Ամենակարևոր օրգանական գործընթացը, առանց որի մեր մոլորակի վրա բոլոր կենդանի էակների գոյությունը հարցականի տակ կլիներ, ֆոտոսինթեզն է։ Ի՞նչ է ֆոտոսինթեզը: Դա բոլորը գիտեն դպրոցից։ Կոպիտ ասած՝ սա ածխաթթու գազից և ջրից օրգանական նյութերի առաջացման գործընթացն է, որը տեղի է ունենում լույսի ներքո և ուղեկցվում է թթվածնի արտազատմամբ։ Ավելի բարդ սահմանումը հետևյալն է. ֆոտոսինթեզը լուսային էներգիան օրգանական ծագման նյութերի քիմիական կապերի էներգիայի վերածելու գործընթացն է՝ ֆոտոսինթետիկ պիգմենտների մասնակցությամբ։ Ժամանակակից պրակտիկայում ֆոտոսինթեզը սովորաբար հասկացվում է որպես կլանման, սինթեզի և լույսի օգտագործման գործընթացների մի շարք էնդերգոնիկ ռեակցիաների ընթացքում, որոնցից մեկը ածխաթթու գազի վերածումն է օրգանական նյութերի: Հիմա եկեք ավելի մանրամասն պարզենք, թե ինչպես է տեղի ունենում ֆոտոսինթեզը և ինչ փուլերի է բաժանվում այս գործընթացը:

ընդհանուր բնութագրերը

Քլորոպլաստները, որոնք ունեն յուրաքանչյուր բույս, պատասխանատու են ֆոտոսինթեզի համար։ Ի՞նչ են քլորոպլաստները: Սրանք օվալաձև պլաստիդներ են, որոնք պարունակում են այնպիսի գունանյութ, ինչպիսին քլորոֆիլն է: Հենց քլորոֆիլն է որոշում բույսերի կանաչ գույնը։ Ջրիմուռներում այս պիգմենտը առկա է քրոմատոֆորներում՝ պիգմենտ պարունակող տարբեր ձևերի լույս արտացոլող բջիջներում: Շագանակագույն և կարմիր ջրիմուռները, որոնք ապրում են զգալի խորություններում, որտեղ արևի լույսը լավ չի հասնում, ունեն տարբեր պիգմենտներ։

Ֆոտոսինթեզի նյութերը ավտոտրոֆների մաս են կազմում՝ օրգանիզմներ, որոնք ունակ են օրգանական նյութեր սինթեզել անօրգանական նյութերից: Դրանք սննդային բուրգի ամենացածր մակարդակն են, հետևաբար ներառված են Երկիր մոլորակի բոլոր կենդանի օրգանիզմների սննդակարգում։

Ֆոտոսինթեզի առավելությունները

Ինչու է անհրաժեշտ ֆոտոսինթեզը: Ֆոտոսինթեզի ընթացքում բույսերից ազատված թթվածինը ներթափանցում է մթնոլորտ։ Բարձրանալով դեպի իր վերին շերտերը, այն ձևավորում է օզոն, որը պաշտպանում է երկրի մակերեսը արևի ուժեղ ճառագայթումից։ Օզոնային էկրանի շնորհիվ է, որ կենդանի օրգանիզմները կարող են հարմարավետ մնալ ցամաքում։ Բացի այդ, ինչպես գիտեք, թթվածինը անհրաժեշտ է կենդանի օրգանիզմների շնչառության համար։

Գործընթացի առաջընթացը

Ամեն ինչ սկսվում է քլորոպլաստների մեջ ներթափանցող լույսից: Օրգանելներն իր ազդեցությամբ հողից ջուր են վերցնում, ինչպես նաև այն բաժանում ջրածնի և թթվածնի։ Այսպիսով, տեղի է ունենում երկու գործընթաց. Բույսերի ֆոտոսինթեզը սկսվում է այն պահին, երբ տերևներն արդեն կլանել են ջուրը և ածխաթթու գազը։ Լույսի էներգիան կուտակվում է թիլաոիդներում՝ քլորոպլաստների հատուկ բաժանմունքներում, և ջրի մոլեկուլը բաժանում է երկու բաղադրիչի։ Թթվածնի մի մասը գնում է բույսերի շնչառության մեջ, իսկ մնացածը՝ մթնոլորտ։

Այնուհետև ածխաթթու գազը մտնում է պիրենոիդներ՝ սպիտակուցային հատիկներ, որոնք շրջապատված են օսլայով: Ջրածինը նույնպես գալիս է այստեղ։ Այս նյութերը միմյանց հետ խառնվելով կազմում են շաքարավազ։ Այս ռեակցիան առաջանում է նաև թթվածնի արտազատման ժամանակ։ Երբ շաքարը (պարզ ածխաջրերի ընդհանուր անվանումը) խառնվում է հողից բույս ​​ներթափանցող ազոտի, ծծմբի և ֆոսֆորի հետ, առաջանում են օսլա (բարդ ածխաջրեր), սպիտակուցներ, ճարպեր, վիտամիններ և բույսերի կյանքի համար անհրաժեշտ այլ նյութեր։ Դեպքերի ճնշող մեծամասնությունում ֆոտոսինթեզը տեղի է ունենում բնական լուսավորության պայմաններում: Սակայն դրան կարող է մասնակցել նաեւ արհեստական ​​լուսավորությունը։

Մինչև քսաներորդ դարի 60-ական թվականները գիտությունը գիտեր ածխաթթու գազի նվազեցման մեկ մեխանիզմ՝ C 3-պենտոզաֆոսֆատ ճանապարհով: Վերջերս ավստրալացի գիտնականներն ապացուցեցին, որ որոշ բույսերի տեսակների մոտ այս գործընթացը կարող է տեղի ունենալ C 4-դիկարբոքսիլաթթվի ցիկլի միջոցով:

Բույսերում, որոնք նվազեցնում են ածխաթթու գազը C 3 ուղու միջոցով, ֆոտոսինթեզը լավագույնս տեղի է ունենում միջին ջերմաստիճանի և ցածր լույսի դեպքում, անտառներում կամ մութ վայրերում: Այս բույսերը ներառում են մշակովի բույսերի առյուծի բաժինը և գրեթե բոլոր բանջարեղենները, որոնք կազմում են մեր սննդակարգի հիմքը:

Երկրորդ դասի բույսերում ֆոտոսինթեզն առավել ակտիվ է տեղի ունենում բարձր ջերմաստիճանի և ուժեղ լույսի պայմաններում։ Այս խումբը ներառում է այնպիսի բույսեր, որոնք աճում են արևադարձային և տաք կլիմայական գոտիներում, ինչպիսիք են եգիպտացորենը, շաքարեղեգը, սորգոն և այլն։

Բույսերի նյութափոխանակությունը, ի դեպ, բացահայտվել է բոլորովին վերջերս։ Գիտնականներին հաջողվել է պարզել, որ որոշ բույսեր ունեն ջրի պաշարները պահպանելու հատուկ հյուսվածքներ: Դրանցում ածխաթթու գազը կուտակվում է օրգանական թթուների տեսքով և ածխաջրերի է վերածվում միայն 24 ժամ հետո։ Այս մեխանիզմը թույլ է տալիս բույսերին խնայել ջուրը։

Ինչպե՞ս է գործում գործընթացը:

Մենք արդեն ընդհանուր առմամբ գիտենք, թե ինչպես է ընթանում ֆոտոսինթեզի գործընթացը և ինչպիսի ֆոտոսինթեզ է տեղի ունենում, հիմա եկեք ավելի խորը ճանաչենք դրան։

