Fotosentez Nasıl Bir Reaksiyondur?

Toplu olarak fotosentez olarak bilinen bir dizi kimyasal reaksiyon olmasaydı, burada olmazdınız ve tanıdığınız başka kimse de olmazdı. Fotosentezin bitkilere ve birkaç mikroorganizmaya özgü olduğunu biliyorsanız, bu size tuhaf bir iddia gibi gelebilir. ve sizin veya herhangi bir hayvanın vücudundaki tek bir hücre bile bu zarif reaksiyonları gerçekleştirecek donanıma sahip değildir. Ne oluyor?

Basitçe söylemek gerekirse, bitki yaşamı ve hayvan yaşamı neredeyse mükemmel bir şekilde simbiyotiktir, yani bitkilerin metabolik ihtiyaçlarını karşılama şekli hayvanlar için en büyük faydadır ve bunun tersi de geçerlidir. En basit ifadeyle, hayvanlar oksijen gazı alırlar (O₂) gaz olmayan karbon kaynaklarından enerji elde etmek ve karbondioksit gazı (CO₂) ve su (H₂O) süreçte, bitkiler CO kullanırken₂ ve H₂O yemek yapmak ve O'yu serbest bırakmak için₂ çevreye. Buna ek olarak, dünya enerjisinin yaklaşık yüzde 87'si halihazırda fotosentezin de ürünleri olan fosil yakıtların yakılmasından elde edilmektedir.

Bazen "hayvanlar için solunum ne ise bitkiler için fotosentez odur" denir, ancak bu hatalı bir benzetmedir çünkü bitkiler her ikisini de kullanır, hayvanlar ise yalnızca solunum kullanır. Fotosentezi, bitkilerin karbonu tüketme ve sindirme şekli olarak düşünün, hareket yerine ışığa ve karbonu küçük hücresel makinelerin kullanabileceği bir forma sokmak için yeme eylemine güvenin.

Fotosentez, canlıların önemli bir kısmı tarafından doğrudan kullanılmamasına rağmen, üzerinde yaşamın devam etmesini sağlamaktan sorumlu tek kimyasal süreç olarak makul bir şekilde görülüyor. Dünyanın kendisi. Fotosentetik hücreler CO alır₂ ve H₂O organizma tarafından çevreden toplanır ve güneş ışığından gelen enerjiyi glikoz sentezine güç sağlamak için kullanır (C₆H₁₂Ö₆), serbest bırakma O₂ atık ürün olarak Bu glikoz daha sonra bitkideki farklı hücreler tarafından glikozun hayvanlar tarafından kullanıldığı şekilde işlenir. hücreler: Adenozin trifosfat (ATP) formundaki enerjiyi serbest bırakmak için solunumdan geçer ve serbest bırakır. CO₂ atık ürün olarak (Fitoplankton ve siyanobakteriler de fotosentezden yararlanırlar, ancak bu tartışmanın amaçları doğrultusunda, fotosentetik hücreler içeren organizmalara genel olarak "bitkiler" denir.)

Glikoz yapmak için fotosentez kullanan organizmalara, Yunancadan gevşekçe "kendi kendine gıda"ya çevrilen ototroflar denir. Yani bitkiler besin için doğrudan diğer organizmalara güvenmezler. Hayvanlar ise heterotroflardır ("diğer yiyecekler") çünkü büyümek ve hayatta kalmak için diğer canlı kaynaklardan karbon almak zorundadırlar.

Fotosentez bir redoks reaksiyonu olarak kabul edilir. Redoks, çeşitli biyokimyasal reaksiyonlarda atomik düzeyde meydana gelenleri tanımlayan "redüksiyon-oksidasyon"un kısaltmasıdır. Bileşenleri birazdan incelenecek olan fotosentez adı verilen tepkimeler dizisinin eksiksiz, dengeli formülü şöyledir:

6H₂O + ışık + 6CO₂ → C₆H₁₂Ö₆ + 6O₂

Okun her iki yanında her atom türünün sayısının aynı olduğunu kendiniz doğrulayabilirsiniz: Altı karbon atomu, 12 hidrojen atomu ve 18 oksijen atomu.

İndirgeme, bir atom veya molekülden elektronların çıkarılması, oksidasyon ise elektronların kazanılmasıdır. Buna uygun olarak, diğer bileşiklere kolayca elektron veren bileşiklere oksitleyici ajanlar, elektron kazanma eğiliminde olanlara ise indirgeyici ajanlar denir. Redoks reaksiyonları genellikle indirgenmekte olan bileşiğe hidrojen eklenmesini içerir.

