فرآیند فتوسنتز فاز نور فتوسنتز

چگونه می توان چنین فرآیند پیچیده ای مانند فتوسنتز را به طور مختصر و واضح توضیح داد؟ گیاهان تنها موجودات زنده ای هستند که می توانند غذای خود را تولید کنند. چگونه این کار را انجام می دهند؟ برای رشد و دریافت تمام مواد لازم از محیط: دی اکسید کربن - از هوا، آب و - از خاک. آنها همچنین به انرژی نیاز دارند که از پرتوهای خورشید دریافت می کنند. این انرژی واکنش های شیمیایی خاصی را ایجاد می کند که طی آن دی اکسید کربن و آب به گلوکز (غذا) تبدیل می شود و فتوسنتز می شود. ماهیت این فرآیند را می توان به طور خلاصه و واضح حتی برای کودکان در سن مدرسه توضیح داد.

"همراه با نور"

کلمه "فتوسنتز" از دو کلمه یونانی - "عکس" و "سنتز" گرفته شده است که ترکیب آنها به معنای "همراه با نور" است. انرژی خورشیدی به انرژی شیمیایی تبدیل می شود. معادله شیمیاییفتوسنتز:

6CO 2 + 12H 2 O + نور = C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + 6H 2 O.

این به این معنی است که 6 مولکول دی اکسید کربنو دوازده مولکول آب استفاده می شود (همراه با نور خورشید) برای تولید گلوکز، در نهایت تولید شش مولکول اکسیژن و شش مولکول آب. اگر این را به عنوان یک معادله کلامی نشان دهید، به صورت زیر به دست می آورید:

آب + خورشید => گلوکز + اکسیژن + آب.

خورشید منبع بسیار قوی انرژی است. مردم همیشه سعی می کنند از آن برای تولید برق، عایق کاری خانه ها، گرم کردن آب و غیره استفاده کنند. گیاهان میلیون ها سال پیش چگونگی استفاده از انرژی خورشیدی را "پیدا کردند" زیرا برای بقای آنها ضروری بود. فتوسنتز را می توان به طور خلاصه و واضح به این صورت توضیح داد: گیاهان از انرژی نور خورشید استفاده می کنند و آن را به انرژی شیمیایی تبدیل می کنند که حاصل آن قند (گلوکز) است که مازاد آن به صورت نشاسته در برگ ها، ریشه ها، ساقه ها ذخیره می شود. و دانه های گیاه انرژی خورشید به گیاهان و همچنین به حیواناتی که از این گیاهان می خورند منتقل می شود. زمانی که گیاه برای رشد و سایر فرآیندهای زندگی به مواد مغذی نیاز دارد، این ذخایر بسیار مفید هستند.

گیاهان چگونه انرژی خورشید را جذب می کنند؟

با صحبت کوتاه و واضح در مورد فتوسنتز، باید به این سوال پرداخته شود که گیاهان چگونه انرژی خورشیدی را جذب می کنند. این به دلیل ساختار خاص برگ ها رخ می دهد که شامل سلول های سبز - کلروپلاست ها است که حاوی ماده خاصی به نام کلروفیل است. این چیزی است که به برگ می دهد رنگ سبزو وظیفه جذب انرژی از نور خورشید را بر عهده دارد.

چرا بیشتر برگها پهن و مسطح هستند؟

فتوسنتز در برگ گیاهان اتفاق می افتد. حقیقت جالباین است که گیاهان به خوبی برای جذب نور خورشید و جذب دی اکسید کربن سازگار هستند. به لطف سطح گسترده، نور بسیار بیشتری جذب خواهد شد. دقیقا به همین دلیل پنل های خورشیدیکه گاهی بر روی پشت بام منازل نصب می شوند نیز پهن و مسطح هستند. هر چه سطح بزرگتر باشد، جذب بهتری دارد.

چه چیز دیگری برای گیاهان مهم است؟

مانند مردم، گیاهان نیز برای سالم ماندن، رشد و انجام عملکردهای حیاتی خود به مواد مغذی مفید نیاز دارند. آنها مواد معدنی حل شده در آب را از طریق ریشه خود از خاک بدست می آورند. اگر خاک فاقد مواد مغذی معدنی باشد، گیاه به طور طبیعی رشد نمی کند. کشاورزان اغلب خاک را آزمایش می کنند تا اطمینان حاصل کنند که مواد مغذی کافی برای رشد محصولات دارد. در غیر این صورت به استفاده از کودهای حاوی مواد معدنی ضروری برای تغذیه و رشد گیاه متوسل شوید.

چرا فتوسنتز اینقدر مهم است؟

برای توضیح مختصر و واضح فتوسنتز برای کودکان، شایان ذکر است که این فرآیند یکی از مهم ترین واکنش های شیمیایی در جهان است. چه دلایلی برای چنین بیانیه پر سر و صدایی وجود دارد؟ اول، فتوسنتز گیاهان را تغذیه می کند، که به نوبه خود همه موجودات زنده روی کره زمین، از جمله حیوانات و انسان ها را تغذیه می کنند. ثانیاً، در نتیجه فتوسنتز، اکسیژن لازم برای تنفس در جو آزاد می شود. همه موجودات زنده اکسیژن را استنشاق می کنند و دی اکسید کربن را بازدم می کنند. خوشبختانه گیاهان برعکس عمل می کنند، بنابراین برای انسان و حیوانات بسیار مهم هستند، زیرا به آنها توانایی تنفس می دهند.

