როგორ მუშაობს ფოტოსინთეზი?

ფოტოსინთეზის პროცესი, რომელშიც მცენარეები და ხეები მზისგან სინათლეს საკვებად აქცევენ ენერგია, შეიძლება თავდაპირველად ჯადოქრად მოგვეჩვენოს, მაგრამ პირდაპირ და არაპირდაპირ, ეს პროცესი მთლიანობას ინარჩუნებს სამყარო მწვანე მცენარეების შუქზე მისვლისას, მათი ფოთლები იპყრობენ მზის ენერგიას სინათლის შთამნთქმელი ქიმიკატების ან სპეციალური პიგმენტების გამოყენებით ნახშირორჟანგისა და ატმოსფეროდან წყლის ამოღების მიზნით. ეს პროცესი ავრცელებს ჟანგბადს, როგორც სუბპროდუქტი, ატმოსფეროში, ყველა ჰაერის ორგანიზმისთვის საჭირო კომპონენტი.

TL; DR (ძალიან გრძელია; არ წავიკითხე)

ფოტოსინთეზის მარტივი განტოლებაა ნახშირორჟანგი + წყალი + სინათლის ენერგია = გლუკოზა + ჟანგბადი. რადგან მცენარეთა სამეფოს წარმომადგენლები ნახშირორჟანგს მოიხმარენ ფოტოსინთეზის დროს, ისინი ავრცელებენ ჟანგბადს ატმოსფეროში, რათა ადამიანებმა ისუნთქონ; მწვანე ხეები და მცენარეები (ხმელეთზე და ზღვაში) ძირითადად პასუხისმგებელნი არიან ჟანგბადში ატმოსფერო და მათ გარეშე ცხოველები და ადამიანები, ისევე როგორც ცხოვრების სხვა ფორმები, შესაძლოა არ არსებობდნენ გააკეთე დღეს.

მწვანე, მზარდი საგნები აუცილებელია პლანეტაზე მთელი ცხოვრებისათვის, არა მხოლოდ როგორც საკვები ბალახისმჭამელების და ყველაფრისმჭამელების, არამედ ჟანგბადის სუნთქვისთვის. ფოტოსინთეზის პროცესი არის ჟანგბადის ატმოსფეროში შეყვანის ძირითადი გზა. ეს არის ერთადერთი ბიოლოგიური საშუალება პლანეტაზე, რომელიც იპყრობს მზის სინათლის ენერგიას, აქცევს მას შაქრებად და ნახშირწყლებად, რაც უზრუნველყოფს საკვები ნივთიერებებს მცენარეებს ჟანგბადის გამოყოფის დროს.

დაფიქრდი: მცენარეებსა და ხეებს შეუძლიათ არსებითად მოზიდონ ენერგია, რომელიც იწყება სივრცის გარედან, მზის სხივის ფორმა, გადააქციეთ იგი საკვებად და ამ პროცესში გაათავისუფლეთ საჭირო ჰაერი, რომელიც ორგანიზმებს სჭირდებათ აყვავება. შეიძლება ითქვას, რომ ჟანგბადის წარმომქმნელ ყველა მცენარესა და ხეს სიმბიოტიკური კავშირი აქვს ჟანგბადის სუნთქვის ყველა ორგანიზმთან. ადამიანი და ცხოველები აწვდიან ნახშირორჟანგს მცენარეებს და ისინი სანაცვლოდ ჟანგბადს აწვდიან. ბიოლოგები ამას ორმხრივ სიმბიოტიკურ ურთიერთობას უწოდებენ, რადგან ურთიერთობის ყველა მხარე სარგებლობს.

ლინეის კლასიფიკაციის სისტემაში ყველა ცხოველის, მცენარის კატეგორიზაცია და რანჟირება წყალმცენარეები და ბაქტერიების სახეობა, რომელსაც ციანობაქტერიები ეწოდება, ერთადერთი ცოცხალი არსებაა, რომლისგანაც წარმოიქმნება საკვები მზის შუქი. ტყის მოჭრისა და მცენარეთა მოშორების არგუმენტი განვითარების მიზნით, კონტრპროდუქტიული ჩანს, თუ ამ მოვლენებში აღარ დარჩა ადამიანი, რადგან არ დარჩა მცენარეები და ხეები ჟანგბადის შესაქმნელად.

