Fotosyntéza je soubor procesů syntézy organických sloučenin z anorganických v důsledku přeměny světelné energie na energii chemických vazeb. Mezi fototrofní organismy patří zelené rostliny, některá prokaryota – sinice, fialové a zelené sirné bakterie a rostlinné bičíkovce.

Výzkum procesu fotosyntézy začal ve druhé polovině 18. století. Významný objev učinil vynikající ruský vědec K. A. Timiryazev, který doložil doktrínu o kosmické roli zelených rostlin. Rostliny absorbují sluneční světlo a přeměňují světelnou energii na energii chemických vazeb organických sloučenin jimi syntetizovaných. Zajišťují tak zachování a rozvoj života na Zemi. Vědec také teoreticky doložil a experimentálně prokázal roli chlorofylu při absorpci světla při fotosyntéze.

Chlorofyly jsou hlavními fotosyntetickými pigmenty. Strukturou se podobají hemu hemoglobinu, ale místo železa obsahují hořčík. Obsah železa je nezbytný pro zajištění syntézy molekul chlorofylu. Existuje několik chlorofylů, které se liší svou chemickou strukturou. Povinné pro všechny fototrofy je chlorofyl a . Chlorofylb vyskytující se v zelených rostlinách chlorofyl c – u rozsivek a hnědých řas. Chlorofyl d charakteristické pro červené řasy.

Zelené a fialové fotosyntetické bakterie mají speciální bakteriochlorofyly . Bakteriální fotosyntéza má mnoho společného s fotosyntézou rostlin. Liší se tím, že u bakterií je donorem vodíku sirovodík au rostlin voda. Zelené a fialové bakterie nemají fotosystém II. Bakteriální fotosyntéza není doprovázena uvolňováním kyslíku. Celková rovnice pro bakteriální fotosyntézu je:

6C02 + 12H2S -> C6H12O6 + 12S + 6H20.

Fotosyntéza je založena na redoxním procesu. Je spojena s přenosem elektronů ze sloučenin, které dodávají elektrony-donory, na sloučeniny, které je přijímají - akceptory. Světelná energie se přeměňuje na energii syntetizovaných organických sloučenin (sacharidů).

Na membránách chloroplastů jsou speciální struktury - reakčních center které obsahují chlorofyl. U zelených rostlin a sinic jsou dva fotosystémy – první (já) A druhý (II) , které mají různá reakční centra a jsou vzájemně propojeny systémem přenosu elektronů.

Dvě fáze fotosyntézy

Proces fotosyntézy se skládá ze dvou fází: světla a tmy.

Vyskytuje se pouze za přítomnosti světla na vnitřních membránách mitochondrií v membránách speciálních struktur - tylakoidy . Fotosyntetické pigmenty zachycují světelná kvanta (fotony). To vede k „excitaci“ jednoho z elektronů molekuly chlorofylu. Pomocí nosných molekul se elektron přesune na vnější povrch thylakoidní membrány a získá určitou potenciální energii.

Tento elektron dovnitř fotosystém I může se vrátit na svou energetickou úroveň a obnovit ji. Může být také přenášen NADP (nikotinamid adenindinukleotid fosfát). Interakcí s vodíkovými ionty elektrony tuto sloučeninu obnovují. Redukovaný NADP (NADP H) dodává vodík pro redukci atmosférického CO 2 na glukózu.

Podobné procesy probíhají v fotosystém II . Excitované elektrony lze přenést do fotosystému I a obnovit jej. K obnově fotosystému II dochází díky elektronům dodávaným molekulami vody. Molekuly vody se rozdělí (fotolýza vody) na vodíkové protony a molekulární kyslík, který se uvolňuje do atmosféry. Elektrony se používají k obnově fotosystému II. Rovnice fotolýzy vody:

2Н 2 0 → 4Н + + 0 2 + 2е.

Když se elektrony z vnějšího povrchu thylakoidní membrány vrátí na předchozí energetickou hladinu, energie se uvolní. Je uložen ve formě chemických vazeb molekul ATP, které jsou syntetizovány při reakcích v obou fotosystémech. Proces syntézy ATP s ADP a kyselinou fosforečnou se nazývá fotofosforylace . Část energie se spotřebuje na odpaření vody.