روند شگفت انگیز

به نظر می رسد گیاهان نیز می دانند چگونه نفس بکشند، اما بر خلاف انسان ها و حیوانات، دی اکسید کربن را از هوا جذب می کنند، نه اکسیژن. گیاهان هم می نوشند. به همین دلیل باید به آنها آب بدهید وگرنه می میرند. با کمک سیستم ریشه، آب و مواد غذایی به تمام قسمت های بدن گیاه منتقل می شود و دی اکسید کربن از طریق سوراخ های کوچک روی برگ ها جذب می شود. محرک شروع یک واکنش شیمیایی نور خورشید است. تمام محصولات متابولیک به دست آمده توسط گیاهان برای تغذیه استفاده می شود، اکسیژن در جو آزاد می شود. به این ترتیب می توانید به طور مختصر و واضح توضیح دهید که فرآیند فتوسنتز چگونه اتفاق می افتد.

فتوسنتز: مراحل روشن و تاریک فتوسنتز

فرآیند مورد بررسی از دو بخش اصلی تشکیل شده است. دو مرحله فتوسنتز وجود دارد (توضیحات و جدول زیر). اولین مرحله فاز نور نامیده می شود. این تنها در حضور نور در غشاهای تیلاکوئید با مشارکت کلروفیل، پروتئین های انتقال الکترون و آنزیم ATP سنتتاز رخ می دهد. فتوسنتز چه چیز دیگری را پنهان می کند؟ نور و جایگزینی یکدیگر به عنوان پیشرفت روز و شب (چرخه های کالوین). در طول فاز تاریک، تولید همان گلوکز، غذا برای گیاهان، اتفاق می افتد. این فرآیند واکنش مستقل از نور نیز نامیده می شود.

فاز نور

فاز تاریک

1. واکنش هایی که در کلروپلاست ها رخ می دهد تنها در حضور نور امکان پذیر است. در این واکنش ها انرژی نور به انرژی شیمیایی تبدیل می شود 2. کلروفیل و سایر رنگدانه ها انرژی نور خورشید را جذب می کنند. این انرژی به فتوسیستم های مسئول فتوسنتز منتقل می شود 3. آب برای الکترون ها و یون های هیدروژن استفاده می شود و در تولید اکسیژن نیز نقش دارد 4. از الکترون ها و یون های هیدروژن برای ایجاد ATP (مولکول ذخیره انرژی) استفاده می شود که در مرحله بعدی فتوسنتز مورد نیاز است.

1. واکنش های چرخه فوق نور در استرومای کلروپلاست ها رخ می دهد 2. دی اکسید کربن و انرژی حاصل از ATP به شکل گلوکز استفاده می شود

نتیجه

از مجموع موارد فوق می توان به نتایج زیر دست یافت:

• فتوسنتز فرآیندی است که از خورشید انرژی تولید می کند.
• انرژی نور خورشید توسط کلروفیل به انرژی شیمیایی تبدیل می شود.
• کلروفیل به گیاهان رنگ سبز می دهد.
• فتوسنتز در کلروپلاست سلول های برگ گیاه اتفاق می افتد.
• دی اکسید کربن و آب برای فتوسنتز ضروری هستند.
• دی اکسید کربن از طریق سوراخ های کوچک، روزنه ها وارد گیاه می شود و اکسیژن از طریق آنها خارج می شود.
• آب از طریق ریشه جذب گیاه می شود.
• بدون فتوسنتز هیچ غذایی در جهان وجود نخواهد داشت.

هر موجود زنده ای برای زنده ماندن به غذا یا انرژی نیاز دارد. برخی از موجودات از موجودات دیگر تغذیه می کنند، در حالی که برخی دیگر می توانند مواد مغذی خود را تولید کنند. آنها غذای خود یعنی گلوکز را طی فرآیندی به نام فتوسنتز تولید می کنند.

فتوسنتز و تنفس به هم مرتبط هستند. نتیجه فتوسنتز گلوکز است که به عنوان انرژی شیمیایی در آن ذخیره می شود. این انرژی شیمیایی ذخیره شده از تبدیل کربن معدنی (دی اکسید کربن) به کربن آلی حاصل می شود. فرآیند تنفس انرژی شیمیایی ذخیره شده را آزاد می کند.

گیاهان علاوه بر محصولاتی که تولید می کنند، برای زنده ماندن به کربن، هیدروژن و اکسیژن نیز نیاز دارند. آب جذب شده از خاک، هیدروژن و اکسیژن را تامین می کند. در طول فتوسنتز، از کربن و آب برای سنتز مواد غذایی استفاده می شود. گیاهان همچنین برای ساخت اسیدهای آمینه به نیترات نیاز دارند (یک اسید آمینه جزء تشکیل دهنده پروتئین است). علاوه بر این، آنها برای تولید کلروفیل به منیزیم نیاز دارند.

یادداشت:موجودات زنده ای که به غذاهای دیگر وابسته هستند نامیده می شوند. علفخوارانی مانند گاوها و گیاهانی که حشرات را می خورند نمونه هایی از هتروتروف ها هستند. موجودات زنده ای که غذای خود را تولید می کنند نامیده می شوند. گیاهان سبز و جلبک ها نمونه هایی از اتوتروف ها هستند.

در این مقاله با نحوه فتوسنتز در گیاهان و شرایط لازم برای این فرآیند بیشتر آشنا خواهید شد.

تعریف فتوسنتز

فتوسنتز فرآیند شیمیایی است که طی آن گیاهان، برخی از جلبک ها، گلوکز و اکسیژن را از دی اکسید کربن و آب تولید می کنند و تنها از نور به عنوان منبع انرژی استفاده می کنند.

