi pia hupatikana kwa wanyama kwa kula mimea. Watu pia hupata vitu hivi kwa kula vyakula vya asili ya wanyama na mimea.

Masharti ya photosynthesis

Photosynthesis inaweza kutokea wote chini ya ushawishi wa mwanga wa bandia na jua. Kama sheria, mimea "hufanya kazi" kwa nguvu katika asili katika chemchemi na majira ya joto, wakati kuna jua nyingi muhimu. Katika vuli kuna mwanga mdogo, siku zimefupishwa, majani ya kwanza yanageuka njano na kisha kuanguka. Lakini mara tu jua la joto la masika linapotokea, majani ya kijani kibichi yanatokea tena na “viwanda” vya kijani kitaanza tena kazi yao ili kutoa oksijeni muhimu sana kwa maisha, na vile vile virutubisho vingine vingi.

Ufafanuzi mbadala wa photosynthesis

Photosynthesis (kutoka kwa nuru ya kale ya Uigiriki na awali - uunganisho, kukunja, kumfunga, awali) ni mchakato wa kubadilisha nishati ya mwanga kuwa nishati ya vifungo vya kemikali vya vitu vya kikaboni kwenye mwanga na photoautotrophs na ushiriki wa rangi ya photosynthetic (klorofili katika mimea. , bacteriochlorophyll na bacteriorhodopsin katika bakteria). Katika fiziolojia ya kisasa ya mmea, photosynthesis mara nyingi hueleweka kama kazi ya photoautotrophic - seti ya michakato ya kunyonya, mabadiliko na utumiaji wa nishati ya quanta nyepesi katika athari mbalimbali za endergonic, pamoja na ubadilishaji wa dioksidi kaboni kuwa vitu vya kikaboni.

Awamu za photosynthesis

Usanisinuru ni mchakato mgumu na unajumuisha awamu mbili: mwanga, ambao hutokea pekee kwenye mwanga, na giza. Michakato yote hutokea ndani ya kloroplasts kwenye viungo maalum vidogo - thylakodia. Wakati wa awamu ya mwanga, kiasi cha mwanga kinafyonzwa na klorofili, na kusababisha kuundwa kwa molekuli za ATP na NADPH. Kisha maji huvunjika, na kutengeneza ioni za hidrojeni na kutoa molekuli ya oksijeni. Swali linatokea, ni vitu gani hivi vya ajabu visivyoeleweka: ATP na NADH?

ATP ni molekuli maalum ya kikaboni inayopatikana katika viumbe vyote hai na mara nyingi huitwa sarafu ya "nishati". Ni molekuli hizi ambazo zina vifungo vya juu-nishati na ni chanzo cha nishati katika awali ya kikaboni na michakato ya kemikali katika mwili. Naam, NADPH ni chanzo cha hidrojeni, hutumiwa moja kwa moja katika awali ya vitu vya kikaboni vya juu - wanga, ambayo hutokea katika awamu ya pili ya giza ya photosynthesis kwa kutumia dioksidi kaboni.

Awamu ya mwanga ya photosynthesis

Kloroplasti huwa na molekuli nyingi za klorofili, na zote huchukua mwanga wa jua. Wakati huo huo, mwanga huingizwa na rangi nyingine, lakini hawawezi kufanya photosynthesis. Mchakato yenyewe hutokea tu katika baadhi ya molekuli za klorofili, ambazo ni chache sana. Molekuli nyingine za klorofili, carotenoids na vitu vingine huunda antenna maalum na complexes ya kuvuna mwanga (LHC). Wao, kama antena, hunyonya quanta nyepesi na kusambaza msisimko kwa vituo maalum vya athari au mitego. Vituo hivi viko katika mifumo ya picha, ambayo mimea ina mbili: mfumo wa picha II na mfumo wa picha I. Zina vyenye molekuli maalum za klorofili: kwa mtiririko huo, katika mfumo wa picha II - P680, na katika mfumo wa picha I - P700. Wanachukua mwanga wa urefu huu wa wimbi (680 na 700 nm).

