Korisni savjeti

Kako pokazati da je kisik nusprodukt fotosinteze

Pin
Send
Share
Send
Send


Pogledajte okolo! Možda je u svakoj kući barem jedna zelena biljka, a izvan prozora je nekoliko stabala ili grmlja. Zahvaljujući složenom kemijskom procesu fotosinteze koji se događa u njima postalo je moguće rađanje života na Zemlji i postojanje čovjeka. Analizirat ćemo povijest njegovog otkrića, suštinu procesa i reakcije koje se događaju u različitim fazama.

Povijest otkrića fotosinteze

Trenutno se učenici prvi put upoznaju sa složenim procesima fotosinteze već u 6. razredu.

No, prije 300-400 godina, odgovor na pitanje "odakle biljke dobijaju hranjive tvari za izgradnju svojih stanica?" Okupirao je umove znanstvenika širom svijeta.

Prvi i očiti odgovor bio je onaj na zemlji. No, još 1600. godine, flamanski znanstvenik Jan Baptiste van Helmont odlučio je testirati utjecaj tla na rast biljaka i proveo jedinstveni eksperiment u svojoj jednostavnosti. Prirodnjak je uzeo grančicu vrbe i bačvu tla. Prethodno ih vagati. A onda je zasadio vrbovu pucanj u bačvu s tlom.

Pet dugih godina van Helmont je zalijevao mlado stablo samo kišnicom. Pet godina kasnije, iskopao je stablo i opet odvojeno vagao stablo i tlo odvojeno. Zamislite njegovo iznenađenje kad je vaga pokazala da je stablo povećalo svoju težinu gotovo trideset puta i uopće nije nalikovalo na skromnu grančicu koja je posađena u kadi. A težina tla smanjila se za samo 56 grama.

Znanstvenica je zaključila. da tlo praktički ne daje biljni materijal biljkama, a biljka prima sve potrebne tvari iz vode.

Nakon Van Helmonda, razni su znanstvenici ponovili svoje iskustvo, i razvila se takozvana „teorija vode o prehrani biljaka“.

Jedan od onih koji su pokušali prigovoriti ovoj teoriji bio je M.V. Lomonosov. I svoje prigovore izgradio je na činjenici da visoka, snažna stabla rastu na praznim, oskudnim sjevernim krajevima s rijetkom kišom. Mihail Vasiljevič sugerirao je da se neki dio hranjivih sastojaka biljke apsorbira kroz lišće, ali eksperimentalno nije mogao dokazati svoju teoriju.

I kao što je to često slučaj u znanosti, Njegovo Veličanstvo pomoglo je šansama.

Jednom nemarni miš, koji je odlučio profitirati od crkvenih potrepština, slučajno je prebacio limenku i bio je zarobljen. I nakon nekog vremena umrla je. Na našu sreću, Joseph Priestley, koji nije bio samo svećenik, već i kemijski znanstvenik, pronašao je ovog miša u banci i bio je vrlo zainteresiran za kemiju plina i načine čišćenja lošeg zraka. I ovdje crkveni miševi nisu imali sreće. Postali su sudionici u različitim eksperimentima engleskog znanstvenika.

Joseph Priestley je stavio zapaljenu svijeću ispod jedne limenke, a miša posađenu u drugu. Svijeća je trula, glodavac je umirao.

U naše bi vrijeme branitelji zoološkog vrta smjestili u banku, ali daleke 1771. godine nitko nije smetao znanstveniku da nastavi svoje eksperimente. Priestley je stavio miša u staklenku u kojoj je svijeća već bila ugašena. Životinja je umrla još brže.

A tada je Priestley zaključio da je Bog, budući da sve život na Zemlji još nije propao, smislio određeni postupak tako da je zrak opet bio pogodan za život. I najvjerojatnije, glavna uloga u njemu pripada biljkama.