این فرآیند برای حیات روی زمین بسیار مهم است زیرا اکسیژن آزاد می کند که تمام حیات به آن بستگی دارد.

چرا گیاهان به گلوکز (غذا) نیاز دارند؟

مانند انسان و سایر موجودات زنده، گیاهان نیز برای زنده ماندن نیاز به تغذیه دارند. اهمیت گلوکز برای گیاهان به شرح زیر است:

• گلوکز تولید شده توسط فتوسنتز در طول تنفس برای آزاد کردن انرژی مورد نیاز گیاه برای سایر فرآیندهای حیاتی استفاده می شود.
• سلول های گیاهی نیز مقداری از گلوکز را به نشاسته تبدیل می کنند که در صورت نیاز مصرف می شود. به همین دلیل از گیاهان مرده به عنوان زیست توده استفاده می شود زیرا انرژی شیمیایی را ذخیره می کنند.
• گلوکز همچنین برای ساخت سایر مواد شیمیایی مانند پروتئین ها، چربی ها و قندهای گیاهی مورد نیاز برای حمایت از رشد و سایر فرآیندهای مهم مورد نیاز است.

مراحل فتوسنتز

فرآیند فتوسنتز به دو مرحله روشن و تاریک تقسیم می شود.

فاز نور فتوسنتز

همانطور که از نام آن پیداست، فازهای نور به نور خورشید نیاز دارند. در واکنش های وابسته به نور، انرژی نور خورشید توسط کلروفیل جذب شده و به شکل مولکول حامل الکترون NADPH (نیکوتین آمید آدنین دی نوکلئوتید فسفات) و مولکول انرژی ATP (آدنوزین تری فسفات) به انرژی شیمیایی ذخیره شده تبدیل می شود. فازهای نور در غشاهای تیلاکوئید درون کلروپلاست رخ می دهد.

فاز تاریک فتوسنتز یا چرخه کالوین

در فاز تاریک یا چرخه کالوین، الکترون های برانگیخته از فاز نور انرژی برای تشکیل کربوهیدرات ها از مولکول های دی اکسید کربن فراهم می کنند. فازهای مستقل از نور به دلیل ماهیت چرخه ای فرآیند، گاهی اوقات چرخه کالوین نامیده می شوند.

اگرچه فازهای تاریک از نور به عنوان واکنش دهنده استفاده نمی کنند (و در نتیجه می توانند در طول روز یا شب رخ دهند)، آنها برای عملکرد به محصولات واکنش های وابسته به نور نیاز دارند. مولکول های مستقل از نور برای ایجاد مولکول های کربوهیدرات جدید به مولکول های حامل انرژی ATP و NADPH وابسته هستند. هنگامی که انرژی منتقل می شود، مولکول های حامل انرژی به فازهای نور باز می گردند تا الکترون های پرانرژی بیشتری تولید کنند. علاوه بر این، چندین آنزیم فاز تاریک توسط نور فعال می شوند.

نمودار مراحل فتوسنتز

یادداشت:این بدان معنی است که اگر گیاهان برای مدت طولانی از نور محروم شوند، فازهای تاریک ادامه نمی یابد، زیرا آنها از محصولات فازهای روشن استفاده می کنند.

ساختار برگ گیاه

ما نمی‌توانیم فتوسنتز را بدون دانستن بیشتر در مورد ساختار برگ مطالعه کنیم. برگ برای ایفای نقش حیاتی در فرآیند فتوسنتز سازگار است.

ساختار خارجی برگها

• مربع

یکی از مهم ترین ویژگی های گیاهان، سطح وسیع برگ های آنهاست. بیشتر گیاهان سبز دارای برگ های پهن، مسطح و باز هستند که قادرند به اندازه ای که برای فتوسنتز نیاز است انرژی خورشیدی (نور خورشید) را جذب کنند.

• رگبرگ مرکزی و دمبرگ

رگبرگ مرکزی و دمبرگ به هم می پیوندند و پایه برگ را تشکیل می دهند. دمبرگ برگ را طوری قرار می دهد که تا حد امکان نور دریافت کند.

• لبه ی برگ

برگ های ساده دارای یک تیغه برگ هستند، در حالی که برگ های پیچیده چندین تیغه دارند. تیغه برگ یکی از مهمترین اجزای برگ است که مستقیماً در فرآیند فتوسنتز نقش دارد.

• رگها

شبکه ای از رگبرگ ها در برگ ها آب را از ساقه به برگ ها منتقل می کند. گلوکز آزاد شده نیز از طریق رگبرگ ها از برگ ها به سایر قسمت های گیاه ارسال می شود. علاوه بر این، این قطعات برگ برای جذب بیشتر نور خورشید، تیغه برگ را صاف نگه می دارند. چینش رگبرگ ها (وناسیون) به نوع گیاه بستگی دارد.

• پایه برگ

پایه برگ پایین ترین قسمت آن است که با ساقه مفصل می شود. اغلب، در پایه برگ یک جفت قلم وجود دارد.

• لبه برگ

بسته به نوع گیاه، لبه برگ می تواند اشکال مختلفی داشته باشد، از جمله: کل، دندانه دار، دندانه دار، بریدگی، کرنت و غیره.

• نوک برگ

مانند لبه برگ، قسمت بالایی آن است اشکال مختلفاز جمله: تیز، گرد، کند، کشیده، کشیده و غیره.

