როგორი რეაქციაა ფოტოსინთეზი?

ქიმიური რეაქციების სერიის გარეშე, რომლებიც ერთობლივად ცნობილია როგორც ფოტოსინთეზი, თქვენ აქ არ იქნებოდით და არც ვინმე სხვა ვისაც იცნობდით. ეს შეიძლება უცნაურ საჩივრად მოგეჩვენოთ, თუკი იცით რომ ფოტოსინთეზი არის მხოლოდ მცენარეები და რამდენიმე მიკროორგანიზმი. და რომ თქვენს სხეულში ან რომელიმე ცხოველში არც ერთ უჯრედს არ აქვს აპარატი რეაქციების ამ ელეგანტური ასორტიმენტის განსახორციელებლად. რა იძლევა?

მარტივად რომ ვთქვათ, მცენარეთა ცხოვრება და ცხოველთა სიცოცხლე თითქმის სრულყოფილად სიმბიოზურია, რაც იმას ნიშნავს, რომ მცენარეების მიერ მათი მეტაბოლური მოთხოვნილებების დაკმაყოფილების გზა უდიდესი სარგებელია ცხოველებისთვის და პირიქით. უმარტივესი თვალსაზრისით, ცხოველები იღებენ ჟანგბადის გაზს (O₂) ენერგიის მოპოვება არააზიური ნახშირბადის წყაროებიდან და ნახშირორჟანგის გაზის გამოყოფა (CO)₂) და წყალი (H₂ო) პროცესში, ხოლო მცენარეები იყენებენ CO- ს₂ და ჰ₂O გააკეთოს საკვები და გაათავისუფლოს O₂ გარემოსკენ. გარდა ამისა, ამჟამად მსოფლიოს ენერგიის დაახლოებით 87 პროცენტი მოდის წიაღისეული საწვავის წვაზე, რაც, საბოლოო ჯამში, ფოტოსინთეზის პროდუქტებიცაა.

ზოგჯერ ნათქვამია, რომ "ფოტოსინთეზი ნიშნავს მცენარეებს, თუ რა არის სუნთქვა ცხოველებისთვის", მაგრამ ეს არასწორი ანალოგია, რადგან მცენარეები იყენებენ ორივევეს, ხოლო ცხოველები მხოლოდ სუნთქვას იყენებენ. იფიქრეთ ფოტოსინთეზზე, როგორც მცენარეების მიერ ნახშირბადის მოხმარებისა და მონელების გზაზე, ეყრდნობიან სინათლეს, ვიდრე მოძრაობას და ჭამის მოქმედებას ნახშირბადის ისეთი ფორმით შესაქმნელად, რომლის გამოყენებაც შეუძლიათ პატარა უჯრედულ მანქანებს.

ფოტოსინთეზი, მიუხედავად იმისა, რომ პირდაპირ არ გამოიყენება ცოცხალი არსებების მნიშვნელოვანი ნაწილის მიერ, შეიძლება იყოს გონივრულად განიხილება, როგორც ერთი ქიმიური პროცესი, რომელიც პასუხისმგებელია სიცოცხლის უწყვეტი არსებობის უზრუნველსაყოფად თვით დედამიწა. ფოტოსინთეზური უჯრედები იღებენ CO- ს₂ და ჰ₂ორგანიზმის მიერ გარემოდან შეგროვებული და მზის სხივების ენერგიის გამოყენება გლუკოზის სინთეზის გასაზრდელად (C₆ჰ₁₂ო₆), გამოყოფს O₂ როგორც ნარჩენების პროდუქტი. შემდეგ ამ გლუკოზას ამუშავებენ მცენარის სხვადასხვა უჯრედები, ისევე, როგორც ცხოველების მიერ გლუკოზა უჯრედები: ის გადის სუნთქვას ადენოზინტრიფოსფატის (ATP) სახით ენერგიის გამოსათავისუფლებლად და ათავისუფლებს კომპანია₂ როგორც ნარჩენების პროდუქტი. (ფიტოპლანქტონი და ციანობაქტერიები ასევე იყენებენ ფოტოსინთეზს, მაგრამ ამ დისკუსიის მიზნებისათვის, ფოტოსინთეზური უჯრედების შემცველ ორგანიზმებს ზოგადად "მცენარეებს" უწოდებენ).

ორგანიზმებს, რომლებიც ფოტოსინთეზს იყენებენ გლუკოზის შესაქმნელად, აუტოტროფებს უწოდებენ, რაც ბერძნულიდან თავისუფლად ითარგმნება და ნიშნავს „თვით საკვებს“. ანუ მცენარეები არ ენდობიან სხვა ორგანიზმებს პირდაპირ საკვებად. მეორეს მხრივ, ცხოველები ჰეტეროტროფები არიან ("სხვა საკვები"), რადგან მათ უნდა მიიღონ ნახშირბადი სხვა ცოცხალი წყაროებიდან, რომ გაიზარდონ და დარჩნენ ცოცხლები.