მცენარეები და ხეები არის ავტოტროფები, ცოცხალი ორგანიზმები, რომლებიც თავად ქმნიან საკვებს. იმის გამო, რომ ისინი ამას მზის სინათლის ენერგიის გამოყენებით აკეთებენ, ბიოლოგები მათ ფოტოატოტროფებს უწოდებენ. პლანეტაზე მცენარეებისა და ხეების უმეტესობა ფოტოავტოტროფია.

მზის სინათლის საკვებად გადაქცევა ხდება უჯრედულ დონეზე, მცენარეთა ფოთლებში, ორგანულ უჯრედებში, ორგანულ სტრუქტურაში, ქლოროპლასტად. მიუხედავად იმისა, რომ ფოთლები შედგება რამდენიმე შრისგან, ფოტოსინთეზი ხდება მეზოფილში, შუა ფენაში. ფოთლების ქვედა მხარეს მცირე მიკრო ღიობები, რომლებსაც სტომატები უწოდებენ, აკონტროლებს ნახშირორჟანგისა და ჟანგბადის ნაკადს მცენარეთა მიმართულებით და მისგან, აკონტროლებს მცენარის გაზის გაცვლას და მცენარის წყლის ბალანსს.

სტომატები არსებობს ფოთლების ფსკერზე, მზისგან მოშორებით, წყლის დაკარგვის შემცირების მიზნით. მცირე ზომის დამცავი უჯრედები აკონტროლებენ ამ პირის მსგავსი ღიობების გახსნას და დახურვას ატმოსფეროში წყლის რაოდენობის საპასუხოდ შეშუპებით ან შემცირებით. როდესაც სტომატები დაიხურება, ფოტოსინთეზი არ შეიძლება მოხდეს, რადგან მცენარეს არ შეუძლია ნახშირორჟანგის მიღება. ეს იწვევს ნახშირორჟანგის დონის შემცირებას მცენარეში. როდესაც დღის საათები ძალიან ცხელი და მშრალი გახდება, სტრომა იხურება ტენიანობის შესანარჩუნებლად.

როგორც ორგანული ან სტრუქტურა მცენარეთა ფოთლების უჯრედულ დონეზე, ქლოროპლასტებს აქვთ გარეთა და შიდა გარსი, რომელიც მათ გარს აკრავს. ამ გარსების შიგნით არის ლანგრის ფორმის სტრუქტურები, რომლებსაც თილაკოიდები ეწოდება. თილაკოიდული მემბრანაა იქ, სადაც მცენარე და ხეები ინახავს ქლოროფილს, მწვანე პიგმენტს, რომელიც პასუხისმგებელია მზის სინათლის ენერგიის ათვისებაზე. ეს არის ადგილი, სადაც ხდება სინათლეზე დამოკიდებული საწყისი რეაქციები, როდესაც უამრავი ცილა ქმნის სატრანსპორტო ჯაჭვს მზიდან გამოყვანილი ენერგიის გადასაყვანად იქ, სადაც საჭიროა მცენარეში გადასვლა.

ფოტოსინთეზის პროცესი ორსაფეხურიანი, მრავალსაფეხურიანი პროცესია. ფოტოსინთეზის პირველი ეტაპი იწყება მსუბუქი რეაქციები, ასევე ცნობილი როგორც სინათლისგან დამოუკიდებელი პროცესი და მზისგან მოითხოვს სინათლის ენერგიას. მეორე ეტაპი, ბნელი რეაქცია სცენა, რომელსაც ასევე უწოდებენ კალვინის ციკლი, არის პროცესი, რომლის დროსაც მცენარე შაქარს აკეთებს NADPH და ATP დახმარებით, მსუბუქი რეაქციის ეტაპიდან.