ساختار داخلی برگها

در زیر یک نمودار نزدیک است ساختار داخلیبافت های برگ:

• کوتیکول

کوتیکول به عنوان لایه اصلی و محافظ روی سطح گیاه عمل می کند. به عنوان یک قاعده، در بالای برگ ضخیم تر است. کوتیکول با یک ماده موم مانند پوشیده شده است که گیاه را از آب محافظت می کند.

• اپیدرم

اپیدرم لایه ای از سلول هاست که بافت پوششی برگ است. عملکرد اصلی آن محافظت از بافت های داخلی برگ در برابر کم آبی، آسیب های مکانیکی و عفونت است. همچنین فرآیند تبادل گاز و تعرق را تنظیم می کند.

• مزوفیل

مزوفیل بافت اصلی گیاه است. اینجاست که فرآیند فتوسنتز اتفاق می افتد. در بیشتر گیاهان، مزوفیل به دو لایه تقسیم می‌شود: لایه بالایی پالیزید و لایه پایینی اسفنجی است.

• قفس های دفاعی

سلول های نگهبان سلول های تخصصی در اپیدرم برگ ها هستند که برای کنترل تبادل گاز استفاده می شوند. آنها یک عملکرد محافظتی برای روزنه انجام می دهند. هنگامی که آب آزادانه در دسترس باشد، منافذ روزنه بزرگ می شوند، در غیر این صورت سلول های محافظ تنبل می شوند.

• استوما

فتوسنتز به نفوذ دی اکسید کربن (CO2) از هوا از طریق روزنه به بافت مزوفیل بستگی دارد. اکسیژن (O2) که به عنوان محصول جانبی فتوسنتز تولید می شود، گیاه را از طریق روزنه خارج می کند. هنگامی که روزنه ها باز هستند، آب از طریق تبخیر از بین می رود و باید از طریق جریان تعرق با آب جذب شده توسط ریشه جایگزین شود. گیاهان مجبورند مقدار CO2 جذب شده از هوا و از دست دادن آب از طریق منافذ روزنه را متعادل کنند.

شرایط لازم برای فتوسنتز

شرایطی که گیاهان برای انجام فرآیند فتوسنتز نیاز دارند به شرح زیر است:

• دی اکسید کربن.گاز طبیعی بی رنگ و بی بو که در هوا یافت می شود و نام علمی CO2 دارد. از احتراق کربن و ترکیبات آلی، و همچنین در طول فرآیند تنفس رخ می دهد.
• اب. مایع شفاف ماده شیمیاییبی بو و بی مزه (در شرایط عادی).
• سبک.اگرچه نور مصنوعی برای گیاهان نیز مناسب است، اما نور طبیعی خورشید تمایل به ایجاد دارد شرایط بهتربرای فتوسنتز، زیرا حاوی طبیعی است اشعه ماوراء بنفش، که تأثیر مثبتی بر گیاهان دارد.
• کلروفیل.این یک رنگدانه سبز رنگ است که در برگ های گیاه یافت می شود.
• مواد مغذی و مواد معدنی.مواد شیمیایی و ترکیبات آلی که ریشه گیاه از خاک جذب می کند.

چه چیزی در نتیجه فتوسنتز تولید می شود؟

• گلوکز؛
• اکسیژن.

(انرژی نور در پرانتز نشان داده شده است زیرا ماده نیست)

یادداشت:گیاهان CO2 را از هوا از طریق برگها و آب را از خاک از طریق ریشه دریافت می کنند. انرژی نور از خورشید می آید. اکسیژن حاصل از برگ ها در هوا آزاد می شود. گلوکز حاصل می تواند به مواد دیگری مانند نشاسته تبدیل شود که به عنوان ذخیره انرژی استفاده می شود.

اگر عواملی که باعث افزایش فتوسنتز می شوند وجود نداشته باشند یا به مقدار کافی وجود نداشته باشند، گیاه می تواند تحت تأثیر منفی قرار گیرد. به عنوان مثال، نور کمتر شرایط مساعدی را برای حشراتی که برگ های گیاه را می خورند، ایجاد می کند و کمبود آب باعث کاهش سرعت آن می شود.

فتوسنتز کجا اتفاق می افتد؟

فتوسنتز در داخل سلول های گیاهی، در پلاستیدهای کوچکی به نام کلروپلاست اتفاق می افتد. کلروپلاست ها (بیشتر در لایه مزوفیل یافت می شوند) حاوی ماده سبز رنگی به نام کلروفیل هستند. در زیر قسمت های دیگری از سلول وجود دارد که با کلروپلاست برای انجام فتوسنتز کار می کنند.

ساختار یک سلول گیاهی

وظایف اجزای سلول گیاهی

• : پشتیبانی ساختاری و مکانیکی را فراهم می کند، سلول ها را در برابر محافظت می کند، شکل سلول را ثابت و تعیین می کند، سرعت و جهت رشد را کنترل می کند و به گیاهان شکل می دهد.
• : بستری را برای بیشتر فراهم می کند فرآیندهای شیمیاییتوسط آنزیم ها کنترل می شود.
• : به عنوان یک مانع عمل می کند و حرکت مواد را به داخل و خارج از سلول کنترل می کند.
• : همانطور که در بالا توضیح داده شد، آنها حاوی کلروفیل، یک ماده سبز رنگ هستند که انرژی نور را از طریق فرآیند فتوسنتز جذب می کند.
• : حفره ای در داخل سیتوپلاسم سلولی که آب را ذخیره می کند.
• : حاوی یک علامت ژنتیکی (DNA) است که فعالیت های سلول را کنترل می کند.