Během světelné fáze fotosyntézy vznikají energeticky bohaté sloučeniny: ATP a NADP H. Při rozpadu (fotolýze) molekul vody se do atmosféry uvolňuje molekulární kyslík.

Reakce probíhají ve vnitřním prostředí chloroplastů. Mohou se vyskytovat jak za přítomnosti světla, tak bez něj. Jsou syntetizovány organická hmota(C0 2 se redukuje na glukózu) pomocí energie, která vznikla ve fázi světla.

Proces redukce oxidu uhličitého je cyklický a je tzv Calvinův cyklus . Pojmenován po americkém badateli M. Calvinovi, který tento cyklický proces objevil.

Cyklus začíná reakcí atmosférického oxidu uhličitého s ribulózou bifosfátem. Proces je katalyzován enzymem karboxyláza . Ribulóza bifosfát je pětiuhlíkový cukr kombinovaný se dvěma jednotkami kyseliny fosforečné. Dochází k řadě chemických přeměn, z nichž každá je katalyzována svým vlastním specifickým enzymem. Jak vzniká konečný produkt fotosyntézy? glukóza a ribulóza bifosfát je také snížen.

Celková rovnice pro proces fotosyntézy je:

6C02 + 6H20 → C6H12O6 + 602

Díky procesu fotosyntézy je světelná energie ze Slunce absorbována a přeměněna na energii chemických vazeb syntetizovaných sacharidů. Energie je přenášena prostřednictvím potravních řetězců do heterotrofních organismů. Během fotosyntézy dochází k absorpci oxidu uhličitého a uvolňování kyslíku. Veškerý vzdušný kyslík je fotosyntetického původu. Ročně se uvolní přes 200 miliard tun volného kyslíku. Kyslík chrání život na Zemi před ultrafialovým zářením tím, že v atmosféře vytváří ozónový štít.

Proces fotosyntézy je neúčinný, protože pouze 1-2% se přemění na syntetizovanou organickou hmotu. solární energie. Je to dáno tím, že rostliny nedostatečně pohlcují světlo, část je pohlcena atmosférou atd. Většina sluneční světlo odražené od zemského povrchu zpět do vesmíru.

Cukry syntetizované při fotosyntéze jsou téměř okamžitě přeměněny na vysoce polymerní sloučeniny - škrob, akumulovaný ve formě škrobových zrn v chloroplastech a leukoplastech; zároveň se část cukrů uvolňuje z plastidů a přesouvá se po celé rostlině na jiná místa. Cukr, přeměněný na škrob, tak po určitou dobu zanechává další metabolické reakce; škrob se však může opět rozložit na cukr, který se oxiduje a zároveň dodává buňce potřebnou energii

Když jsou chloroplasty absorbovány paprsky vhodné vlnové délky, oxid uhličitý se chemicky redukuje na cukry a plynný kyslík se uvolňuje v objemu rovném redukovanému CO2. Tyto změny jsou opačného směru než změny, ke kterým dochází během dýchání. Důležitá role rostlin v rovnováze přírody je tedy dána i tím, že vracejí do atmosféry kyslík, který je nezbytný pro ostatní organismy.

Označením elementární jednotky molekuly sacharidu vzorcem (CH2O) (molekula glukózy C6H12O6 je sestavena ze šesti takových jednotek), můžeme napsat obecný výraz pro fotosyntézu:

Celková rovnice fotosyntézy byla jednou navržena J-B. Boussingault. W. Pfeffer nazval tento proces v roce 1887 fotosyntézou.

V roce 1842 formuloval J. Mayer zákon zachování a přeměny energie. Nezapomněl ani na zelené rostliny. Napsal, že příroda si dala za úkol zachytit světlo přicházející na Zemi a přeměnit tuto nejpohyblivější sílu do pevné formy a uložit ji do rezervy. Aby tohoto cíle dosáhla, pokryla zemskou kůru rostlinami. Tehdejší vědci však tomuto tvrzení nevěnovali pozornost.

Experimentální důkaz, že proces fotosyntézy se řídí zákonem zachování a přeměny energie, provedl K. A. Timiryazev v roce 1867. Ukázal, že fotosyntéza probíhá nejintenzivněji v těch paprscích, které jsou maximálně absorbovány speciálním pigmentem - chlorofylem. Světelná energie absorbovaná chlorofylem je dále využívána k tvorbě organické hmoty v rostlině a uvolňování O2.

