Без серії хімічних реакцій, спільно відомих як фотосинтез, вас не було б тут, як і будь-кого іншого, кого ви знаєте. Це може здатися вам дивним твердженням, якщо ви випадково знаєте, що фотосинтез є виключним для рослин та деяких мікроорганізмів, і що жодна клітина у вашому тілі або жодна тварина не має апарату для здійснення цього елегантного асортименту реакцій. Що дає?
Простіше кажучи, рослинне життя та життя тварин є майже ідеально симбіотичними, це означає, що спосіб, яким рослини виконують свої метаболічні потреби, має вищу користь для тварин і навпаки. Найпростішими словами, тварини приймають газ кисень (O2) для отримання енергії з негазових джерел вуглецю та виділення вуглекислого газу (CO2) і вода (H2O) в процесі, тоді як рослини використовують CO2 та H2O робити їжу і випускати O2 до навколишнього середовища. Крім того, близько 87 відсотків світової енергії в даний час отримують від спалення викопного палива, яке в кінцевому підсумку також є продуктом фотосинтезу.
Іноді кажуть, що "фотосинтез для рослин - це те, що дихання для тварин", але це помилкова аналогія, оскільки рослини використовують і те, і інше, а тварини - лише дихання. Подумайте про фотосинтез як про спосіб, як рослини споживають і перетравлюють вуглець, покладаючись на світло, а не на рух, і на акт їжі, щоб перевести вуглець у форму, яку можуть використовувати маленькі клітинні машини.
Короткий огляд фотосинтезу
Фотосинтез, незважаючи на те, що не використовується безпосередньо значною частиною живих істот, може бути розумно розглядається як один хімічний процес, відповідальний за забезпечення постійного існування життя на Сама Земля. Фотосинтетичні клітини беруть CO2 та H2O, що збирається організмом із навколишнього середовища і використовує енергію сонячного світла для синтезу глюкози (C6H12О6), звільняючи O2 як продукт відходів. Потім ця глюкоза обробляється різними клітинами рослини таким же чином, як тварина використовує глюкозу клітини: він піддається диханню, щоб виділити енергію у вигляді аденозинтрифосфату (АТФ) і вивільняє CO2 як продукт відходів. (Фітопланктон і ціанобактерії також використовують фотосинтез, але для цілей цієї дискусії організми, що містять фотосинтетичні клітини, загалом називаються "рослинами").
Організми, які використовують фотосинтез для вироблення глюкози, називаються автотрофами, що вільно перекладається з грецької мови як "самостійне харчування". Тобто рослини не покладаються на інші організми безпосередньо в їжу. Тварини, навпаки, є гетеротрофами («інша їжа»), оскільки їм доводиться поглинати вуглець з інших живих джерел, щоб рости та залишатися живими.
Який тип реакції - це фотосинтез?
Фотосинтез вважається окисно-відновною реакцією. Редокс - це скорочення від "відновлення-окислення", яке описує, що відбувається на атомному рівні в різних біохімічних реакціях. Повною, збалансованою формулою для серії реакцій, званої фотосинтезом, компоненти якої будуть вивчені найближчим часом, є:
6Н2O + світло + 6CO2 → C6H12О6 + 6O2
Ви можете самі переконатись, що кількість кожного типу атомів однаково на кожній стороні стрілки: шість атомів вуглецю, 12 атомів водню та 18 атомів кисню.
Відновлення - це видалення електронів з атома або молекули, тоді як окислення - отримання електронів. Відповідно, сполуки, які легко віддають електрони в інші сполуки, називаються окислювачами, тоді як ті, що мають тенденцію до отримання електронів, називаються відновниками. Окисно-відновлювальні реакції зазвичай включають додавання водню до відновлюваної сполуки.
Структури фотосинтезу
Перший крок у фотосинтезі можна підсумувати як "нехай буде світло". Сонячне світло вражає поверхню рослин, приводячи в рух весь процес. Ви вже можете підозрювати, чому багато рослин виглядають так, як вони: Велика площа поверхні у вигляді листя та гілки, які їх підтримують, здається непотрібним (хоча і привабливим), якщо ви не знаєте, чому ці організми структуровані сюди. "Мета" рослини полягає в тому, щоб якомога більше піддавати себе сонячному світлу - зробити найкоротший, найменший рослини в будь-якій екосистемі, швидше, як рунти тваринного сміття, оскільки вони обидва намагаються отримати достатньо енергія. Листя, як не дивно, надзвичайно щільні у фотосинтезуючих клітинах.
Ці клітини багаті організмами, які називаються хлоропластами, і саме тут здійснюється робота з фотосинтезу, подібно до того, як мітохондрії - це органели, в яких відбувається дихання. Насправді, хлоропласти та мітохондрії за структурою досить схожі, факт, який, як практично все у світі біології, може ). Хлоропласти містять спеціалізовані пігменти, які оптимально поглинають світлову енергію, а не відображають це. Те, що відображається, а не поглинається, знаходиться в діапазоні довжин хвиль, що інтерпретується людським оком та мозку як певний колір (підказка: воно починається з "g"). Основний пігмент, який використовується для цієї мети, відомий як хлорофіл.
Хлоропласти оточені подвійною плазматичною мембраною, як це відбувається з усіма живими клітинами, а також органелами, які вони містять. Однак у рослин третя мембрана існує всередині плазмового двошару, яка називається тилакоїдною мембраною. Ця мембрана складена дуже широко, так що дископодібні структури, складені одна на одній, дають результат, на відміну від пакету монетних двотів. Ці тилакоїдні структури містять хлорофіл. Простір між внутрішньою мембраною хлоропласту та тилакоїдною мембраною називається стромою.