کلروفیل انرژی نور مورد نیاز برای فتوسنتز را جذب می کند. توجه به این نکته ضروری است که تمام طول موج های رنگی نور جذب نمی شوند. گیاهان عمدتاً طول موج های قرمز و آبی را جذب می کنند - آنها نور را در محدوده سبز جذب نمی کنند.

دی اکسید کربن در طول فتوسنتز

گیاهان از طریق برگ های خود دی اکسید کربن هوا را جذب می کنند. دی اکسید کربن از طریق یک سوراخ کوچک در پایین برگ - روزنه - نشت می کند.

قسمت پایینی برگ دارای سلول هایی با فاصله آزاد است تا دی اکسید کربن به سلول های دیگر برگ ها برسد. این همچنین به اکسیژن تولید شده توسط فتوسنتز اجازه می دهد تا به راحتی برگ را ترک کند.

دی اکسید کربن در هوایی که تنفس می کنیم در غلظت های بسیار کم وجود دارد و عامل ضروری در فاز تاریک فتوسنتز است.

نور در طول فتوسنتز

برگ معمولاً سطح زیادی دارد بنابراین می تواند نور زیادی را جذب کند. سطح بالایی آن در برابر از دست دادن آب، بیماری و قرار گرفتن در معرض آب و هوا توسط یک لایه مومی (کوتیکول) محافظت می شود. بالای ورق محل برخورد نور است. این لایه مزوفیل پالیزید نامیده می شود. برای جذب سازگار است مقدار زیادنور، زیرا حاوی کلروپلاست های زیادی است.

در فازهای نور، فرآیند فتوسنتز با نور بیشتر افزایش می یابد. اگر فوتون های نور روی برگ سبز متمرکز شوند، مولکول های کلروفیل بیشتری یونیزه می شوند و ATP و NADPH بیشتری تولید می شوند. اگرچه نور در فازهای نوری بسیار مهم است، باید توجه داشت که مقادیر بیش از حد آن می تواند به کلروفیل آسیب برساند و روند فتوسنتز را کاهش دهد.

فازهای نور چندان به دما، آب یا دی اکسید کربن وابسته نیستند، اگرچه همه آنها برای تکمیل فرآیند فتوسنتز مورد نیاز هستند.

آب در طول فتوسنتز

گیاهان آب مورد نیاز برای فتوسنتز را از طریق ریشه های خود به دست می آورند. آنها دارای موهای ریشه ای هستند که در خاک رشد می کنند. ریشه ها با سطح بزرگ و دیواره های نازک مشخص می شوند که به آب اجازه می دهد به راحتی از آنها عبور کند.

تصویر گیاهان و سلول های آنها را با آب کافی (سمت چپ) و کمبود آن (راست) نشان می دهد.

یادداشت:سلول های ریشه حاوی کلروپلاست نیستند زیرا معمولا در تاریکی هستند و نمی توانند فتوسنتز کنند.

اگر گیاه به اندازه کافی آب جذب نکند، پژمرده می شود. بدون آب، گیاه نمی تواند به اندازه کافی سریع فتوسنتز کند و حتی ممکن است بمیرد.

اهمیت آب برای گیاهان چیست؟

• مواد معدنی محلول را فراهم می کند که از سلامت گیاه حمایت می کند.
• وسیله ای برای حمل و نقل است.
• ثبات و استواری را حفظ می کند؛
• خنک و با رطوبت اشباع می شود.
• انجام واکنش های شیمیایی مختلف در سلول های گیاهی را ممکن می سازد.

اهمیت فتوسنتز در طبیعت

فرآیند بیوشیمیایی فتوسنتز از انرژی نور خورشید برای تبدیل آب و دی اکسید کربن به اکسیژن و گلوکز استفاده می کند. گلوکز به عنوان بلوک ساختمانی در گیاهان برای رشد بافت استفاده می شود. بنابراین، فتوسنتز روشی است که توسط آن ریشه، ساقه، برگ، گل و میوه تشکیل می شود. بدون فرآیند فتوسنتز، گیاهان قادر به رشد یا تولید مثل نخواهند بود.

• تهیه کنندگان

گیاهان به دلیل توانایی فتوسنتزی خود به عنوان تولید کننده شناخته می شوند و تقریباً برای هر کدام پایه و اساس هستند زنجیره غذاییروی زمین. (جلبک ها معادل گیاهان در هستند). تمام غذایی که ما می خوریم از ارگانیسم هایی می آید که فتوسنتزی هستند. ما مستقیماً از این گیاهان می خوریم یا حیواناتی مانند گاو یا خوک که غذاهای گیاهی مصرف می کنند می خوریم.

• پایه زنجیره غذایی

در سیستم های آبی، گیاهان و جلبک ها نیز اساس زنجیره غذایی را تشکیل می دهند. جلبک ها به عنوان غذا برای موجودات بزرگتر عمل می کنند که به نوبه خود منبع تغذیه هستند. بدون فتوسنتز در محیط آبیزندگی غیرممکن خواهد بود

• حذف دی اکسید کربن

فتوسنتز دی اکسید کربن را به اکسیژن تبدیل می کند. در طول فتوسنتز، دی اکسید کربن از جو وارد گیاه می شود و سپس به صورت اکسیژن آزاد می شود. در دنیای امروز که سطح دی اکسید کربن با سرعت های هشدار دهنده ای در حال افزایش است، هر فرآیندی که دی اکسید کربن را از جو حذف کند از نظر زیست محیطی مهم است.

