Il processo organico più importante, senza il quale sarebbe messa in discussione l’esistenza di tutti gli esseri viventi sul nostro pianeta, è la fotosintesi. Cos'è la fotosintesi? Lo sanno tutti da scuola. In parole povere, questo è il processo di formazione di sostanze organiche da anidride carbonica e acqua, che avviene alla luce ed è accompagnato dal rilascio di ossigeno. Una definizione più complessa è la seguente: la fotosintesi è il processo di conversione dell'energia luminosa nell'energia dei legami chimici di sostanze di origine organica con la partecipazione di pigmenti fotosintetici. Nella pratica moderna, la fotosintesi è solitamente intesa come un insieme di processi di assorbimento, sintesi e utilizzo della luce in una serie di reazioni endergoniche, una delle quali è la conversione dell'anidride carbonica in sostanze organiche. Adesso scopriamo più nel dettaglio come avviene la fotosintesi e in quali fasi si divide questo processo!

caratteristiche generali

I cloroplasti, presenti in ogni pianta, sono responsabili della fotosintesi. Cosa sono i cloroplasti? Questi sono plastidi ovali che contengono pigmenti come la clorofilla. È la clorofilla che determina il colore verde delle piante. Nelle alghe, questo pigmento è presente nei cromatofori: cellule che riflettono la luce contenenti pigmenti di varie forme. Le alghe brune e rosse, che vivono a profondità significative dove la luce solare non arriva bene, hanno pigmenti diversi.

Le sostanze della fotosintesi fanno parte degli autotrofi: organismi in grado di sintetizzare sostanze organiche da sostanze inorganiche. Costituiscono il livello più basso della piramide alimentare, quindi sono inclusi nella dieta di tutti gli organismi viventi sul pianeta Terra.

Benefici della fotosintesi

Perché è necessaria la fotosintesi? L'ossigeno rilasciato dalle piante durante la fotosintesi entra nell'atmosfera. Salendo ai suoi strati superiori forma ozono, che protegge la superficie terrestre dalle forti radiazioni solari. È grazie allo schermo dell'ozono che gli organismi viventi possono rimanere comodamente sulla terra. Inoltre, come sapete, l'ossigeno è necessario per la respirazione degli organismi viventi.

Avanzamento del processo

Tutto inizia con la luce che entra nei cloroplasti. Sotto la sua influenza, gli organelli assorbono l'acqua dal suolo e la dividono anche in idrogeno e ossigeno. Si verificano quindi due processi. La fotosintesi delle piante inizia nel momento in cui le foglie hanno già assorbito acqua e anidride carbonica. L'energia luminosa si accumula nei tilacoidi, compartimenti speciali dei cloroplasti, e divide la molecola d'acqua in due componenti. Parte dell'ossigeno va nella respirazione delle piante e il resto va nell'atmosfera.

L'anidride carbonica entra quindi nei pirenoidi, granuli proteici circondati da amido. Anche l’idrogeno arriva qui. Mescolate tra loro, queste sostanze formano lo zucchero. Questa reazione avviene anche con il rilascio di ossigeno. Quando lo zucchero (nome generale dei carboidrati semplici) viene mescolato con azoto, zolfo e fosforo che entrano nella pianta dal terreno, si formano amido (carboidrati complessi), proteine, grassi, vitamine e altre sostanze necessarie alla vita vegetale. Nella stragrande maggioranza dei casi, la fotosintesi avviene in condizioni di illuminazione naturale. Tuttavia, anche l’illuminazione artificiale può prendervi parte.

Fino agli anni '60 del XX secolo, la scienza conosceva un meccanismo per la riduzione dell'anidride carbonica, lungo la via del pentoso fosfato C 3. Recentemente, scienziati australiani hanno dimostrato che in alcune specie vegetali questo processo può avvenire attraverso il ciclo dell'acido C 4 -dicarbossilico.

Nelle piante che riducono l'anidride carbonica attraverso la via C 3, la fotosintesi avviene meglio a temperature moderate e scarsa illuminazione, nelle foreste o in luoghi bui. Tra queste piante fanno la parte del leone le piante coltivate e quasi tutte le verdure che costituiscono la base della nostra dieta.

Nella seconda classe di piante, la fotosintesi avviene più attivamente in condizioni di alta temperatura e forte luce. Questo gruppo comprende piante che crescono in climi tropicali e caldi, come il mais, la canna da zucchero, il sorgo e così via.

Il metabolismo delle piante, tra l'altro, è stato scoperto abbastanza recentemente. Gli scienziati sono riusciti a scoprire che alcune piante hanno tessuti speciali per preservare le riserve idriche. L'anidride carbonica si accumula in essi sotto forma di acidi organici e si trasforma in carboidrati solo dopo 24 ore. Questo meccanismo consente alle piante di risparmiare acqua.

Come funziona il processo?

Sappiamo già in termini generali come procede il processo di fotosintesi e che tipo di fotosintesi avviene, ora conosciamolo più a fondo.