Fotosyntéza je proto proces spojený s akumulací světla v rostlině, které se shromažďuje v organické hmotě. K. A. Timiryazev přitom dokázal mylnost názorů W. Pfeffera, J. Sachse a G. Drepera. Ten se domníval, že fotosyntéza probíhá nejintenzivněji ve žlutých paprscích, které jsou pro lidské oko nejjasnější, a ne v těch, které jsou absorbovány chlorofylem.

Celková exprese fotosyntézy tedy odráží podstatu procesu, který se scvrkává na skutečnost, že na světle v zelené rostlině se z vysoce oxidovaných látek - oxidu uhličitého a vody - syntetizují organické látky a uvolňuje se molekulární O2. Při této syntéze se zářivá energie přeměňuje na energii chemických vazeb organických látek.

Všechny složky systému, které se účastní fotosyntézy, obsahují kyslík, takže výše uvedená rovnice neříká, odkud kyslík uvolněný při fotosyntéze pochází: z CO2 nebo H2O. Po mnoho let se biologové domnívali, že světelná energie byla vynaložena na štěpení molekuly CO2 a převedení atomu C na H2O za vzniku (CH2O). Pozorování fotosyntetických organismů však těmito představami otřáslo.

Biochemická cesta ve fotosyntetických mikroorganismech je podobná odpovídajícím procesům v vyšší rostliny, ale přece jen trochu jiný než oni. Bakterie tedy mají pouze jeden pigmentový systém, nikoli dva. Kromě toho se bakterie od zelených rostlin liší povahou jejich chlorofylu. Obsahují bakteriochlorofyl a (nebo) chlorobiumchlorofyl (chlorobium - chlorofyl). Fotosyntéza u bakterií se také liší povahou světelného stádia. U některých bakterií se redukční činidlo tvoří díky části molekul ATP syntetizovaných ve světelné fázi, což spouští zpětný přenos elektronů přes dýchací řetězec (nebo přes fotosyntetický elektronový transportní řetězec, který zahrnuje některé složky dýchacího řetězce ). U jiných bakterií se redukční činidlo redukuje podobně jako u rostlin, jen s tím rozdílem, že jako konečný zdroj elektronů se nepoužívá voda, ale jiné donory elektronů. Kromě toho fotosyntetické bakterie neprodukují O2 jako konečný produkt.

Například fotosyntetické fialové bakterie při fotosyntéze nepoužívají H2O, ale H2S a jako vedlejší produkt fotosyntézy uvolňují spíše síru než kyslík.

Na mnoha místech zelené zeměkoule jsou takto vzniklá ložiska síry významným přírodním zdrojem síry. Jak je vidět, tato síra může pocházet pouze z H2S rozloženého během fotosyntézy. Podobně se chovají i některé řasy, které lze „vycvičit“ tak, aby místo vody využívaly plynný vodík H2 ke snížení CO2 na (CH2O), tedy na úroveň sacharidů:

Je známo, že v obou případech dochází k plýtvání světelnou energií na rozklad (fotolýzu) donoru vodíku a takto vzniklá redukční síla se využívá k přeměně CO2 na (CH2O).

K fotosyntéze dochází také u těch četných organismů, které sice obsahují chlorofyl, ale nejsou zelené, protože jejich barva je dána přítomností jiných pigmentů, které maskují chlorofyl, například hnědé nebo červené řasy.

Pokud mají různé organismy nějaký společný mechanismus, pak prezentovaná data naznačují, že u vyšších rostlin se světelná energie vynakládá na rozklad vody. O správnosti této myšlenky se přesvědčili, když biochemici začali používat H2O nebo CO2 značené těžkými izotopy kyslíku (18O) ke studiu fotosyntézy. V těchto experimentech se ukázalo, že uvolněný O2 vždy odpovídá ve svém izotopickém stavu kyslíku obsaženému ve vodě, nikoli CO2. Obecně je fotolýza vody klíčem k celému procesu fotosyntézy, protože v této fázi se světelná energie využívá k provádění chemické práce.