ფოტოსინთეზი ითვლება რედოქს რეაქციად. Redox შემოკლებულია "შემცირება-დაჟანგვას", რომელიც აღწერს რა ხდება ატომურ დონეზე სხვადასხვა ბიოქიმიურ რეაქციებში. რეაქციების სერიის სრული, გაწონასწორებული ფორმულა, რომელსაც ეწოდება ფოტოსინთეზი - რომლის კომპონენტებიც მალე შეისწავლება - არის:

6 თ₂O + მსუბუქი + 6CO₂ გ₆ჰ₁₂ო₆ + 6 ო₂

თქვენ თავად შეგიძლიათ დაადასტუროთ, რომ თითოეული ტიპის ატომის რაოდენობა ისრის თითოეულ მხარეს ერთნაირია: ექვსი ნახშირბადის ატომი, 12 წყალბადის ატომი და 18 ჟანგბადის ატომი.

შემცირება არის ელექტრონების მოცილება ატომიდან ან მოლეკულადან, ხოლო დაჟანგვა არის ელექტრონების მიღება. შესაბამისად, ნაერთებს, რომლებიც ელექტრონებს ადვილად აძლევენ სხვა ნაერთებს, უწოდებენ დაჟანგვის საშუალებებს, ხოლო მათ, ვისაც ელექტრონები აქვთ, ამცირებენ. რედოქს რეაქციები ჩვეულებრივ გულისხმობს წყალბადის დამატებას ნაერთის შემცირებაში.

პირველი ნაბიჯი ფოტოსინთეზში შეიძლება შეჯამდეს შემდეგნაირად: „იყოს სინათლე“. მზის სხივები აწვება მცენარეთა ზედაპირს და მთელ პროცესს მოძრაობს. ალბათ უკვე ეჭვი გექნებათ, თუ რატომ გამოიყურება ბევრი მცენარე ისე, როგორც გამოიყურება: ზედაპირის დიდი ნაწილი ფოთლების სახით და ტოტები, რომლებიც მხარს უჭერენ მათ, როგორც ჩანს ზედმეტი (თუმცა მიმზიდველი), თუ არ იცით რატომ არის სტრუქტურული ეს ორგანიზმები ამ გზით. მცენარის "მიზანი" არის რაც შეიძლება მეტი მზის სხივების ზემოქმედება - რაც შეიძლება უმოკლესი, ყველაზე პატარა მცენარეები ნებისმიერ ეკოსისტემაში უფრო მოსწონთ ცხოველების ნარჩენების ნარჩენებს, რომ ორივე იბრძვის საკმარისი რაოდენობის მისაღებად ენერგია გასაკვირი არ არის, რომ ფოთლები ძალიან მკვრივია ფოტოსინთეზურ უჯრედებში.

ეს უჯრედები მდიდარია ორგანიზმებით, რომლებსაც ქლოროპლასტები ეწოდება, სადაც ხდება ფოტოსინთეზის მუშაობა, ისევე როგორც მიტოქონდრია არის იმ ორგანელეს, რომელშიც სუნთქვა ხდება. სინამდვილეში, ქლოროპლასტები და მიტოქონდრია სტრუქტურულად საკმაოდ ჰგავს ერთმანეთს, ფაქტია, რომ, როგორც პრაქტიკულად ყველაფერი ბიოლოგიის სამყაროში, ევოლუციის საოცრებაში უნდა მოიძიოთ.) ქლოროპლასტები შეიცავს სპეციალურ პიგმენტებს, რომლებიც ოპტიმალურად ითვისებენ სინათლის ენერგიას, ვიდრე ასახავენ ის რაც აისახება და არა შეიწოვება, ხდება ტალღის სიგრძის დიაპაზონში, რომელსაც ადამიანის თვალი და ტვინი განმარტავს, როგორც განსაკუთრებულ ფერს (მინიშნება: იგი იწყება "g" - ით). ამ მიზნით გამოყენებული ძირითადი პიგმენტი ცნობილია როგორც ქლოროფილი.

ქლოროპლასტები გარშემორტყმულია ორმაგი პლაზმური მემბრანით, როგორც ეს ხდება ყველა ცოცხალი უჯრედის, ისევე როგორც მათ შემადგენელ ორგანულთან. მცენარეებში, მესამე მემბრანა არსებობს პლაზმური ფენის შიდა, რომელსაც თილაკოიდური მემბრანა ეწოდება. ეს მემბრანა ძალიან ინტენსიურად იკეცება ისე, რომ ერთმანეთის თავზე დაყრილი დისკეტური სტრუქტურები შედეგს იძლევა, განსხვავებით სუნთქვის პიტნის პაკეტისგან. ეს თილაკოიდული სტრუქტურები შეიცავს ქლოროფილს. შიდა ქლოროპლასტურ გარსსა და თილაკოიდულ მემბრანს შორის სივრცე სტრომას ეწოდება.