Mchoro unaonyesha wazi zaidi jinsi kila kitu kinavyoonekana na kinachotokea wakati wa awamu ya mwanga ya photosynthesis.

Katika takwimu tunaona mifumo miwili ya picha na klorofili P680 na P700. Takwimu pia inaonyesha flygbolag ambazo usafiri wa elektroni hutokea.

Kwa hivyo: molekuli zote mbili za klorofili za mifumo miwili ya picha hunyonya kiasi cha mwanga na kusisimka. Elektroni e- (nyekundu katika takwimu) huenda kwenye kiwango cha juu cha nishati.

Elektroni zenye msisimko zina nishati nyingi sana; huvunja na kuingia kwenye mlolongo maalum wa wasafirishaji, ambao uko kwenye utando wa thylakoids - miundo ya ndani ya kloroplast. Takwimu inaonyesha kuwa kutoka kwa mfumo wa picha II kutoka kwa chlorophyll P680 elektroni huenda kwa plastoquinone, na kutoka kwa mfumo wa picha I kutoka kwa chlorophyll P700 hadi ferredoxin. Katika molekuli za chlorophyll wenyewe, mahali pa elektroni baada ya kuondolewa kwao, mashimo ya bluu yenye malipo mazuri yanaundwa. Nini cha kufanya?

Ili kulipa fidia kwa ukosefu wa elektroni, molekuli ya chlorophyll P680 ya photosystem II inakubali elektroni kutoka kwa maji, na ioni za hidrojeni huundwa. Kwa kuongeza, ni kutokana na kuvunjika kwa maji ambayo oksijeni hutolewa kwenye anga. Na molekuli ya chlorophyll P700, kama inavyoonekana kutoka kwa takwimu, hufanya kwa ukosefu wa elektroni kupitia mfumo wa wabebaji kutoka kwa mfumo wa picha II.

Kwa ujumla, haijalishi ni ngumu kiasi gani, hii ndio hasa jinsi awamu ya mwanga ya photosynthesis inavyoendelea; kiini chake kikuu ni uhamisho wa elektroni. Unaweza pia kuona kutoka kwa takwimu kwamba kwa sambamba na usafiri wa elektroni, ioni za hidrojeni H + hupita kwenye membrane, na hujilimbikiza ndani ya thylakoid. Kwa kuwa kuna mengi yao huko, huhamia nje kwa msaada wa sababu maalum ya kuunganisha, ambayo ni ya machungwa kwenye picha, iliyoonyeshwa upande wa kulia na inaonekana kama uyoga.

Hatimaye, tunaona hatua ya mwisho ya usafiri wa elektroni, ambayo inasababisha kuundwa kwa kiwanja kilichotajwa hapo awali cha NADH. Na kwa sababu ya uhamishaji wa ioni za H +, sarafu ya nishati imeundwa - ATP (inaonekana kulia kwenye takwimu).

Kwa hivyo, awamu ya mwanga ya photosynthesis imekamilika, oksijeni hutolewa kwenye anga, ATP na NADH huundwa. Nini kinafuata? Liko wapi suala la kikaboni lililoahidiwa? Na kisha inakuja hatua ya giza, ambayo inajumuisha hasa michakato ya kemikali.

Awamu ya giza ya photosynthesis

Kwa awamu ya giza ya photosynthesis, dioksidi kaboni - CO2 - ni sehemu muhimu. Kwa hivyo, mmea lazima uichukue kila wakati kutoka kwa anga. Kwa kusudi hili, kuna miundo maalum juu ya uso wa jani - stomata. Zinapofungua, CO2 huingia kwenye jani, huyeyuka ndani ya maji na humenyuka na awamu ya mwanga ya usanisinuru.

Wakati wa awamu ya mwanga katika mimea mingi, CO2 hufunga kwa kiwanja cha kikaboni cha kaboni tano (ambayo ni mlolongo wa molekuli tano za kaboni), na kusababisha kuundwa kwa molekuli mbili za kiwanja cha kaboni tatu (asidi 3-phosphoglyceric). Kwa sababu Matokeo ya kimsingi ni misombo hii ya kaboni tatu; mimea yenye aina hii ya usanisinuru huitwa mimea ya C3.