Molekula kyslíku uvolněná při fotosyntéze u vyšších rostlin obsahuje dva atomy O, ale molekula vody obsahuje pouze jeden, což znamená, že se reakce musí zúčastnit dvě molekuly vody. Abychom získali vyváženou rovnici, která by správně odrážela mechanismus celkové reakce, musíme do obou stran této rovnice vložit ještě jednu molekulu vody. Když voda obsahuje 18O, dostaneme

Pokud označíme 18O CO2, pak rovnice zní:

Kyslík uvolněný při fotosyntéze vzniká z vody, která reaguje, a výsledné molekuly vody se liší od dvou molekul, které se účastní fotosyntézy.

Světelná energie se využívá k rozkladu vody. V tomto případě se uvolňuje kyslík a vytváří se „vodík“ (neboli redukční síla), který se spotřebuje

• 1) ke snížení CO2 na konečný produkt fotosyntézy (CH2O).
• 2) k vytvoření nové molekuly vody.

Čistá exprese fotosyntézy hrála hlavní roli ve vývoji fyziologie rostlin. Pomohl vědcům určit místo fotosyntézy v životě samotných rostlin a existenci života na celé planetě. Fotosyntéza má velký význam i pro samotnou rostlinu. Tvorba orgánů a jejich růst úzce souvisí s fotosyntézou. V obdobích nejaktivnějšího růstu dosahují denní přírůstky sušiny od 100 do 500 kg na 1 ha. V tomto případě musí rostlina asimilovat 200 až 500 kg CO2, 1-2 kg dusíku, 0,25-0,5 kg fosforu, 2-4 kg draslíku, 2-4 kg dalších prvků a odpařit až 1 000 litrů z vody.

Energie záření ze Slunce se dostává na Zemi ve formě elektromagnetických oscilací různých vlnových délek. Asi 40-45 % energie vyzařované Sluncem se vyskytuje v oblasti od 380 do 720 nm. Tato část spektra je vnímána jako viditelné světlo. Zde jsou slavné barvy: fialová, modrá, azurová, zelená, žlutá, oranžová, červená.

Chloroplastové pigmenty absorbují viditelné světlo, proto se tato oblast nazývá fyziologicky aktivní záření (PAR). PAR sousedí s ultrafialovým zářením na straně kratší vlnové délky a infračerveným zářením na straně delší vlnové délky. Infračervené paprsky se neúčastní fotosyntézy, ale podílejí se na regulaci dalších životních procesů rostlin. Ukázalo se, že krátkovlnné záření (ultrafialové, g-paprsky, kosmické záření) hraje velkou roli v mutagenezi rostlin a při změně jejich dědičnosti.

Energie uložená při fotosyntéze za rok je přibližně 100krát větší než energie vzniklá při spalování uhlí, která se za tuto dobu těžila po celém světě. Tato energie se využívá k vytvoření organické hmoty z anorganické hmoty. Každý rok, prostřednictvím procesu fotosyntézy, rostliny produkují 155 miliard tun suché organické hmoty.

V zeleném listu se nejprve tvoří organické látky, které lidé i zvířata využívají. Většina energie, kterou lidé využívají v různých oblastech výroby, je energie slunce, přeměněná na zelené listy a uložená v uhlí, ropě a dřevě.

Vytvořit takové velké množství organické hmoty, rostliny během roku absorbují 200 miliard tun CO2 a uvolňují 145 miliard tun kyslíku. Veškerý kyslík v atmosféře vzniká procesem fotosyntézy. K procesům dýchání a spalování tedy mohlo dojít až po vzniku fotosyntetických organismů.

Studium fotosyntézy a objev jejích mechanismů je jedním z nejdůležitějších a nejzajímavějších problémů ve fyziologii rostlin. Za prvé, podrobné studium syntézy organických látek v zelených rostlinách je jednou z cest, jak řešit problém výživy ve světě. Vzhledem k tomu, že 95 % hmoty rostliny vzniká fotosyntézou, je pro zvýšení výnosu potřeba teoretický základ. Za druhé, podrobné studium chemie fotosyntézy a struktury fotosyntetického aparátu na molekulární úrovni otevřít cestu pro modelování fotosyntézy a organizování produkce organických látek v umělých podmínkách. Za třetí, studium procesu rozkladu vody zelenými rostlinami pomocí světla a modelování tohoto procesu v umělých podmínkách umožní lidstvu získat vodík a použít jej jako palivo šetrné k životnímu prostředí, což pomůže vyřešit energetický problém.