Fotosentezdeki ilk adım "ışık olsun" olarak özetlenebilir. Güneş ışığı bitkilerin yüzeyine çarparak tüm süreci harekete geçirir. Birçok bitkinin neden böyle göründüğünden şüpheleniyor olabilirsiniz: Yaprak şeklinde büyük bir yüzey alanı ve bu organizmaların neden yapılandırıldığını bilmiyorsanız, onları destekleyen dallar gereksiz (çekici olsa da) Bu taraftan. Bitkinin "amacı", kendisini olabildiğince güneş ışığına maruz bırakmaktır - en kısa, en küçük olanı yapmak. Herhangi bir ekosistemdeki bitkiler, her ikisi de yeterince elde etmek için mücadele ettikleri için bir hayvan çöpünün küçükleri gibi enerji. Yapraklar, şaşırtıcı olmayan bir şekilde, fotosentetik hücrelerde son derece yoğundur.

Bu hücreler, mitokondrinin solunumun gerçekleştiği organeller olması gibi, fotosentez işinin yapıldığı kloroplast adı verilen organizmalar açısından zengindir. Aslında, kloroplastlar ve mitokondri yapısal olarak oldukça benzerdir, bu gerçek, biyoloji dünyasındaki hemen hemen her şey gibi, evrim harikalarına kadar izlenebilir.) Kloroplastlar, ışık enerjisini yansıtmak yerine optimum şekilde emen özel pigmentler içerir. o. Soğurulmaktan ziyade yansıtılan şey, insan gözü ve beyni tarafından belirli bir renk olarak yorumlanan bir dizi dalga boyunda olur (ipucu: "g" ile başlar). Bu amaçla kullanılan ana pigment klorofil olarak bilinir.

Kloroplastlar, tüm canlı hücrelerde ve içerdikleri organellerde olduğu gibi çift plazma zarı ile çevrilidir. Bununla birlikte bitkilerde, plazma çift tabakasının içinde tilakoid zar adı verilen üçüncü bir zar bulunur. Bu zar çok geniş bir şekilde katlanır, böylece birbiri üzerine yığılmış disk benzeri yapılar, bir nefes darphane paketinden farklı olarak ortaya çıkmaz. Bu tilakoid yapılar klorofil içerir. İç kloroplast zarı ile tilakoid zar arasındaki boşluğa stroma denir.

Fotosentez, genellikle aydınlık ve karanlık reaksiyonları olarak adlandırılan ve daha sonra ayrıntılı olarak açıklanan, ışığa bağımlı ve ışıktan bağımsız bir dizi reaksiyona ayrılır. Sizin de sonuca vardığınız gibi, önce ışık reaksiyonları meydana gelir.

Güneşten gelen ışık, thylakoids içindeki klorofil ve diğer pigmentlere çarptığında, esasen gevşer. klorofildeki atomlardan elektronları ve protonları alır ve onları daha yüksek bir enerji seviyesine yükseltir, böylece onları daha özgür hale getirir. göç. Elektronlar, tilakoid zarın kendisinde ortaya çıkan elektron taşıma zinciri reaksiyonlarına yönlendirilir. Burada, NADP gibi elektron alıcıları, aynı zamanda ATP sentezini yürütmek için kullanılan bu elektronların bir kısmını alır. ABD finans sistemi için dolar neyse hücreler için de ATP odur: O, neredeyse tüm metabolik süreçlerin nihai olarak gerçekleştirildiği "enerji para birimi"dir.

Bu olurken, güneşlenen klorofil molekülleri aniden kendilerini elektrondan yoksun buldular. Bu, suyun savaşa girdiği ve hidrojen formunda yedek elektronlara katkıda bulunduğu ve böylece klorofilin azaldığı yerdir. Hidrojeni kaybolduğunda, bir zamanlar su olan şey şimdi moleküler oksijendir - O₂. Bu oksijen hücreden ve bitkiden tamamen yayılır ve bir kısmı tam da bu saniyede kendi ciğerlerinize girmeyi başarmıştır.

Fotosentez, ilerlemek için bir enerji girdisi gerektirdiğinden endergonik bir reaksiyon olarak adlandırılır. Güneş, gezegendeki tüm enerjinin nihai kaynağıdır (belki de çeşitli bilim adamları tarafından bir düzeyde anlaşılan bir gerçektir). Güneşi başlı başına bir tanrı olarak gören antik çağ kültürleri ve bitkiler, üretken kullanım. Bu enerji olmadan, küçük, basit bir molekül olan karbondioksitin, çok daha büyük ve daha karmaşık bir molekül olan glikoza dönüştürülmesi mümkün olmazdı. Kendinizi bir şekilde hiç enerji harcamadan bir kat merdiven çıkarken hayal edin ve bitkilerin karşılaştığı sorunu görebilirsiniz.