Tutto inizia con la pianta che assorbe la luce. In questo è aiutata dalla clorofilla, che sotto forma di cloroplasti si trova nelle foglie, negli steli e nei frutti della pianta. La quantità principale di questa sostanza è concentrata nelle foglie. Il fatto è che, grazie alla sua struttura piatta, il telo attira molta luce. E più luce, più energia per la fotosintesi. Pertanto, le foglie della pianta agiscono come una sorta di localizzatori che catturano la luce.

Quando la luce viene assorbita, la clorofilla è in uno stato eccitato. Trasferisce energia ad altri organi vegetali che partecipano alla fase successiva della fotosintesi. La seconda fase del processo avviene senza la partecipazione della luce e consiste in una reazione chimica che coinvolge l'acqua ottenuta dal suolo e l'anidride carbonica ottenuta dall'aria. In questa fase vengono sintetizzati i carboidrati, essenziali per la vita di qualsiasi organismo. In questo caso non solo nutrono la pianta stessa, ma vengono trasmessi anche agli animali che se ne nutrono. Le persone ottengono queste sostanze anche consumando prodotti vegetali o animali.

Fasi del processo

Essendo un processo piuttosto complesso, la fotosintesi si divide in due fasi: luce e buio. Come suggerisce il nome, la prima fase richiede la presenza della radiazione solare, la seconda no. Durante la fase luminosa, la clorofilla assorbe una quantità di luce, formando molecole di ATP e NADH, senza le quali la fotosintesi è impossibile. Cosa sono l'ATP e il NADH?

L'ATP (adenosio trifosfato) è un coenzima nucleico che contiene legami ad alta energia e funge da fonte di energia in qualsiasi trasformazione organica. La congiunzione viene spesso definita voluta energetica.

Il NADH (nicotinammide adenina dinucleotide) è una fonte di idrogeno che viene utilizzata per sintetizzare i carboidrati con la partecipazione dell'anidride carbonica nella seconda fase di un processo come la fotosintesi.

Fase leggera

I cloroplasti contengono molte molecole di clorofilla, ciascuna delle quali assorbe la luce. Anche altri pigmenti lo assorbono, ma non sono capaci di fotosintesi. Il processo avviene solo in una parte delle molecole di clorofilla. Le restanti molecole formano complessi di antenna e raccolta della luce (LHC). Accumulano quanti di radiazione luminosa e li trasferiscono ai centri di reazione, chiamati anche trappole. I centri di reazione si trovano nei fotosistemi, di cui una pianta fotosintetica ne ha due. Il primo contiene una molecola di clorofilla in grado di assorbire la luce con una lunghezza d'onda di 700 nm e la seconda di 680 nm.

Quindi, due tipi di molecole di clorofilla assorbono la luce e si eccitano, il che fa sì che gli elettroni si spostino a un livello energetico più elevato. Gli elettroni eccitati, che hanno una grande quantità di energia, vengono strappati ed entrano nella catena di trasporto situata nelle membrane tilacoidi (strutture interne dei cloroplasti).

Transizione elettronica

Un elettrone del primo fotosistema va dalla clorofilla P680 al plastochinone, e un elettrone del secondo sistema va alla ferredossina. In questo caso, nel punto in cui vengono rimossi gli elettroni, si forma uno spazio libero nella molecola di clorofilla.

Per compensare la carenza, la molecola della clorofilla P680 accetta elettroni dall'acqua, formando ioni idrogeno. E la seconda molecola di clorofilla compensa la carenza attraverso un sistema di trasportatori del primo fotosistema.

È così che procede la fase luminosa della fotosintesi, la cui essenza è il trasferimento di elettroni. Parallelo al trasporto degli elettroni c'è il movimento degli ioni idrogeno attraverso la membrana. Ciò porta al loro accumulo all'interno del tilacoide. Accumulandosi in grandi quantità, vengono rilasciati verso l'esterno con l'aiuto di un fattore coniugante. Il risultato del trasporto degli elettroni è la formazione del composto NADH. E il trasferimento di ioni idrogeno porta alla formazione della valuta energetica ATP.

Al termine della fase luminosa, l'ossigeno entra nell'atmosfera e all'interno del petalo si formano ATP e NADH. Poi inizia la fase oscura della fotosintesi.

Fase oscura

Questa fase della fotosintesi richiede anidride carbonica. La pianta lo assorbe costantemente dall'aria. A questo scopo, sulla superficie della foglia sono presenti degli stomi, strutture speciali che, una volta aperte, assorbono l'anidride carbonica. Entrando nella foglia, si dissolve in acqua e partecipa ai processi della fase luminosa.

Durante la fase luminosa nella maggior parte delle piante, l'anidride carbonica si lega a un composto organico che contiene 5 atomi di carbonio. Il risultato è una coppia di molecole di un composto a tre atomi di carbonio chiamato acido 3-fosfoglicerico. È proprio perché questo composto è il risultato primario del processo che le piante con questo tipo di fotosintesi vengono chiamate piante C 3.

Ulteriori processi che avvengono nei cloroplasti sono molto complessi per le persone inesperte. Il risultato finale è un composto a sei atomi di carbonio che sintetizza carboidrati semplici o complessi. È sotto forma di carboidrati che la pianta accumula energia. Una piccola parte delle sostanze rimane nella foglia e ne soddisfa i fabbisogni. I carboidrati rimanenti circolano in tutta la pianta e vengono consegnati nei luoghi in cui sono maggiormente necessari.