Zvláštní roli v tomto ohledu patří zeleným rostlinám, roli, kterou K. A. Timiryazev nazval Cosmic. Spočívá v tom, že „zelené zrnko chlorofylu je ohniskem, bodem v kosmickém prostoru, do kterého z jednoho konce proudí sluneční energie a z druhého pocházejí všechny projevy života na Zemi“.

Každý rok se na Zemi dostane obrovské množství sluneční energie (1,26-1024 cal), z toho 42 % se odráží do vesmíru. Zelené rostliny využívají část energie slunečních paprsků jako zdroj uhlíku oxid uhličitý ze vzduchu v procesu syntézy organických látek. Ale zelená rostlina nejen přijímá potravu pro sebe z anorganické přírody, ale podle Timiryazeva je prostředníkem mezi nebem a Zemí. Energie přijatá ze slunečního paprsku se v rostlině akumuluje a v této podobě se spolu s organickou hmotou nahromaděnou v jejím těle dostává do těla jiných rostlin či živočichů, kteří se živí rostlinnou potravou. Ty zase slouží jako potrava pro jiné heterotrofní organismy.

Ukazuje se, že kyslík uvolněný při fotosyntéze je nezbytný pro život všech aerobních organismů, které jej při dýchání absorbují ze vzduchu a současně uvolňují oxid uhličitý. Tento neustálý přísun oxidu uhličitého do atmosféry má obrovský význam v koloběhu látek. Odhaduje se, že vegetační kryt zeměkoule ročně asimiluje přes 140 miliard tun uhlíku z oxidu uhličitého, což jsou přibližně 3 g na hektar. Celkově atmosféra obsahuje asi dva tisíce miliard kilogramů oxidu uhličitého, což by nestačilo na 100 let, kdyby se během života organismů nedostalo do atmosféry a hydrosféry.

Význam fotosyntézy v přírodě na dlouhou dobu nebyl posouzen zcela přesně. V počáteční fázi studia mnoho vědců věřilo, že rostliny emitují tolik kyslíku, kolik absorbují. Pečlivý výzkum ve skutečnosti ukázal, že práce prováděná rostlinami je ve velkém měřítku. Navzdory své relativně malé velikosti plní zelené plochy řadu užitečných funkcí, které jsou zaměřeny na podporu života na Zemi.

Nejdůležitější význam fotosyntézy je poskytovat energii všem živým bytostem na planetě, včetně lidí. V zelených částech rostlin se vlivem slunečního záření začíná tvořit kyslík a obrovské množství energie. Tato energie je rostlinami využíván pro vlastní potřebu jen částečně a nevyčerpaný potenciál se hromadí. Poté jsou rostliny využívány jako potrava pro býložravce, kteří tak dostávají potřebnou potravu, bez níž by jejich vývoj nebyl možný. Pak se býložravci stávají potravou predátorů, potřebují také energii, bez které se život prostě zastaví.

Člověk se od toho nachází trochu stranou, takže se pro něj pravý význam fotosyntézy hned tak neobjeví. Je to tak, že mnoho lidí se snaží dokázat sami sobě, že nejsou součástí zvířecího světa naší planety. Bohužel takové popírání nikam nevede, protože všechny živé organismy na sobě do té či oné míry závisí. Pokud zmizí několik druhů zvířat nebo rostlin, rovnováha v přírodě se velmi naruší. Aby se přizpůsobily novým životním podmínkám, budou ostatní živé organismy nuceny hledat alternativní zdroje potravy. Pravda, existují případy, kdy zmizení některých druhů vede k vyhynutí jiných.

Význam fotosyntézy spočívá nejen ve výrobě energie, ale také v ochraně před zničením. Vědci se dlouho snažili přijít na to, jak život na naší planetě začal – a vytvořili celkem věrohodnou teorii. Ukázalo se, že rozmanitost živých organismů byla možná pouze díky přítomnosti ochranné atmosféry, která se vytvořila intenzivní prací obrovské množství rostliny. Samozřejmě, vzhledem k velikosti moderních lesů a jednotlivých rostlin nelze v takový zázrak věřit, ale starověké rostliny byly gigantické velikosti.