მსუბუქი რეაქცია ფოტოსინთეზის ფაზა მოიცავს შემდეგ ნაბიჯებს:

• ნახშირორჟანგისა და წყლის შეგროვება ატმოსფეროდან მცენარის ან ხის ფოთლების საშუალებით.
• მცენარეებში ან ხეებში შუქის შემწოვი მწვანე პიგმენტები გარდაქმნის მზის სინათლეს შენახულ ქიმიურ ენერგიად.
• სინათლის საშუალებით გააქტიურებული მცენარეული ფერმენტები ახდენენ ენერგიის გადატანას იქ, სადაც საჭიროა, სანამ არ ათავისუფლებენ მას, რათა თავიდან აიცილონ.
  

ეს ყველაფერი ხდება უჯრედულ დონეზე, მცენარის თილაკოიდების შიგნით, ცალკეულ გაბრტყელებულ ტომრებში, რომლებიც განლაგებულია გრანაში ან სტეკებში მცენარის ქლოროპლასტებში ან ხის უჯრედებში.

კალვინის ციკლი, დაასახელა ბერკლის ბიოქიმიკოსის მელვინ კალვინისთვის (1911-1997), 1961 წელს ნობელის პრემიის ლაურეატი ქიმიის დარგში Dark Reaction ეტაპი, არის პროცესი, რომლის დროსაც მცენარე შაქარს აკეთებს NADPH და ATP დახმარებით, მსუბუქი რეაქციისგან ეტაპი კალვინის ციკლის განმავლობაში ხდება შემდეგი ნაბიჯები:

• ნახშირბადის ფიქსაცია, რომელშიც მცენარეები ნახშირბადს უკავშირებენ მცენარეთა ქიმიკატებს (RuBP) ფოტოსინთეზისთვის.
• შემცირების ფაზა, რომლის დროსაც მცენარეული და ენერგეტიკული ქიმიკატები რეაგირებენ მცენარეთა შაქრების შესაქმნელად.
• ნახშირწყლების, როგორც მცენარის საკვები ნივთიერებების წარმოქმნა.
• რეგენერაციის ფაზა, სადაც შაქარი და ენერგია თანამშრომლობენ RuBP მოლეკულის შესაქმნელად, რაც საშუალებას იძლევა ციკლი თავიდან დაიწყოს.

თილაკოიდულ მემბრანაში ჩასმულია შუქის აღების ორი სისტემა: ფოტოსისტემა I და ფოტოსისტემა II შედგება მრავალი ანტენის მსგავსი ცილებისგან, სადაც მცენარის ფოთლები სინათლის ენერგიას ქიმიურად აქცევს ენერგია Photosystem I უზრუნველყოფს დაბალი ენერგიის ელექტრონული მატარებლების მომარაგებას, ხოლო მეორე ენერგიულ მოლეკულებს აწვდის იქ, სადაც მათ სჭირდებათ წასვლა.

ქლოროფილი არის სინათლის შთამნთქმელი პიგმენტი, მცენარეთა და ხეების ფოთლების შიგნით, რომელიც იწყებს ფოტოსინთეზის პროცესს. როგორც ქლოროპლასტური თილაკოიდის შემადგენლობაში შემავალი ორგანული პიგმენტი, ქლოროფილი ენერგიას მხოლოდ ვიწრო ჯგუფში შთანთქავს ელექტრომაგნიტური სპექტრის მიერ მზის მიერ წარმოებული ტალღის სიგრძე 700 ნანომეტრიდან (ნმ) 400 – მდე ნმ ეწოდება ფოტოსინთეზურად აქტიური გამოსხივების ზოლი, მწვანე ზის ხილული სინათლის სპექტრის შუაში და ჰყოფს დაბალი ენერგია, მაგრამ გრძელი ტალღის სიგრძე წითელი, ყვითელი და ნარინჯისფერი მაღალი ენერგიიდან, მოკლე ტალღის სიგრძე, ცისფერი, ინდიგო და იისფერი.

