Le foreste sono considerate i "polmoni verdi del pianeta" non invano. Cos'è la fotosintesi e come si verifica questo processo, considereremo in dettaglio.

Cos'è la fotosintesi?

Fotosintesi - un processo biochimico durante il quale sorgono quelli organici con l'aiuto di speciali pigmenti vegetali e energia leggera da sostanze inorganiche (anidride carbonica, acqua). Questo è uno dei processi più importanti a causa dei quali la maggior parte degli organismi è apparsa e continua ad esistere sul pianeta.

Fatto interessante: Le piante terrestri e le alghe verdi sono capaci di fotosintesi. In questo caso, le alghe (fitoplancton) producono l'80% di ossigeno.

L'importanza della fotosintesi per la vita sulla Terra

Senza fotosintesi, al posto di molti organismi viventi, sul nostro pianeta esisterebbero solo batteri. È l'energia ottenuta a seguito di questo processo chimico che ha permesso ai batteri di evolversi.

Qualsiasi processo naturale ha bisogno di energia. Lei viene dal sole. Ma la luce solare prende forma solo dopo essere stata trasformata dalle piante.

Le piante usano solo una parte dell'energia e il resto si accumulano in se stessi. Mangiano erbivori, che sono cibo per i predatori. Nel corso della catena, ogni anello riceve le sostanze preziose e l'energia necessarie.

L'ossigeno prodotto durante la reazione è necessario per far respirare tutte le creature. La respirazione è l'opposto della fotosintesi. In questo caso, la materia organica viene ossidata, distrutta. L'energia risultante viene utilizzata dagli organismi per svolgere vari compiti vitali.

Durante l'esistenza del pianeta, quando c'erano poche piante, l'ossigeno era praticamente assente. Le forme di vita primitive hanno ricevuto un minimo di energia in altri modi. Era troppo poco per lo sviluppo. Pertanto, respirare a causa dell'ossigeno ha aperto più opportunità.

Un'altra funzione della fotosintesi è la protezione degli organismi dall'esposizione alla luce ultravioletta. Questo è uno strato di ozono situato nella stratosfera ad un'altitudine di circa 20-25 km. Si forma a causa dell'ossigeno, che si trasforma in ozono sotto l'azione della luce solare. Senza questa protezione, la vita sulla Terra sarebbe limitata solo agli organismi sottomarini.

Gli organismi rilasciano anidride carbonica durante la respirazione. È un elemento essenziale della fotosintesi. Altrimenti, l'anidride carbonica si accumulerebbe semplicemente nell'atmosfera superiore, migliorando notevolmente l'effetto serra.

Questo è un grave problema ambientale, la cui essenza è di aumentare la temperatura dell'atmosfera con conseguenze negative. Questi includono il cambiamento climatico (riscaldamento globale), lo scioglimento dei ghiacciai, l'innalzamento del livello del mare, ecc.

Funzioni di fotosintesi:

• evoluzione dell'ossigeno;
• formazione di energia;
• formazione di nutrienti;
• la creazione dello strato di ozono.

Definizione e formula della fotosintesi

Il termine "fotosintesi" deriva da una combinazione di due parole: foto e sintesi. Tradotti dal greco antico, significano rispettivamente "luce" e "connessione". Pertanto, l'energia della luce viene convertita nell'energia dei legami delle sostanze organiche.

Schema:

Anidride carbonica + acqua + luce = carboidrati + ossigeno.

La formula scientifica per la fotosintesi:

6CO₂ + 6H₂O → C₆N₁₂DI₆ + 6O_2.

La fotosintesi si verifica in modo tale che il contatto diretto di acqua e CO₂ non visibile.

L'importanza della fotosintesi per le piante

Le piante richiedono materia organica, energia per la crescita e lo sviluppo. Grazie alla fotosintesi, si forniscono questi componenti. La creazione di sostanze organiche è l'obiettivo principale della fotosintesi per le piante e il rilascio di ossigeno è considerato una reazione laterale.