Staří obři rostlinného světa zemřeli, ale i po smrti jsou prospěšní celému lidstvu. Energie, která se v nich nashromáždila, se nyní v podobě uhlí dostává do našich domovů. Dnes se role tohoto druhu paliva výrazně snížila, ale lidstvo s jeho pomocí dlouho unikalo chladu.

Nezapomeňte také, že prastaré rostliny předávaly svou štafetu moderní stromy a květiny, které udržují zachování atmosféry. Čím více zelených ploch je na naší planetě, tím čistší vzduch dýcháme. Ničení a nárůst škodlivých vedlo k tomu, že se v ozonové vrstvě objevují díry. Pokud lidstvo nepochopí skutečnou roli fotosyntézy, povede to samo k sebezničení. Bez kyslíku a ochrany prostě nepřežijeme a tropických pralesů stále rychle ubývá.

Pokud lidé skutečně chtějí zachovat život na své planetě, musí plně chápat význam fotosyntézy. Když každý jednotlivý člověk uzná důležitost rostlin, když přestaneme bezmyšlenkovitě kácet lesy, život na Zemi bude lepší a čistší. Jinak se lidé budou muset naučit odolávat spalujícím paprskům slunce, dýchat smog, škodlivé emise a získávat energii z alternativních zdrojů.

Jaká bude naše budoucnost, záleží jen na nás – a my chceme věřit, že se lidé rozhodnou správně.

Historie objevu úžasného a životně důležitého fenoménu, jakým je fotosyntéza, je hluboce zakořeněna v minulosti. Před více než čtyřmi staletími v roce 1600 uvedl belgický vědec Jan Van Helmont nejjednodušší experiment. Vrbový proutek vložil do pytle obsahujícího 80 kg zeminy. Vědec zaznamenal počáteční váhu vrby a poté rostlinu pět let zaléval výhradně dešťovou vodou. Představte si překvapení Jana Van Helmonta, když znovu vážil vrbu. Hmotnost rostliny se zvýšila o 65 kg a hmotnost země klesla pouze o 50 gramů! Kde se rostlina vzala 64 kg 950 g živin zůstala pro vědce záhadou!

Další významný experiment na cestě k objevu fotosyntézy patřil anglickému chemikovi Josephu Priestleymu. Vědec dal pod kapotu myš a o pět hodin později hlodavec zemřel. Když Priestley přiložil k myši snítku máty a také hlodavce přikryl čepicí, myš zůstala naživu. Tento experiment přivedl vědce k myšlence, že existuje proces opačný k dýchání. Jan Ingenhouse v roce 1779 prokázal, že pouze zelené části rostlin jsou schopny uvolňovat kyslík. O tři roky později švýcarský vědec Jean Senebier dokázal, že oxid uhličitý se vlivem slunečního záření rozkládá v organelách zelených rostlin. O pouhých pět let později francouzský vědec Jacques Boussingault, provádějící laboratorní výzkum, objevil skutečnost, že k absorpci vody rostlinami dochází i při syntéze organických látek. Epochální objev učinil v roce 1864 německý botanik Julius Sachs. Podařilo se mu prokázat, že objem spotřebovaného oxidu uhličitého a uvolněného kyslíku se vyskytuje v poměru 1:1.

Fotosyntéza je jedním z nejvýznamnějších biologických procesů

Mluvení vědecký jazyk, fotosyntéza (ze starořec. φῶς - světlo a σύνθεσις - spojení, vazba) je proces, při kterém na světle vznikají organické látky z oxidu uhličitého a vody. Hlavní roli v tomto procesu mají fotosyntetické segmenty.

Obrazně řečeno, rostlinný list lze přirovnat k laboratoři, jejíž okna směřují na slunečnou stranu. Právě v něm dochází k tvorbě organických látek. Tento proces je základem existence veškerého života na Zemi.