• چرخه مواد مغذی

گیاهان و سایر موجودات فتوسنتزی نقش حیاتی در چرخه مواد مغذی دارند. نیتروژن موجود در هوا در بافت گیاه ثابت می شود و برای ایجاد پروتئین در دسترس می شود. ریزمغذی‌های موجود در خاک همچنین می‌توانند در بافت گیاهی گنجانده شوند و در زنجیره غذایی در دسترس علف‌خواران قرار گیرند.

• وابستگی فتوسنتزی

فتوسنتز به شدت و کیفیت نور بستگی دارد. در خط استوا، جایی که نور خورشید در تمام طول سال فراوان است و آب یک عامل محدود کننده نیست، گیاهان سرعت رشد بالایی دارند و می توانند بسیار بزرگ شوند. برعکس، فتوسنتز در قسمت‌های عمیق‌تر اقیانوس کمتر اتفاق می‌افتد، زیرا نور به این لایه‌ها نفوذ نمی‌کند و در نتیجه اکوسیستم بی‌ثمرتری ایجاد می‌شود.

فتوسنتز- سنتز ترکیبات آلی از غیر آلی با استفاده از انرژی نور (hv). معادله خلاصهفتوسنتز:

6CO 2 + 6H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 6O 2

فتوسنتز با مشارکت رنگدانه های فتوسنتزی انجام می شود که دارای خاصیت منحصر به فرد تبدیل انرژی نور خورشید به انرژی پیوند شیمیایی در قالب ATP هستند. رنگدانه های فتوسنتزی موادی شبیه پروتئین هستند. مهمترین آنها رنگدانه کلروفیل است. در یوکاریوت ها، رنگدانه های فتوسنتزی در غشای داخلی پلاستیدها قرار می گیرند، آنها در داخل غشای سیتوپلاسمی قرار می گیرند.

ساختار کلروپلاست بسیار شبیه به ساختار میتوکندری است. غشای داخلی تیلاکوئیدهای گرانا حاوی رنگدانه های فتوسنتزی و همچنین پروتئین های زنجیره انتقال الکترون و مولکول های آنزیم سنتتاز ATP است.

فرآیند فتوسنتز شامل دو مرحله است: روشن و تاریک.

فاز نورفتوسنتز فقط در نور در غشای گرانا تیلاکوئید اتفاق می افتد. در این فاز، کلروفیل کوانتوم های نور را جذب می کند، یک مولکول ATP تولید می کند و آب را فتولیز می کند.

تحت تأثیر یک کوانتوم نوری (hv)، کلروفیل الکترون‌های خود را از دست می‌دهد و به حالت برانگیخته می‌رود:

Chl → Chl + e —

این الکترون ها توسط حامل ها به خارج منتقل می شوند، یعنی. سطح غشای تیلاکوئید رو به ماتریکس، جایی که آنها جمع می شوند.

در همان زمان، فتولیز آب در داخل تیلاکوئیدها اتفاق می افتد، یعنی. تجزیه آن تحت تأثیر نور

2H 2 O → O 2 +4H + + 4e —

الکترون های حاصل توسط حامل ها به مولکول های کلروفیل منتقل می شوند و آنها را بازیابی می کنند: مولکول های کلروفیل به حالت پایدار باز می گردند.

پروتون های هیدروژنی که در طول فتولیز آب تشکیل می شوند در داخل تیلاکوئید تجمع می یابند و یک مخزن H + ایجاد می کنند. در نتیجه، سطح داخلی غشای تیلاکوئید بار مثبت (به دلیل H +) و سطح بیرونی بار منفی (به دلیل e -) دارد. با تجمع ذرات باردار مخالف در دو طرف غشا، اختلاف پتانسیل افزایش می یابد. وقتی به مقدار بحرانی اختلاف پتانسیل رسید، نیرو میدان الکتریکیشروع به هل دادن پروتون ها از طریق کانال سنتتاز ATP می کند. انرژی آزاد شده در این مورد برای فسفریله کردن مولکول های ADP استفاده می شود:

ADP + P → ATP

تشکیل ATP در طول فتوسنتز تحت تأثیر انرژی نور نامیده می شود فتوفسفوریلاسیون.

یون های هیدروژن، زمانی که در سطح بیرونی غشای تیلاکوئید قرار می گیرند، در آنجا با الکترون ها برخورد می کنند و هیدروژن اتمی را تشکیل می دهند که به مولکول حامل هیدروژن NADP (نیکوتین آدنین دی نوکلئوتید فسفات) متصل می شود.

2H + + 4e - + NADP + → NADP H 2

بنابراین، در طول فاز نوری فتوسنتز، سه فرآیند رخ می دهد: تشکیل اکسیژن در اثر تجزیه آب، سنتز ATP و تشکیل اتم های هیدروژن به شکل NADP H2. اکسیژن در جو پخش می شود، ATP و NADP H2 در فرآیندهای فاز تاریک شرکت می کنند.

فاز تاریکفتوسنتز در ماتریکس کلروپلاست هم در روشنایی و هم در تاریکی رخ می دهد و نشان دهنده یک سری تبدیل های متوالی CO 2 است که از هوا در چرخه کالوین می آید. واکنش های فاز تاریک با استفاده از انرژی ATP انجام می شود. در چرخه کالوین، CO 2 با هیدروژن NADP H 2 پیوند می زند و گلوکز را تشکیل می دهد.

در فرآیند فتوسنتز، علاوه بر مونوساکاریدها (گلوکز و غیره)، مونومرهای سایر ترکیبات آلی - اسیدهای آمینه، گلیسرول و ... سنتز می شوند. اسید چرب. بنابراین، گیاهان به لطف فتوسنتز، خود و همه موجودات زنده روی زمین را با مواد آلی و اکسیژن لازم تأمین می کنند.