Da bi to dokazao, znanstvenik je uzeo zrak iz limenke u kojoj je umro miš i podijelio ga na dva dijela. U jednu je staklenku stavio mentu u lonac. A druga je banka čekala u krilima. Nakon 8 dana, biljka ne samo da nije umrla, nego je čak pustila nekoliko novih izdanaka. I opet je glodavce stavio u staklenke. U onom gdje je metvica rasla, miš je bio snažan i imao je zalogaj lišća. A u onom gdje nije bilo metvice - gotovo je odmah ležalo leš mrtvog miša.


Priestleyevi pokusi nadahnuli su znanstvenike, a širom svijeta počeli su hvatati male glodavce i pokušati ponoviti njegove eksperimente.

Ali sjećamo se da je Priestley bio svećenik i cijeli je dan, do večernje službe, mogao raditi istraživanje.

A Karl Scheele, farmaceut iz Švicarske, eksperimentirao je u svom kućnom laboratoriju u slobodno vrijeme, tj. noću, a miševi su umrli od njega bez obzira na prisustvo mente u banci. Kao rezultat njegovih pokusa, pokazalo se da biljke ne poboljšavaju zrak, već ga čine neprikladnim za život. A Scheele je optužila Priestleya da je prevario znanstvenu zajednicu. Priestley nije popuštao, a kao rezultat sukoba znanstvenika, ustanovljeno je da biljkama treba sunčeva svjetlost da obnove zrak.

Upravo su ti eksperimenti postavili temelj za proučavanje fotosinteza.

Brzo se nastavilo proučavanje fotosinteze. Već 1782., samo 11 godina nakon Priestleyeva istraživanja, švicarski botaničar Jean Senebier dokazao je da biljni organoidi razgrađuju ugljični dioksid u prisutnosti sunčeve svjetlosti. I gotovo stotinu godina neuspjelih i uspješnih pokusa bilo je potrebno znanstvenicima raznih specijalnosti, tako da je 1864. njemački znanstvenik Julius Sachs mogao dokazati da biljke troše ugljični dioksid i emitiraju kisik u omjeru 1: 1.

Važnost fotosinteze za život na Zemlji

I sada postaje jasno važnost procesa fotosinteze za život na zemlji. Zahvaljujući ovom složenom kemijskom procesu, rođenje života na zemlji i postojanje čovjeka postalo je moguće.

Netko može prigovoriti da na Zemlji postoje mjesta na kojima ne rastu ni drveće ni grmlje, na primjer, pustinje ili arktički led. Znanstvenici su dokazali da udio kisika koji se oslobađa u zelenoj masi šuma, grmlja i trava - to jest biljaka koje žive na površini kopna - čini samo oko 20% razmjene plina, a 80% kisika čini najmanje alge i oceanske alge, koje su struje zraka prevoze se diljem planeta, omogućujući životinjama da dišu u ekstremnim, gotovo lišenim vegetacijskim dijelovima našeg nevjerojatnog planeta.

Zahvaljujući fotosintezi, oko našeg planeta formirao se zaštitni ozonski ekran koji štiti sav život na zemlji od kozmičke i sunčeve radijacije, a živi organizmi su mogli sletjeti na kopno iz dubina oceana.

Više informacija o "velikoj revoluciji kisika" može se naći u udžbeniku "Biologija 10-11 razreda" koji je uredio A.A. Kamenskog na portalu LECTA.

Nažalost, trenutno ne samo živa bića troše kisik, već i industriju. Tropske šume uništavaju se, oceani zagađuju, što dovodi do smanjenja razmjene plina i povećanja nedostatka kisika.

Definicija i formula fotosinteze

Definicija i formula fotosinteze

Riječ fotosinteza sastoji se od dva dijela: foto - "svjetlo" i sinteza - "veza", "stvaranje". Ako definiciji pristupimo na pojednostavljen način, onda je fotosinteza pretvaranje svjetlosne energije u energiju složenih kemijskih veza organskih tvari uz sudjelovanje fotosintetskih pigmenata. Zelene biljke fotosinteza se javlja u kloroplasta.

Shema fotosintezenaizgled jednostavno:

Voda + kvant svjetlosti + ugljični dioksid → kisik + ugljikohidrat

ili (jezikom formula):

Ako kopate malo dublje i gledate list elektronskim mikroskopom, ispostavit će se iznenađujuća stvar: voda i ugljični dioksid ne djeluju izravno jedni s drugima u nijednom od strukturnih dijelova lista.