Mnozí si rozumně položí otázku: co dýchají lidé, kteří žijí ve městě, kde přes den s ohněm nenajdete ani strom nebo stéblo trávy? Odpověď je velmi jednoduchá. Faktem je, že suchozemské rostliny tvoří pouze 20 % kyslíku uvolněného rostlinami. Mořské řasy hrají hlavní roli v produkci kyslíku do atmosféry. Tvoří 80 % vyrobeného kyslíku. Řečeno řečí čísel, rostliny i řasy ročně uvolní do atmosféry 145 miliard tun (!) kyslíku! Ne nadarmo se světovým oceánům říká „plíce planety“.

Obecný vzorec pro fotosyntézu je následující:

Voda + Oxid uhličitý + Světlo → Sacharidy + Kyslík

Proč rostliny potřebují fotosyntézu?

Jak jsme se dozvěděli, fotosyntéza ano nutná podmínka existence člověka na Zemi. To však není jediný důvod, proč fotosyntetické organismy aktivně produkují kyslík do atmosféry. Řasy i rostliny totiž ročně tvoří více než 100 miliard organických látek (!), které tvoří základ jejich životní činnosti. Když si vzpomeneme na experiment Jana Van Helmonta, pochopíme, že fotosyntéza je základem výživy rostlin. Je vědecky dokázáno, že 95 % úrody určují organické látky, které rostlina získá během procesu fotosyntézy, a 5 % minerální hnojiva, která zahradník aplikuje do půdy.

Moderní letní obyvatelé se zaměřují na výživa půdy rostlin, zapomínajíc na svou vzdušnou výživu. Není známo, jakou úrodu by zahradníci mohli získat, kdyby byli opatrní při procesu fotosyntézy.

Rostliny ani řasy by však nemohly tak aktivně produkovat kyslík a sacharidy, kdyby neměly úžasný zelený pigment – ​​chlorofyl.

Záhada zeleného pigmentu

Hlavním rozdílem mezi rostlinnými buňkami a buňkami jiných živých organismů je přítomnost chlorofylu. Mimochodem, právě on je zodpovědný za to, že listy rostlin jsou precizně vybarveny zelená barva. Tato komplexní organická sloučenina má jednu úžasnou vlastnost: dokáže absorbovat sluneční světlo! Díky chlorofylu je také umožněn proces fotosyntézy.

Dvě fáze fotosyntézy

Mluvení jednoduchým jazykem, fotosyntéza je proces, při kterém voda a oxid uhličitý absorbovaný rostlinou na světle za pomoci chlorofylu tvoří cukr a kyslík. Anorganické látky se tak překvapivě přeměňují na organické. Cukr získaný přeměnou je zdrojem energie pro rostliny.

Fotosyntéza má dvě fáze: světlo a tmu.

Světelná fáze fotosyntézy

Provádí se na tylakoidních membránách.

Tylakoidy jsou membránově ohraničené struktury. Jsou umístěny ve stromatu chloroplastu.

Pořadí událostí ve světelné fázi fotosyntézy je:

1. Světlo dopadá na molekulu chlorofylu, který je pak absorbován zeleným pigmentem a způsobuje jeho vzrušení. Elektron, který je součástí molekuly, se přenese do více vysoká úroveň, účastní se procesu syntézy.
2. Voda se štěpí, při níž se protony vlivem elektronů přeměňují na atomy vodíku. Následně jsou vynaloženy na syntézu sacharidů.
3. V konečné fázi světelné fáze se syntetizuje ATP (adenosintrifosfát). Jedná se o organickou látku, která v biologických systémech plní roli univerzálního akumulátoru energie.

Temná fáze fotosyntézy

Místem, kde se vyskytuje temná fáze, je stroma chloroplastů. Právě během temné fáze se uvolňuje kyslík a syntetizuje se glukóza. Mnozí si budou myslet, že tato fáze dostala toto jméno, protože proces probíhající v této fázi probíhá výhradně v noci. Ve skutečnosti to není tak úplně pravda. Syntéza glukózy probíhá nepřetržitě. Faktem je, že právě v této fázi se již světelná energie nespotřebovává, což znamená, že ji prostě není potřeba.

Význam fotosyntézy pro rostliny

Již jsme zjistili, že rostliny nepotřebují fotosyntézu méně než my. Je velmi snadné mluvit o měřítku fotosyntézy v číslech. Vědci vypočítali, že samotné suchozemské rostliny uchovávají tolik sluneční energie, kolik by mohlo být spotřebováno 100 megaměsty během 100 let!