როგორც ქლოროფილები შთანთქავენ ერთი ფოტონი ან მკაფიო მსუბუქი ენერგიის პაკეტი იწვევს ამ მოლეკულების აღგზნებას. მცენარის მოლეკულის აღგზნების შემდეგ, პროცესის დანარჩენი ნაბიჯები მოიცავს ამ აღგზნებულ მოლეკულას ენერგიის ტრანსპორტირების სისტემაში ენერგიას გადამზიდავი, რომელსაც ეწოდება ნიკოტინამიდი ადენინი დინუკლეოტიდის ფოსფატი ან NADPH, ფოტოსინთეზის მეორე ეტაპზე, მუქი რეაქციის ფაზაზე ან კალვინზე გადასასვლელად. ციკლი

შესვლის შემდეგ ელექტრონების ტრანსპორტირების ჯაჭვი, პროცესში მიიღება წყალბადის იონები მიღებული წყლისგან და მიაქვს იგი თილაკოიდის შიგნით, სადაც გროვდება ეს წყალბადის იონები. იონები გადიან ნახევრად ფოროვან გარსს სტრომალური მხრიდან თილაკოიდების სანათურში და კარგავენ ზოგიერთს პროცესში არსებული ენერგიის, რადგან ისინი გადაადგილდებიან ორ ფოტოსისტემას შორის არსებული ცილების საშუალებით. წყალბადის იონები იკრიბებიან თილაკოიდულ სანათურში, სადაც ისინი ელიან ენერგიას, სანამ მონაწილეობენ პროცესში, რომელიც ადენოზინს ტრიფოსფატს ან უჯრედის ენერგეტიკულ ვალუტს ქმნის.

ანტენის პროტეინები ფოტოსისტემაში 1 შთანთქავს სხვა ფოტონს და ავრცელებს მას PS1 რეაქციის ცენტრში, სახელწოდებით P700. დაჟანგვის ცენტრი, P700 აგზავნის მაღალენერგეტიკულ ელექტრონს ნიკოტინ-ამიდ ადენინ დინუკლეოტიდ ფოსფატს ან NADP + და ამცირებს მას NADPH და ATP წარმოქმნისთვის. ეს არის სადაც მცენარეული უჯრედი სინათლის ენერგიას ქიმიურ ენერგიად აქცევს.

ქლოროპლასტი კოორდინაციას უწევს ფოტოსინთეზის ორ ეტაპს, რათა გამოიყენოს მსუბუქი ენერგია შაქრის დასამზადებლად. ქლოროპლატის შიგნით თილაკოიდები წარმოადგენს სინათლის რეაქციების ადგილებს, ხოლო კალვინის ციკლი გვხვდება სტრომაში.

უჯრედული სუნთქვა, რომელიც დაკავშირებულია ფოტოსინთეზის პროცესთან, ხდება მცენარის უჯრედში, რადგან იგი იღებს სინათლის ენერგიას, ცვლის მას ქიმიურ ენერგიად და გამოყოფს ჟანგბადს ატმოსფეროში. სუნთქვა ხდება მცენარის უჯრედში, როდესაც ხდება შაქრების წარმოება ფოტოსინთეზის პროცესში აერთიანებს ჟანგბადს და ქმნის ენერგიას უჯრედისთვის, ქმნის ნახშირორჟანგს და წყალს, როგორც სუბპროდუქტებს სუნთქვა სუნთქვის მარტივი განტოლება ფოტოსინთეზის საპირისპიროა: გლუკოზა + ჟანგბადი = ენერგია + ნახშირორჟანგი + სინათლის ენერგია.

უჯრედული სუნთქვა ხდება მცენარის ყველა ცოცხალ უჯრედში, არა მხოლოდ ფოთლებში, არამედ მცენარის ან ხის ფესვებში. მას შემდეგ, რაც უჯრედულ სუნთქვას არ სჭირდება სინათლის ენერგია, ეს შეიძლება მოხდეს როგორც დღისით, ისე ღამით. მაგრამ ცუდი დრენაჟის მქონე ნიადაგზე მცენარეების ზედმეტი მორწყვა უჯრედული სუნთქვის პრობლემას ქმნის, როგორც წყალდიდობას მცენარეებს არ შეუძლიათ მიიღონ საკმარისი ჟანგბადი ფესვების საშუალებით და გარდაქმნან გლუკოზა უჯრედის მეტაბოლიზმის შესანარჩუნებლად პროცესები. თუ მცენარე ძალიან დიდხანს იღებს წყალს, მის ფესვებს შეიძლება მოაკლდეს ჟანგბადი, რაც არსებითად შეაჩერებს უჯრედულ სუნთქვას და კლავს მცენარეს.

