Fotosintēze — definīcija: kā augi pārvērš gaismu cukurā un skābeklī
Fotosintēze — kā augi pārvērš saules gaismu cukurā un rada skābekli. Uzzini procesu, nozīmi un hloroplastu lomu vienkāršā, saprotamā skaidrojumā.
Kas ir fotosintēze
Fotosintēze ir bioloģisks un ķīmisks process, kurā augi un citas organismu grupas ražo savu pārtiku, pārvēršot saules gaismu ķīmiskā enerģijā. Tas ir endotermisks proces, kas patērē enerģiju (gaismas siltumu) un pārvērš oglekļa dioksīdu un ūdeni cukuros, kurus šūnas var izmantot kā enerģijas avotu vai uzglabāt. Fotosintēzi veic ne tikai augi, bet arī daudzu veidu aļģes, prīmusi un baktērijas, un tā ir vitāla dzīvībai uz Zemes. Izņēmumu veido hemoautotrofi, kuri enerģiju iegūst no ķīmiskām reakcijām, nevis no gaismas.
Galvenā reakcija
Fotosintēzes vispārīgā ķīmiskā vienādojuma forma ir:
6 CO2(g) + 6 H2O + fotoni → C6H12O6(aq) + 6 O2(g)
oglekļa dioksīds + ūdens + gaismas enerģija → glikoze + skābeklis
Šajā procesā skābeklis ir blakusprodukts, kas daļēji tiek atdots atmosfērā vai izmantots paša organisma elpošanā.
Kā fotosintēze notiek šūnu līmenī
Fotosintēze norisinās hloroplastā, kas atrodas lapu šūnās un satur hlorofilu — zaļo pigmentu, kas absorbē gaismas fotonus. Lapu palisādes šūnās ir daudz hloroplastu, tāpēc tās uztver vairāk gaismas un nodrošina intensīvāku fotosintēzi.
Process sastāv no divām galvenajām fāzēm:
- Gaismas atkarīgā fāze (notiek tilakoīdu membrānās): gaismas enerģija tiek absorbēta, veidojas ATP un NADPH, un ūdens molekulas tiek sašķeltas (fotolīze), atbrīvojot skābekli.
- Gaismas neatkarīgā fāze jeb Calvin cikls (notiek stroma): ATP un NADPH enerģiju izmanto, lai oglekļa dioksīdu fiksētu un pārvērstu trīskarbonātos savienojumos, no kuriem galvenais produkts ir glikoze.
Gāzu un ūdens uzņemšana
Oglekļa dioksīds no atmosfēras difūzijas ceļā iekļūst lapās caur stomātiem. Stomati kontrolē gāzu apmaiņu un transpirāciju; tie var atvērties vai aizvērties atkarībā no mitruma un gaismas apstākļiem.
Ūdeni no augsnes uzsūc sakņu matiņu šūnas, kuru virsmas laukums ir palielināts, tādējādi palielinot ūdens uzsūkšanos. Ūdens caur ksilēmu nonāk lapās, kur tas tiek izmantots fotosintēzē un iztvaiko transpirācijas procesā.
Glukozes un skābekļa izmantošana
Glikozi šūnas izmanto divos galvenajos veidos:
- Šūnu elpošanai, lai atbrīvotu uzkrāto enerģiju (ATP) metaboliskiem procesiem.
- Kā sintēzes bloku — to var pārveidot par cieti, celulozi, nektāru, fruktozi, aminoskābēm un taukiem, kas nepieciešami augšanas, atjaunošanas un pavairošanās procesiem. Glikoze bieži tiek uzglabāta cietes veidā, ko naktī vai tumsā var atkal pārvērst glikozē elpošanai.
Skābeklis ir fotosintēzes blakusprodukts: tas tiek izmantots elpošanai vai izkliedēts atpakaļ atmosfērā caur stomātiem.
Faktori, kas ietekmē fotosintēzes ātrumu
- Gaismas intensitāte — zemā gaismā fotosintēze ierobežota; pie noteikta līmeņa tā var sasniegt maksimumu.
- Oglekļa dioksīda koncentrācija — pie zemā CO2 līmeņa fotosintēze var palēnināties.
- Temperatūra — ietekmē enzīmu aktivitāti; pārāk zema vai augsta temperatūra samazina efektivitāti.
- Ūdens pieejamība — ūdens stresa apstākļos stomati aizveras, samazinot CO2 uzņemšanu.
- Pigmentu sastāvs un šūnu uzbūve — dažādi pigmenti (piem., hlorofils a, b; karotinoīdi) absorbē dažādas gaismas viļņa garumus; dažādi augi (C3, C4, CAM) pielāgojas klimata apstākļiem.
Fotosintēzes bioloģiskā un ekoloģiskā nozīme
Fotosintēze ir pamatā pārtikas ķēdei — tā ražo organiskās vielas, ko patērē heterotrofi (dzīvnieki, cilvēki). Tā arī nodrošina atmosfēras skābekli, nepieciešamu aerobiskiem organismiem. Fotosintēze palīdz regulēt oglekļa dioksīda līmeni atmosfērā, ietekmējot klimatu un globālo oglekļa ciklu.