Fatto interessante: Le piante sono uniche perché non hanno bisogno di altri organismi per ottenere energia.Pertanto, formano un gruppo separato: gli autotrofi (tradotti dall'antica lingua greca "Io mangio me stesso").

Come avviene la fotosintesi?

La fotosintesi si svolge direttamente nelle parti verdi delle piante - cloroplasti. Fanno parte delle cellule vegetali. I cloroplasti contengono una sostanza: clorofilla. Questo è il principale pigmento fotosintetico, grazie ad esso si verifica l'intera reazione. Inoltre, la clorofilla determina il colore verde della vegetazione.

Questo pigmento è caratterizzato dalla capacità di assorbire la luce. E nelle cellule della pianta, viene lanciato un vero "laboratorio" biochimico, in cui acqua e CO₂ si trasforma in ossigeno, carboidrati.

L'acqua entra attraverso il sistema radicale della pianta e il gas penetra direttamente nelle foglie. La luce funge da fonte di energia. Quando una particella di luce agisce su una molecola di clorofilla, si verifica la sua attivazione. Nella molecola d'acqua H₂O ossigeno (O) rimane non reclamato. Quindi, diventa un sottoprodotto per le piante, ma così importante per noi, un prodotto di reazione.

Fasi di fotosintesi

La fotosintesi è divisa in due fasi: luce e buio. Si verificano contemporaneamente, ma in diverse parti del cloroplasto. Il nome di ogni fase parla da solo. La fase dipendente dalla luce o dalla luce si verifica solo con la partecipazione di particelle di luce. Nella fase oscura o non volatile, la luce non è richiesta.

Prima di esaminare ogni fase in modo più dettagliato, vale la pena comprendere la struttura del cloroplasto, poiché determina l'essenza e il luogo delle fasi. Il cloroplasto è una varietà di plastidi e si trova all'interno della cellula separatamente dagli altri suoi componenti. Ha la forma di un seme.

Componenti dei cloroplasti coinvolti nella fotosintesi:

• 2 membrane;
• stroma (fluido interno);
• tilacoidi;
• lumen (lacune all'interno dei tilacoidi).

Fase leggera della fotosintesi

Scorre sui tilacoidi, più precisamente, sulle loro membrane. Quando la luce li colpisce, gli elettroni carichi negativamente vengono rilasciati e accumulati. Pertanto, i pigmenti fotosintetici perdono tutti gli elettroni, dopo di che è il turno delle molecole d'acqua di decadere:

H₂O → H + + OH-

In questo caso, i protoni dell'idrogeno formati hanno una carica positiva e si accumulano sulla membrana interna del tilacoide. Di conseguenza, i protoni con una carica più e gli elettroni con una carica meno sono separati solo da una membrana.

L'ossigeno è prodotto come sottoprodotto:

4OH → O₂ + 2H₂O

Ad un certo momento, le fasi degli elettroni e dei protoni dell'idrogeno diventano troppe. Quindi l'enzima ATP sintasi entra nel lavoro. Il suo compito è trasferire i protoni dell'idrogeno dalla membrana tilosoidea al mezzo liquido cloroplastico, lo stroma.

In questa fase, l'idrogeno viene messo a disposizione di un altro vettore - NADP (abbreviazione di nicotinamidina nucleotide fosfato). È anche un tipo di enzima che accelera le reazioni ossidative nelle cellule. In questo caso, il suo compito è trasportare i protoni dell'idrogeno in una reazione di carboidrati.

In questa fase, si verifica il processo di fotofosfolazione, durante il quale viene generata un'enorme quantità di energia. La sua fonte è ATP - acido trifosforico di adenosina.

Breve schema:

1. Il colpo di un quanto di luce sulla clorofilla.
2. La selezione di elettroni.
3. L'evoluzione dell'ossigeno.
4. La formazione di NADPH ossidasi.
5. Produzione di energia ATP.