Mchanganyiko zaidi katika kloroplasts hutokea badala ya utata. Hatimaye huunda kiwanja cha kaboni sita, ambayo glucose, sucrose au wanga inaweza baadaye kuunganishwa. Kwa namna ya vitu hivi vya kikaboni, mmea hukusanya nishati. Katika kesi hiyo, sehemu ndogo tu yao inabaki kwenye jani, ambayo hutumiwa kwa mahitaji yake, wakati wengine wa wanga husafiri kwenye mmea, wakifika ambapo nishati inahitajika zaidi - kwa mfano, katika pointi za ukuaji.

1. Je, photosynthesis ni mchakato wa kimetaboliki ya plastiki au nishati? Kwa nini?

Photosynthesis inahusu michakato ya kimetaboliki ya plastiki kwa sababu ikiambatana na:

● kwa usanisi wa misombo tata ya kikaboni kutoka kwa vitu rahisi zaidi, yaani: glucose (C 6 H 12 O 6) hutengenezwa kutoka kwa vitu vya isokaboni (H 2 O na CO 2);

● ufyonzaji wa nishati ya mwanga.

2. Je, photosynthesis hutokea katika organelles gani za seli ya mimea? Mfumo wa picha ni nini? Mifumo ya picha hufanya kazi gani?

Photosynthesis hutokea katika plastids ya kijani - kloroplasts.

Mifumo ya picha ni tata maalum za rangi-protini ziko kwenye utando wa thylakoids ya kloroplast. Kuna aina mbili za mifumo ya picha - mfumo wa picha I na mfumo wa picha II. Kila mmoja wao ni pamoja na antenna ya kuvuna mwanga inayoundwa na molekuli za rangi, kituo cha majibu na flygbolag za elektroni.

Antena ya uvunaji mwanga hufanya kazi kama faneli: molekuli za rangi huchukua mwanga na kuhamisha nishati yote iliyokusanywa hadi kituo cha athari, ambapo molekuli ya mtego inayowakilishwa na klorofili a iko. Baada ya kunyonya nishati, molekuli ya mtego huenda katika hali ya msisimko na inatoa moja ya elektroni zake kwa carrier maalum, i.e. huweka oksidi. Kwa hivyo, mifumo ya picha hufanya kazi ya kunyonya mwanga na kubadilisha nishati ya mwanga kuwa nishati ya kemikali.

3. Je, kuna umuhimu gani wa usanisinuru duniani? Kwa nini kuwepo kwa biosphere kuwa haiwezekani bila viumbe vya phototrophic?

Photosynthesis ni mchakato pekee kwenye sayari ambapo nishati ya mwanga ya Jua inabadilishwa kuwa nishati ya vifungo vya kemikali vya vitu vya kikaboni vilivyounganishwa. Katika kesi hiyo, misombo ya kuanzia kwa ajili ya awali ya vitu vya kikaboni ni dutu zisizo na nishati zisizo za kawaida - dioksidi kaboni na maji.

Misombo ya kikaboni inayoundwa wakati wa usanisinuru huhamishwa kama sehemu ya chakula kutoka kwa viumbe vya picha hadi kwa wanyama wanaokula mimea, kisha kwa wanyama wanaokula nyama, kuwa chanzo cha nishati na nyenzo za ujenzi kwa usanisi wa vitu vingine, kwa malezi ya seli mpya na miundo. Kwa hiyo, kutokana na shughuli za phototrophs, mahitaji ya lishe ya viumbe vya heterotrophic yanakidhiwa.

Aidha, photosynthesis ni chanzo cha oksijeni ya molekuli muhimu kwa kupumua kwa viumbe hai vingi. Safu ya ozoni huundwa na kudumishwa kutoka kwa oksijeni, kulinda viumbe hai kwenye sayari kutokana na athari mbaya za mionzi ya ultraviolet ya wimbi fupi. Shukrani kwa usanisinuru, maudhui ya CO 2 ya angahewa yanadumishwa.