ფოტოსინთეზი იყოფა სინათლეზე დამოკიდებულ და სინათლისგან დამოუკიდებელ რეაქციებად, რომელსაც ჩვეულებრივ უწოდებენ სინათლისა და ბნელ რეაქციებს და შემდეგ დეტალებში აღწერილია. როგორც შეიძლება დაასკვნეთ, პირველ რიგში ხდება სინათლის რეაქციები.

როდესაც მზის შუქი ხვდება ქლოროფილს და თილაკოიდების შიგნით არსებულ სხვა პიგმენტებს, ეს არსებითად ფეთქდება ელექტრონები და პროტონები ატომიდან ქლოროფილში და ამაღლებს მათ უფრო მაღალ ენერგეტიკულ დონემდე, რაც მათ თავისუფლად აქცევს მიგრაცია. ელექტრონები გადადის ელექტრონების ტრანსპორტირების ჯაჭვურ რეაქციებში, რომლებიც ვითარდება თავად თილაკოიდულ მემბრანაზე. აქ ელექტრონების მიმღები საშუალებები, როგორიცაა NADP, იღებენ ამ ელექტრონების ნაწილს, რომლებიც ასევე გამოიყენება ATP- ს სინთეზის ამოძრავებლად. ATP უჯრედებისათვის არსებითად ნიშნავს აშშ დოლარის ფინანსურ სისტემას: ეს არის "ენერგიის ვალუტა", რომლის გამოყენებით, საბოლოოდ, ხორციელდება მეტაბოლური პროცესების პრაქტიკა.

მიუხედავად იმისა, რომ ეს ხდება, მზის აბაზანების მისაღებად ქლოროფილის მოლეკულა მოულოდნელად ელექტრონებს მოკლებულია. ეს არის ადგილი, სადაც წყალი შედის უბედურ შემთხვევებში და ხელს უწყობს ელექტრონების ჩანაცვლებას წყალბადის სახით, რითაც ამცირებს ქლოროფილს. მისი წყალბადის დაკარგვით, რაც ადრე წყალი იყო, ახლა არის მოლეკულური ჟანგბადი - O₂. ეს ჟანგბადი უჯრედისგან და მცენარისგან მთლიანად დიფუზიირებს და ზოგიერთმა მას ზუსტად ამ წამში მიაღწია საკუთარ ფილტვებში.

ფოტოსინთეზს უწოდებენ ენდერგონულ რეაქციას, რადგან ის გასაგრძელებლად ენერგიის შეყვანას მოითხოვს. მზე არის პლანეტის ყველა ენერგიის საბოლოო წყარო (ეს, ალბათ, გარკვეულ დონეზე ესმოდა სხვადასხვა ფაქტს) ანტიკური ხანის კულტურები, რომლებიც მზეს თავისთავად ღვთაებად თვლიდნენ) და მცენარეები პირველები არიან, ვინც ამას ხელს უშლიან პროდუქტიული გამოყენება. ამ ენერგიის გარეშე, ნახშირორჟანგი, პატარა, მარტივი მოლეკულა, ვერ გადაიქცევა გლუკოზად, მნიშვნელოვნად უფრო დიდ და რთულ მოლეკულად. წარმოიდგინეთ, როგორ მიდიხართ კიბეებზე, როგორღაც ენერგიას არ ხარჯავთ და ხედავთ, თუ რა პრობლემა აქვთ მცენარეებს.

არითმეტიკული თვალსაზრისით, ენდერგონული რეაქციები არის ის, რომლებშიც პროდუქტებს აქვთ უფრო მაღალი ენერგიის დონე, ვიდრე რეაქტივები. ამ რეაქციების საპირისპიროდ, ენერგიულად რომ ვთქვათ, ეწოდება ექსერგონული, რომელშიც პროდუქტებს აქვთ ნაკლები ენერგია, ვიდრე რეაქციები და ამით ენერგია თავისუფლდება რეაქციის დროს. (ეს ხშირად სითბოს ფორმაა - ისევ თბილდები თუ ცივი ვარჯიშებით?) ეს გამოიხატება თავისუფალი ენერგიის ΔG ° რეაქციის თვალსაზრისით, რომელიც ფოტოინთეზისთვის არის + 479 კჯ ⋅ მოლი^-1 ან 479 ჯოული ენერგია თითო მოლზე. დადებითი ნიშანი მიუთითებს ენდოთერმული რეაქციაზე, ხოლო უარყოფითი - ეგზოთერმული პროცესზე.