Faze fotosinteze

Ne samo biljke su sposobne za fotosintezu, već i mnoge jednoćelijske životinje zahvaljujući posebnim organoidima koji se nazivaju kloroplasti.

Kloroplasti su zeleni plastidi fotosintetskih eukariota. Sastav kloroplasta uključuje:

  1. dvije membrane
  2. hrpe granula
  3. tilakoidni diskovi,
  4. stroma - unutarnja tvar kloroplasta,
  5. lumen je unutarnja supstanca tilakoida.

Složeni proces fotosinteze sastoji se od dvije faze: svijetla i tamna. Kao što naziv govori, svjetlosna (ovisno o svjetlu) faza događa se s sudjelovanjem kvanta svjetlosti. ime tamna faza ne znači da se proces odvija u mraku. Preciznija je definicija svjetlo neovisno, tj za reakcije koje se događaju u ovoj fazi svjetlost nije potrebna, ali istodobno teče samo sa svjetlom, samo u drugim dijelovima kloroplasta.

Mnogi čine pogrešku govoreći da u procesu fotosinteze biljke proizvode kisik toliko potreban čovječanstvu. U stvari fotosinteza je sinteza ugljikohidrata (npr. glukoza) i kisik je samo nusprodukt reakcije.

Lagana faza fotosinteze

Lagana faza fotosinteze događa se na membranama tilakoida. Foton svjetlosti, koji pada na klorofil, uzbuđuje ga i oslobađaju se elektroni, a na membrani se akumuliraju negativno nabijeni elektroni. Nakon što je klorofil izgubio sve svoje elektrone, kvant svjetlosti nastavlja djelovati na vodu, uzrokujući fotolizu H2O.

Pozitivno nabijeni protoni vodika akumuliraju se na unutarnjoj tilakoidnoj membrani.

To rezultira sendvičem: s jedne strane negativno nabijeni elektroni klorofila, s druge - pozitivno nabijeni protoni vodika, a između njih je unutarnja membrana tilakoida.

Hidroksilni ioni idu u proizvodnju kisika:

Kad broj protona vodika i elektrona dosegne maksimum, pokreće se poseban nosač - ATP sintaza. ATP sintaza gura vodikove protone u stromu, gdje ih skuplja poseban nosač nikotinamid dinukleotid fosfat ili skraćeno NADP, NADP je specifični nosilac vodikovih protona u reakcijama s ugljikohidratima.

Prolazak vodikovih protona kroz ATP sintazu popraćen je sintezom ATP molekula iz ADP-a i fosfata ili fotofosforilacijom, za razliku od oksidacijske fosforilacije.

U ovom trenutku, svjetlosna faza fotosinteze se završava, a NADPH + i ATP prelaze u tamnu fazu.

Ponovimo ključne procese svjetlosne faze fotosinteze:

  1. Foton ulazi u klorofil s oslobađanjem elektrona.
  2. Fotoliza vode.
  3. Evolucija kisika.
  4. Akumulacija NADPH +.
  5. Akumulacija ATP-a.

U nekim biljkama fotosinteza slijedi pojednostavljenu verziju koja se naziva „ciklična fosforilacija“, a taj se postupak analizira u udžbeniku „Biologija 10-11 razreda“ koji je na portalu LECTA uredio A. A. Kamensky.

Ciklički transport elektrona

Takozvani su tzv neciklička svjetlosna faza fotosinteze, Ima ih još ciklički transport elektrona kada se ne dogodi oporavak NADP, U ovom slučaju, elektroni iz fotosistema odlazim u lanac nosača, gdje se sintetizira ATP. Odnosno, ovaj lanac transporta elektrona prima elektrone iz fotosistema I, a ne II. Prvi fotosustav, kao da provodi ciklus: emitirani elektroni se vraćaju u njega. Na putu troše dio svoje energije na ATP sintezu.