4. Bainisha awamu nyepesi na giza za usanisinuru kulingana na mpango:

1) eneo la uvujaji; 2) vifaa vya kuanzia; 3) michakato inayoendelea; 4) bidhaa za mwisho.

Ni bidhaa gani za awamu ya mwanga ya photosynthesis hutumiwa katika awamu ya giza?

Awamu ya mwanga ya photosynthesis.

1) Mahali pa kuvuja: utando wa thylakoid.

2) Dutu za kuanzia: H 2 O, NADP iliyooksidishwa (NADP +), ADP, H 3 PO 4. Rangi ya photosynthetic (klorofili, nk) pia ni muhimu kwa awamu ya mwanga kutokea, lakini haiwezi kuitwa vitu vya awali vya awamu ya mwanga.

3) Michakato inayotokea: kunyonya kwa mwanga kwa mifumo ya picha, upigaji picha wa maji, usafirishaji wa elektroni hadi nje ya thylakoid na mkusanyiko wa protoni ndani ya thylakoid (yaani, kuonekana kwa uwezo wa kielektroniki kwenye membrane ya thylakoid), usanisi wa ATP, kupunguzwa. ya NADP +.

4) Bidhaa za mwisho: ATP, NADP iliyopunguzwa (NADP H + H +), kwa-bidhaa - oksijeni ya molekuli (O 2).

Awamu ya giza ya photosynthesis.

1) Mahali pa kuvuja: kloroplast stroma.

2) Dutu za awali: CO 2, ATP, NADP iliyopunguzwa (NADP H + H +).

3) Michakato inayoendelea: awali ya glucose (kupunguzwa kwa CO 2 kwa vitu vya kikaboni), wakati ambapo hidrolisisi ya ATP na NADP H + H + oxidation hutokea.

4) Bidhaa za mwisho: glukosi (C 6 H 12 O 6), NADP iliyooksidishwa (NADP +), ADP, H 3 PO 4.

Katika awamu ya giza ya usanisinuru, bidhaa za awamu nyepesi kama vile NADP H+H + (hutumika kama chanzo cha atomi za hidrojeni kwa usanisi wa glukosi) na ATP (hutumika kama chanzo cha nishati kwa usanisi wa glukosi) hutumiwa.

5. Linganisha photosynthesis na kupumua kwa aerobic. Onyesha kufanana na tofauti.

Zinazofanana:

● Michakato changamano ya hatua nyingi inayotokea kwa ushiriki wa vimeng'enya.

● Usanisinuru na hatua ya mwisho (oksijeni) ya kupumua kwa aerobiki hutokea katika viungo vyenye utando-mbili (kloroplast na mitochondria, mtawalia).

● Michakato ya Redox, ambayo inaambatana na uhamisho wa elektroni kando ya minyororo ya usafiri wa elektroni ya utando wa ndani wa organelles sambamba, kuonekana kwa tofauti inayoweza kutokea kwenye membrane hizi, kazi ya synthetase ya ATP na awali ya ATP.

Tofauti:

● Mchakato wa usanisinuru hurejelea kimetaboliki ya plastiki kwa sababu inaambatana na usanisi wa vitu vya kikaboni kutoka kwa isokaboni na hufanyika kwa kunyonya kwa nishati nyepesi. Mchakato wa kupumua kwa aerobic inahusu kimetaboliki ya nishati, kwani vitu vya kikaboni ngumu vinavunjwa na nishati iliyo ndani yao hutolewa.

● Photosynthesis hutokea tu katika seli za viumbe vya phototrophic, na kupumua kwa aerobic hutokea katika seli za viumbe hai vingi (ikiwa ni pamoja na phototrophs).

● Nyenzo mbalimbali za kuanzia na bidhaa za mwisho. Ikiwa tutazingatia milinganyo ya muhtasari wa usanisinuru na upumuaji wa aerobiki, tunaweza kuona kwamba bidhaa za usanisinuru ni nyenzo za kuanzia za kupumua kwa aerobiki na kinyume chake.

● NAD na FAD hutumika kama wabebaji wa atomi za hidrojeni katika mchakato wa kupumua, na NADP katika usanisinuru.

Na (au) vipengele vingine muhimu.