Fotosintesi in inverno

Molte persone si sono chieste almeno una volta nella vita da dove provenga l’ossigeno durante la stagione fredda. In primo luogo, l'ossigeno è prodotto non solo dalle piante decidue, ma anche dalle conifere e dalle piante marine. E se in inverno le piante decidue gelano, le conifere continuano a respirare, anche se meno intensamente. In secondo luogo, il contenuto di ossigeno nell'atmosfera non dipende dal fatto che gli alberi abbiano perso le foglie. L'ossigeno occupa il 21% dell'atmosfera, ovunque sul nostro pianeta e in qualsiasi periodo dell'anno. Questo valore non cambia, poiché le masse d'aria si muovono molto rapidamente e l'inverno non avviene contemporaneamente in tutti i paesi. Bene, e in terzo luogo, in inverno negli strati inferiori dell'aria che inspiriamo, il contenuto di ossigeno è ancora più elevato che in estate. La ragione di questo fenomeno è la bassa temperatura, a causa della quale l'ossigeno diventa più denso.

Conclusione

Oggi abbiamo ricordato cos'è la fotosintesi, cos'è la clorofilla e come le piante rilasciano ossigeno assorbendo anidride carbonica. Naturalmente, la fotosintesi è il processo più importante nella nostra vita. Ci ricorda la necessità di prenderci cura della natura.

Le piante ricevono tutto ciò di cui hanno bisogno per la crescita e lo sviluppo dall'ambiente. Ecco come differiscono dagli altri organismi viventi. Per potersi sviluppare bene hanno bisogno di un terreno fertile, di annaffiature naturali o artificiali e di una buona illuminazione. Niente crescerà nell'oscurità.

Il suolo è una fonte di acqua e di composti organici e microelementi nutrienti. Ma anche gli alberi, i fiori e l’erba hanno bisogno dell’energia solare. È sotto l'influenza della luce solare che si verificano alcune reazioni, a seguito delle quali l'anidride carbonica assorbita dall'aria viene convertita in ossigeno. Questo processo è chiamato fotosintesi. La reazione chimica che avviene sotto l'influenza della luce solare porta anche alla formazione di glucosio e acqua. Queste sostanze sono vitali per lo sviluppo della pianta.

Nel linguaggio dei chimici, la reazione è questa: 6CO2 + 12H2O + luce = C6H12O6 + 6O2 + 6H2O. Una forma semplificata dell'equazione: anidride carbonica + acqua + luce = glucosio + ossigeno + acqua.

Letteralmente “fotosintesi” si traduce come “insieme alla luce”. Questa parola è composta da due semplici parole “foto” e “sintesi”. Il sole è una fonte di energia molto potente. Le persone lo usano per generare elettricità, isolare le case e riscaldare l’acqua. Anche le piante hanno bisogno dell’energia del sole per sostenere la vita. Il glucosio, prodotto durante la fotosintesi, è uno zucchero semplice che è uno dei nutrienti più importanti. Le piante lo utilizzano per la crescita e lo sviluppo e l'eccesso si deposita nelle foglie, nei semi e nei frutti. Non tutto il glucosio rimane invariato nelle parti verdi delle piante e dei frutti. Gli zuccheri semplici tendono a trasformarsi in zuccheri più complessi, che includono l'amido. Le piante utilizzano tali riserve durante i periodi di carenza di nutrienti. Determinano il valore nutrizionale di erbe, frutti, fiori, foglie per animali e persone che mangiano cibi vegetali.

Come fanno le piante ad assorbire la luce?

Il processo della fotosintesi è piuttosto complesso, ma può essere descritto brevemente in modo che diventi comprensibile anche per i bambini in età scolare. Una delle domande più comuni riguarda il meccanismo di assorbimento della luce. Come arriva l'energia luminosa alle piante? Il processo di fotosintesi avviene nelle foglie. Le foglie di tutte le piante contengono cellule verdi: i cloroplasti. Contengono una sostanza chiamata clorofilla. La clorofilla è il pigmento che conferisce alle foglie il colore verde ed è responsabile dell'assorbimento dell'energia luminosa. Molte persone non hanno pensato al motivo per cui le foglie della maggior parte delle piante sono larghe e piatte. Si scopre che la natura lo ha fornito per un motivo. L'ampia superficie permette di assorbire più luce solare. Per lo stesso motivo, i pannelli solari sono larghi e piatti.

La parte superiore delle foglie è protetta da uno strato ceroso (cuticola) dalla perdita d'acqua e dagli effetti avversi degli agenti atmosferici e dei parassiti. Si chiama palizzata. Se osservi attentamente la foglia, puoi vedere che la sua parte superiore è più luminosa e liscia. Il colore intenso è dovuto al fatto che in questa parte sono presenti più cloroplasti. La luce in eccesso può ridurre la capacità della pianta di produrre ossigeno e glucosio. Se esposta al sole splendente, la clorofilla viene danneggiata e questo rallenta la fotosintesi. Un rallentamento si verifica anche con l'arrivo dell'autunno, quando c'è meno luce, e le foglie cominciano ad ingiallire a causa della distruzione dei cloroplasti in esse contenute.