Ամեն ինչ սկսվում է նրանից, որ բույսը կլանում է լույսը: Նրան դրանում օգնում է քլորոֆիլը, որը քլորոպլաստների տեսքով գտնվում է բույսի տերևներում, ցողուններում և պտուղներում։ Այս նյութի հիմնական քանակությունը կենտրոնացած է տերեւներում։ Բանն այն է, որ իր հարթ կառուցվածքի շնորհիվ սավանը մեծ լույս է գրավում։ Եվ որքան շատ լույս, այնքան ավելի շատ էներգիա ֆոտոսինթեզի համար: Այսպիսով, բույսի տերևները հանդես են գալիս որպես մի տեսակ տեղորոշիչներ, որոնք գրավում են լույսը:

Երբ լույսը ներծծվում է, քլորոֆիլը գտնվում է գրգռված վիճակում։ Այն էներգիա է փոխանցում բույսերի այլ օրգաններին, որոնք մասնակցում են ֆոտոսինթեզի հաջորդ փուլին։ Գործընթացի երկրորդ փուլը տեղի է ունենում առանց լույսի մասնակցության և բաղկացած է քիմիական ռեակցիայից, որը ներառում է հողից ստացված ջուրը և օդից ստացված ածխաթթու գազը։ Այս փուլում սինթեզվում են ածխաջրեր, որոնք անհրաժեշտ են ցանկացած օրգանիզմի կյանքի համար։ Այս դեպքում նրանք ոչ միայն սնուցում են բույսը, այլեւ փոխանցվում են այն ուտող կենդանիներին։ Մարդիկ այդ նյութերը ստանում են նաև բուսական կամ կենդանական ծագման մթերքներ օգտագործելու միջոցով։

Գործընթացի փուլերը

Լինելով բավականին բարդ գործընթաց՝ ֆոտոսինթեզը բաժանվում է երկու փուլի՝ լուսավոր և մութ։ Ինչպես անունն է հուշում, առաջին փուլը պահանջում է արեգակնային ճառագայթման առկայություն, իսկ երկրորդը՝ ոչ: Լույսի փուլում քլորոֆիլը կլանում է լույսի քվանտ՝ առաջացնելով ATP և NADH մոլեկուլներ, առանց որոնց ֆոտոսինթեզն անհնար է։ Որոնք են ATP-ն և NADH-ը:

ATP-ն (ադենոզի տրիֆոսֆատ) նուկլեինային կոֆերմենտ է, որը պարունակում է բարձր էներգիայի կապեր և ծառայում է որպես էներգիայի աղբյուր ցանկացած օրգանական փոխակերպման ժամանակ։ Շաղկապը հաճախ կոչվում է որպես էներգետիկ վոլուտ:

NADH (նիկոտինամիդ ադենին դինուկլեոտիդ) ջրածնի աղբյուր է, որն օգտագործվում է ածխաջրերի սինթեզման համար՝ ածխածնի երկօքսիդի մասնակցությամբ այնպիսի գործընթացի երկրորդ փուլում, ինչպիսին է ֆոտոսինթեզը։

Թեթև փուլ

Քլորոպլաստները պարունակում են բազմաթիվ քլորոֆիլային մոլեկուլներ, որոնցից յուրաքանչյուրը կլանում է լույսը։ Այլ պիգմենտներ նույնպես կլանում են այն, բայց դրանք ունակ չեն ֆոտոսինթեզի։ Գործընթացը տեղի է ունենում միայն քլորոֆիլի մոլեկուլների մի մասում։ Մնացած մոլեկուլները կազմում են ալեհավաք և լույս հավաքող համալիրներ (LHCs): Նրանք կուտակում են լույսի ճառագայթման քվանտաներ և տեղափոխում ռեակցիայի կենտրոններ, որոնք կոչվում են նաև թակարդներ։ Ռեակցիայի կենտրոնները տեղակայված են ֆոտոհամակարգերում, որոնցից ֆոտոսինթետիկ բույսն ունի երկուսը։ Առաջինը պարունակում է 700 նմ ալիքի երկարությամբ լույս կլանելու ունակ քլորոֆիլի մոլեկուլ, իսկ երկրորդը՝ 680 նմ։

Այսպիսով, երկու տեսակի քլորոֆիլի մոլեկուլները կլանում են լույսը և դառնում գրգռված, ինչը ստիպում է էլեկտրոններին տեղափոխել ավելի բարձր էներգիայի մակարդակ: Գրգռված էլեկտրոնները, որոնք ունեն մեծ քանակությամբ էներգիա, պոկվում են և մտնում են թիլաոիդ թաղանթներում (քլորոպլաստների ներքին կառուցվածքները) տեղակայված տրանսպորտային շղթան։

Էլեկտրոնային անցում

Առաջին ֆոտոհամակարգի էլեկտրոնը քլորոֆիլ P680-ից գնում է դեպի պլաստոքինոն, իսկ երկրորդ համակարգից էլեկտրոնը՝ ֆերեդոքսին: Այս դեպքում էլեկտրոնների հեռացման վայրում քլորոֆիլի մոլեկուլում ազատ տարածություն է գոյանում։

Անբավարարությունը լրացնելու համար քլորոֆիլ P680 մոլեկուլը ջրից ընդունում է էլեկտրոններ՝ առաջացնելով ջրածնի իոններ։ Իսկ երկրորդ քլորոֆիլի մոլեկուլը լրացնում է պակասը առաջին ֆոտոհամակարգի կրիչների համակարգի միջոցով:

Այսպես է ընթանում ֆոտոսինթեզի լուսային փուլը, որի էությունը էլեկտրոնների փոխանցումն է։ Էլեկտրոնների փոխադրմանը զուգահեռ տեղի է ունենում ջրածնի իոնների շարժումը թաղանթով: Սա հանգեցնում է դրանց կուտակմանը թիլաոիդի ներսում: Կուտակվելով մեծ քանակությամբ՝ դրանք արտանետվում են դեպի դուրս՝ կոնյուգացիոն գործոնի օգնությամբ։ Էլեկտրոնների տեղափոխման արդյունքը NADH միացության առաջացումն է։ Իսկ ջրածնի իոնների փոխանցումը հանգեցնում է էներգիայի ATP արժույթի ձեւավորմանը։

Լույսի փուլի վերջում թթվածինը մտնում է մթնոլորտ, և ծաղկաթերթի ներսում ձևավորվում են ATP և NADH: Հետո սկսվում է ֆոտոսինթեզի մութ փուլը։

Մութ փուլ

Ֆոտոսինթեզի այս փուլը պահանջում է ածխաթթու գազ: Բույսը անընդհատ կլանում է այն օդից։ Այդ նպատակով տերևի մակերեսին կան ստոմատներ՝ հատուկ կառուցվածքներ, որոնք բացվելիս կլանում են ածխաթթու գազը։ Մտնելով տերեւ՝ այն լուծվում է ջրի մեջ և մասնակցում լուսային փուլի գործընթացներին։

Բույսերի մեծ մասում լույսի փուլում ածխաթթու գազը կապվում է օրգանական միացության հետ, որը պարունակում է 5 ածխածնի ատոմ: Արդյունքում ստացվում է երեք ածխածնային միացության զույգ մոլեկուլ, որը կոչվում է 3-ֆոսֆոգլիցերինաթթու: Հենց այն պատճառով, որ այս միացությունը գործընթացի առաջնային արդյունքն է, այս տեսակի ֆոտոսինթեզ ունեցող բույսերը կոչվում են C 3 բույսեր:

Քլորոպլաստներում տեղի ունեցող հետագա գործընթացները շատ բարդ են անփորձ մարդկանց համար: Վերջնական արդյունքը վեց ածխածնային միացություն է, որը սինթեզում է պարզ կամ բարդ ածխաջրեր: Հենց ածխաջրերի տեսքով է բույսը էներգիա կուտակում։ Նյութերի մի փոքր մասը մնում է տերևի մեջ և բավարարում դրա կարիքները։ Մնացած ածխաջրերը շրջանառվում են ամբողջ գործարանում և առաքվում են այն վայրերը, որտեղ դրանք առավել անհրաժեշտ են:

Ֆոտոսինթեզ ձմռանը

Շատերը կյանքում գոնե մեկ անգամ մտածել են, թե որտեղից է թթվածինը գալիս ցուրտ սեզոնին: Նախ, թթվածինը արտադրվում է ոչ միայն տերեւաթափ բույսերի, այլեւ փշատերեւ եւ ծովային բույսերի կողմից: Իսկ եթե տերեւաթափ բույսերը ձմռանը սառչում են, փշատերեւ բույսերը շարունակում են շնչել, թեեւ ավելի քիչ ինտենսիվ: Երկրորդ՝ մթնոլորտում թթվածնի պարունակությունը կախված չէ նրանից, թե արդյոք ծառերը թափել են իրենց տերևները։ Թթվածինը զբաղեցնում է մթնոլորտի 21%-ը, մեր մոլորակի ցանկացած կետում տարվա ցանկացած ժամանակ: Այս արժեքը չի փոխվում, քանի որ օդային զանգվածները շատ արագ են շարժվում, իսկ ձմեռը բոլոր երկրներում միաժամանակ տեղի չի ունենում։ Դե, և երրորդը, ձմռանը օդի ստորին շերտերում, որոնք մենք ներշնչում ենք, թթվածնի պարունակությունը նույնիսկ ավելի բարձր է, քան ամռանը: Այս երեւույթի պատճառը ցածր ջերմաստիճանն է, որի պատճառով թթվածինը դառնում է ավելի խիտ։

Եզրակացություն

Այսօր մենք հիշեցինք, թե ինչ է ֆոտոսինթեզը, ինչ է քլորոֆիլը և ինչպես են բույսերը թթվածին արտազատում՝ կլանելով ածխաթթու գազը։ Իհարկե, ֆոտոսինթեզը մեր կյանքում ամենակարեւոր գործընթացն է։ Այն մեզ հիշեցնում է բնության մասին հոգ տանելու անհրաժեշտության մասին:

Բույսերը շրջակա միջավայրից ստանում են այն ամենը, ինչ անհրաժեշտ է աճի և զարգացման համար: Ահա թե ինչպես են նրանք տարբերվում մյուս կենդանի օրգանիզմներից։ Որպեսզի դրանք լավ զարգանան, նրանց պետք է պարարտ հող, բնական կամ արհեստական ​​ջրում և լավ լուսավորություն։ Մթության մեջ ոչինչ չի աճի:

Հողը ջրի և սննդարար օրգանական միացությունների և միկրոտարրերի աղբյուր է։ Բայց ծառերը, ծաղիկները և խոտը նույնպես արևային էներգիայի կարիք ունեն: Հենց արեւի լույսի ազդեցության տակ են տեղի ունենում որոշակի ռեակցիաներ, որոնց արդյունքում օդից կլանված ածխաթթու գազը վերածվում է թթվածնի։ Այս գործընթացը կոչվում է ֆոտոսինթեզ: Քիմիական ռեակցիան, որը տեղի է ունենում արևի լույսի ազդեցության տակ, հանգեցնում է նաև գլյուկոզայի և ջրի առաջացմանը։ Այս նյութերը կենսական նշանակություն ունեն բույսի զարգացման համար։

Քիմիկոսների լեզվով ռեակցիան այսպիսի տեսք ունի՝ 6CO2 + 12H2O + լույս = C6H12O6 + 6O2 + 6H2O: Հավասարման պարզեցված ձև՝ ածխածնի երկօքսիդ + ջուր + լույս = գլյուկոզա + թթվածին + ջուր:

Բառացիորեն «ֆոտոսինթեզը» թարգմանվում է որպես «լույսի հետ միասին»։ Այս բառը բաղկացած է երկու պարզ բառերից՝ «լուսանկար» և «սինթեզ»։ Արևը էներգիայի շատ հզոր աղբյուր է։ Մարդիկ այն օգտագործում են էլեկտրաէներգիա արտադրելու, տները մեկուսացնելու և ջուրը տաքացնելու համար։ Բույսերը նույնպես կարիք ունեն արևի էներգիայի՝ կյանքը պահպանելու համար: Գլյուկոզան, որն արտադրվում է ֆոտոսինթեզի ընթացքում, պարզ շաքար է, որն ամենակարևոր սննդանյութերից մեկն է։ Բույսերն այն օգտագործում են աճի և զարգացման համար, իսկ ավելցուկը կուտակվում է տերևներում, սերմերում և պտուղներում: Ոչ բոլոր գլյուկոզան է մնում անփոփոխ բույսերի և մրգերի կանաչ հատվածներում: Պարզ շաքարները հակված են վերածվել ավելի բարդ շաքարերի, որոնք ներառում են օսլա: Բույսերը օգտագործում են նման պաշարները սննդանյութերի պակասի ժամանակաշրջաններում: Նրանք որոշում են խոտաբույսերի, մրգերի, ծաղիկների, տերևների սննդային արժեքը կենդանիների և բուսական մթերք օգտագործող մարդկանց համար։

Ինչպե՞ս են բույսերը կլանում լույսը:

Ֆոտոսինթեզի գործընթացը բավականին բարդ է, բայց կարելի է համառոտ նկարագրել, որպեսզի հասկանալի դառնա նույնիսկ դպրոցահասակ երեխաների համար։ Ամենատարածված հարցերից մեկը վերաբերում է լույսի կլանման մեխանիզմին: Ինչպե՞ս է լույսի էներգիան մտնում բույսերի մեջ: Ֆոտոսինթեզի գործընթացը տեղի է ունենում տերևներում: Բոլոր բույսերի տերեւները պարունակում են կանաչ բջիջներ՝ քլորոպլաստներ։ Դրանք պարունակում են մի նյութ, որը կոչվում է քլորոֆիլ: Քլորոֆիլը այն պիգմենտն է, որը տերևներին տալիս է կանաչ գույն և պատասխանատու է լույսի էներգիայի կլանման համար: Շատերը չեն մտածել, թե ինչու են բույսերի մեծ մասի տերևները լայն և հարթ: Պարզվում է, որ բնությունը սա մի պատճառով է ապահովել. Լայն մակերեսը թույլ է տալիս ավելի շատ կլանել արևի լույսը: Նույն պատճառով արևային մարտկոցները պատրաստվում են լայն և հարթ:

Տերեւների վերին մասը պաշտպանված է մոմանման շերտով (կուտիկուլա) ջրի կորստից, եղանակի ու վնասատուների անբարենպաստ ազդեցությունից։ Այն կոչվում է palisade: Եթե ​​ուշադիր նայեք տերևին, կարող եք տեսնել, որ դրա վերին կողմն ավելի պայծառ ու հարթ է: Հարուստ գույնը ստացվում է շնորհիվ այն բանի, որ այս հատվածում ավելի շատ քլորոպլաստներ կան։ Ավելորդ լույսը կարող է նվազեցնել բույսի թթվածին և գլյուկոզա արտադրելու ունակությունը: Պայծառ արևի տակ քլորոֆիլը վնասվում է, և դա դանդաղեցնում է ֆոտոսինթեզը: Դանդաղեցում է առաջանում նաև աշնան գալստյան հետ, երբ լույսը քիչ է լինում, և դրանցում քլորոպլաստների քայքայման պատճառով տերևները սկսում են դեղնել։

Չի կարելի թերագնահատել ջրի դերը ֆոտոսինթեզի և բույսերի կյանքի պահպանման գործում: Ջուրն անհրաժեշտ է՝

• բույսերին դրանում լուծված հանքանյութերով ապահովելը.
• տոնայնության պահպանում;
• սառեցում;
• քիմիական և ֆիզիկական ռեակցիաների առաջացման հավանականությունը.