სინათლის რეაქციებში წყალი მზის სხივებით იშლება, ხოლო ბნელ რეაქციებში - პროტონები (H⁺) და ელექტრონები (ე⁻) სინათლის რეაქციებში გათავისუფლებული გამოიყენება გლუკოზისა და სხვა ნახშირწყლების CO შესაგროვებლად₂.

სინათლის რეაქციები მოცემულია ფორმულით:

2 სთ₂O + მსუბუქი → O₂ + 4 თ⁺ + 4 ე⁻(ΔG ° = +317 kJ ⋅ მოლი⁻¹)

და ბნელ რეაქციებს იძლევა:

კომპანია₂ + 4 თ⁺ + 4 ე⁻. CH₂O + H₂O (ΔG ° = +162 კჯ ⋅ მოლი⁻¹)

საერთო ჯამში, ეს იძლევა ზემოთ მოცემულ სრულ განტოლებას:

ჰ₂O + მსუბუქი + CO₂. CH₂ო + ო₂(ΔG ° = +479 kJ ⋅ მოლი⁻¹)

თქვენ ხედავთ, რომ რეაქციების ორივე ნაკრები არის ენდერგონული, უფრო მკაცრად კი სინათლის რეაქციები.

ენერგიის დაწყვილება საცხოვრებელ სისტემებში ნიშნავს ენერგიის გამოყენებას, რომელიც ხელმისაწვდომია ერთი პროცესისგან, სხვა პროცესების გასატარებლად, რომლებიც სხვა შემთხვევაში არ მოხდებოდა. თავად საზოგადოება ერთნაირად მუშაობს ამ გზით: ბიზნესს ხშირად უწევს დიდი სესხის აღება ფრონტისთვის, რომ თავი დააღწიოს საბოლოო ჯამში, ამ ბიზნესის ზოგიერთი ნაწილი გახდება ძალიან მომგებიანი და შეუძლია გახადოს სახსრები სხვა დამწყებთათვის კომპანიები.

ფოტოსინთეზი წარმოადგენს ენერგიის დაწყვილების კარგ მაგალითს, რადგან მზის სხივიდან ენერგია დაუკავშირდა ქლოროპლასტებში არსებულ რეაქციებს, რათა რეაქციები განვითარდეს. საბოლოოდ ქარხანა აჯილდოებს გლობალურ ნახშირბადის ციკლს გლუკოზისა და ნახშირბადის სხვა ნაერთების სინთეზირებით, რომლებიც შეიძლება დაუყოვნებლივ ან მომავალში სხვა რეაქციებთან იყოს დაკავშირებული მაგალითად, ხორბლის მცენარეები სახამებელს აწარმოებენ, რომლებიც მსოფლიოში გამოიყენება, როგორც ადამიანისა და სხვა ცხოველების საკვების ძირითადი წყარო. მაგრამ მცენარეების მიერ წარმოებული გლუკოზა არ არის ყველა შენახული; მათი ნაწილი გადადის მცენარეთა უჯრედების სხვადასხვა ნაწილში, სადაც გლიკოლიზში გამოთავისუფლებული ენერგია საბოლოოდ უკავშირდება მცენარეთა მიტოქონდრიის რეაქციებს, რის შედეგადაც წარმოიქმნება ATP. მიუხედავად იმისა, რომ მცენარეები კვების ჯაჭვის ფსკერს წარმოადგენენ და ფართოდ განიხილება, როგორც პასიური ენერგია და ჟანგბადი დონორებს, მათ მეტაბოლური მოთხოვნილებები აქვთ, რაც უფრო მეტად უნდა გაიზარდონ და გამრავლდნენ ორგანიზმები

გარდა ამისა, სტუდენტებს ხშირად უჭირთ ქიმიური რეაქციების დაბალანსების სწავლა, თუ ისინი არ არიან დაბალანსებული ფორმით. ამის შედეგად, მოსწავლეებს შეიძლება ჰქონდეთ ცდუნება შეცვალონ რეაქციაში მოწამვლის გამომწერების მნიშვნელობები, რათა მიაღწიონ დაბალანსებულ შედეგს. ეს დაბნეულობა შეიძლება გამომდინარეობდეს იმის ცოდნიდან, რომ დასაშვებია რიცხვების შეცვლა მოლეკულების წინ, რეაქციების დაბალანსების მიზნით. ნებისმიერი მოლეკულის გამოწერის შეცვლა ამ მოლეკულას სულ სხვა მოლეკულად აქცევს. მაგალითად, O– ს შეცვლა₂ ო-სკენ₃ არ დაამატებს მხოლოდ 50 პროცენტით მეტ ჟანგბადს მასის მხრივ; იგი ცვლის ჟანგბადის გაზს ოზონად, რაც არ მიიღებს მონაწილეობას შესწავლილ რეაქციაში დისტანციურად მსგავსი გზით.