Dažādības veidi
Fotosintēze var noritēt nedaudz atšķirīgos veidos atkarībā no organismu grupas un vides:
- C3 ceļš — izplatītākais augos (Calvin cikls tieši fiksē CO2).
- C4 ceļš — pielāgojums siltā, saulainā vidē; efektīvāka CO2 fiksācija un mazāka fotorespirācija.
- CAM ceļš — sausu apstākļu pielāgojums (stomati atveras naktī, lai samazinātu ūdens zudumu).
Apkopojot, fotosintēze ir sarežģīts, daudzpakāpju process, kas pārvērš saules enerģiju par ķīmisko enerģiju, nodrošinot organiskos savienojumus un skābekli — abi ir būtiski gan organismu metabolisma nodrošināšanai, gan biosfēras stabilitātei.
No saules gaismas, sakņu absorbētā ūdens un atmosfērā esošā oglekļa dioksīda fotosintēzes procesā rodas glikoze un skābeklis.
Reakcijas
Fotosintēzē notiek divas galvenās reakcijas. Gaismneatkarīgām reakcijām ir nepieciešama gaisma, lai veiktu darbu, un no gaismas neatkarīgām reakcijām, kurām nav nepieciešama gaisma, lai veiktu darbu.
No gaismas atkarīga reakcija
Saules gaismas enerģija tiek izmantota, lai sadalītu ūdens molekulas (fotolīze). Saules gaisma iedarbojas uz auga hloroplastiem, izraisot fermentu, kas sadala ūdeni. Sadalot ūdeni, rodas skābeklis, ūdeņradis un elektroni.
Ūdeņradis kopā ar gaismas aktivizētiem elektroniem pārveido NADP par NADPH, kas pēc tam tiek izmantots no gaismas neatkarīgās reakcijās. Skābeklis izplūst no auga kā fotosintēzes atkritumprodukts, un no ADP un neorganiskā fosfāta tiek sintezēts ATP. Tas viss notiek hloroplastu granulā.
No gaismas neatkarīga reakcija
Šīs reakcijas laikā, izmantojot oglekļa dioksīdu un no gaismas atkarīgo reakciju produktus (ATP un NADPH), kā arī dažādas citas ķīmiskās vielas, kas augā atrodamas Kalvina ciklā, tiek veidoti cukuri. Tāpēc no gaismas neatkarīgā reakcija nevar notikt bez no gaismas atkarīgās reakcijas. Oglekļa dioksīds difundē augā, un kopā ar ķīmiskajām vielām hloroplastos, ATP un NADPH veidojas glikoze, kas, visbeidzot, pārvietojas pa augu, izmantojot translokāciju.
Hloroplasta shēma
Agrīnā evolūcija
Pirmie fotosintezējošie organismi, iespējams, radās jau dzīvības vēstures sākumā. Iespējams, tie kā elektronu avotus izmantoja nevis ūdeni, bet gan reducējošus aģentus, piemēram, ūdeņradi vai sērūdeņradi. Cianobaktērijas parādījās vēlāk, un to radītais skābekļa pārpalikums veicināja skābekļa katastrofu. Tas ļāva attīstīties sarežģītai dzīvībai.
Efektivitāte
Mūsdienās fotosintēzes rezultātā iegūtās enerģijas vidējais apjoms pasaulē ir aptuveni 130 teravati, kas ir aptuveni sešas reizes vairāk nekā pašreizējā cilvēka civilizācijas patērētā jauda. Fotosintētiskie organismi gadā biomasā pārvērš arī aptuveni 100-115 tūkstošus miljonu metrisko tonnu oglekļa.
Saistītās lapas
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir fotosintēze?
A: Fotosintēze ir process, ko izmanto augi un daži mikroorganismi, lai, izmantojot saules gaismu, oglekļa dioksīdu pārvērstu cukurā. Tā pārvērš gaismas enerģiju ķīmiskā enerģijā.
Q: Kādi ir fotosintēzes produkti?
A: Fotosintēzes produkti ir ogļhidrāti, kurus šūnas izmanto kā enerģiju un citu molekulu veidošanai.
J: Kā fotosintēze ietekmē dzīvību uz Zemes?
A: Fotosintēze ir ļoti svarīga dzīvībai uz Zemes, jo tās rezultātā atmosfērā nonāca brīvais skābeklis. Bez tās uz Zemes nebūtu dzīvības.
J: Kas izmanto fotosintēzi?
A: Fotosintēzi izmanto zaļie augi, aļģes, protisti un dažas baktērijas. Dažus organismus, kas enerģiju iegūst no ķīmiskām reakcijām, sauc par hemoautotrofiem un fotosintēzi neizmanto.
J: Vai fotosintēze ir eksotermiska vai endotermiska reakcija?
A: Fotosintēze ir endotermiska reakcija, kas nozīmē, ka tās norisei nepieciešams siltums.
J: Kāda veida enerģijā fotosintēzē tiek pārvērsta gaisma?
A: Fotosintēze pārvērš gaismas enerģiju ķīmiskā enerģijā.
Meklēt