Dýchání rostlin je opačný proces fotosyntézy. Smyslem dýchání rostlin je uvolnit energii během procesu fotosyntézy a nasměrovat ji k potřebám rostlin. Jednoduše řečeno, výtěžnost je rozdíl mezi fotosyntézou a dýcháním. Čím více fotosyntézy a nižší dýchání, tím větší sklizeň a naopak!

Fotosyntéza je úžasný proces, který umožňuje život na Zemi!

Fotosyntéza je unikátní proces vytváření organických látek z anorganických. Jde o jediný proces na naší planetě spojený s přeměnou energie slunečního záření na energii chemických vazeb obsažených v organických látkách. Energie slunečních paprsků přijímaná z vesmíru, uložená zelenými rostlinami v sacharidech, tucích a bílkovinách, tak zajišťuje životně důležitou činnost celého živého světa – od bakterií až po člověka.

Vynikající ruský vědec konce 19. – počátku 20. století. Kliment Arkadyevich Timiryazev (1843-1920) nazval roli zelených rostlin na Zemi kosmickou. Napsal:

Všechny organické látky, bez ohledu na to, jak rozmanité mohou být, bez ohledu na to, kde se nacházejí, ať už v rostlině, zvířeti nebo člověku, prošly listem, pocházející z látek produkovaných listem. Mimo list, nebo spíše mimo zrnko chlorofylu, není v přírodě laboratoř, kde by se izolovala organická hmota. Ve všech ostatních orgánech a organismech se přeměňuje, přeměňuje, jen zde opět vzniká z anorganické hmoty.

Kromě ukládání energie a živení téměř veškerého života na Zemi je fotosyntéza důležitá i z dalších důvodů.

Při fotosyntéze se uvolňuje kyslík. Kyslík je nezbytný pro proces dýchání. Při dýchání dochází k opačnému procesu fotosyntézy. Organické látky se okysličují, ničí a uvolňuje se energie, kterou lze využít pro různé životní procesy (chůze, myšlení, růst atd.). Když na Zemi ještě nebyly žádné rostliny, nebyl ve vzduchu téměř žádný kyslík. Primitivní živé organismy, které v té době žily, oxidovaly organické látky jiným způsobem, nikoli pomocí kyslíku. Nebylo to účinné. Díky kyslíkovému dýchání se živý svět mohl široce a komplexně rozvíjet. A kyslík v atmosféře se objevil díky rostlinám a procesu fotosyntézy.

Ve stratosféře (to je nad troposférou – nejnižší vrstvou atmosféry) se vlivem slunečního záření kyslík přeměňuje na ozón. Ozon chrání život na Zemi před nebezpečným ultrafialovým zářením ze slunce. Bez ozónové vrstvy by se život nemohl vyvinout z moře na pevninu.

Během fotosyntézy je oxid uhličitý absorbován z atmosféry. Při dýchání se uvolňuje oxid uhličitý. Pokud by nebyl absorbován, hromadil by se v atmosféře a působil by spolu s dalšími plyny ke zvýšení tzv. skleníkového efektu. Skleníkový efekt je zvýšení teploty v nižších vrstvách atmosféry. Zároveň se může začít měnit klima, začnou tát ledovce, zvedat se hladiny oceánů, v důsledku čehož může dojít k zaplavení pobřežních oblastí a k dalším negativním důsledkům.

Všechny organické látky obsahují chemický prvek uhlík. Jsou to rostliny, které ho vážou na organické látky (glukózu), přijímají ho z anorganických látek (oxid uhličitý). A dělají to prostřednictvím procesu fotosyntézy. Následně, „cestováním“ potravními řetězci, se uhlík přesouvá z jedné organické sloučeniny do druhé. V konečném důsledku se smrtí organismů a jejich rozkladem uhlík opět mění na anorganické látky.

Fotosyntéza je důležitá i pro lidstvo. Uhlí, rašelina, ropa, zemní plyn- Jedná se o pozůstatky rostlin a jiných živých organismů nashromážděných za stovky milionů let. Slouží nám jako zdroj dodatečné energie, která umožňuje rozvoj civilizace.