Il ruolo dell'acqua nella fotosintesi e nel mantenimento della vita vegetale non può essere sottovalutato. L'acqua è necessaria per:

• fornire alle piante minerali disciolti in esso;
• mantenere il tono;
• raffreddamento;
• la possibilità che si verifichino reazioni chimiche e fisiche.

Alberi, arbusti e fiori assorbono l'acqua dal terreno con le loro radici, quindi l'umidità sale lungo il fusto e passa nelle foglie lungo venature visibili anche ad occhio nudo.

L'anidride carbonica entra attraverso piccoli fori nella parte inferiore della foglia: gli stomi. Nella parte inferiore della foglia le cellule sono disposte in modo tale che l'anidride carbonica possa penetrare più in profondità. Ciò consente anche all'ossigeno prodotto dalla fotosintesi di lasciare facilmente la foglia. Come tutti gli organismi viventi, le piante sono dotate della capacità di respirare. Inoltre, a differenza degli animali e delle persone, assorbono anidride carbonica e rilasciano ossigeno, e non viceversa. Dove ci sono molte piante, l'aria è molto pulita e fresca. Ecco perché è così importante prendersi cura di alberi e arbusti e creare giardini e parchi pubblici nelle grandi città.

Fasi chiare e scure della fotosintesi

Il processo di fotosintesi è complesso e consiste di due fasi: luce e buio. La fase luminosa è possibile solo in presenza di luce solare. Quando esposte alla luce, le molecole di clorofilla si ionizzano, producendo energia che funge da catalizzatore per le reazioni chimiche. L’ordine degli eventi che si verificano in questa fase è il seguente:

• la luce colpisce la molecola di clorofilla, che viene assorbita dal pigmento verde e la pone in uno stato eccitato;
• spaccature dell'acqua;
• Viene sintetizzato l'ATP, che è un accumulatore di energia.

La fase oscura della fotosintesi avviene senza la partecipazione dell'energia luminosa. In questa fase si formano glucosio e ossigeno. È importante capire che la formazione di glucosio e ossigeno avviene 24 ore su 24 e non solo di notte. La fase oscura si chiama perché non è più necessaria la presenza della luce affinché si verifichi. Il catalizzatore è l'ATP, che è stato sintetizzato in precedenza.

L'importanza della fotosintesi in natura

La fotosintesi è uno dei processi naturali più significativi. È necessario non solo per preservare la vita vegetale, ma anche per tutta la vita sul pianeta. La fotosintesi è necessaria per:

• fornire cibo ad animali e persone;
• rimuovere l'anidride carbonica e saturare l'aria con ossigeno;
• mantenimento del ciclo dei nutrienti.

Tutte le piante dipendono dal tasso di fotosintesi. L’energia solare può essere vista come un fattore che promuove o inibisce la crescita. Ad esempio, nelle regioni e nelle zone meridionali c'è molto sole e le piante possono diventare piuttosto alte. Se consideriamo come avviene il processo negli ecosistemi acquatici, non c'è carenza di luce solare sulla superficie dei mari e degli oceani e in questi strati si osserva un'abbondante crescita di alghe. Negli strati d'acqua più profondi c'è una carenza di energia solare, che influisce sul tasso di crescita della flora acquatica.

Il processo di fotosintesi contribuisce alla formazione dello strato di ozono nell'atmosfera. Questo è molto importante in quanto aiuta a proteggere tutta la vita sul pianeta dagli effetti dannosi dei raggi ultravioletti.

Ogni foglia verde è una piccola fabbrica di ossigeno e sostanze nutritive necessarie all'uomo e agli animali per la vita normale. Il processo di produzione di queste sostanze dall'anidride carbonica e dall'acqua dell'atmosfera è chiamato fotosintesi.

La fotosintesi è un processo complesso che avviene con la partecipazione diretta della luce. Il concetto stesso di "fotosintesi" deriva da due parole greche: "foto" - luce e "sintesi" - combinazione. Il processo di fotosintesi consiste di due fasi: l'assorbimento dei quanti di luce e l'utilizzo della loro energia in varie reazioni chimiche. La pianta assorbe la luce con l'aiuto di una sostanza verde chiamata clorofilla. La clorofilla si trova nei cosiddetti cloroplasti, che si trovano negli steli o anche nei frutti. Ce ne sono soprattutto molti, perché grazie alla sua struttura piatta, la foglia è in grado di attirare più luce e, di conseguenza, ricevere più energia per la fotosintesi. Dopo l'assorbimento, la clorofilla passa e cede energia ad altre molecole dell'organismo vegetale, in particolare a quelle coinvolte nella fotosintesi. La seconda fase del processo avviene senza la partecipazione obbligatoria dei quanti di luce e consiste nella formazione di legami chimici con la partecipazione di acqua e anidride carbonica ottenuta dall'aria. In questa fase vengono sintetizzate diverse sostanze utili alla vita, come l'amido, che vengono utilizzate dalla pianta stessa per nutrire le sue varie parti e mantenere una vita normale. Inoltre, queste sostanze si ottengono mangiando piante e persone che mangiano cibi di origine sia vegetale che animale.La fotosintesi può avvenire sia sotto l'influenza della luce solare che della luce artificiale. In natura, le piante, di regola, “lavorano” intensamente in primavera e in estate, quando c'è molta luce solare. In autunno la luce diminuisce, le giornate si accorciano, le foglie ingialliscono e cadono. Ma non appena il caldo sole primaverile comincia a sorgere, il fogliame verde appare di nuovo e le “fabbriche” verdi ricominciano a lavorare per fornire ossigeno, così necessario alla vita, e altri nutrienti.

