Be cheminių reakcijų, bendrai vadinamų fotosinteze, serijos, jūs nebūtumėte čia ir niekas kitas, ko pažįstate. Tai gali atrodyti kaip nelyginis teiginys, jei atsitiktinai žinote, kad fotosintezė yra išskirtinė tik augalams ir keliems mikroorganizmams, ir kad nė viena jūsų kūno ar bet kurio gyvūno ląstelė neturi aparatūros šiam elegantiškam reakcijų asortimentui atlikti. Kas duoda?
Paprasčiau tariant, augalų ir gyvūnų gyvenimas yra beveik visiškai simbiotinis, o tai reiškia, kad būdas, kuriuo augalai patenkina savo medžiagų apykaitos poreikius, yra didžiausias naudingas gyvūnams ir atvirkščiai. Paprasčiau tariant, gyvūnai įsisavina deguonies dujas (O2) energijai gauti iš dujinių anglies šaltinių ir išskirti anglies dioksido dujas (CO2) ir vandens (H2O) procese, o augalai naudoja CO2 ir H2O gaminti maistą ir išlaisvinti O2 į aplinką. Be to, apie 87 proc. Pasaulio energijos šiuo metu gaunama deginant iškastinį kurą, kuris galiausiai yra ir fotosintezės produktas.
Kartais sakoma, kad „fotosintezė augalams yra kvėpavimas gyvūnams“, tačiau tai yra ydinga analogija, nes augalai naudoja abu, o gyvūnai - tik kvėpavimą. Pagalvokite apie fotosintezę kaip apie tai, kaip augalai vartoja ir virškina anglį, pasikliaudami šviesa, o ne judesiu ir valgymo veiksmu, kad anglis būtų tokia forma, kokią gali naudoti mažos korinio aparato mašinos.
Greita fotosintezės apžvalga
Fotosintezė, nepaisant to, kad didelė dalis gyvų būtybių nėra tiesiogiai naudojama, gali būti pagrįstai vertinamas kaip vienas cheminis procesas, atsakingas už nuolatinio gyvenimo egzistavimą Pati Žemė. Fotosintetinės ląstelės ima CO2 ir H2O organizmas surenka iš aplinkos ir naudoja saulės spindulių energiją gliukozės (C6H12O6), išlaisvindamas O2 kaip atliekų produktas. Tada šią gliukozę skirtingos augalo ląstelės apdoroja tuo pačiu būdu, kai gyvūnai naudoja gliukozę ląstelės: Atliekamas kvėpavimas, kad išsiskirtų energija adenozino trifosfato (ATP) pavidalu, ir išsiskiria CO2 kaip atliekų produktas. (Fitoplanktonas ir cianobakterijos taip pat naudoja fotosintezę, tačiau šios diskusijos tikslais organizmai, kuriuose yra fotosintetinių ląstelių, paprastai vadinami „augalais“.)
Organizmai, kurie fotosintezę naudoja gliukozei gaminti, vadinami autotrofais, o tai laisvai verčiama iš graikų kalbos į „savarankišką maistą“. Tai yra, augalai maistui tiesiogiai nesikliauja kitais organizmais. Kita vertus, gyvūnai yra heterotrofai („kitas maistas“), nes norėdami augti ir likti gyvi, jie turi suvartoti anglies iš kitų gyvų šaltinių.
Kokio tipo reakcija yra fotosintezė?
Fotosintezė laikoma redoksine reakcija. Redoksas yra trumpinys „redukcija-oksidacija“, apibūdinantis tai, kas vyksta atominiame lygyje vykdant įvairias biochemines reakcijas. Pilna, subalansuota reakcijų serijos, vadinamos fotosinteze, formulė, kurios komponentai bus netrukus ištirti, yra:
6H2O + šviesa + 6CO2 → C6H12O6 + 6O2
Galite patys patikrinti, ar kiekvienos rūšies atomas yra vienodas kiekvienoje rodyklės pusėje: šeši anglies, 12 vandenilio ir 18 deguonies atomų.
Redukcija yra elektronų pašalinimas iš atomo ar molekulės, o oksidacija - elektronų įgijimas. Atitinkamai junginiai, kurie lengvai duoda elektronus kitiems junginiams, vadinami oksidatoriais, o tie, kurie linkę įgyti elektronų, vadinami reduktoriais. Redokso reakcijos paprastai apima redukuojamo junginio pridėjimą vandenilio.