Ծառերը, թփերը և ծաղիկներն իրենց արմատներով կլանում են հողից ջուրը, այնուհետև խոնավությունը բարձրանում է ցողունի երկայնքով և անցնում տերևների մեջ նույնիսկ անզեն աչքով տեսանելի երակների մեջ։

Ածխածնի երկօքսիդը ներթափանցում է տերևի ստորին մասում գտնվող փոքր անցքերով՝ ստոմատներով։ Տերևի ստորին հատվածում բջիջները դասավորված են այնպես, որ ածխաթթու գազը կարող է ավելի խորը թափանցել։ Սա նաև թույլ է տալիս ֆոտոսինթեզի արդյունքում արտադրվող թթվածին հեշտությամբ հեռանալ տերևից: Ինչպես բոլոր կենդանի օրգանիզմները, բույսերը նույնպես օժտված են շնչելու ունակությամբ։ Ընդ որում, ի տարբերություն կենդանիների ու մարդկանց, նրանք կլանում են ածխաթթու գազը և թթվածին են թողնում, և ոչ հակառակը։ Այնտեղ, որտեղ շատ բույսեր կան, օդը շատ մաքուր է և թարմ։ Ահա թե ինչու այդքան կարևոր է հոգ տանել ծառերի և թփերի մասին և ստեղծել հանրային այգիներ և պուրակներ մեծ քաղաքներում:

Ֆոտոսինթեզի թեթև և մութ փուլերը

Ֆոտոսինթեզի գործընթացը բարդ է և բաղկացած է երկու փուլից՝ լուսավոր և մութ: Լույսի փուլը հնարավոր է միայն արևի լույսի առկայության դեպքում: Լույսի ազդեցության տակ քլորոֆիլի մոլեկուլները իոնացվում են, ինչը հանգեցնում է էներգիայի, որը ծառայում է որպես քիմիական ռեակցիաների կատալիզատոր: Այս փուլում տեղի ունեցող իրադարձությունների հաջորդականությունը հետևյալն է.

• լույսը հարվածում է քլորոֆիլի մոլեկուլին, որը ներծծվում է կանաչ պիգմենտի կողմից և այն դնում է գրգռված վիճակի.
• ջրի պառակտումներ;
• Սինթեզվում է ATP-ն, որը էներգիայի կուտակիչ է։

Ֆոտոսինթեզի մութ փուլը տեղի է ունենում առանց լուսային էներգիայի մասնակցության։ Այս փուլում ձևավորվում են գլյուկոզա և թթվածին: Կարևոր է հասկանալ, որ գլյուկոզայի և թթվածնի ձևավորումը տեղի է ունենում շուրջօրյա, և ոչ միայն գիշերը: Մութ փուլը կոչվում է, քանի որ լույսի առկայությունը այլևս անհրաժեշտ չէ դրա առաջացման համար: Կատալիզատորը ATP-ն է, որը սինթեզվել է ավելի վաղ։

Ֆոտոսինթեզի կարևորությունը բնության մեջ

Ֆոտոսինթեզը ամենակարևոր բնական գործընթացներից մեկն է։ Անհրաժեշտ է ոչ միայն պահպանել բույսերի կյանքը, այլև մոլորակի ողջ կյանքի համար: Ֆոտոսինթեզն անհրաժեշտ է հետևյալի համար.

• կենդանիներին և մարդկանց սնունդով ապահովելը.
• ածխածնի երկօքսիդի հեռացում և օդը թթվածնով հագեցում;
• պահպանելով սննդանյութերի ցիկլը.

Բոլոր բույսերը կախված են ֆոտոսինթեզի արագությունից։ Արեգակնային էներգիան կարող է դիտվել որպես աճը խթանող կամ արգելակող գործոն: Օրինակ, հարավային շրջաններում և շրջաններում շատ արև կա, և բույսերը կարող են բավականին բարձր աճել: Եթե ​​հաշվի առնենք, թե ինչպես է այդ գործընթացը տեղի ունենում ջրային էկոհամակարգերում, ապա ծովերի և օվկիանոսների մակերեսին արևի լույսի պակաս չկա, և այդ շերտերում նկատվում է ջրիմուռների առատ աճ։ Ջրի ավելի խոր շերտերում արևային էներգիայի պակաս կա, ինչը ազդում է ջրային ֆլորայի աճի տեմպերի վրա։

Ֆոտոսինթեզի գործընթացը նպաստում է մթնոլորտում օզոնային շերտի առաջացմանը։ Սա շատ կարևոր է, քանի որ այն օգնում է պաշտպանել մոլորակի ողջ կյանքը ուլտրամանուշակագույն ճառագայթների վնասակար ազդեցությունից:

Ցանկացած կանաչ տերև թթվածնի և սննդանյութերի փոքր գործարան է, որն անհրաժեշտ է մարդկանց և կենդանիներին նորմալ կյանքի համար: Ածխածնի երկօքսիդից և մթնոլորտից ջրից այդ նյութերի ստացման գործընթացը կոչվում է ֆոտոսինթեզ։

Ֆոտոսինթեզը բարդ գործընթաց է, որը տեղի է ունենում լույսի անմիջական մասնակցությամբ։ «Ֆոտոսինթեզ» հասկացությունը գալիս է հունարեն երկու բառերից՝ «լուսանկարներ»՝ լույս և «սինթեզ»՝ համակցություն: Ֆոտոսինթեզի գործընթացը բաղկացած է երկու փուլից՝ լույսի քվանտների կլանում և դրանց էներգիայի օգտագործումը տարբեր քիմիական ռեակցիաներում։Բույսը լույսը կլանում է կանաչ նյութի՝ քլորոֆիլ կոչվող նյութի օգնությամբ։ Քլորոֆիլը գտնվում է այսպես կոչված քլորոպլաստներում, որոնք կարելի է գտնել ցողուններում կամ նույնիսկ մրգերում: Դրանց մեջ հատկապես շատ են, քանի որ տերեւն իր հարթ կառուցվածքի շնորհիվ կարողանում է ավելի շատ լույս գրավել և, համապատասխանաբար, ավելի շատ էներգիա ստանալ ֆոտոսինթեզի համար։ Կլանվելուց հետո քլորոֆիլն անցնում է և էներգիա է փոխանցում բույսերի օրգանիզմի այլ մոլեկուլներին, մասնավորապես՝ ֆոտոսինթեզի մեջ ներգրավվածներին։ Գործընթացի երկրորդ փուլը տեղի է ունենում առանց լուսային քվանտների պարտադիր մասնակցության և բաղկացած է օդից ստացված ջրի և ածխածնի երկօքսիդի մասնակցությամբ քիմիական կապերի ձևավորումից։ Այս փուլում սինթեզվում են կյանքի համար օգտակար տարբեր նյութեր, օրինակ՝ օսլան, այդ օրգանական նյութերն օգտագործվում են հենց բույսի կողմից՝ սնուցելու իր տարբեր մասերը և պահպանելու նորմալ կյանքը։ Բացի այդ, այդ նյութերը ստանում են բույսեր ուտելով, ինչպես նաև այն մարդկանց կողմից, ովքեր ուտում են ինչպես բուսական, այնպես էլ կենդանական ծագման մթերքներ։Ֆոտոսինթեզը կարող է տեղի ունենալ ինչպես արևի լույսի, այնպես էլ արհեստական ​​լույսի ազդեցության տակ։ Բնության մեջ բույսերը, որպես կանոն, ինտենսիվ «աշխատում են» գարնանը և ամռանը, երբ շատ արևի լույս կա։ Աշնանը լույսը պակասում է, օրերը կարճանում են, տերեւները դեղնում են ու թափվում։ Բայց հենց որ գարնան տաք արևը սկսում է լուսաբաց, կանաչ սաղարթները նորից հայտնվում են, և կանաչ «գործարանները» նորից սկսում են իրենց աշխատանքը կյանքի համար այդքան անհրաժեշտ թթվածին և այլ սննդանյութեր ապահովելու համար:

Տեսանյութ թեմայի վերաբերյալ

Բոլոր կենդանի էակներին անհրաժեշտ է սնունդ՝ գոյատևելու համար: Հետերոտրոֆ օրգանիզմները՝ սպառողները, օգտագործում են պատրաստի օրգանական միացություններ, իսկ ավտոտրոֆ արտադրողներն իրենք են օրգանական նյութեր ստեղծում ֆոտոսինթեզի և քիմոսինթեզի գործընթացում։ Երկրի վրա հիմնական արտադրողները կանաչ բույսերն են։

Դա ֆոտոսինթետիկ պիգմենտների մասնակցությամբ քիմիական ռեակցիաների հաջորդականություն է, որի արդյունքում լույսի ներքո ածխաթթու գազից և ջրից օրգանական նյութեր են առաջանում։ Ընդհանուր հավասարման մեջ ածխածնի երկօքսիդի վեց մոլեկուլները միավորվում են ջրի վեց մոլեկուլների հետ՝ ձևավորելով մեկ մոլեկուլ, որն օգտագործվում է էներգիայի արտադրության և պահպանման համար։ Նաև ռեակցիայի վերջում ձևավորվում են թթվածնի վեց մոլեկուլներ՝ որպես «ենթամթերք»: Ֆոտոսինթեզի գործընթացը բաղկացած է թեթև և մութ փուլից։ Լույսի քվանտները գրգռում են քլորոֆիլի մոլեկուլի էլեկտրոնները և դրանք տեղափոխում էներգիայի ավելի բարձր մակարդակ։ Նաև լույսի ճառագայթների մասնակցությամբ տեղի է ունենում ջրի ֆոտոլիզ՝ ջրի մոլեկուլի բաժանումը ջրածնի կատիոնների, բացասաբար լիցքավորված էլեկտրոնների և ազատ թթվածնի մոլեկուլի: Մոլեկուլային կապերում կուտակված էներգիան վերածվում է ադենոզին տրիֆոսֆատի (ATP) և կթողարկվի ֆոտոսինթեզի երկրորդ փուլում։ Մութ փուլում ածխաթթու գազը ուղղակիորեն միանում է գլյուկոզայի առաջացմանը: Բջիջներում ֆոտոսինթեզի առաջացման անհրաժեշտ պայմանը կանաչ պիգմենտն է՝ քլորոֆիլը, ուստի այն հանդիպում է կանաչ բույսերում և որոշ ֆոտոսինթետիկ բակտերիաներում։ Ֆոտոսինթետիկ պրոցեսները մոլորակին ապահովում են օրգանական կենսազանգվածով, մթնոլորտային թթվածնով և արդյունքում՝ օզոնի պաշտպանիչ վահանով։ Բացի այդ, նրանք նվազեցնում են ածխաթթու գազի կոնցենտրացիան մթնոլորտում։ Բացի ֆոտոսինթեզից, ածխածնի երկօքսիդը քիմոսինթեզի միջոցով կարող է վերածվել օրգանական նյութի, որը տարբերվում է առաջինից լուսային ռեակցիաների բացակայությամբ։ Քիմոսինթետիկները օգտագործում են լույսը որպես էներգիայի աղբյուր, և ռեդոքս քիմիական ռեակցիաների էներգիան։ Օրինակ՝ նիտրացնող բակտերիաները ամոնիակը օքսիդացնում են ազոտի և ազոտական ​​թթվի, երկաթի բակտերիաները սեւ երկաթը վերածում են երկաթի երկաթի, ծծմբի բակտերիաները օքսիդացնում են ջրածնի սուլֆիդը ծծմբի կամ ծծմբաթթվի: Այս բոլոր ռեակցիաները էներգիա են թողնում, որը հետագայում օգտագործվում է օրգանական նյութերի սինթեզի համար: Միայն որոշ տեսակի բակտերիաներ են ունակ քիմոսինթեզի։ Քիմոսինթետիկ բակտերիաները չեն արտադրում մթնոլորտային թթվածին և մեծ քանակությամբ կենսազանգված չեն կուտակում, սակայն ոչնչացնում են ապարները, մասնակցում հանքանյութերի առաջացմանը և մաքրում կեղտաջրերը։ Քիմոսինթեզի կենսաերկրաքիմիական դերը բնության մեջ ազոտի, ծծմբի, երկաթի և այլ տարրերի ցիկլը ապահովելն է։

Տեսանյութ թեմայի վերաբերյալ

Ֆոտոսինթեզ- լույսի էներգիայի օգտագործմամբ օրգանական նյութերի սինթեզի գործընթացը. Օրգանիզմները, որոնք ընդունակ են սինթեզել օրգանական նյութեր անօրգանական միացություններից, կոչվում են ավտոտրոֆ։ Ֆոտոսինթեզը բնորոշ է միայն ավտոտրոֆ օրգանիզմների բջիջներին։ Հետերոտրոֆ օրգանիզմները ունակ չեն անօրգանական միացություններից օրգանական նյութեր սինթեզելու։
Կանաչ բույսերի և որոշ բակտերիաների բջիջները ունեն հատուկ կառուցվածք և քիմիական նյութերի համալիրներ, որոնք թույլ են տալիս նրանց էներգիա վերցնել արևի լույսից:

Քլորոպլաստների դերը ֆոտոսինթեզի մեջ

Բուսական բջիջները պարունակում են մանրադիտակային գոյացություններ՝ քլորոպլաստներ։ Սրանք օրգանելներ են, որոնցում էներգիան և լույսը ներծծվում և վերածվում են ATP-ի և այլ մոլեկուլների՝ էներգիայի կրիչների էներգիայի: Քլորոպլաստների գրանան պարունակում է քլորոֆիլ՝ բարդ օրգանական նյութ։ Քլորոֆիլը գրավում է լույսի էներգիան գլյուկոզայի և այլ օրգանական նյութերի կենսասինթեզում օգտագործելու համար: Գլյուկոզայի սինթեզի համար անհրաժեշտ ֆերմենտները գտնվում են նաև քլորոպլաստներում։