Fatto interessante: Esiste una pianta relitta chiamata Velvichia che cresce sulla costa africana dell'Oceano Atlantico. Questo è l'unico rappresentante di un tipo con un minimo di foglie capaci di fotosintesi. Tuttavia, l'età del Velvich raggiunge circa 2000 anni.

La fase oscura della fotosintesi

La fase indipendente dalla luce si verifica direttamente nello stroma. Rappresenta una serie di reazioni enzimatiche. L'anidride carbonica assorbita nella fase leggera si è dissolta in acqua e in questa fase è ridotta al glucosio. Vengono anche prodotte sostanze organiche complesse.

Le reazioni della fase oscura sono divise in tre tipi principali e dipendono dal tipo di piante (più precisamente, dal loro metabolismo), nelle cellule di cui si verifica la fotosintesi:

• CON₃-impianti;
• CON₄-impianti;
• Impianti CAM.

K C₃- Le piante includono la maggior parte delle colture agricole che crescono in climi temperati. Durante la fotosintesi, l'anidride carbonica diventa acido fosfoglicerico.

Le specie subtropicali e tropicali, principalmente erbacce, appartengono alle piante C4. Sono caratterizzati dalla trasformazione dell'anidride carbonica in ossaloacetato. Le piante CAM sono una categoria di piante prive di umidità. Differiscono in un tipo speciale di fotosintesi - CAM.

CON3-fotosintesi

Il più comune è C₃-fotografia, che è anche chiamata ciclo di Calvin - in onore dello scienziato americano Melvin Calvin, che ha dato un enorme contributo allo studio di queste reazioni e ha ricevuto il premio Nobel per questo.

Le piante sono chiamate C₃ a causa del fatto che durante le reazioni della fase oscura si formano molecole di 3 carbonio di acido 3-fosfoglicerico - 3-PGA. Vari enzimi sono direttamente coinvolti.

Perché si formi una molecola di glucosio completa, devono passare 6 cicli di reazioni della fase indipendente dalla luce. Il carboidrato è il prodotto principale della fotosintesi nel ciclo di Calvin, ma oltre a questo, vengono prodotti grassi e aminoacidi, nonché glicolipidi. C₃ la fotosintesi delle piante avviene esclusivamente nelle cellule della mesofilla.

Il principale svantaggio di C3fotosintesi

Impianti del gruppo C.₃sono caratterizzati da uno svantaggio significativo. Se l'umidità è insufficiente nell'ambiente, la capacità di fotosintesi è significativamente ridotta. Ciò è dovuto alla fotorespirazione.

Il fatto è che a una bassa concentrazione di anidride carbonica nei cloroplasti (inferiore a 50: 1 000 000), l'ossigeno viene fissato invece della fissazione del carbonio. Gli enzimi speciali rallentano significativamente e sprecano energia solare.

Allo stesso tempo, la crescita e lo sviluppo della pianta rallenta, poiché manca di materia organica. Inoltre, non vi è alcun rilascio di ossigeno nell'atmosfera.

Fatto interessante: La lumaca di mare Elysia chlorotica è un animale unico che fotosintetizza come le piante. Si nutre di alghe, i cui cloroplasti penetrano nelle cellule del tratto digestivo e vi fotosintetizzano lì per mesi. I carboidrati prodotti servono la lumaca come cibo.

Fotosintesi C4

A differenza di C₃-sintesi, qui le reazioni di fissazione dell'anidride carbonica vengono eseguite in varie cellule vegetali. Questi tipi di piante sono in grado di far fronte al problema della fotorespirazione e lo fanno con un ciclo a due stadi.

Da un lato, viene mantenuto un alto livello di anidride carbonica e, dall'altro, viene controllato un basso livello di ossigeno nei cloroplasti. Questa tattica consente alle piante C4 di evitare la respirazione fotografica e le difficoltà associate. I rappresentanti delle piante di questo gruppo sono canna da zucchero, mais, miglio, ecc.

