Bez virknes ķīmisko reakciju, ko kopīgi sauc par fotosintēzi, jūs nebūtu šeit un neviens cits, ko jūs zināt. Tas var likties jums kā nepāra apgalvojums, ja jūs zināt, ka fotosintēze ir ekskluzīva tikai augiem un dažiem mikroorganismiem, un ka nevienai jūsu ķermeņa vai jebkura dzīvnieka šūnai nav aparāta, lai veiktu šo eleganto reakciju sortimentu. Kas dod?
Vienkāršāk sakot, augu un dzīvnieku dzīve ir gandrīz pilnīgi simbiotiska, tas nozīmē, ka veids, kā augi apmierina vielmaiņas vajadzības, ir vislielākais ieguvums dzīvniekiem un otrādi. Visvienkāršāk sakot, dzīvnieki uzņem skābekļa gāzi (O2), lai iegūtu enerģiju no gāzveida oglekļa avotiem un izdalītu oglekļa dioksīda gāzi (CO2) un ūdeni (H2O) procesā, kamēr augi izmanto CO2 un H2Lai pagatavotu ēdienu un atbrīvotu O2 videi. Turklāt aptuveni 87 procenti pasaules enerģijas pašlaik tiek iegūti, sadedzinot fosilo kurināmo, kas galu galā ir arī fotosintēzes produkts.
Dažreiz mēdz teikt, ka "fotosintēze attiecas uz augiem, kāda ir dzīvnieku elpošana", taču tā ir kļūdaina līdzība, jo augi izmanto abus, bet dzīvnieki izmanto tikai elpošanu. Padomājiet par fotosintēzi kā veidu, kā augi patērē un sagremo oglekli, paļaujoties uz gaismu, nevis uz pārvietošanos un ēšanas darbību, lai oglekli ievietotu tādā formā, kādu var izmantot sīkas šūnu mašīnas.
Ātrs fotosintēzes pārskats
Neskatoties uz to, ka ievērojama daļa dzīvu būtņu to tieši neizmanto, fotosintēze var būt saprātīgi uzskatāms par vienu ķīmisko procesu, kas ir atbildīgs par nepārtrauktas dzīvības pastāvēšanu Pati Zeme. Fotosintētiskās šūnas uzņem CO2 un H2O, ko organisms savāc no apkārtējās vides, un izmanto saules gaismas enerģiju glikozes (C6H12O6), atbrīvojot O2 kā atkritumu produkts. Šo glikozi pēc tam dažādās augu šūnās apstrādā tādā pašā veidā, kā dzīvnieku lieto glikozi šūnas: Tam tiek veikta elpošana, lai atbrīvotu enerģiju adenozīna trifosfāta (ATP) formā un atbrīvo CO2 kā atkritumu produkts. (Fitoplanktons un zilaļģes arī izmanto fotosintēzi, taču šīs diskusijas nolūkos organismus, kas satur fotosintētiskās šūnas, parasti sauc par "augiem".)
Organismus, kas fotosintēzi izmanto glikozes ražošanai, sauc par autotrofiem, kas brīvā nozīmē no grieķu valodas nozīmē "pašpārtika". Tas ir, augi pārtikā nepaļaujas tieši uz citiem organismiem. Savukārt dzīvnieki ir heterotrofi ("cita pārtika"), jo, lai augtu un paliktu dzīvi, viņiem ir jāieņem ogleklis no citiem dzīviem avotiem.
Kāda veida reakcija ir fotosintēze?
Fotosintēze tiek uzskatīta par redoksreakciju. Redokss ir saīsinājums no "reducēšanās-oksidēšanās", kas apraksta to, kas notiek atomu līmenī dažādās bioķīmiskajās reakcijās. Pilnīga, līdzsvarota reakciju sērijas, ko sauc par fotosintēzi, formula, kuras sastāvdaļas drīz tiks izpētītas, ir:
6H2O + gaisma + 6CO2 → C6H12O6 + 6O2
Jūs pats varat pārliecināties, ka katra veida atomu skaits katrā bultiņas pusē ir vienāds: seši oglekļa, 12 ūdeņraža un 18 skābekļa atomi.
Redukcija ir elektronu atdalīšana no atoma vai molekulas, bet oksidēšanās ir elektronu iegūšana. Attiecīgi savienojumus, kas viegli dod elektronus citiem savienojumiem, sauc par oksidētājiem, bet tos, kuriem ir tendence iegūt elektronus, - par reducētājiem. Redoksa reakcijas parasti ietver ūdeņraža pievienošanu reducējamam savienojumam.