Fotosintezės struktūros
Pirmasis fotosintezės žingsnis gali būti apibendrintas kaip „tegul būna šviesa“. Saulės šviesa patenka į augalų paviršių, sukeldama visą procesą. Jau galite įtarti, kodėl daugelis augalų atrodo taip, kaip atrodo: didelis paviršiaus plotas lapų ir juos palaikančios šakos, kurios atrodo nereikalingos (nors ir patrauklios), jei nežinote, kodėl šie organizmai yra struktūrizuoti tokiu būdu. Augalo „tikslas“ yra kuo daugiau saulės spindulių, kuo trumpesnis, mažesnis bet kurios ekosistemos augalai labiau patinka gyvūnų kraiko runoms, nes jie abu stengiasi gauti pakankamai energijos. Nenuostabu, kad lapai fotosintetinėse ląstelėse yra itin tankūs.
Šiose ląstelėse gausu organizmų, vadinamų chloroplastais, kur fotosintezės darbai atliekami, kaip ir mitochondrijos yra organeliai, kuriuose vyksta kvėpavimas. Tiesą sakant, chloroplastai ir mitochondrijos yra struktūriškai gana panašūs. Tai, kaip ir praktiškai viskas biologijos pasaulyje, gali Chloroplastuose yra specializuotų pigmentų, kurie optimaliai sugeria šviesos energiją, o ne atspindi tai. Tai, kas atsispindi, o ne absorbuojama, būna bangų ilgių diapazone, kurį žmogaus akis ir smegenys aiškina kaip tam tikrą spalvą (užuomina: jis prasideda „g“). Pagrindinis šiam tikslui naudojamas pigmentas yra žinomas kaip chlorofilas.
Chloroplastus supa dviguba plazmos membrana, kaip tai daroma su visomis gyvomis ląstelėmis, taip pat su jose esančiais organeliais. Tačiau augaluose yra plazmos dvigubo sluoksnio vidinė membrana, vadinama tilakoidine membrana. Ši membrana yra sulankstyta labai plačiai, kad skirtingos struktūros, sukrautos viena ant kitos, būtų skirtingos, nei skirtos kvėpavimo monetų pakuotei. Šiose tilakoidinėse struktūrose yra chlorofilo. Tarpas tarp vidinės chloroplastinės membranos ir tilakoidinės membranos vadinamas stroma.
Fotosintezės mechanizmas
Fotosintezė yra suskirstyta į nuo šviesos priklausančių ir nuo šviesos nepriklausančių reakcijų rinkinį, paprastai vadinamą šviesia ir tamsi reakcija ir išsamiai aprašytą vėliau. Kaip galėjote padaryti išvadą, šviesos reakcijos įvyksta pirmiausia.
Kai saulės šviesa patenka į tilakoidų viduje esančius chlorofilą ir kitus pigmentus, ji iš esmės sprogsta elektronai ir protonai iš chlorofilo atomų ir pakelia juos į aukštesnį energijos lygį, todėl jie tampa laisvesni migruoti. Elektronai nukreipiami į elektronų perdavimo grandinės reakcijas, vykstančias pačioje tilakoidinėje membranoje. Čia elektronų priėmėjai, tokie kaip NADP, gauna dalį šių elektronų, kurie taip pat naudojami ATP sintezei skatinti. ATP iš esmės yra ląstelėms, kokie JAV doleriai yra JAV finansų sistemai: tai yra "energijos valiuta", kuria galiausiai atliekami praktiškai visi medžiagų apykaitos procesai.
Kol tai vyksta, saulės maudančiose chlorofilo molekulėse staiga atsidūrė elektronų trūkumas. Čia vanduo patenka į polėkį ir prisideda prie elektronų pakeitimo vandenilio pavidalu, taip sumažindamas chlorofilą. Dingus vandeniliui, buvęs vanduo dabar yra molekulinis deguonis - O2. Šis deguonis visiškai išsiskleidžia iš ląstelės ir iš augalo, ir kai kuriems iš jų pavyko patekti į jūsų plaučius būtent šią sekundę.
Ar fotosintezė yra endergoniška?
Fotosintezė vadinama endergonine reakcija, nes norint tęsti, reikia įdėti energijos. Saulė yra galutinis visos planetos energijos šaltinis (faktą galbūt tam tikru lygiu supranta įvairūs senovės kultūros, kurios saulę laikė sava dievybe) ir augalai pirmieji ją sulaiko produktyvus naudojimas. Be šios energijos nebūtų įmanoma anglies dvideginį, mažą, paprastą molekulę paversti gliukoze, žymiai didesne ir sudėtingesne molekule. Įsivaizduokite, kad einate laiptais, kažkaip neišeikvodami energijos, ir galite pamatyti problemą, su kuria susiduria augalai.