Ֆոտոսինթեզի թեթև փուլ

Քլորոֆիլով կլանված կարմիր լույսի քվանտը էլեկտրոնը տեղափոխում է գրգռված վիճակի: Լույսով գրգռված էլեկտրոնը ձեռք է բերում էներգիայի մեծ պաշար, ինչի արդյունքում այն ​​տեղափոխվում է ավելի բարձր էներգիայի մակարդակ։ Լույսով գրգռված էլեկտրոնը կարելի է համեմատել բարձրության վրա բարձրացված քարի հետ, որը նույնպես ձեռք է բերում պոտենցիալ էներգիա։ Նա կորցնում է այն՝ ընկնելով բարձրությունից։ Գրգռված էլեկտրոնը, կարծես քայլերով, շարժվում է քլորոպլաստում կառուցված բարդ օրգանական միացությունների շղթայի երկայնքով: Մի քայլից մյուսը անցնելով՝ էլեկտրոնը կորցնում է էներգիան, որն օգտագործվում է ATP-ի սինթեզի համար։ Էլեկտրոնը, որը վատնում է էներգիան, վերադառնում է քլորոֆիլ: Լույսի էներգիայի նոր բաժինը կրկին գրգռում է քլորոֆիլային էլեկտրոնը: Այն կրկին գնում է նույն ճանապարհով՝ էներգիա ծախսելով ATP մոլեկուլների առաջացման վրա։
Ջրածնի իոնները և էլեկտրոնները, որոնք անհրաժեշտ են էներգիա կրող մոլեկուլների վերականգնման համար, ձևավորվում են ջրի մոլեկուլների պառակտմամբ։ Քլորոպլաստներում ջրի մոլեկուլների քայքայումն իրականացվում է հատուկ սպիտակուցի միջոցով՝ լույսի ազդեցության տակ։ Այս գործընթացը կոչվում է ջրի ֆոտոլիզ.
Այսպիսով, արևի լույսի էներգիան ուղղակիորեն օգտագործվում է բույսերի բջիջի կողմից՝
1. քլորոֆիլային էլեկտրոնների գրգռում, որի էներգիան հետագայում ծախսվում է ATP-ի և այլ էներգիա կրող մոլեկուլների ձևավորման վրա.
2. ջրի ֆոտոլիզ, ջրածնի իոններ և էլեկտրոններ մատակարարելով ֆոտոսինթեզի լուսային փուլին։
Սա թթվածին է թողարկում՝ որպես ֆոտոլիզի ռեակցիաների կողմնակի արտադրանք։ Այն փուլը, որի ընթացքում լույսի էներգիայի շնորհիվ առաջանում են էներգիայով հարուստ միացություններ՝ ATP և էներգիա կրող մոլեկուլներ,կանչեց ֆոտոսինթեզի թեթև փուլ.

Ֆոտոսինթեզի մութ փուլ

Քլորոպլաստները պարունակում են հինգ ածխածնային շաքարներ, որոնցից մեկը ռիբուլոզ դիֆոսֆատ, ածխածնի երկօքսիդի ընդունիչ է։ Հատուկ ֆերմենտը կապում է հինգ ածխածնային շաքարը օդում ածխածնի երկօքսիդի հետ: Այս դեպքում առաջանում են միացություններ, որոնք օգտագործելով ATP-ի և այլ էներգիա կրող մոլեկուլների էներգիան, վերածվում են վեցածխածնային գլյուկոզայի մոլեկուլի։ Այսպիսով, լույսի էներգիան, որը փոխակերպվում է լուսային փուլի ընթացքում, վերածվում է ATP-ի և էներգիայի այլ կրիչի մոլեկուլների էներգիայի, որն օգտագործվում է գլյուկոզայի սինթեզի համար։ Այս գործընթացները կարող են տեղի ունենալ մթության մեջ:
Բույսերի բջիջներից հնարավոր եղավ առանձնացնել քլորոպլաստները, որոնք փորձանոթում, լույսի ազդեցությամբ, ֆոտոսինթեզ էին իրականացնում՝ նրանք ձևավորեցին գլյուկոզայի նոր մոլեկուլներ և կլանեցին ածխաթթու գազ։ Եթե ​​դադարեցվել է քլորոպլաստների լուսավորությունը, դադարեցվել է նաև գլյուկոզայի սինթեզը։ Այնուամենայնիվ, եթե քլորոպլաստներին ավելացվեն ATP-ն և կրճատված էներգիայի կրիչի մոլեկուլները, ապա գլյուկոզայի սինթեզը վերսկսվի և կարող է շարունակվել մթության մեջ: Սա նշանակում է, որ լույսն իսկապես անհրաժեշտ է միայն ATP սինթեզելու և էներգիա կրող մոլեկուլները լիցքավորելու համար։ Ածխածնի երկօքսիդի կլանումը և գլյուկոզայի ձևավորումը բույսերումկանչեց ֆոտոսինթեզի մութ փուլքանի որ նա կարող է քայլել մթության մեջ:
Ինտենսիվ լուսավորությունը և օդում ածխաթթու գազի պարունակության ավելացումը հանգեցնում են ֆոտոսինթեզի ակտիվության բարձրացման:

Ֆոտոսինթեզլույսի էներգիայի օգտագործմամբ օրգանական նյութերի անօրգանականներից սինթեզի գործընթացն է։ Դեպքերի ճնշող մեծամասնությունում ֆոտոսինթեզն իրականացվում է բույսերի կողմից՝ օգտագործելով բջջային օրգանելներ, ինչպիսիք են քլորոպլաստներկանաչ պիգմենտ պարունակող քլորոֆիլ.

Եթե ​​բույսերը ի վիճակի չլինեին սինթեզել օրգանական նյութեր, ապա Երկրի գրեթե բոլոր օրգանիզմները ուտելու ոչինչ չէին ունենա, քանի որ կենդանիները, սնկերը և շատ բակտերիաներ չեն կարող օրգանական նյութեր սինթեզել անօրգանականներից: Կլանում են միայն պատրաստիները, բաժանում ավելի պարզերի, որից նորից հավաքում են բարդ, բայց արդեն իրենց մարմնին բնորոշ։

Սա այն դեպքն է, եթե շատ կարճ խոսենք ֆոտոսինթեզի և դրա դերի մասին։ Ֆոտոսինթեզը հասկանալու համար պետք է ավելին ասել՝ կոնկրետ ի՞նչ անօրգանական նյութեր են օգտագործվում, ինչպե՞ս է տեղի ունենում սինթեզը։

Ֆոտոսինթեզի համար անհրաժեշտ են երկու անօրգանական նյութեր՝ ածխաթթու գազ (CO 2) և ջուր (H 2 O): Առաջինը ներծծվում է օդից բույսերի վերգետնյա մասերի կողմից հիմնականում ստոմատների միջոցով։ Ջուրը գալիս է հողից, որտեղից բույսի հաղորդիչ համակարգով այն հասցվում է ֆոտոսինթետիկ բջիջներին։ Նաև ֆոտոսինթեզը պահանջում է ֆոտոնների էներգիա (hν), բայց դրանք չեն կարող վերագրվել նյութին։

Ընդհանուր առմամբ, ֆոտոսինթեզը արտադրում է օրգանական նյութեր և թթվածին (O2): Որպես կանոն, օրգանական նյութերը ամենից հաճախ նշանակում են գլյուկոզա (C 6 H 12 O 6):

Օրգանական միացությունները հիմնականում կազմված են ածխածնի, ջրածնի և թթվածնի ատոմներից։ Դրանք հայտնաբերված են ածխածնի երկօքսիդի և ջրի մեջ: Սակայն ֆոտոսինթեզի ընթացքում թթվածին է արտազատվում։ Նրա ատոմները վերցված են ջրից։

Համառոտ և ընդհանուր առմամբ, ֆոտոսինթեզի ռեակցիայի հավասարումը սովորաբար գրվում է հետևյալ կերպ.