Fotosintēzes struktūras
Pirmo fotosintēzes soli varētu rezumēt kā "lai ir gaisma". Saules gaisma ietriecas augu virsmā, iedarbinot visu procesu. Jums jau varētu būt aizdomas, kāpēc daudzi augi izskatās tā, kā izskatās: Liels virsmas laukums lapu un filiāles, kas tās atbalsta, šķiet nevajadzīgas (kaut arī pievilcīgas), ja nezināt, kāpēc šie organismi ir strukturēti šādā veidā. Augu "mērķis" ir pēc iespējas vairāk pakļaut sevi saules gaismai - padarot īsāko, mazāko augi jebkurā ekosistēmā drīzāk līdzinās dzīvnieku pakaišu runām, jo abi cīnās, lai iegūtu pietiekami daudz enerģija. Lapas, kas nav pārsteidzoši, fotosintētiskajās šūnās ir ārkārtīgi blīvas.
Šīs šūnas ir bagātas ar organismiem, ko sauc par hloroplastiem, kur fotosintēzes darbs tiek veikts tāpat kā mitohondriji ir organelli, kuros notiek elpošana. Faktiski hloroplasti un mitohondriji ir strukturāli diezgan līdzīgi, un tas, tāpat kā praktiski viss bioloģijas pasaulē, var hloroplastos ir specializēti pigmenti, kas optimāli absorbē gaismas enerģiju, nevis atstaro to. Tas, kas tiek atspoguļots, nevis absorbēts, notiek viļņu garumu diapazonā, ko cilvēka acs un smadzenes interpretē kā noteiktu krāsu (mājiens: tas sākas ar "g"). Galvenais šim nolūkam izmantotais pigments ir pazīstams kā hlorofils.
Hloroplastus ieskauj dubultā plazmas membrāna, tāpat kā visām dzīvajām šūnām, kā arī to saturošajiem organoīdiem. Tomēr augos plazmas divslānim ir iekšēja trešā membrāna, ko sauc par tilakoīdu membrānu. Šī membrāna ir ļoti plaši salocīta tā, ka atšķirībā no elpas piparmētru iepakojuma rodas atšķirīgas struktūras, kas sakrautas viena virs otras. Šīs tilakoīdu struktūras satur hlorofilu. Telpu starp iekšējo hloroplasta membrānu un tilakoīdu membrānu sauc par stromu.
Fotosintēzes mehānisms
Fotosintēze ir sadalīta no gaismas atkarīgu un no gaismas neatkarīgu reakciju kopumā, ko parasti sauc par gaismas un tumšās reakcijas un sīkāk aprakstīta vēlāk. Kā jūs, iespējams, secinājāt, vispirms notiek gaismas reakcijas.
Kad saules gaisma triecas hlorofilam un citiem tilakoīdu iekšpusē esošajiem pigmentiem, tā būtībā sprēgā hlorofila atomu elektronus un protonus un paaugstina tos augstākā enerģijas līmenī, padarot tos brīvākus migrēt. Elektroni tiek novirzīti elektronu transporta ķēdes reakcijās, kas norisinās pašā tilakoīda membrānā. Šeit elektronu akceptori, piemēram, NADP, saņem dažus no šiem elektroniem, kurus izmanto arī ATP sintēzes vadīšanai. ATP būtībā šūnām ir tas, kādi dolāri ir ASV finanšu sistēmai: praktiski visi vielmaiņas procesi tiek izmantoti "enerģijas valūtā".
Kamēr tas notiek, sauļošanās hlorofila molekulām pēkšņi ir pietrūcis elektronu. Tieši šeit ūdens iekļūst spraugā un veicina aizvietojošos elektronus ūdeņraža formā, tādējādi samazinot hlorofilu. Tā kā ūdeņradis ir pazudis, kādreizējais ūdens tagad ir molekulārs skābeklis - O2. Šis skābeklis pilnībā izkliedējas no šūnas un no auga, un daļai no tā ir izdevies atrast ceļu jūsu pašu plaušās tieši šajā sekundē.
Vai fotosintēze ir endergoniska?
Fotosintēze tiek saukta par endergonisku reakciju, jo, lai turpinātu, nepieciešama enerģijas ievade. Saule ir galvenais visas planētas enerģijas avots (fakts, iespējams, kādā līmenī to saprot dažādi senatnes kultūras, kas sauli uzskatīja par dievību pati par sevi) un augi ir pirmie, kas to pārtver produktīva izmantošana. Bez šīs enerģijas nebūtu iespējas oglekļa dioksīdu - mazu, vienkāršu molekulu - pārveidot par glikozi, kas ir ievērojami lielāka un sarežģītāka molekula. Iedomājieties, kā jūs staigājat pa kāpnēm, kaut kā netērējot enerģiju, un jūs varat redzēt problēmu, ar kuru saskaras augi.