Rispetto alle piante C₃ sono in grado di eseguire processi di fotosintesi in modo molto più intenso a condizione di alte temperature e mancanza di umidità. Nella prima fase, l'anidride carbonica è fissata nelle cellule della mesofilla, dove si forma l'acido 4-carbonico. Quindi l'acido passa nel guscio e si decompone in un composto a 3 atomi di carbonio e anidride carbonica.

Nella seconda fase, l'anidride carbonica ottenuta inizia a funzionare nel ciclo di Calvin, dove vengono prodotti gliceraldeide-3-fosfato e carboidrati, necessari per il metabolismo energetico.

A causa della fotosintesi in due fasi negli impianti C4, si forma una quantità sufficiente di anidride carbonica per il ciclo Kelvin. Pertanto, gli enzimi funzionano a pieno regime e non sprecano energia invano.

Ma questo sistema ha i suoi svantaggi. In particolare, viene consumata una maggiore quantità di energia ATP - è necessario per la trasformazione degli acidi a 4 atomi di carbonio in acidi a 3 atomi di carbonio e nella direzione opposta. Quindi C₃-La fotosintesi è sempre più produttiva di C4 con la giusta quantità di acqua e luce.

Cosa influenza il tasso di fotosintesi?

La fotosintesi può verificarsi a diverse velocità. Questo processo dipende dalle condizioni ambientali:

• acqua;
• lunghezza d'onda della luce;
• diossido di carbonio;
• temperatura.

L'acqua è un fattore fondamentale, quindi quando manca, le reazioni rallentano. Per la fotosintesi, le più favorevoli sono le onde dello spettro rosso e blu-viola. È anche preferibile un alto grado di illuminazione, ma solo a un certo valore: quando viene raggiunta, la connessione tra l'illuminazione e la velocità di reazione scompare.

Un'alta concentrazione di anidride carbonica fornisce rapidi processi fotosintetici e viceversa. Alcune temperature sono importanti per gli enzimi che accelerano le reazioni. Le condizioni ideali per loro sono circa 25-30 ℃.

Foto respiro

Tutti gli esseri viventi hanno bisogno di respirare e le piante non fanno eccezione. Tuttavia, questo processo in essi si verifica in modo leggermente diverso rispetto agli esseri umani e agli animali, motivo per cui si chiama fotorespirazione.

Generalmente, respiro - un processo fisico durante il quale un organismo vivente e il suo ambiente scambiano gas. Come tutti gli esseri viventi, le piante hanno bisogno di ossigeno per respirare. Ma lo consumano molto meno di quanto producano.

Durante la fotosintesi, che si verifica solo alla luce del sole, le piante creano cibo per se stesse. Durante la foto-respirazione, che viene effettuata tutto il giorno, questi nutrienti vengono assorbiti da essi al fine di supportare il metabolismo all'interno delle cellule.

Fatto interessante: durante una giornata di sole, un appezzamento di foresta di 1 ettaro consuma da 120 a 280 kg di anidride carbonica ed emette da 180 a 200 kg di ossigeno.

L'ossigeno (come l'anidride carbonica) penetra nelle cellule vegetali attraverso aperture speciali - stomi. Si trovano nella parte inferiore delle foglie. Circa 1000 stomi possono essere posizionati su un foglio.

Scambio di gas degli impianti a seconda dell'illuminazione

Il processo di scambio di gas a diversa illuminazione è presentato come segue:

1. Luce luminosa. L'anidride carbonica viene utilizzata durante la fotosintesi. Le piante producono più ossigeno di quanto consumino. Le sue eccedenze entrano nell'atmosfera. L'anidride carbonica viene consumata più velocemente di quanto viene rilasciato dalla respirazione. I carboidrati inutilizzati vengono immagazzinati dalla pianta per uso futuro.
2. Luce bassa. Lo scambio di gas con l'ambiente non si verifica, poiché la pianta consuma tutto l'ossigeno che produce.
3. Mancanza di luce. Si verificano solo processi di respirazione. L'anidride carbonica viene rilasciata e l'ossigeno viene consumato.