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Tutti gli esseri viventi hanno bisogno di cibo per sopravvivere. Gli organismi eterotrofi - i consumatori - utilizzano composti organici già pronti, mentre i produttori autotrofi stessi creano sostanze organiche nel processo di fotosintesi e chemiosintesi. I principali produttori sulla Terra sono le piante verdi.

È una sequenza di reazioni chimiche che coinvolgono pigmenti fotosintetici, a seguito delle quali viene creata materia organica dall'anidride carbonica e dall'acqua alla luce. Nell’equazione complessiva, sei molecole di anidride carbonica si combinano con sei molecole di acqua per formare una molecola, utilizzata per la produzione e lo stoccaggio di energia. Inoltre, alla fine della reazione, si formano sei molecole di ossigeno come “sottoprodotto”. Il processo di fotosintesi consiste in una fase chiara e una fase buia. I quanti di luce eccitano gli elettroni della molecola di clorofilla e li trasferiscono ad un livello energetico più elevato. Inoltre, con la partecipazione dei raggi luminosi, avviene la fotolisi dell'acqua: la scissione di una molecola d'acqua in cationi di idrogeno, elettroni caricati negativamente e una molecola di ossigeno libera. L'energia immagazzinata nei legami molecolari viene convertita in adenosina trifosfato (ATP) e verrà rilasciata nella seconda fase della fotosintesi. Nella fase oscura, l'anidride carbonica si combina direttamente con la formazione di glucosio. Una condizione necessaria affinché la fotosintesi avvenga nelle cellule è il pigmento verde: la clorofilla, quindi si verifica nelle piante verdi e in alcuni batteri fotosintetici. I processi fotosintetici forniscono al pianeta biomassa organica, ossigeno atmosferico e, di conseguenza, uno scudo protettivo di ozono. Inoltre, riducono la concentrazione di anidride carbonica nell’atmosfera. Oltre alla fotosintesi, l'anidride carbonica può essere convertita in materia organica attraverso la chemiosintesi, che differisce dalla prima per l'assenza di reazioni luminose. I chemiosintetici utilizzano la luce come fonte di energia e l'energia delle reazioni chimiche redox. Ad esempio, i batteri nitrificanti ossidano l'ammoniaca in acido nitroso e nitrico, i batteri del ferro convertono il ferro ferroso in ferro ferrico, i batteri dello zolfo ossidano l'idrogeno solforato in zolfo o acido solforico. Tutte queste reazioni liberano energia, che viene successivamente utilizzata per la sintesi di sostanze organiche. Solo alcuni tipi di batteri sono capaci di chemiosintesi. I batteri chemiosintetici non producono ossigeno atmosferico e non accumulano grandi quantità di biomassa, ma distruggono le rocce, partecipano alla formazione di minerali e trattano le acque reflue. Il ruolo biogeochimico della chemiosintesi è quello di garantire il ciclo dell'azoto, dello zolfo, del ferro e di altri elementi presenti in natura.

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Fotosintesi- il processo di sintesi di sostanze organiche utilizzando l'energia luminosa. Gli organismi in grado di sintetizzare sostanze organiche da composti inorganici sono detti autotrofi. La fotosintesi è caratteristica solo delle cellule di organismi autotrofi. Gli organismi eterotrofi non sono in grado di sintetizzare sostanze organiche da composti inorganici.
Le cellule delle piante verdi e di alcuni batteri hanno strutture speciali e complessi di sostanze chimiche che consentono loro di catturare energia dalla luce solare.

Il ruolo dei cloroplasti nella fotosintesi

Le cellule vegetali contengono formazioni microscopiche: i cloroplasti. Questi sono organelli in cui l'energia e la luce vengono assorbite e convertite nell'energia dell'ATP e di altre molecole: portatori di energia. La grana dei cloroplasti contiene la clorofilla, una sostanza organica complessa. La clorofilla cattura l'energia luminosa per utilizzarla nella biosintesi del glucosio e di altre sostanze organiche. Nei cloroplasti si trovano anche gli enzimi necessari per la sintesi del glucosio.