ویژگی های مقایسه ای فتوسنتز و تنفس یوکاریوت ها در جدول آورده شده است:

ویژگی های مقایسه ای فتوسنتز و تنفس یوکاریوت ها

امضا کردن	فتوسنتز	نفس
معادله واکنش	6CO 2 + 6H 2 O + انرژی نور → C 6 H 12 O 6 + 6O 2	C 6 H 12 O 6 + 6O 2 → 6H 2 O + انرژی (ATP)
مواد اولیه	دی اکسید کربن، آب
محصولات واکنش	مواد آلی، اکسیژن	دی اکسید کربن، آب
اهمیت در چرخه مواد	سنتز مواد آلیاز غیر آلی	تجزیه مواد آلی به غیر آلی
تبدیل انرژی	تبدیل انرژی نور به انرژی پیوندهای شیمیاییمواد آلی	تبدیل انرژی پیوندهای شیمیایی مواد آلی به انرژی پیوندهای پرانرژی ATP
مراحل کلیدی	فاز روشن و تاریک (از جمله چرخه کالوین)	اکسیداسیون ناقص (گلیکولیز) و اکسیداسیون کامل (از جمله چرخه کربس)
محل فرآیند	کلروپلاست	هیالوپلاسم (اکسیداسیون ناقص) و میتوکندری (اکسیداسیون کامل)

چگونه انرژی نور خورشید در فازهای روشن و تاریک فتوسنتز به انرژی پیوندهای شیمیایی گلوکز تبدیل می شود؟ پاسخ خود را توضیح دهید.

پاسخ

در فاز نوری فتوسنتز، انرژی نور خورشید به انرژی الکترون های برانگیخته و سپس انرژی الکترون های برانگیخته به انرژی ATP و NADP-H2 تبدیل می شود. در فاز تاریک فتوسنتز، انرژی ATP و NADP-H2 به انرژی پیوندهای شیمیایی گلوکز تبدیل می شود.

در مرحله نور فتوسنتز چه اتفاقی می افتد؟

پاسخ

الکترون های کلروفیل که توسط انرژی نوری برانگیخته می شوند، در امتداد زنجیره های انتقال الکترون حرکت می کنند، انرژی آنها در ATP و NADP-H2 ذخیره می شود. فتولیز آب اتفاق می افتد و اکسیژن آزاد می شود.

چه فرآیندهای اصلی در مرحله تاریک فتوسنتز رخ می دهد؟

پاسخ

از دی اکسید کربن به دست آمده از جو و هیدروژن به دست آمده در فاز سبک، گلوکز به دلیل انرژی ATP به دست آمده در فاز سبک تشکیل می شود.

عملکرد کلروفیل در سلول گیاهی چیست؟

پاسخ

کلروفیل در فرآیند فتوسنتز نقش دارد: در فاز نور، کلروفیل نور را جذب می کند، الکترون کلروفیل انرژی نور را دریافت می کند، شکسته می شود و در امتداد زنجیره انتقال الکترون می رود.

الکترون های مولکول های کلروفیل چه نقشی در فتوسنتز دارند؟

پاسخ

الکترون های کلروفیل که توسط نور خورشید برانگیخته می شوند، از زنجیره های انتقال الکترون عبور می کنند و انرژی خود را برای تشکیل ATP و NADP-H2 تسلیم می کنند.

در چه مرحله ای از فتوسنتز تشکیل می شود؟ اکسیژن آزاد?

پاسخ

در فاز نور، در طول فتولیز آب.

سنتز ATP در کدام مرحله از فتوسنتز اتفاق می افتد؟

پاسخ

فاز پیش نور.

چه ماده ای به عنوان منبع اکسیژن در طول فتوسنتز عمل می کند؟

پاسخ

آب (اکسیژن در طول فتولیز آب آزاد می شود).

سرعت فتوسنتز به عوامل محدود کننده از جمله نور، غلظت دی اکسید کربن و دما بستگی دارد. چرا این عوامل برای واکنش های فتوسنتز محدود کننده هستند؟

پاسخ

نور برای تحریک کلروفیل ضروری است، برای فرآیند فتوسنتز انرژی را تامین می کند. دی اکسید کربن در فاز تاریک فتوسنتز ضروری است. تغییرات دما منجر به دناتوره شدن آنزیم ها و کاهش سرعت واکنش های فتوسنتزی می شود.

در چه واکنش های متابولیکی در گیاهان دی اکسید کربن ماده اولیه برای سنتز کربوهیدرات ها است؟

پاسخ

در واکنش های فتوسنتز

فرآیند فتوسنتز به شدت در برگ گیاهان اتفاق می افتد. آیا در میوه های رسیده و نارس وجود دارد؟ پاسخ خود را توضیح دهید.

پاسخ

فتوسنتز در قسمت های سبز گیاهان در نور اتفاق می افتد. بنابراین، فتوسنتز در پوست میوه های سبز رخ می دهد. فتوسنتز در داخل میوه یا در پوست میوه های رسیده (نه سبز رنگ) اتفاق نمی افتد.

همانطور که از نام آن پیداست، فتوسنتز اساساً سنتز طبیعی مواد آلی است که CO2 از جو و آب را به گلوکز و اکسیژن آزاد تبدیل می کند.

این امر مستلزم وجود انرژی خورشیدی است.