Механізм фотосинтезу
Фотосинтез поділяється на сукупність світлозалежних та незалежних від світла реакцій, які зазвичай називають світловими та темними реакціями та докладно описані пізніше. Як ви могли зробити висновок, світлові реакції виникають першими.
Коли сонячне світло потрапляє на хлорофіл та інші пігменти всередині тилакоїдів, воно по суті вибухає електронів і протонів з атомів хлорофілу і піднімає їх на вищий енергетичний рівень, роблячи їх вільнішими до мігрувати. Електрони направляються в ланцюгові реакції транспорту електронів, що розгортаються на самій тилакоїдної мембрані. Тут електроноакцептори, такі як НАДФ, отримують частину цих електронів, які також використовуються для синтезу АТФ. АТФ - це, по суті, клітини, що долари є для фінансової системи США: це "енергетична валюта", за допомогою якої в кінцевому підсумку здійснюються практично всі метаболічні процеси.
Поки це відбувається, сонячні молекули хлорофілу раптом виявили, що їм не вистачає електронів. Тут вода потрапляє в бій і сприяє заміщенню електронів у вигляді водню, зменшуючи тим самим хлорофіл. Оскільки водень зник, то те, що колись було водою, тепер є молекулярним киснем - O2. Цей кисень повністю дифундує з клітини і з рослини, і деяка частина йому вдалося потрапити у ваші легені саме в цю секунду.
Чи є фотосинтез ендергонічним?
Фотосинтез називають ендергонічною реакцією, оскільки для його здійснення потрібно введення енергії. Сонце є головним джерелом всієї енергії на планеті (факт, можливо, зрозумілий на якомусь рівні різними культури античності, які вважали Сонце божеством саме по собі) і рослини першими перехоплюють його продуктивне використання. Без цієї енергії не було б можливості перетворити вуглекислий газ - невелику просту молекулу в глюкозу - значно більшу і складнішу молекулу. Уявіть собі, що ви піднімаєтесь по сходовій майданчику, хоч якось не витрачаючи енергії, і бачите проблему, з якою стикаються рослини.
В арифметичному відношенні ендергонічні реакції - це реакції, при яких продукти мають вищий енергетичний рівень, ніж у реагентів. Протилежні цим реакціям, енергетично кажучи, називаються ексергонічними, при яких продукти мають меншу енергію, ніж реакції, і таким чином енергія виділяється під час реакції. (Це часто у формі спеки - знову ж вам стає тепліше чи вам стає холодніше під час фізичних вправ?) Це виражається через вільну енергію ΔG ° реакції, яка для фотосинтезу становить +479 кДж ⋅ моль-1 або 479 джоулів енергії на моль. Позитивний знак вказує на ендотермічну реакцію, тоді як негативний - на екзотермічний процес.
Світла і темна реакції фотосинтезу
У світлих реакціях вода розпадається на сонячне світло, тоді як у темряві протони (H+) та електрони (наприклад,−), що звільняються при світлі реакції, використовуються для збирання глюкози та інших вуглеводів із СО2.
Світлові реакції задаються за формулою:
2Н2O + світло → O2 + 4Н+ + 4e−(ΔG ° = +317 кДж ⋅ моль−1)
а темні реакції задаються:
CO2 + 4Н+ + 4e− → СН2O + H2O (ΔG ° = +162 кДж ⋅ моль−1)
Загалом це дає повне рівняння, розкрите вище:
H2O + світло + CO2 → СН2O + O2(ΔG ° = +479 кДж ⋅ моль−1)
Ви можете бачити, що обидва набори реакцій є ендергонічними, світлі реакції сильніші.
Що таке енергетичне зчеплення?
Енергетичне сполучення в живих системах означає використання енергії, доступної в рамках одного процесу, для керування іншими процесами, які в іншому випадку не відбувалися б. Суспільство саме так працює: підприємствам часто доводиться позичати великі суми наперед, щоб вийти з але, зрештою, деякі з цих підприємств стають високоприбутковими та можуть надавати кошти для інших стартапів компанії.
Фотосинтез є хорошим прикладом енергетичного зв’язку, оскільки енергія сонячного світла пов’язана з реакціями в хлоропластах, щоб реакції могли розгортатися. Зрештою рослина винагороджує глобальний кругообіг вуглецю, синтезуючи глюкозу та інші сполуки вуглецю, які можуть бути пов’язані з іншими реакціями, негайно чи в майбутньому. Наприклад, рослини пшениці виробляють крохмаль, який у всьому світі використовується як основне джерело їжі для людей та інших тварин. Але не вся глюкоза, вироблена рослинами, зберігається; частина з них надходить до різних частин рослинних клітин, де енергія, що виділяється при гліколізі, в кінцевому підсумку поєднується з реакціями в мітохондріях рослин, що призводять до утворення АТФ. У той час як рослини представляють дно харчового ланцюга і широко розглядаються як пасивна енергія та кисень донори, вони мають власні метаболічні потреби, тому їм потрібно збільшуватися та розмножуватися, як і інші організми.
Чому не можна змінювати підписки?
Окрім того, студенти часто мають проблеми з навчанням збалансувати хімічні реакції, якщо вони не надаються у збалансованій формі. Як результат, під час майстерності студентів може виникнути спокуса змінити значення індексів у молекулах у реакції, щоб досягти збалансованого результату. Ця плутанина може виникати через знання того, що допустимо змінювати числа перед молекулами, щоб збалансувати реакції. Зміна індексу будь-якої молекули перетворює цю молекулу на іншу молекулу взагалі. Наприклад, зміна O2 до О3 не просто додає на 50 відсотків більше кисню в перерахунку на масу; він перетворює газ кисню на озон, який не брав би участі у досліджуваній реакції далеко подібним чином.