Aritmetik terimlerle, endergonik reaksiyonlar, ürünlerin reaktanlardan daha yüksek bir enerji seviyesine sahip olduğu reaksiyonlardır. Enerjisel olarak konuşursak, bu reaksiyonların tersi, ürünlerin reaksiyonlardan daha düşük enerjiye sahip olduğu ve dolayısıyla enerjinin reaksiyon sırasında serbest bırakıldığı ekzergonik olarak adlandırılır. (Bu genellikle ısı şeklindedir - yine, ısınır mısınız yoksa egzersizle üşür müsünüz?) Bu, fotosentez için +479 kJ reaction olan reaksiyonun serbest enerjisi ΔG° cinsinden ifade edilir. mol^-1 veya mol başına 479 joule enerji. Pozitif işaret, endotermik bir reaksiyonu gösterirken, negatif bir işaret, ekzotermik bir süreci gösterir.

Işık tepkimelerinde su güneş ışığıyla parçalanır, karanlık tepkimelerde ise protonlar (H)⁺) ve elektronlar (e⁻) ışık reaksiyonlarında serbest kalanlar, CO'dan glikoz ve diğer karbonhidratları birleştirmek için kullanılır.₂.

Işık reaksiyonları aşağıdaki formülle verilir:

2H₂O + ışık → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻(ΔG° = +317 kJ ⋅ mol⁻¹)

ve karanlık reaksiyonlar tarafından verilir:

CO₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → CH₂O + H₂O (ΔG° = +162 kJ ⋅ mol⁻¹)

Genel olarak, bu yukarıda açıklanan tam denklemi verir:

H₂O + ışık + CO₂ → CH₂O + O₂(ΔG° = +479 kJ ⋅ mol⁻¹)

Her iki reaksiyon grubunun da endergonik olduğunu, ışık reaksiyonlarının daha güçlü olduğunu görebilirsiniz.

Canlı sistemlerde enerji birleşmesi, bir süreçten sağlanan enerjinin, aksi takdirde gerçekleşmeyecek olan diğer süreçleri yönlendirmek için kullanılması anlamına gelir. Toplumun kendisi bir nevi şu şekilde çalışır: İşletmeler, işlerinden kurtulmak için genellikle önceden büyük miktarda borç almak zorunda kalırlar. Ancak nihayetinde bu işletmelerin bazıları son derece kârlı hale gelir ve diğer başlangıçlar için fon sağlayabilir. şirketler.

Güneş ışığından gelen enerji, reaksiyonların açılabilmesi için kloroplastlardaki reaksiyonlara bağlı olduğundan, fotosentez, enerji eşleşmesinin iyi bir örneğini temsil eder. Bitki, hemen veya gelecekte, glikoz ve diğer reaksiyonlara bağlanabilecek diğer karbon bileşiklerini sentezleyerek küresel karbon döngüsünü sonunda ödüllendirir. Örneğin, buğday bitkileri, tüm dünyada insanlar ve diğer hayvanlar için ana besin kaynağı olarak kullanılan nişasta üretir. Ancak bitkiler tarafından üretilen glikozun tamamı depolanmaz; bir kısmı bitki hücrelerinin farklı kısımlarına ilerler, burada glikolizde serbest kalan enerji en sonunda bitki mitokondrilerinde ATP oluşumuyla sonuçlanan reaksiyonlara bağlanır. Bitkiler besin zincirinin dibini temsil eder ve yaygın olarak pasif enerji ve oksijen olarak görülür. Bağışçılar, tıpkı diğerleri gibi büyümek ve üremek zorunda oldukları için kendi metabolik gereksinimlerine sahiptirler. organizmalar.

Bir yana, öğrenciler kimyasal tepkimeleri dengeli bir biçimde sağlamazlarsa dengelemeyi öğrenmekte sıklıkla zorlanırlar. Sonuç olarak, kurcalamalarında öğrenciler, dengeli bir sonuç elde etmek için reaksiyondaki moleküllerdeki alt simgelerin değerlerini değiştirmeye cazip gelebilirler. Bu karışıklık, reaksiyonları dengelemek için moleküllerin önündeki sayıların değiştirilmesinin caiz olduğunun bilinmesinden kaynaklanıyor olabilir. Herhangi bir molekülün alt indisini değiştirmek, o molekülü tamamen farklı bir moleküle dönüştürür. Örneğin, O'yu değiştirmek₂ O'ya₃ kütle olarak sadece yüzde 50 daha fazla oksijen eklemekle kalmaz; oksijen gazını, incelenen reaksiyona uzaktan benzer bir şekilde katılmayacak olan ozona dönüştürür.