6CO 2 + 6H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 6O 2

Բայց այս հավասարումը չի արտացոլում ֆոտոսինթեզի էությունը և այն հասկանալի չի դարձնում։ Տեսեք, թեև հավասարումը հավասարակշռված է, բայց դրանում ազատ թթվածնի ատոմների ընդհանուր թիվը 12 է: Բայց մենք ասացինք, որ դրանք գալիս են ջրից, և դրանցից ընդամենը 6-ն է:

Փաստորեն, ֆոտոսինթեզը տեղի է ունենում երկու փուլով. Առաջինը կոչվում է լույս, երկրորդ - մութ. Նման անվանումները պայմանավորված են նրանով, որ լույսն անհրաժեշտ է միայն լուսային փուլի համար, մութ փուլն անկախ է իր ներկայությունից, բայց դա չի նշանակում, որ այն առաջանում է մթության մեջ։ Լույսի փուլը տեղի է ունենում քլորոպլաստի թիլաոիդների թաղանթների վրա, իսկ մուգ փուլը՝ քլորոպլաստի ստրոմայում։

Լույսի փուլում CO 2-ի կապը չի առաջանում: Այն ամենը, ինչ տեղի է ունենում, արևային էներգիայի գրավումն է քլորոֆիլային համալիրների կողմից, դրա պահպանումը ATP-ում և էներգիայի օգտագործումը NADP-ն NADP*H 2-ի իջեցնելու համար: Լույսով գրգռված քլորոֆիլից էներգիայի հոսքը ապահովվում է էլեկտրոնների միջոցով, որոնք փոխանցվում են թիլաոիդ թաղանթների մեջ ներկառուցված ֆերմենտների էլեկտրոնային փոխադրման շղթայի երկայնքով:

NADP-ի համար ջրածինը ստացվում է ջրից, որը արևի լույսից քայքայվում է թթվածնի ատոմների, ջրածնի պրոտոնների և էլեկտրոնների: Այս գործընթացը կոչվում է ֆոտոլիզի. Ջրից ստացված թթվածինը ֆոտոսինթեզի համար անհրաժեշտ չէ։ Ջրի երկու մոլեկուլներից թթվածնի ատոմները միանում են՝ առաջացնելով մոլեկուլային թթվածին։ Ֆոտոսինթեզի թեթև փուլի ռեակցիայի հավասարումը համառոտ այսպիսի տեսք ունի.

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

Այսպիսով, թթվածնի արտազատումը տեղի է ունենում ֆոտոսինթեզի լուսային փուլում։ ATP մոլեկուլների քանակը, որոնք սինթեզվում են ADP-ից և ֆոսֆորական թթվից, մեկ ջրի մոլեկուլի ֆոտոլիզի ընթացքում կարող են տարբեր լինել՝ մեկ կամ երկու:

Այսպիսով, ATP-ն և NADP*H 2-ը գալիս են լույսի փուլից մինչև մութ փուլ: Այստեղ առաջինի էներգիան և երկրորդի նվազող ուժը ծախսվում է ածխաթթու գազի միացման վրա։ Ֆոտոսինթեզի այս փուլը չի ​​կարող պարզ և հակիրճ բացատրվել, քանի որ այն չի ընթանում այնպես, որ CO 2 վեց մոլեկուլները միանում են NADP*H 2 մոլեկուլներից ազատված ջրածնի հետ՝ ձևավորելով գլյուկոզա.

6CO 2 + 6NADP*H 2 →C 6 H 12 O 6 + 6NADP
(ռեակցիան տեղի է ունենում ATP էներգիայի ծախսով, որը տրոհվում է ADP-ի և ֆոսֆորաթթվի):

Տրված ռեակցիան ուղղակի պարզեցում է, որպեսզի ավելի հեշտ ընկալվի։ Փաստորեն, ածխածնի երկօքսիդի մոլեկուլները մեկ առ մեկ միանում են՝ միանալով արդեն պատրաստված հինգածխածնային օրգանական նյութին։ Առաջանում է անկայուն վեցածխածնային օրգանական նյութ, որը տրոհվում է երեք ածխածնային ածխաջրածին մոլեկուլների։ Այս մոլեկուլներից մի քանիսն օգտագործվում են սկզբնական հինգ ածխածնային նյութը վերասինթեզելու համար՝ CO 2-ը կապելու համար: Այս վերասինթեզն ապահովված է Կալվինի ցիկլը. Երեք ածխածնի ատոմ պարունակող ածխաջրերի մոլեկուլների փոքր մասը դուրս է գալիս ցիկլից: Մնացած բոլոր օրգանական նյութերը (ածխաջրեր, ճարպեր, սպիտակուցներ) սինթեզվում են դրանցից և այլ նյութերից։

Այսինքն, ըստ էության, ֆոտոսինթեզի մութ փուլից դուրս են գալիս երեք ածխածնային շաքարներ, այլ ոչ թե գլյուկոզա:

Ֆոտոսինթեզ անօրգանականներից օրգանական միացությունների սինթեզի պրոցեսների ամբողջություն է՝ լույսի էներգիան քիմիական կապերի էներգիայի վերածելու պատճառով։ Ֆոտոտրոֆ օրգանիզմներից են կանաչ բույսերը, որոշ պրոկարիոտներ՝ ցիանոբակտերիաներ, մանուշակագույն և կանաչ ծծմբային բակտերիաներ և բույսերի դրոշակակիրներ։

Ֆոտոսինթեզի գործընթացի հետազոտությունները սկսվել են 18-րդ դարի երկրորդ կեսից։ Կարևոր հայտնագործություն արեց ռուս ականավոր գիտնական Կ.Ա.Տիմիրյազևը, ով հիմնավորեց կանաչ բույսերի տիեզերական դերի ուսմունքը։ Բույսերը կլանում են արևի լույսը և լուսային էներգիան վերածում նրանց կողմից սինթեզված օրգանական միացությունների քիմիական կապերի էներգիայի։ Այսպիսով, նրանք ապահովում են Երկրի վրա կյանքի պահպանումն ու զարգացումը։ Գիտնականը նաև տեսականորեն հիմնավորել և փորձնականորեն ապացուցել է քլորոֆիլի դերը ֆոտոսինթեզի ընթացքում լույսի կլանման գործում։

Քլորոֆիլները հիմնական ֆոտոսինթետիկ պիգմենտներն են։ Նրանք կառուցվածքով նման են հեմոգլոբինին, բայց երկաթի փոխարեն մագնեզիում են պարունակում։ Երկաթի պարունակությունը անհրաժեշտ է քլորոֆիլի մոլեկուլների սինթեզն ապահովելու համար։ Կան մի քանի քլորոֆիլներ, որոնք տարբերվում են իրենց քիմիական կառուցվածքով։ Պարտադիր է բոլոր ֆոտոտրոֆների համար քլորոֆիլ ա . Քլորոֆիլբ հայտնաբերվել է կանաչ բույսերում քլորոֆիլ գ - դիատոմներում և շագանակագույն ջրիմուռներում: Քլորոֆիլ դ կարմիր ջրիմուռներին բնորոշ:

Կանաչ և մանուշակագույն ֆոտոսինթետիկ բակտերիաները հատուկ են բակտերիոքլորոֆիլներ . Բակտերիալ ֆոտոսինթեզը շատ ընդհանրություններ ունի բույսերի ֆոտոսինթեզի հետ: Այն տարբերվում է նրանով, որ բակտերիաներում ջրածնի դոնորը ջրածնի սուլֆիդն է, իսկ բույսերում՝ ջուրը։ Կանաչ և մանուշակագույն բակտերիաները չունեն II ֆոտոհամակարգ: Բակտերիալ ֆոտոսինթեզը չի ուղեկցվում թթվածնի արտազատմամբ։ Բակտերիալ ֆոտոսինթեզի ընդհանուր հավասարումը հետևյալն է.

