If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Ако си зад уеб филтър, моля, увери се, че домейните *. kastatic.org и *. kasandbox.org са разрешени.

Основно съдържание

Въведение във фотосинтезата

Преобразуване на светлинната енергия в химична енергия. Реакции на фотосинтезата, къде се провеждат те и екологичното им значение.

Въведение

Скоро прегърна ли дърво? Ако не си, може би е добре да го направиш. Ти, заедно с останалата част от човешкото население, дължиш съществуването си на растенията и други организми, които улавят светлината. Всъщност по-голямата част от живота на Земята е възможен, понеже Слънцето непрекъснато снабдява с енергия екосистемите.
Всички организми, включително хората, имат нужда от енергия, за да захранят метаболитните процеси на растеж, развитие и репродукция. Но организмите не могат да използват светлинна енергия директно за метаболитните си нужди. Вместо това тя първо трябва да бъде превърната в химична енергия чрез процеса на фотосинтеза.

Какво представлява процесът на фотосинтеза?

Фотосинтеза е процесът, в който светлинната енергия бива преобразувана в химична енергия под формата на захари. В процес, задвижван от светлинната енергия, от вода и въглероден диоксид се синтезира глюкоза и други захари, а като вторичен продукт се отделя кислород. Глюкозните молекули предоставят на организмите два жизненоважни ресурса: енергия и фиксиран, органичен въглерод.
  • Енергия. Глюкозните молекули служат като гориво за клетките: тяхната химична енергия може да бъде усвоена чрез процесите на клетъчно дишане и ферментация, при които се получава аденозин трифосфат (АТФ) – малка, носеща енергия молекула, която задоволява непосредствените енергийни нужди на клетката.
  • Фиксиран въглерод. Въглеродът от въглеродния диоксид –т.нар. неорганичен въглерод – може да бъде включен в органични молекули; този процес се нарича фиксация на въглерода. Въглеродът в органичните молекули се нарича още фиксиран въглерод. Въглеродът, който се фиксира и включва в захари по време на фотосинтезата, може да бъде използван за изграждане на други видове органични молекули, необходими на клетките.
При фотосинтезата слънчевата енергия се улавя и се превръща в химична енергия под формата на глюкоза чрез използване на вода и въглероден диоксид. Като вторичен продукт се отделя кислород.

Екологичното значение на фотосинтезата

Фотосинтезиращите организми, включително растения, водорасли и някои бактерии, играят ключова екологична роля. Те внасят химична енергия и фиксиран въглерод в екосистемите, като използват светлина, за да синтезират захари. Тъй като тези организми произвеждат собствената си храна, тоест фиксират въглерод за собствените си нужди, използвайки светлинна енергия, те са наречени фотоавтотрофи (буквално, самоизхранващи се организми, използващи светлина).
Хората и другите организми, които не могат да превръщат сами въглеродния диоксид в органични съединения, се наричат хетеротрофи, което означава различно-хранещи се. Хетеротрофите трябва да получават отвън фиксиран въглерод, като изяждат други организми или техните вторични продукти. Животни, гъби и много прокариоти и протисти са хетеротрофи.
Освен че въвежда фиксиран въглерод и енергия в екосистемите, фотосинтезата влияе също така и на състава на земната атмосфера. Повечето фотосинтезиращи организми генерират газообразен кислород като вторичен продукт и появата на фотосинтезата преди повече ог 3 милиарда години в бактерии, приличащи на модерната цианобактерия, завинаги променило живота на Земята1. Тези бактерии постепенно отделяли кислород в бедната на кислород атмосфера на Земята и увеличената концентрация на кислород се смята, че е повлияла на еволюцията на аеробни форми на живот – организми, които използват кислород за клетъчно дишане. Ако не са били тези древни фотосинтезиращи организми, ние, както и много други видове, нямаше да сме тук днес!
Фотосинтезиращите организми също така усвояват големи количества въглероден диоксид от атмосферата и използват въглеродните атоми, за да изградят органични молекули. Без изобилието от растения и водорасли на Земята, които постоянно поемат въглероден диоксид, той ще се натрупа в атмосферата. Въпреки че фотосинтезиращите организми премахват част от въглеродния диоксид, който е продукт от човешката дейност, покачващите се нива в атмосферата "улавят" топлината и причиняват климатични промени. Много учени вярват, че запазването на горите и други области с растителност е все по-важно, за да се борим с това повишаване на нивата на въглеродния диоксид.

Листата са центровете за фотосинтеза

Растенията са най-често срещаните автотрофи в сухоземните екосистеми. Всички зелени растителни тъкани могат да фотосинтезират, но в повечето растения по-голямата част от фотосинтезата протича в листата. Клетките в средния слоя на листната тъкан, наречени мезофили, са основното място за фотосинтеза.
В повечето растения по повърхността на листата се намират малки пори, наречени устица, които позволяват на въглеродния диоксид да дифундира в мезофилния слой и кислородът да дифундира навън.
Диаграма, която показва едно листо при нарастващо увеличение. Увеличение 1: Цялото листо Увеличение 2: Мезофилна тъкан в листото Увеличение 3: Единична мезофилна клетка Увеличение 4: Хлоропласт в мезофилната клетка Увеличение 5: Групи тилакоиди и строма в хлоропласт
Изображение: модифицирано от "Преглед на фотосинтезата: Фигура 6" от Колеж ОупънСтакс, Концепции в биологията, CC BY 3.0
Всяка мезофилна клетка съдържа органели, наречени хлоропласти, които са специализирани да осъществяват реакциите на фотосинтеза. Във всеки хлоропласт дископодобни структури, наречени тилакоиди, са подредени в купчинки като палачинки. Те се наричат грани (в единствено число – грана). Мембраната на всеки тилакоид съдържа зелен пигмент, наречен хлорофил, който абсорбира светлина. Запълненото с течност пространство около граната се нарича строма, а пространството в тилакоидните дискове е познато като тилакоидно пространство. В различните части на хлоропласта протичат различни химични реакции.