Fase leggera della fotosintesi

Un quanto di luce rossa assorbito dalla clorofilla trasferisce l'elettrone in uno stato eccitato. Un elettrone eccitato dalla luce acquisisce una grande quantità di energia, a seguito della quale si sposta a un livello energetico più elevato. Un elettrone eccitato dalla luce può essere paragonato ad una pietra sollevata in grande altezza, che acquisisce anche energia potenziale. Lo perde, cadendo dall'alto. L'elettrone eccitato, come se fosse a passi, si muove lungo una catena di composti organici complessi incorporati nel cloroplasto. Passando da una fase all'altra, l'elettrone perde energia, che viene utilizzata per la sintesi dell'ATP. L'elettrone che ha sprecato energia ritorna nella clorofilla. Una nuova porzione di energia luminosa eccita nuovamente l'elettrone della clorofilla. Segue nuovamente lo stesso percorso, spendendo energia nella formazione di molecole di ATP.
Gli ioni idrogeno e gli elettroni, necessari per il ripristino delle molecole che trasportano energia, si formano dalla scissione delle molecole d'acqua. La scomposizione delle molecole d'acqua nei cloroplasti viene effettuata da una proteina speciale sotto l'influenza della luce. Questo processo si chiama fotolisi dell'acqua.
Pertanto, l’energia della luce solare viene utilizzata direttamente dalla cellula vegetale per:
1. eccitazione degli elettroni della clorofilla, la cui energia viene ulteriormente spesa per la formazione di ATP e altre molecole portatrici di energia;
2. fotolisi dell'acqua, fornendo ioni idrogeno ed elettroni alla fase leggera della fotosintesi.
Questo rilascia ossigeno come sottoprodotto delle reazioni di fotolisi. Lo stadio durante il quale, a causa dell'energia della luce, si formano composti ricchi di energia: ATP e molecole che trasportano energia, chiamato fase leggera della fotosintesi.

Fase oscura della fotosintesi

I cloroplasti contengono zuccheri a cinque atomi di carbonio, uno dei quali ribulosio difosfato, è un accettore di anidride carbonica. Uno speciale enzima lega lo zucchero a cinque atomi di carbonio con l'anidride carbonica presente nell'aria. In questo caso si formano composti che, utilizzando l'energia dell'ATP e di altre molecole portatrici di energia, si riducono a una molecola di glucosio a sei atomi di carbonio. Pertanto, l'energia luminosa convertita durante la fase luminosa in energia di ATP e altre molecole portatrici di energia viene utilizzata per la sintesi del glucosio. Questi processi possono avvenire nell'oscurità.
È stato possibile isolare i cloroplasti dalle cellule vegetali, che in una provetta, sotto l'influenza della luce, effettuavano la fotosintesi: formavano nuove molecole di glucosio e assorbivano anidride carbonica. Se si interrompeva l'illuminazione dei cloroplasti, si interrompeva anche la sintesi del glucosio. Tuttavia, se ai cloroplasti si aggiungessero ATP e molecole portatrici di energia ridotta, la sintesi del glucosio riprenderebbe e potrebbe procedere al buio. Ciò significa che la luce è in realtà necessaria solo per sintetizzare l’ATP e caricare le molecole che trasportano energia. Assorbimento dell'anidride carbonica e formazione di glucosio nelle piante chiamato fase oscura della fotosintesi perché può camminare al buio.
L'illuminazione intensa e l'aumento del contenuto di anidride carbonica nell'aria portano ad una maggiore attività di fotosintesi.

Fotosintesiè il processo di sintesi delle sostanze organiche da quelle inorganiche utilizzando l'energia luminosa. Nella stragrande maggioranza dei casi, la fotosintesi viene effettuata dalle piante utilizzando organelli cellulari come cloroplasti contenente pigmento verde clorofilla.

Se le piante non fossero in grado di sintetizzare la materia organica, quasi tutti gli altri organismi sulla Terra non avrebbero nulla da mangiare, poiché animali, funghi e molti batteri non possono sintetizzare sostanze organiche da quelle inorganiche. Assorbono solo quelli già pronti, li dividono in quelli più semplici, dai quali assemblano nuovamente quelli complessi, ma già caratteristici del loro corpo.

Questo è il caso se parliamo molto brevemente della fotosintesi e del suo ruolo. Per comprendere la fotosintesi occorre dire di più: quali specifiche sostanze inorganiche vengono utilizzate, come avviene la sintesi?

La fotosintesi richiede due sostanze inorganiche: anidride carbonica (CO 2) e acqua (H 2 O). Il primo viene assorbito dall'aria dalle parti fuori terra delle piante principalmente attraverso gli stomi. L'acqua proviene dal suolo, da dove viene consegnata alle cellule fotosintetiche dal sistema di conduzione della pianta. Inoltre, la fotosintesi richiede l'energia dei fotoni (hν), ma non possono essere attribuiti alla materia.

In totale, la fotosintesi produce materia organica e ossigeno (O2). Tipicamente, la materia organica molto spesso significa glucosio (C 6 H 12 O 6).

I composti organici sono composti principalmente da atomi di carbonio, idrogeno e ossigeno. Si trovano nell'anidride carbonica e nell'acqua. Tuttavia, durante la fotosintesi, viene rilasciato ossigeno. I suoi atomi sono presi dall'acqua.