Fotofosforilacija i oksidativna fosforilacija

Svjetlosna faza fotosinteze može se usporediti sa stadijem staničnog disanja - oksidacijskom fosforilacijom koja nastaje na mitohondrijskim kristama. I tu dolazi do sinteze ATP-a zbog prijenosa elektrona i protona duž lanca nosača. Međutim, u slučaju fotosinteze energija se pohranjuje u ATP ne za potrebe stanice, već uglavnom za potrebe tamne faze fotosinteze. I dok je organska tvar početni izvor energije za disanje, u fotosintezi je to sunčeva svjetlost. Naziva se sinteza ATP u fotosintezi photophosphorylationa ne oksidativna fosforilacija.

Tamna faza fotosinteze

Po prvi put su tamnu fazu fotosinteze detaljno proučavali Calvin, Benson, Bessem. Otkriveni reakcijski ciklus kasnije je nazvan Calvin ciklus, ili C3-fotosintezom. U određenim skupinama biljaka primjećuje se modificirani put fotosinteze - C4, koji se također naziva ciklus Hatch-Slack.

U reakcijama tamne fotosinteze CO je fiksiran2. U stromi kloroplasta događa se tamna faza.

Oporavak CO2 nastaje zbog ATP energije i NADP · H restorativne sile2nastaju u svjetlosnim reakcijama. Bez njih ne dolazi do fiksacije ugljika. Stoga, iako tamna faza nije izravno ovisna o svjetlosti, već se obično događa i na svjetlosti.

Calvin ciklus

Prva reakcija tamne faze je dodavanje CO2 (karbonizacijae) do 1,5-ribuloza-bisfosfat (ribuloza-1,5-difosfat) – RiBF, Potonja je dvostruka fosforilirana riboza. Ovu reakciju katalizira enzim ribuloza-1,5-difosfat karboksilaza, također nazvan Rubisco.

Kao rezultat karboksilacije nastaje nestabilan šest-ugljični spoj koji se kao rezultat hidrolize raspada na dvije molekule od tri ugljika fosfoglicerinska kiselina (FGK) - prvi proizvod fotosinteze. FGK se također naziva fosfoglicerat.

FGK sadrži tri atoma ugljika, od kojih je jedan dio kisele karboksilne skupine (-COOH):

Tri ugljikov šećer (gliceraldehid fosfat) nastaje iz FGC-a triozni fosfat (TF)uključujući aldehidnu skupinu (-CHO):

FGK (3-kiselina) → TF (3-šećer)

Na ovu reakciju troši se energija ATP-a i reducirajuća sila NADP · H.2, TF je prvi ugljikohidrat u fotosintezi.

Nakon toga, najveći dio triozofosfata troši se na regeneraciju ribuloza bisfosfata (RiBP), koji se ponovo koristi za vezanje CO2, Regeneracija uključuje brojne reakcije koje uključuju ATP po cijeni, u kojima su uključeni šećerni fosfati s brojem ugljikovih atoma od 3 do 7.

Ovaj ciklus RiBF-a je ciklus Calvin.

Manji dio TF formiranog u njemu napušta Calvin ciklus. U pogledu 6 vezanih molekula ugljičnog dioksida, prinos je 2 triosofosfatne molekule. Ukupna reakcija ciklusa s ulaznim i izlaznim proizvodima:

Istovremeno, 6 molekula RiBP sudjeluje u vezanju i nastaje 12 molekula FGC, koji se pretvaraju u 12 TF-a, od kojih 10 molekula ostaje u ciklusu i pretvara se u 6 RiBP molekula. Budući da je TF šećer s tri ugljika, a RiBP pet ugljikov, imamo u odnosu na atome ugljika: 10 * 3 = 6 * 5. Broj ugljikovih atoma koji osiguravaju ciklus se ne mijenja, obnavlja se sav potreban RiBP. I šest molekula ugljičnog dioksida uključenih u ciklus troši se na stvaranje dvije molekule triozofosfata koje napuštaju ciklus.

Po ciklusu Calvina po 6 vezanih molekula CO2 potrebno je 18 ATP molekula i 12 NADP · H molekula2koje su sintetizirane u reakcijama svjetlosne faze fotosinteze.