Aritmētiski endergoniskas reakcijas ir tās, kurās produktiem ir augstāks enerģijas līmenis nekā reaģentiem. Šo reakciju pretējo, enerģētiski runājot, sauc par eksergoniskām, kurās produktiem ir mazāka enerģija nekā reakcijām, un tādējādi reakcijas laikā enerģija tiek atbrīvota. (Tas bieži notiek karstuma veidā - atkal, vai jūs kļūstat siltāks vai arī jūs kļūstat vēsāks ar vingrinājumu?) To izsaka kā reakcijas brīvo enerģiju ΔG °, kas fotosintēzei ir +479 kJ ⋅ mol-1 vai 479 džoulus enerģijas uz vienu molu. Pozitīvā zīme norāda uz endotermisku reakciju, bet negatīva - uz eksotermisku procesu.
Gaismas un tumšās fotosintēzes reakcijas
Gaismas reakcijās ūdens tiek sadalīts saules gaismā, savukārt tumsā - protoni (H+) un elektroni (piemēram,−), kas atbrīvojušās gaismas reakcijās, izmanto glikozes un citu ogļhidrātu savākšanai no CO2.
Gaismas reakcijas izsaka pēc formulas:
2H2O + gaisma → O2 + 4H+ + 4e−(ΔG ° = +317 kJ ⋅ mol−1)
un tumšās reakcijas dod:
CO2 + 4H+ + 4e− → CH2O + H2O (ΔG ° = +162 kJ ⋅ mol−1)
Kopumā tas dod visu iepriekš atklāto vienādojumu:
H2O + gaisma + CO2 → CH2O + O2(ΔG ° = +479 kJ ⋅ mol−1)
Var redzēt, ka abi reakciju kopumi ir endergoni, gaismas reakcijas tā spēcīgāk.
Kas ir enerģijas savienošana?
Enerģijas savienošana dzīvajās sistēmās nozīmē izmantot vienā procesā pieejamo enerģiju citu procesu vadīšanai, kas citādi nenotiktu. Pati sabiedrība darbojas kaut kā šādā veidā: Lai izkļūtu no uzņēmuma, uzņēmumiem bieži ir jāaizņemas lielas naudas summas bet galu galā daži no šiem uzņēmumiem kļūst ļoti rentabli un var padarīt pieejamus līdzekļus citiem iesācējiem kompānijas.
Fotosintēze ir labs enerģijas savienojuma piemērs, jo saules gaismas enerģija tiek savienota ar hloroplastu reakcijām, lai reakcijas varētu izvērsties. Augs galu galā atalgo globālo oglekļa ciklu, uzreiz vai nākotnē sintezējot glikozi un citus oglekļa savienojumus, kurus var savienot ar citām reakcijām. Piemēram, kviešu augi ražo cieti, ko visā pasaulē izmantoja kā galveno cilvēku un citu dzīvnieku pārtikas avotu. Bet ne visa augu glikoze tiek uzglabāta; daļa no tā nonāk dažādās augu šūnu daļās, kur glikolīzē atbrīvotā enerģija galu galā ir saistīta ar reakcijām augu mitohondrijos, kuru rezultātā veidojas ATP. Kaut arī augi ir barības ķēdes apakšdaļa, un tos plaši uzskata par pasīvo enerģiju un skābekli donoriem, viņiem pašiem ir nepieciešamas vielmaiņas vajadzības, jo viņiem ir jāaug lielākiem un jāražo tāpat kā citiem organismiem.
Kāpēc abonementus nevar mainīt?
Turklāt, studentiem bieži ir grūtības iemācīties līdzsvarot ķīmiskās reakcijas, ja tās netiek nodrošinātas līdzsvarotā formā. Rezultātā, veicot labošanu, studentiem var rasties kārdinājums reakcijā mainīt abonentu vērtības molekulās, lai sasniegtu līdzsvarotu rezultātu. Šī neskaidrība var rasties, zinot, ka ir atļauts mainīt skaitļus molekulu priekšā, lai līdzsvarotu reakcijas. Mainot jebkuras molekulas indeksu, šī molekula vispār kļūst par citu molekulu. Piemēram, mainot O2 līdz O3 nepievieno tikai par 50 procentiem vairāk skābekļa masas izteiksmē; tas maina skābekļa gāzi ozonā, kas attālināti līdzīgā veidā nepiedalītos pētāmajā reakcijā.