In breve e in generale, l'equazione per la reazione della fotosintesi è solitamente scritta come segue:

6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2

Ma questa equazione non riflette l'essenza della fotosintesi e non la rende comprensibile. Guarda, sebbene l'equazione sia equilibrata, in essa il numero totale di atomi nell'ossigeno libero è 12. Ma abbiamo detto che provengono dall'acqua e ce ne sono solo 6.

La fotosintesi, infatti, avviene in due fasi. Si chiama il primo leggero, secondo - buio. Tali nomi sono dovuti al fatto che la luce è necessaria solo per la fase luminosa, la fase oscura è indipendente dalla sua presenza, ma ciò non significa che avvenga nell'oscurità. La fase luminosa si verifica sulle membrane dei tilacoidi del cloroplasto e la fase oscura si verifica nello stroma del cloroplasto.

Durante la fase luminosa non avviene il legame della CO2. Tutto ciò che avviene è la cattura dell'energia solare da parte dei complessi della clorofilla, la sua conservazione nell'ATP e l'uso dell'energia per ridurre il NADP a NADP*H 2 . Il flusso di energia dalla clorofilla eccitata dalla luce è fornito da elettroni trasmessi lungo la catena di trasporto degli enzimi incorporata nelle membrane tilacoidi.

L'idrogeno per il NADP proviene dall'acqua, che viene decomposta dalla luce solare in atomi di ossigeno, protoni di idrogeno ed elettroni. Questo processo si chiama fotolisi. L'ossigeno dell'acqua non è necessario per la fotosintesi. Gli atomi di ossigeno di due molecole d'acqua si combinano per formare ossigeno molecolare. L'equazione di reazione per la fase leggera della fotosintesi assomiglia brevemente a questa:

H2O + (ADP+P) + NADP → ATP + NADP*H2 + ½O2

Pertanto, il rilascio di ossigeno avviene durante la fase leggera della fotosintesi. Il numero di molecole di ATP sintetizzate da ADP e acido fosforico per fotolisi di una molecola d'acqua può essere diverso: uno o due.

Quindi, ATP e NADP*H 2 provengono dalla fase luminosa alla fase oscura. Qui l'energia della prima e il potere riducente della seconda vengono spese per legare l'anidride carbonica. Questa fase della fotosintesi non può essere spiegata in modo semplice e conciso perché non procede in modo tale che sei molecole di CO 2 si combinino con l'idrogeno rilasciato dalle molecole NADP*H 2 per formare glucosio:

6CO2 + 6NADP*H2 →C6H12O6 + 6NADP
(la reazione avviene con il dispendio energetico di ATP, che si scompone in ADP e acido fosforico).

La reazione data è solo una semplificazione per renderla più facile da capire. Le molecole di anidride carbonica, infatti, si legano una alla volta, unendosi alla sostanza organica a cinque atomi di carbonio già preparata. Si forma una sostanza organica instabile a sei atomi di carbonio, che si scompone in molecole di carboidrati a tre atomi di carbonio. Alcune di queste molecole vengono utilizzate per risintetizzare la sostanza originale a cinque atomi di carbonio per legare la CO 2 . Questa risintesi è assicurata Ciclo di Calvino. Una minoranza di molecole di carboidrati contenenti tre atomi di carbonio escono dal ciclo. Da loro e da altre sostanze vengono sintetizzate tutte le altre sostanze organiche (carboidrati, grassi, proteine).

Cioè, infatti, dalla fase oscura della fotosintesi escono gli zuccheri a tre atomi di carbonio, non il glucosio.

Fotosintesi è un insieme di processi per la sintesi di composti organici da inorganici dovuti alla conversione dell'energia luminosa nell'energia dei legami chimici. Gli organismi fototrofici includono piante verdi, alcuni procarioti: cianobatteri, batteri solforati viola e verdi e flagellati vegetali.

Le ricerche sul processo della fotosintesi iniziarono nella seconda metà del XVIII secolo. Un'importante scoperta è stata fatta dall'eccezionale scienziato russo K. A. Timiryazev, che ha confermato la dottrina del ruolo cosmico delle piante verdi. Le piante assorbono la luce solare e convertono l'energia luminosa nell'energia dei legami chimici dei composti organici da loro sintetizzati. Pertanto, garantiscono la conservazione e lo sviluppo della vita sulla Terra. Lo scienziato ha anche dimostrato teoricamente e sperimentalmente il ruolo della clorofilla nell'assorbimento della luce durante la fotosintesi.

Le clorofille sono i principali pigmenti fotosintetici. Sono simili nella struttura all'emoglobina eme, ma contengono magnesio invece del ferro. Il contenuto di ferro è necessario per garantire la sintesi delle molecole di clorofilla. Esistono diverse clorofille che differiscono nella loro struttura chimica. Obbligatorio per tutti i fototrofi è clorofilla A . ClorofillaB si trova nelle piante verdi clorofilla c – nelle diatomee e nelle alghe brune. Clorofilla d caratteristico delle alghe rosse.