კალიფორნიის უნივერსიტეტის მერსი პროფესორმა ელიოტ კემპბელმა და მისმა მკვლევარებმა აღნიშნეს 2017 წლის აპრილის სტატიაში "ბუნება", საერთაშორისო სამეცნიერო ჟურნალი, რომ ფოტოსინთეზის პროცესი მკვეთრად გაიზარდა მე -20 წლის განმავლობაში საუკუნე მკვლევარებმა აღმოაჩინეს გლობალური ჩანაწერი ფოტოსინთეზის პროცესის შესახებ, რომელიც ორასი წლის განმავლობაში მიმდინარეობდა.

ამან მათ დაასკვნა, რომ პლანეტაზე მცენარეების მთლიანი ფოტოსინთეზის ზრდა 30% -ით გაიზარდა მათ მიერ გამოკვლეული წლების განმავლობაში. მიუხედავად იმისა, რომ კვლევამ კონკრეტულად არ დაადგინა გლობალური მასშტაბით ფოტოსინთეზის პროცესში დატვირთვის მიზეზი, გუნდი კომპიუტერული მოდელები გვთავაზობენ რამდენიმე პროცესს, როდესაც გაერთიანდება, რამაც შეიძლება გამოიწვიოს გლობალური ქარხნის ასეთი დიდი ზრდა ზრდა

მოდელებმა აჩვენა, რომ ფოტოსინთეზის გაზრდის ძირითადი მიზეზები მოიცავს ატმოსფეროში ნახშირორჟანგის გაზრდილ ემისიებს (პირველ რიგში, ადამიანის გამო საქმიანობა), უფრო გრძელი მზარდი სეზონები გლობალური დათბობის გამო, ამ გამონაბოლქვების გამო და გაზრდილი აზოტის დაბინძურება, რასაც იწვევს მასობრივი სოფლის მეურნეობა და წიაღისეული საწვავი. წვა. ადამიანის საქმიანობამ, რამაც გამოიწვია ეს შედეგები, ახდენს დადებით და უარყოფით გავლენას პლანეტაზე.

პროფესორმა კემპბელმა აღნიშნა, რომ მიუხედავად იმისა, რომ ნახშირორჟანგის გაზრდილი გამოყოფა ასტიმულირებს მოსავლის გამომუშავებას, ის ასევე ასტიმულირებს არასასურველი სარეველებისა და ინვაზიური სახეობების ზრდას. მან აღნიშნა, რომ ნახშირორჟანგის გაზრდილი გამონაბოლქვი პირდაპირ იწვევს კლიმატის ცვლილებას, რაც იწვევს წყალდიდობის ზრდას სანაპიროზე ტერიტორიები, ამინდის უკიდურესი პირობები და ოკეანეების მჟავიანობის ზრდა, ამ ყველაფერს აქვს რთული ეფექტი გლობალურად.

მიუხედავად იმისა, რომ ფოტოსინთეზი მე -20 საუკუნის განმავლობაში გაიზარდა, ამან გამოიწვია მცენარეთა მეტი ნახშირბადის შენახვა მსოფლიოს ეკოსისტემებში, რის შედეგადაც ისინი ნახშირბადის წყაროებად იქცნენ. ფოტოსინთეზის გაზრდის შემთხვევაშიც კი ზრდა ვერ ანაზღაურებს წიაღისეული საწვავის წვას ნახშირორჟანგის უფრო მეტი გამონაბოლქვი წიაღისეული საწვავის წვის შედეგად აძლიერებს მცენარის შეთვისების უნარს CO2.

მკვლევარებმა გაანალიზეს ანტარქტიდის თოვლის მონაცემები, რომელიც ეროვნული ოკეანეების და ატმოსფერული ადმინისტრაციის მიერ იქნა შეგროვებული, მათი დასკვნების შესაქმნელად. ყინულის ნიმუშებში შენახული გაზის შესწავლით, მკვლევარებმა მიმოიხილეს წარსულის გლობალური ატმოსფერო.