معادله شیمیایی برای فرآیند فتوسنتز به طور کلی می تواند به صورت زیر نمایش داده شود:

فتوسنتز دو مرحله دارد: تاریک و روشن. واکنش های شیمیاییفازهای تاریک فتوسنتز به طور قابل توجهی با واکنش های فاز نور متفاوت است، اما فاز تاریک و روشن فتوسنتز به یکدیگر بستگی دارند.

فاز نور می تواند در برگ های گیاه منحصراً در نور خورشید رخ دهد. برای تاریکی، وجود دی اکسید کربن ضروری است، به همین دلیل است که گیاه باید دائما آن را از جو جذب کند. همه ویژگی های مقایسه ایمراحل تاریک و روشن فتوسنتز در زیر ارائه خواهد شد. برای این منظور، جدول مقایسه ای "فازهای فتوسنتز" ایجاد شد.

فاز نور فتوسنتز

فرآیندهای اصلی در فاز نوری فتوسنتز در غشاهای تیلاکوئید رخ می دهد. این شامل کلروفیل، پروتئین های انتقال الکترون، سنتتاز ATP (آنزیمی که واکنش را تسریع می کند) و نور خورشید است.

علاوه بر این، مکانیسم واکنش را می توان به شرح زیر توصیف کرد: هنگامی که نور خورشید به برگ های سبز گیاهان برخورد می کند، الکترون های کلروفیل (بار منفی) در ساختار آنها برانگیخته می شوند که با عبور از حالت فعال، مولکول رنگدانه را ترک می کنند و در نهایت در خارج از تیلاکوئید، غشای آن نیز دارای بار منفی است. همزمان، مولکول‌های کلروفیل اکسید می‌شوند و مولکول‌های قبلاً اکسید شده کاهش می‌یابند، بنابراین الکترون‌ها را از آب موجود در ساختار برگ می‌گیرند.

این فرآیند منجر به این واقعیت می شود که مولکول های آب متلاشی می شوند و یون های ایجاد شده در نتیجه فتولیز آب الکترون های خود را رها می کنند و به رادیکال های OH تبدیل می شوند که قادر به انجام واکنش های بعدی هستند. سپس این رادیکال‌های واکنش‌پذیر OH ترکیب می‌شوند تا مولکول‌های آب و اکسیژن کامل را ایجاد کنند. در این حالت، اکسیژن آزاد به محیط خارجی فرار می کند.

در نتیجه همه این واکنش ها و دگرگونی ها، غشای تیلاکوئید برگ در یک طرف به طور مثبت (به دلیل یون H +) و از طرف دیگر - منفی (به دلیل الکترون ها) باردار می شود. زمانی که اختلاف این بارها در دو طرف غشا به بیش از 200 میلی ولت می رسد، پروتون ها از کانال های مخصوص آنزیم سنتتاز ATP عبور می کنند و به همین دلیل ADP به ATP (در نتیجه فرآیند فسفوریلاسیون) تبدیل می شود. و هیدروژن اتمی که از آب آزاد می شود، حامل خاص NADP+ را به NADP·H2 باز می گرداند. همانطور که می بینیم، در نتیجه فاز نوری فتوسنتز، سه فرآیند اصلی رخ می دهد:

1. سنتز ATP؛
2. ایجاد NADP H2؛
3. تشکیل اکسیژن آزاد

دومی در جو آزاد می شود و NADP H2 و ATP در فاز تاریک فتوسنتز شرکت می کنند.

فاز تاریک فتوسنتز

فازهای تاریک و روشن فتوسنتز با صرف انرژی زیاد از سوی گیاه مشخص می شود، اما فاز تاریک سریعتر پیش می رود و به انرژی کمتری نیاز دارد. واکنش های فاز تاریک نیازی به نور خورشید ندارند، بنابراین می توانند در روز و شب رخ دهند.

تمام فرآیندهای اصلی این فاز در استرومای کلروپلاست گیاه رخ می دهد و نشان دهنده زنجیره ای منحصر به فرد از تبدیل های متوالی دی اکسید کربن از جو است. اولین واکنش در چنین زنجیره ای تثبیت دی اکسید کربن است. طبیعت برای اینکه آن را روان‌تر و سریع‌تر کند، آنزیم RiBP-کربوکسیلاز را ارائه کرده است که تثبیت CO2 را کاتالیز می‌کند.

سپس یک چرخه کامل از واکنش ها رخ می دهد که تکمیل آن تبدیل فسفوگلیسریک اسید به گلوکز (قند طبیعی) است. همه این واکنش ها از انرژی ATP و NADP H2 استفاده می کنند که در فاز نوری فتوسنتز ایجاد شده اند. علاوه بر گلوکز، فتوسنتز مواد دیگری نیز تولید می کند. از جمله اسیدهای آمینه مختلف، اسیدهای چرب، گلیسرول و نوکلئوتیدها هستند.

مراحل فتوسنتز: جدول مقایسه

معیارهای مقایسه	فاز نور	فاز تاریک
نور خورشید	ضروری	لازم نیست
محل واکنش	گرانا کلروپلاست	استروما کلروپلاست
وابستگی به منبع انرژی	بستگی به نور خورشید دارد	بستگی به ATP و NADP H2 تشکیل شده در فاز نور و به مقدار CO2 از جو دارد.
مواد اولیه	کلروفیل، پروتئین های انتقال الکترون، سنتتاز ATP	دی اکسید کربن
ماهیت فاز و آنچه شکل می گیرد	O2 آزاد آزاد می شود، ATP و NADP H2 تشکیل می شوند	تشکیل قند طبیعی (گلوکز) و جذب CO2 از جو

فتوسنتز - ویدئو