Proračun se provodi na dvije molekule triosofosfata koje napuštaju ciklus, jer naknadno formirana molekula glukoze uključuje 6 atoma ugljika.

Triozni fosfat (TF) konačni je proizvod Calvin ciklusa, ali teško ga je nazvati konačnim proizvodom fotosinteze, jer se gotovo ne akumulira, ali kad reagira s drugim tvarima, pretvara se u glukozu, saharozu, škrob, masti, masne kiseline, aminokiseline. Osim TF-a, FGC igra važnu ulogu. Međutim, takve se reakcije događaju ne samo u fotosintetskim organizmima. U tom je smislu tamna faza fotosinteze ista kao i Calvin ciklus.

Šesto ugljični šećer nastaje iz FGC-a postupnom enzimskom katalizom fruktoza-6-fosfatkoja se pretvara u glukoza, U biljkama glukoza može polimerizirati u škrob i celulozu. Sinteza ugljikohidrata slična je procesu obrnute glikolize.

Biokemija fotosinteze

Za opis proces fotosinteze Sljedeća jednadžba je obično korištena:

U ovom obliku jednadžba je pogodna za upotrebu ako je potrebno pokazati formaciju jednostruka molekula šećeraMeđutim, ovo je samo sažeti prikaz mnogih događaja. Pogodniji oblik pisanja je jednadžba:

CH spojevi2Oh, ne postoji u prirodi, to je samo simbol bilo kojeg ugljikohidrata.

Izvor kisika

Gledajući ukupno jednadžba fotosinteze, imamo pravo postaviti pitanje: koja kombinacija - ugljični dioksid ili voda - služi kao izvor kisika? Čini se da je najočitiji odgovor da je ugljični dioksid takav izvor. Tada za stvaranje ugljikohidrata, preostali ugljik treba pridružiti samo vodi. Točan odgovor dobio je četrdesetih godina XX stoljeća, kada su izotopi bili na raspolaganju biolozima.

Uobičajeni izotop kisika ima masni broj 16 i označen je kao 16 O (8 protona, 8 neutrona). Još uvijek postoji rijedak izotop s masnim brojem 18 (18 O). Ovo je stabilan izotop, ali zbog veće mase od 16 O, može se otkriti pomoću masenog spektrometra, analitičkog instrumenta koji vam omogućuje prepoznavanje razlika između atoma i molekula na temelju njihovih vrijednosti mase. 1941. godine proveden je eksperiment, čiji su rezultati sažeti u sljedeću jednadžbu:

Drugim riječima izvor kisika je voda. Kao rezultat, uravnotežena jednadžba izgleda kao:

Ovo je najtačnije. ekspresija procesa fotosinteze, što uz to, jasno pokazuje da se voda ne koristi samo u fotosintezi, već je i jedan od njenih proizvoda. Ovaj nam je eksperiment omogućio da duboko ugledamo u prirodu fotosinteze, pokazujući da se fotosinteza odvija u dvije faze, od kojih se prva sastoji u stvaranju vodika kao rezultat otapanja vode u vodik i kisik. Za to je potrebna energija koju daje svjetlost (stoga se postupak naziva fotoliza: fotografije - svjetlost, liza - cijepanje). Kisik se oslobađa kao nusproizvod. U drugom stupnju vodik djeluje s ugljičnim dioksidom kako bi tvorio šećer. Dodatak vodika je primjer reakcije kemijske redukcije.

činjenica što je fotosinteza dvostupanjski je proces, prvi put uspostavljen u dvadesetim i tridesetim godinama XX. stoljeća. Реакции первой стадии нуждаются в свете, поэтому они называются световыми реакциями.Reakcije drugog stupnja svjetlosti ne zahtijevaju, stoga ih nazivamo mračnim reakcijama, iako se javljaju na svjetlu! Utvrđeno je da se svjetlosne reakcije događaju na membranama kloroplasta, a tamne reakcije u strome kloroplasta.

Nakon što su to utvrdili tamne reakcije fotosinteze nastaju nakon svjetla, 1950-ih ostaje samo da otkriju prirodu tih reakcija.

Pin
Send
Share
Send
Send