Светлинно-зависими реакции и цикъл на Калвин

Фотосинтезата в листата на растенията включва много стъпки, но може да бъде разделена на два етапа: зависими от светлина реакции и цикъл на Калвин.
  • Зависимите от светлина реакции протичат в тилакоидната мембрана и се нуждаят от непрекъснат приток на светлинна енергия. Хлорофиля абсорбира светлинната енергия, която се преобразува в химична енергия чрез синтеза на две съединения, АТФ – молекула, съхраняваща енергия, и НАДФН—редуциран (носещ електрон) електрон носител. В този процес водните молекули се разграждат и се отделя кислород под формата на газ – кислородът, който дишаме!
  • Цикълът на Калвин, също наричан независими от светлина реакции, протича в стромата и не изисква директно светлина. Вместо това в цикъла на Калвин се използват ATФ и НАДФ от зависимите от светлина реакции, за да се фиксира въглеродният диоксид и се синтезират тривъглеродни захари – глицералдехид-3-фосфат, или Г3Ф (G3P), от две молекули от който се получава глюкоза.
Схема на светлинно зависимите реакции и цикъла на Калвин и връзката между тях.
Зависимите от светлина реакции протичат в тилакоидната мембрана. Те се нуждаят от светлина и нетният им ефект е разлагането на молекули вода, при което се отделя кислород, като същевремонно се получава АТФ от АДФ и неорганичен фосфор и НАДФ чрез редуциране на НАДФ+.
АТФ и НАДФ се получавт от страната на стромата на тилакоидната мембрана, където могат да бъдат използвани в цикъла на Калвин.
Цикълът на Калвин протича в стромата с използване на АТФ и НАДФ от зависимите от светлина реакции, за да се фиксира въглероден диоксид, при което се получават тривъглеродни захари – глицералдехид-3-фосфат (съкратено Г3Ф).
В цикъла на Калвин се преобразува АТФ в АДФ и неорганичен фосфор и НАДФ в НАДФ+. АДФ, неорганичен фосфор и НАДФ+ могат отново да се използват като субстрати в светлинните реакции.
Изображение: модифицирано от "Преглед на фотосинтезата: Фигура 6" от Колеж ОуоънСтакс, Биология, CC BY 3.0
Като цяло, зависимите от светлина реакции улавят светлина и я съхраняват временно в химичен вид като ATФ и НАДФ. После ATФ се разгражда, за да се освободи енергия и НАДФ отдава електроните си, при което молекулите на въглеродния диоксид се преобразуват в захари. В края светлинната енергия се оказва хваната във връзките на захарите.

Съпоставка на фотосинтеза и клетъчно дишане

Ако разгледаме реакциите като цяло фотосинтезата и клетъчното дишане са почти противоположни процеси. Те се различават само във вида на енергията, която бива абсорбирана или освободена, както е показано в диаграмата по-долу.
На опростено ниво, фотосинтезата и клетъчното дишане са противоположни една на друга реакции. При фотосинтезата слънчевата енергия се преобразува като химическа енергия в процес, в който от вода и въглероден диоксид се синтезира глюкоза. Кислородът се отделя като вторичен продукт. При клетъчното дишане кислородът се използва за разграждане на глюкозата, при което се освобождава химична енергия и топлина. Продуктите на тази реакция са въглероден диоксид и вода.
Но ако разгледаме отделните стъпки, фотосинтезата не е просто клетъчно дишане, изпълнено в обратен ред. Вместо това, както ще видим в останалата част на този раздел, фотосинтезата протича в собствени уникални серии от стъпки. Въпреки това има някои забележими подобия между фотосинтезата и клетъчното дишане.
Например и фотосинтезата, и клетъчното дишане включват серия от редокс (редукционно-окислителни) реакции (реакции, които включват пренос на електрони). При клетъчното дишане електроните преминават от глюкозата към кислорода, при което се получава вода и се освобождава енергия. При фотосинтезата електроните преминават в обратна посока – започва се с вода и се завършва с глюкоза – процес, който изисква енергия и се захранва от светлина. Подобно на клетъчното дишане при фотосинтезата също се използва електрон-транспортна верига, за да се създаде концентрационен градиент на H+, който води до синтез на ATФ в процес на хемиосмоза.
Ако тези неща не ти звучат познато, не се притеснявай! Не е нужно да познаваш клетъчното дишане, за да разбереш фотосинтезата. Просто продължавай да четеш и да гледаш и ще научиш всичко за този животоподдържащ процес.

Искаш ли да се присъединиш към разговора?

Все още няма публикации.
Разбираш ли английски? Натисни тук, за да видиш още дискусии в английския сайт на Кан Академия.