6. Mtu hutumia takriban 430 g ya oksijeni kwa siku. Mti wa ukubwa wa wastani huchukua karibu kilo 30 za dioksidi kaboni kwa mwaka. Je, ni miti mingapi inahitajika kumpa mtu mmoja oksijeni?

● Kwa mwaka, mtu hutumia: 430 g × 365 = 156,950 g ya oksijeni.

● Hebu tuhesabu kiasi cha kemikali cha dioksidi kaboni inayofyonzwa kwa mwaka na mti mmoja:

M (CO 2) = 12 + 16 × 2 = 44 g/mol. n (CO 2) = m: M = 30,000 g: 44 g / mol ≈ 681.8 mol.

● Muhtasari wa mlingano wa usanisinuru:

6CO 2 + 6H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 6O 2

Kunyonya kwa moles 6 za dioksidi kaboni hufuatana na kutolewa kwa moles 6 za oksijeni. Hii ina maana kwamba, kunyonya moles 681.8 za kaboni dioksidi kwa mwaka, mti hutoa moles 681.8 za oksijeni.

● Hebu tutafute wingi wa oksijeni inayotolewa na mti kwa mwaka:

M (O 2) = 16 × 2 = 32 g/mol. m (O 2) = n × M = 681.8 mol × 32 g/mol = 21,817.6 g

● Hebu tubaini ni miti mingapi inayohitajika ili kumpa mtu mmoja oksijeni. Idadi ya miti = 156,950 g: 21,817.6 ≈ miti 7.2.

Jibu: Ili kumpa mtu mmoja oksijeni, kwa wastani, miti 7.2 itahitajika (majibu yanayokubalika yatakuwa "miti 8" au "miti 7").

7. Watafiti waligawanya mimea ya ngano katika vikundi viwili na kukua katika maabara chini ya hali sawa, isipokuwa kwamba mimea katika kundi la kwanza iliangazwa na mwanga nyekundu, na mimea katika kundi la pili iliangazwa na mwanga wa kijani. Ni katika kundi gani la mimea photosynthesis iliendelea kwa nguvu zaidi? Je, hii inahusiana na nini?

Usanisinuru uliendelea kwa nguvu zaidi katika mimea iliyoangaziwa na mwanga mwekundu. Hii ni kutokana na ukweli kwamba rangi kuu za photosynthetic - klorophylls - intensively kunyonya mwanga nyekundu (pamoja na sehemu ya bluu-violet ya wigo), na kutafakari kijani, ambayo huamua rangi ya kijani ya rangi hizi.

8*. Ni jaribio gani linaweza kutumika kuthibitisha kwamba oksijeni iliyotolewa wakati wa usanisinuru huundwa kwa usahihi kutoka kwa molekuli za maji, na sio kutoka kwa molekuli za kaboni dioksidi au dutu nyingine yoyote?

Ikiwa maji yaliyo na alama ya oksijeni ya mionzi hutumiwa kutekeleza photosynthesis (molekuli zina radionuclide ya oksijeni badala ya nuclide 16 O), basi lebo ya mionzi inaweza kugunduliwa katika oksijeni iliyotolewa ya molekuli. Ikiwa unatumia dutu nyingine yoyote iliyo na radionuclide ya oksijeni kwa photosynthesis, basi O2 iliyotolewa haitakuwa na lebo ya mionzi. Hasa, oksijeni ya mionzi iliyo katika molekuli za dioksidi kaboni iliyoingizwa itapatikana katika vitu vya kikaboni vilivyounganishwa, lakini sio katika muundo wa O 2.

*Majukumu yaliyowekwa alama ya kinyota yanahitaji wanafunzi kuweka dhahania mbalimbali. Kwa hiyo, wakati wa kuashiria, mwalimu anapaswa kuzingatia sio tu jibu lililotolewa hapa, lakini kuzingatia kila hypothesis, kutathmini mawazo ya kibiolojia ya wanafunzi, mantiki ya hoja zao, uhalisi wa mawazo, nk Baada ya hayo, ni vyema. kufahamisha wanafunzi na jibu lililotolewa.