I batteri fotosintetici verdi e viola hanno speciali batterioclorofille . La fotosintesi batterica ha molto in comune con la fotosintesi vegetale. Differisce in quanto nei batteri il donatore di idrogeno è l'idrogeno solforato e nelle piante è l'acqua. I batteri verdi e viola non hanno il fotosistema II. La fotosintesi batterica non è accompagnata dal rilascio di ossigeno. L’equazione generale per la fotosintesi batterica è:

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

La fotosintesi si basa sul processo redox. È associato al trasferimento di elettroni dai composti che forniscono donatori di elettroni ai composti che li accettano - accettori. L'energia luminosa viene convertita nell'energia dei composti organici sintetizzati (carboidrati).

Ci sono strutture speciali sulle membrane dei cloroplasti - centri di reazione che contengono clorofilla. Nelle piante verdi e nei cianobatteri ce ne sono due fotosistemi – prima io) E secondo (II) , che hanno diversi centri di reazione e sono interconnessi tramite un sistema di trasferimento di elettroni.

Due fasi della fotosintesi

Il processo di fotosintesi consiste di due fasi: luce e buio.

Si verifica solo in presenza di luce sulle membrane interne dei mitocondri nelle membrane di strutture speciali - tilacoidi . I pigmenti fotosintetici catturano i quanti di luce (fotoni). Ciò porta alla “eccitazione” di uno degli elettroni della molecola di clorofilla. Con l'aiuto di molecole trasportatrici, l'elettrone si sposta sulla superficie esterna della membrana tilacoide, acquisendo una certa energia potenziale.

Questo elettrone entra fotosistema I può tornare al suo livello di energia e ripristinarlo. Può essere trasmesso anche il NADP (nicotinammide adenina dinucleotide fosfato). Interagendo con gli ioni idrogeno, gli elettroni ripristinano questo composto. Il NADP ridotto (NADP H) fornisce idrogeno per ridurre la CO 2 atmosferica in glucosio.

Processi simili si verificano in fotosistema II . Gli elettroni eccitati possono essere trasferiti al fotosistema I e ripristinarlo. Il ripristino del fotosistema II avviene grazie agli elettroni forniti dalle molecole d'acqua. Le molecole d’acqua si dividono (fotolisi dell'acqua) in protoni di idrogeno e ossigeno molecolare, che viene rilasciato nell'atmosfera. Gli elettroni vengono utilizzati per ripristinare il fotosistema II. Equazione della fotolisi dell'acqua:

2Ý 2 0 → 4Ý + + 0 2 + 2е.

Quando gli elettroni dalla superficie esterna della membrana tilacoide ritornano al livello energetico precedente, l'energia viene rilasciata. Viene immagazzinato sotto forma di legami chimici di molecole di ATP, che vengono sintetizzate durante le reazioni in entrambi i fotosistemi. Viene chiamato il processo di sintesi dell'ATP con ADP e acido fosforico fotofosforilazione . Parte dell'energia viene utilizzata per far evaporare l'acqua.

Durante la fase leggera della fotosintesi si formano composti ricchi di energia: ATP e NADP H. Durante la decomposizione (fotolisi) delle molecole d'acqua, l'ossigeno molecolare viene rilasciato nell'atmosfera.

Le reazioni avvengono nell'ambiente interno dei cloroplasti. Possono verificarsi sia in presenza di luce che senza di essa. Le sostanze organiche vengono sintetizzate (la C0 2 viene ridotta a glucosio) utilizzando l'energia che si è formata nella fase luminosa.

Il processo di riduzione dell'anidride carbonica è ciclico e si chiama Ciclo di Calvino . Prende il nome dal ricercatore americano M. Calvin, che scoprì questo processo ciclico.

Il ciclo inizia con la reazione dell'anidride carbonica atmosferica con il ribulosio bifosfato. Il processo è catalizzato da un enzima carbossilasi . Il ribulosio bifosfato è uno zucchero a cinque atomi di carbonio combinato con due unità di acido fosforico. Si verificano numerose trasformazioni chimiche, ciascuna delle quali è catalizzata dal proprio enzima specifico. Come si forma il prodotto finale della fotosintesi? glucosio e anche il ribulosio bifosfato viene ridotto.

L’equazione generale del processo di fotosintesi è:

6C0 2 + 6H 2 0 → C 6 H 12 O 6 + 60 2

Grazie al processo di fotosintesi, l'energia luminosa del Sole viene assorbita e convertita nell'energia dei legami chimici dei carboidrati sintetizzati. L'energia viene trasferita attraverso le catene alimentari agli organismi eterotrofi. Durante la fotosintesi, l'anidride carbonica viene assorbita e l'ossigeno viene rilasciato. Tutto l’ossigeno atmosferico è di origine fotosintetica. Ogni anno vengono rilasciati oltre 200 miliardi di tonnellate di ossigeno libero. L'ossigeno protegge la vita sulla Terra dalle radiazioni ultraviolette creando uno scudo di ozono nell'atmosfera.

Il processo di fotosintesi è inefficace, poiché solo l'1-2% dell'energia solare viene convertita in materia organica sintetizzata. Ciò è dovuto al fatto che le piante non assorbono abbastanza luce, parte di essa viene assorbita dall'atmosfera, ecc. La maggior parte della luce solare viene riflessa dalla superficie della Terra nello spazio.