Aritmetiniu požiūriu endergoninės reakcijos yra tos, kurių produktų energijos lygis yra didesnis nei reagentų. Šių reakcijų priešingybė, kalbant energetiškai, vadinama eksergoninėmis, kuriose produktai turi mažesnę energiją nei reakcijos, todėl energija reakcijos metu išsiskiria. (Tai dažnai būna karščio pavidalu - vėlgi, ar jūs darote šilčiau, ar darote šalčiau sportuodami?) Tai išreiškiama laisva reakcijos energija ΔG °, kuri fotosintezei yra +479 kJ ⋅ mol-1 arba 479 džauliai energijos moliui. Teigiamas ženklas rodo endoterminę reakciją, o neigiamas - egzoterminį procesą.
Šviesios ir tamsios fotosintezės reakcijos
Šviesos reakcijose vanduo yra skaidomas saulės spindulių, o tamsiose reakcijose - protonai (H+) ir elektronai (pvz−), išsiskiriančios šviesos reakcijose, naudojamos gliukozei ir kitiems angliavandeniams surinkti iš CO2.
Šviesos reakcijos pateikiamos pagal formulę:
2H2O + šviesa → O2 + 4H+ + 4e−(ΔG ° = +317 kJ ⋅ mol−1)
o tamsiąsias reakcijas pateikia:
CO2 + 4H+ + 4e− → CH2O + H2O (ΔG ° = +162 kJ ⋅ mol−1)
Apskritai gaunama visa aukščiau atskleista lygtis:
H2O + šviesa + CO2 → CH2O + O2(ΔG ° = +479 kJ ⋅ mol−1)
Galite pastebėti, kad abu reakcijų rinkiniai yra endergoniniai, šviesos reakcijos stipriau.
Kas yra energijos sujungimas?
Energijos sujungimas gyvenamosiose sistemose reiškia energijos, gautos iš vieno proceso, naudojimą kitiems procesams, kurie kitaip nevyktų, skatinti. Pati visuomenė veikia taip: Verslams dažnai tenka pasiskolinti dideles pinigų sumas iš anksto, kad galėtų išlipti kai kurie iš šių verslų tampa labai pelningi ir gali skirti lėšų kitoms naujoms įmonėms įmonės.
Fotosintezė yra geras energijos susiejimo pavyzdys, nes saulės spindulių energija sujungiama su reakcijomis chloroplastuose, kad reakcijos galėtų vykti. Augalas galiausiai apdovanoja visuotinį anglies ciklą sintetindamas gliukozę ir kitus anglies junginius, kurie gali būti susieti su kitomis reakcijomis iš karto arba ateityje. Pavyzdžiui, kviečių augalai gamina krakmolą, kuris visame pasaulyje buvo naudojamas kaip pagrindinis žmonių ir kitų gyvūnų maisto šaltinis. Tačiau ne visa augalų pagaminta gliukozė yra sukaupta; dalis jo patenka į skirtingas augalo ląstelių dalis, kur glikolizės metu išsiskyrusi energija galiausiai susiejama su augalų mitochondrijų reakcijomis, dėl kurių susidaro ATP. Nors augalai sudaro maisto grandinės dugną ir yra plačiai vertinami kaip pasyvi energija ir deguonis donorai, jie patys turi medžiagų apykaitos poreikį, todėl jie turi didėti ir daugintis kaip ir kiti organizmai.
Kodėl negalima pakeisti abonementų?
Be to, studentams dažnai sunku išmokti subalansuoti chemines reakcijas, jei jos nėra pateikiamos subalansuota forma. Dėl to, dirbdami, studentai gali susigundyti reakcijos metu pakeisti molekulių abonementų vertes, kad pasiektų subalansuotą rezultatą. Ši painiava gali kilti žinant, kad norint subalansuoti reakcijas leidžiama keisti skaičius prieš molekules. Pakeitus bet kurios molekulės indeksą, ši molekulė iš viso tampa kita. Pavyzdžiui, keičiant O2 į O3 masės prasme prideda ne tik 50 procentų daugiau deguonies; jis keičia deguonies dujas į ozoną, kuris nuotoliniu būdu nedalyvautų tiriamoje reakcijoje.