Chemosynthesis

Alcuni organismi viventi sono anche in grado di formare monocarboidrati dall'acqua e dall'anidride carbonica, mentre non hanno bisogno della luce solare. Questi includono batteri e il processo di conversione dell'energia si chiama chemosintesi.

chemosynthesis È un processo durante il quale viene sintetizzato il glucosio, ma al posto dell'energia solare vengono utilizzate sostanze chimiche. Scorre in aree con una temperatura sufficientemente elevata, adatta al funzionamento degli enzimi e in assenza di luce. Queste possono essere aree vicino a sorgenti idrotermali, perdite di metano nelle profondità marine, ecc.

La storia della scoperta della fotosintesi

La storia della scoperta e dello studio della fotosintesi risale al 1600, quando Jan Baptiste van Helmont decise di capire la domanda urgente in quel momento: da cosa mangiano le piante e da dove ottengono sostanze utili?

A quel tempo, si credeva che il suolo fosse una fonte di elementi preziosi. Lo scienziato ha messo un ramoscello di salice in un contenitore con terra, ma in precedenza ha misurato il loro peso. Per 5 anni si prese cura dell'albero, annaffiandolo, dopo di che eseguì di nuovo le procedure di misurazione.

Si è scoperto che il peso della terra è diminuito di 56 g, ma l'albero è diventato 30 volte più pesante. Questa scoperta ha smentito l'opinione secondo cui le piante si nutrono di suolo e ha dato origine a una nuova teoria: la nutrizione idrica.

In futuro, molti scienziati hanno provato a confutarlo.Ad esempio, Lomonosov riteneva che i componenti parzialmente strutturali entrassero nelle piante attraverso le foglie. È stato guidato da piante che crescono con successo in aree aride. Tuttavia, non è stato possibile provare questa versione.

La cosa più vicina al vero stato delle cose era Joseph Priestley, scienziato chimico e sacerdote part-time. Una volta scoprì un topo morto in un barattolo rovesciato e questo incidente lo costrinse a condurre una serie di esperimenti con roditori, candele e contenitori negli anni Settanta del Settecento.

Priestley ha scoperto che la candela si spegne sempre rapidamente se la copri con un barattolo sopra. Inoltre, un organismo vivente non può sopravvivere. Lo scienziato è giunto alla conclusione che ci sono alcune forze che rendono l'aria adatta alla vita e ha cercato di collegare questo fenomeno con le piante.

Ha continuato a organizzare esperimenti, ma questa volta ha cercato di posizionare una pentola con la menta crescente sotto un contenitore di vetro. Con grande sorpresa, la pianta ha continuato a svilupparsi attivamente. Quindi Priestley mise una pianta e un topo sotto un vaso e solo un animale sotto il secondo. Il risultato è evidente: sotto il primo carro armato, il roditore è rimasto illeso.

Il successo del chimico divenne la motivazione per altri scienziati di tutto il mondo a ripetere l'esperimento. Ma il problema era che il prete conduceva esperimenti durante il giorno. E, ad esempio, il farmacista Karl Scheele - di notte, quando c'era tempo libero. Di conseguenza, lo scienziato ha accusato Priestley dell'inganno, perché i suoi soggetti sperimentali non potevano sopportare l'esperimento con la pianta.

Un vero confronto scientifico è scoppiato tra i chimici, il che ha portato benefici significativi e ha permesso di fare un'altra scoperta - che le piante hanno bisogno di ripristinare l'aria, hanno bisogno della luce solare.

Certo, allora nessuno chiamò questo fenomeno fotosintesi e c'erano ancora molte domande. Tuttavia, nel 1782, il botanico Jean Senebier fu in grado di dimostrare che in presenza della luce solare, le piante sono in grado di abbattere l'anidride carbonica a livello cellulare. E nel 1864, infine, apparvero prove sperimentali che le piante assorbono l'anidride carbonica e secernono ossigeno. Questo è il merito dello scienziato tedesco - Julius Sachs.