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

Ֆոտոսինթեզը հիմնված է ռեդոքս գործընթացի վրա: Այն կապված է էլեկտրոնների փոխանցման հետ միացություններից, որոնք մատակարարում են էլեկտրոն-դոնորներ դրանք ընդունող միացություններին՝ ընդունողներին: Լույսի էներգիան վերածվում է սինթեզված օրգանական միացությունների (ածխաջրերի) էներգիայի։

Քլորոպլաստների թաղանթների վրա կան հատուկ կառուցվածքներ. արձագանքման կենտրոններ որոնք պարունակում են քլորոֆիլ: Կանաչ բույսերում և ցիանոբակտերիաներում կան երկու ֆոտոհամակարգեր – առաջինը (ես) Եվ երկրորդ (II) , որոնք ունեն տարբեր ռեակցիայի կենտրոններ և փոխկապակցված են էլեկտրոնային փոխանցման համակարգի միջոցով։

Ֆոտոսինթեզի երկու փուլ

Ֆոտոսինթեզի գործընթացը բաղկացած է երկու փուլից՝ բաց և մութ:

Առաջանում է միայն լույսի առկայության դեպքում միտոքոնդրիումների ներքին թաղանթների վրա հատուկ կառուցվածքների թաղանթներում. թիլաոիդներ . Ֆոտոսինթետիկ պիգմենտները գրավում են լույսի քվանտաները (ֆոտոններ): Սա հանգեցնում է քլորոֆիլի մոլեկուլի էլեկտրոններից մեկի «գրգռմանը»: Կրող մոլեկուլների օգնությամբ էլեկտրոնը շարժվում է դեպի թիլաոիդ թաղանթի արտաքին մակերես՝ ձեռք բերելով որոշակի պոտենցիալ էներգիա։

Այս էլեկտրոնը ներս ֆոտոհամակարգ I կարող է վերադառնալ իր էներգիայի մակարդակին և վերականգնել այն: NADP (նիկոտինամիդ ադենին դինուկլեոտիդ ֆոսֆատ) նույնպես կարող է փոխանցվել: Ջրածնի իոնների հետ փոխազդեցությամբ էլեկտրոնները վերականգնում են այս միացությունը։ Կրճատված NADP (NADP H) մատակարարում է ջրածին մթնոլորտային CO 2-ը գլյուկոզայի վերածելու համար:

Նմանատիպ գործընթացներ տեղի են ունենում ֆոտոհամակարգ II . Գրգռված էլեկտրոնները կարող են տեղափոխվել I ֆոտոհամակարգ և վերականգնել այն: II ֆոտոհամակարգի վերականգնումը տեղի է ունենում ջրի մոլեկուլների կողմից մատակարարվող էլեկտրոնների շնորհիվ: Ջրի մոլեկուլները բաժանվում են (ջրի ֆոտոլիզ) վերածվում է ջրածնի պրոտոնների և մոլեկուլային թթվածնի, որն արտանետվում է մթնոլորտ։ Էլեկտրոններն օգտագործվում են II ֆոտոհամակարգը վերականգնելու համար։ Ջրի ֆոտոլիզի հավասարումը.

2Н 2 0 → 4Н + + 0 2 + 2е.

Երբ թիլաոիդ մեմբրանի արտաքին մակերեսից էլեկտրոնները վերադառնում են նախորդ էներգիայի մակարդակին, էներգիան ազատվում է։ Այն պահվում է ATP մոլեկուլների քիմիական կապերի տեսքով, որոնք սինթեզվում են երկու ֆոտոհամակարգերում ռեակցիաների ժամանակ։ ATP-ի սինթեզի գործընթացը ADP-ով և ֆոսֆորաթթվով կոչվում է ֆոտոֆոսֆորիլացում . Էներգիայի մի մասը օգտագործվում է ջրի գոլորշիացման համար:

Ֆոտոսինթեզի թեթև փուլում առաջանում են էներգիայով հարուստ միացություններ՝ ATP և NADP H. Ջրի մոլեկուլների քայքայման (ֆոտոլիզի) ժամանակ մթնոլորտ է արտանետվում մոլեկուլային թթվածին։

Ռեակցիաները տեղի են ունենում քլորոպլաստների ներքին միջավայրում։ Նրանք կարող են առաջանալ ինչպես լույսի առկայության դեպքում, այնպես էլ առանց դրա: Օրգանական նյութերը սինթեզվում են (C0 2 վերածվում է գլյուկոզայի)՝ օգտագործելով լույսի փուլում առաջացած էներգիան։

Ածխածնի երկօքսիդի նվազեցման գործընթացը ցիկլային է և կոչվում է Կալվինի ցիկլը . Այս ցիկլային գործընթացը հայտնաբերած ամերիկացի հետազոտող Մ.Կալվինի անունը:

Ցիկլը սկսվում է մթնոլորտային ածխածնի երկօքսիդի ռեակցիայով՝ ռիբուլոզա բիֆոսֆատով։ Գործընթացը կատալիզացվում է ֆերմենտի միջոցով կարբոքսիլազ . Ռիբուլոզա բիֆոսֆատը հինգ ածխածնային շաքար է, որը համակցված է երկու ֆոսֆորաթթվի միավորներով: Տեղի են ունենում մի շարք քիմիական փոխակերպումներ, որոնցից յուրաքանչյուրը կատալիզացվում է իր հատուկ ֆերմենտի միջոցով։ Ինչպե՞ս է ձևավորվում ֆոտոսինթեզի վերջնական արդյունքը: գլյուկոզա , իսկ ռիբուլոզա բիֆոսֆատը նույնպես կրճատվում է։

Ֆոտոսինթեզի գործընթացի ընդհանուր հավասարումը հետևյալն է.

6C0 2 + 6H 2 0 → C 6 H 12 O 6 + 60 2

Ֆոտոսինթեզի գործընթացի շնորհիվ Արեգակից եկող լույսի էներգիան կլանվում և վերածվում է սինթեզված ածխաջրերի քիմիական կապերի էներգիայի։ Սննդային շղթաներով էներգիան փոխանցվում է հետերոտրոֆ օրգանիզմներին։ Ֆոտոսինթեզի ընթացքում ածխաթթու գազը ներծծվում է, և թթվածինը ազատվում է: Մթնոլորտային ամբողջ թթվածինը ֆոտոսինթետիկ ծագում ունի: Տարեկան ավելի քան 200 միլիարդ տոննա ազատ թթվածին է արտանետվում։ Թթվածինը պաշտպանում է կյանքը Երկրի վրա ուլտրամանուշակագույն ճառագայթումից՝ մթնոլորտում ստեղծելով օզոնային վահան:

Ֆոտոսինթեզի գործընթացն անարդյունավետ է, քանի որ արեգակնային էներգիայի միայն 1-2%-ն է վերածվում սինթեզված օրգանական նյութի։ Դա պայմանավորված է նրանով, որ բույսերը բավարար չափով չեն կլանում լույսը, դրա մի մասը կլանում է մթնոլորտը և այլն: Արևի լույսի մեծ մասն արտացոլվում է Երկրի մակերևույթից հետ տիեզերք: