Wälder gelten als die "grünen Lungen des Planeten", nicht umsonst. Was ist Photosynthese und wie dieser Prozess abläuft, werden wir im Detail betrachten.
Was ist Photosynthese?
Photosynthese - ein biochemischer Prozess, bei dem organische mit Hilfe spezieller Pflanzenpigmente und Lichtenergie aus anorganischen Substanzen (Kohlendioxid, Wasser) entstehen. Dies ist einer der wichtigsten Prozesse, aufgrund derer die meisten Organismen auf dem Planeten erschienen sind und weiterhin existieren.
Interessante Tatsache: Landpflanzen sowie Grünalgen sind zur Photosynthese fähig. In diesem Fall produzieren Algen (Phytoplankton) 80% Sauerstoff.
Die Bedeutung der Photosynthese für das Leben auf der Erde
Ohne Photosynthese würden anstelle vieler lebender Organismen nur Bakterien auf unserem Planeten existieren. Es ist die Energie, die durch diesen chemischen Prozess gewonnen wird, die es Bakterien ermöglicht hat, sich zu entwickeln.
Alle natürlichen Prozesse benötigen Energie. Sie kommt von der Sonne. Sonnenlicht nimmt jedoch erst Gestalt an, nachdem es von Pflanzen umgewandelt wurde.
Pflanzen verbrauchen nur einen Teil der Energie und den Rest sammeln sie in sich an. Sie essen Pflanzenfresser, die Nahrung für Raubtiere sind. Jedes Glied erhält im Verlauf der Kette die notwendigen wertvollen Substanzen und Energie.
Während der Reaktion erzeugter Sauerstoff ist notwendig, damit alle Kreaturen atmen können. Das Atmen ist das Gegenteil von Photosynthese. In diesem Fall wird organische Substanz oxidiert, zerstört. Die entstehende Energie wird von Organismen zur Erfüllung verschiedener lebenswichtiger Aufgaben genutzt.
Während der Existenz des Planeten, als es nur wenige Pflanzen gab, fehlte praktisch kein Sauerstoff. Primitive Lebensformen erhielten auf andere Weise ein Minimum an Energie. Es war zu wenig für die Entwicklung. Das Atmen aufgrund von Sauerstoff hat daher mehr Möglichkeiten eröffnet.
Eine weitere Funktion der Photosynthese ist der Schutz von Organismen vor ultraviolettem Licht. Dies ist eine Ozonschicht, die sich in der Stratosphäre in einer Höhe von etwa 20 bis 25 km befindet. Es entsteht durch Sauerstoff, der unter Sonneneinstrahlung in Ozon umgewandelt wird. Ohne diesen Schutz wäre das Leben auf der Erde nur auf Unterwasserorganismen beschränkt.
Organismen setzen während der Atmung Kohlendioxid frei. Es ist ein wesentliches Element der Photosynthese. Andernfalls würde sich Kohlendioxid einfach in der oberen Atmosphäre ansammeln und den Treibhauseffekt erheblich verstärken.
Dies ist ein ernstes Umweltproblem, dessen Kern darin besteht, die Temperatur der Atmosphäre mit negativen Folgen zu erhöhen. Dazu gehören der Klimawandel (globale Erwärmung), schmelzende Gletscher, steigende Meeresspiegel usw.
Photosynthesefunktionen:
- Sauerstoffentwicklung;
- Energiebildung;
- Nährstoffbildung;
- die Bildung der Ozonschicht.
Definition und Formel der Photosynthese
Der Begriff „Photosynthese“ stammt aus einer Kombination von zwei Wörtern: Foto und Synthese. Aus dem Altgriechischen übersetzt bedeuten sie "Licht" bzw. "Verbindung". Somit wird die Energie des Lichts in die Energie der Bindungen organischer Substanzen umgewandelt.
Planen:
Kohlendioxid + Wasser + Licht = Kohlenhydrate + Sauerstoff.
Die wissenschaftliche Formel für die Photosynthese:
6CO2 + 6H2O → C.6N.12ÜBER6 + 6O2.
Die Photosynthese erfolgt so, dass Wasser und CO direkt in Kontakt kommen2 nicht sichtbar.
Die Bedeutung der Photosynthese für Pflanzen
Pflanzen benötigen organische Materie, Energie für Wachstum und Entwicklung. Dank der Photosynthese versorgen sie sich mit diesen Komponenten. Die Bildung organischer Substanzen ist das Hauptziel der Photosynthese für Pflanzen, und die Freisetzung von Sauerstoff wird als Nebenreaktion angesehen.
Interessante Tatsache: Pflanzen sind einzigartig, weil sie keine anderen Organismen benötigen, um Energie zu gewinnen.Daher bilden sie eine separate Gruppe - Autotrophen (übersetzt aus der altgriechischen Sprache „Ich esse mich selbst“).
Wie erfolgt die Photosynthese?
Die Photosynthese findet direkt in den grünen Pflanzenteilen statt - Chloroplasten. Sie sind Teil von Pflanzenzellen. Chloroplasten enthalten eine Substanz - Chlorophyll. Dies ist das hauptsächliche photosynthetische Pigment, dank dessen die gesamte Reaktion stattfindet. Zusätzlich bestimmt Chlorophyll die grüne Farbe der Vegetation.
Dieses Pigment zeichnet sich durch die Fähigkeit aus, Licht zu absorbieren. Und in den Zellen der Pflanze wird ein echtes biochemisches „Labor“ eingerichtet, in dem Wasser und CO vorhanden sind2 verwandeln sich in Sauerstoff, Kohlenhydrate.
Wasser tritt durch das Wurzelsystem der Pflanze ein und Gas dringt direkt in die Blätter ein. Licht wirkt als Energiequelle. Wenn ein Lichtteilchen auf ein Chlorophyllmolekül einwirkt, erfolgt seine Aktivierung. Im Wassermolekül H.2O Sauerstoff (O) bleibt nicht beansprucht. So wird es ein Nebenprodukt für Pflanzen, aber so wichtig für uns, ein Reaktionsprodukt.
Photosynthesephasen
Die Photosynthese ist in zwei Stufen unterteilt: hell und dunkel. Sie treten gleichzeitig auf, jedoch in verschiedenen Teilen des Chloroplasten. Der Name jeder Phase spricht für sich. Die licht- oder lichtabhängige Phase tritt nur unter Beteiligung von Lichtteilchen auf. In der dunklen oder nichtflüchtigen Phase ist kein Licht erforderlich.
Bevor Sie jede Phase genauer untersuchen, sollten Sie die Struktur des Chloroplasten verstehen, da sie die Essenz und den Ort der Stadien bestimmt. Chloroplast ist eine Vielzahl von Plastiden und befindet sich getrennt von den anderen Bestandteilen in der Zelle. Es hat die Form eines Samens.
An der Photosynthese beteiligte Chloroplastenbestandteile:
- 2 Membranen;
- Stroma (innere Flüssigkeit);
- Thylakoide;
- Lumen (Lücken in Thylakoiden).
Lichtphase der Photosynthese
Es fließt auf Thylakoiden, genauer gesagt auf deren Membranen. Wenn Licht auf sie trifft, werden negativ geladene Elektronen freigesetzt und akkumuliert. So verlieren photosynthetische Pigmente alle Elektronen, wonach die Wassermoleküle zerfallen:
H.2O → H + + OH-
In diesem Fall haben die gebildeten Wasserstoffprotonen eine positive Ladung und reichern sich auf der inneren Thylakoidmembran an. Infolgedessen sind Protonen mit einer Ladung plus und Elektronen mit einer Ladung minus nur durch eine Membran getrennt.
Sauerstoff entsteht als Nebenprodukt:
4OH → O.2 + 2H2Ö
Zu einem bestimmten Zeitpunkt werden die Phasen der Elektronen und Protonen des Wasserstoffs zu viele. Dann tritt das Enzym ATP-Synthase in die Arbeit ein. Seine Aufgabe ist es, Wasserstoffprotonen von der Thylakoidmembran auf das flüssige Chloroplastenmedium - das Stroma - zu übertragen.
Zu diesem Zeitpunkt steht Wasserstoff einem anderen Träger zur Verfügung - NADP (kurz für Nicotinamidinnukleotidphosphat). Es ist auch eine Art von Enzym, das oxidative Reaktionen in Zellen beschleunigt. In diesem Fall besteht seine Aufgabe darin, Wasserstoffprotonen in einer Kohlenhydratreaktion zu transportieren.
In diesem Stadium findet der Prozess der Photophospholierung statt, bei dem eine große Energiemenge erzeugt wird. Seine Quelle ist ATP - Adenosintriphosphorsäure.
Kurzer Umriss:
- Der Treffer eines Lichtquantums auf Chlorophyll.
- Die Auswahl der Elektronen.
- Die Entwicklung von Sauerstoff.
- Die Bildung von NADPH-Oxidase.
- ATP-Energieerzeugung.
Interessante Tatsache: An der afrikanischen Atlantikküste wächst eine Reliktpflanze namens Velvichia. Dies ist der einzige Vertreter einer Art mit einem Minimum an Blättern, die zur Photosynthese fähig sind. Das Alter des Velvich erreicht jedoch etwa 2000 Jahre.
Die dunkle Phase der Photosynthese
Die lichtunabhängige Phase tritt direkt im Stroma auf. Es repräsentiert eine Reihe von enzymatischen Reaktionen. Kohlendioxid, das im leichten Stadium in Wasser gelöst absorbiert wird, wird in diesem Stadium zu Glucose reduziert. Es entstehen auch komplexe organische Substanzen.
Die Reaktionen der Dunkelphase sind in drei Haupttypen unterteilt und hängen von der Art der Pflanzen (genauer gesagt ihrem Metabolismus) ab, in deren Zellen die Photosynthese stattfindet:
- MIT3-Pflanzen;
- MIT4-Pflanzen;
- CAM-Anlagen.
K C.3- Pflanzen umfassen die meisten landwirtschaftlichen Nutzpflanzen, die in gemäßigten Klimazonen wachsen. Während der Photosynthese wird Kohlendioxid zu Phosphoglycerinsäure.
Subtropische und tropische Arten, hauptsächlich Unkraut, gehören zu den C4-Pflanzen. Sie zeichnen sich durch die Umwandlung von Kohlendioxid in Oxalacetat aus. CAM-Pflanzen sind eine Kategorie von Pflanzen, denen Feuchtigkeit fehlt. Sie unterscheiden sich in einer speziellen Art der Photosynthese - CAM.
MIT3-Photosynthese
Am häufigsten ist C.3-Fotosynthese, auch Calvin-Zyklus genannt - zu Ehren des amerikanischen Wissenschaftlers Melvin Calvin, der einen großen Beitrag zur Untersuchung dieser Reaktionen geleistet und dafür den Nobelpreis erhalten hat.
Pflanzen heißen C.3 aufgrund der Tatsache, dass während der Reaktionen der Dunkelphase 3-Kohlenstoffmoleküle von 3-Phosphoglycerinsäure - 3-PGA gebildet werden. Verschiedene Enzyme sind direkt beteiligt.
Damit sich ein vollständiges Glucosemolekül bildet, müssen 6 Reaktionszyklen der lichtunabhängigen Phase vergehen. Kohlenhydrate sind das Hauptprodukt der Photosynthese im Calvin-Zyklus, aber zusätzlich werden Fett- und Aminosäuren sowie Glykolipide produziert. C.3 Die pflanzliche Photosynthese findet ausschließlich in Mesophyllzellen statt.
Der Hauptnachteil von C.3Photosynthese
Pflanzen der Gruppe C.3zeichnen sich durch einen wesentlichen Nachteil aus. Wenn die Umgebung nicht ausreichend feucht ist, ist die Fähigkeit zur Photosynthese erheblich verringert. Dies ist auf Photorespiration zurückzuführen.
Tatsache ist, dass bei einer geringen Kohlendioxidkonzentration in Chloroplasten (weniger als 50: 1 000 000) Sauerstoff anstelle von Kohlenstofffixierung fixiert wird. Spezielle Enzyme verlangsamen sich erheblich und verschwenden Sonnenenergie.
Gleichzeitig verlangsamt sich das Wachstum und die Entwicklung der Pflanze, da ihr organische Stoffe fehlen. Es gibt auch keine Freisetzung von Sauerstoff in die Atmosphäre.
Interessante Tatsache: Elysia chlorotica Meeresschnecke ist ein einzigartiges Tier, das wie Pflanzen photosynthetisiert. Es ernährt sich von Algen, deren Chloroplasten in die Zellen des Verdauungstrakts eindringen und dort monatelang photosynthetisieren. Die produzierten Kohlenhydrate dienen der Schnecke als Nahrung.
C4-Photosynthese
Im Gegensatz zu C.3-Synthese, hier werden die Reaktionen der Kohlendioxid-Fixierung in verschiedenen Pflanzenzellen durchgeführt. Diese Pflanzentypen sind in der Lage, das Problem der Photorespiration zu bewältigen, und dies in einem zweistufigen Zyklus.
Einerseits wird ein hoher Kohlendioxidgehalt aufrechterhalten, andererseits wird ein niedriger Sauerstoffgehalt in Chloroplasten kontrolliert. Diese Taktik ermöglicht es C4-Pflanzen, das Einatmen von Fotos und die damit verbundenen Schwierigkeiten zu vermeiden. Vertreter von Pflanzen dieser Gruppe sind Zuckerrohr, Mais, Hirse usw.
Im Vergleich zu Pflanzen C.3 Sie sind in der Lage, Photosyntheseprozesse unter den Bedingungen hoher Temperatur und Feuchtigkeitsmangel viel intensiver durchzuführen. In der ersten Stufe wird Kohlendioxid in den Mesophyllzellen fixiert, wo 4-Kohlensäure gebildet wird. Dann gelangt die Säure in die Hülle und zersetzt sich dort in eine 3-Kohlenstoff-Verbindung und Kohlendioxid.
In der zweiten Stufe beginnt das gewonnene Kohlendioxid im Calvin-Zyklus zu wirken, wo Glycerinaldehyd-3-phosphat und Kohlenhydrate entstehen, die für den Energiestoffwechsel notwendig sind.
Aufgrund der zweistufigen Photosynthese in C4-Pflanzen wird eine ausreichende Menge Kohlendioxid für den Kelvin-Zyklus gebildet. Daher arbeiten Enzyme mit voller Kraft und verschwenden keine Energie umsonst.
Dieses System hat jedoch seine Nachteile. Insbesondere wird eine größere Menge an ATP-Energie verbraucht - dies ist für die Umwandlung von 4-Kohlenstoffsäuren in 3-Kohlenstoffsäuren und in die entgegengesetzte Richtung erforderlich. Also C.3-Photosynthese ist immer produktiver als C4 mit der richtigen Menge an Wasser und Licht.
Was beeinflusst die Photosyntheserate?
Die Photosynthese kann mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten erfolgen. Dieser Prozess hängt von den Umgebungsbedingungen ab:
- Wasser;
- Wellenlänge des Lichts;
- Kohlendioxid;
- Temperatur.
Wasser ist ein grundlegender Faktor. Wenn es fehlt, verlangsamen sich die Reaktionen. Für die Photosynthese sind die Wellen des rot- und blauvioletten Spektrums am günstigsten. Ein hoher Beleuchtungsgrad ist ebenfalls vorzuziehen, jedoch nur bis zu einem bestimmten Wert - wenn dieser erreicht ist, verschwindet die Verbindung zwischen der Beleuchtung und der Reaktionsgeschwindigkeit.
Eine hohe Kohlendioxidkonzentration sorgt für schnelle Photosyntheseprozesse und umgekehrt. Bestimmte Temperaturen sind wichtig für Enzyme, die Reaktionen beschleunigen. Ideale Bedingungen für sie sind etwa 25-30 ℃.
Foto Atem
Alle Lebewesen brauchen Atmung und Pflanzen sind keine Ausnahme. Dieser Prozess verläuft bei ihnen jedoch etwas anders als bei Menschen und Tieren, weshalb er als Photorespiration bezeichnet wird.
Im Allgemeinen, Atem - ein physikalischer Prozess, bei dem ein lebender Organismus und seine Umwelt Gase austauschen. Pflanzen brauchen wie alle Lebewesen Sauerstoff zum Atmen. Aber sie verbrauchen es viel weniger als sie produzieren.
Während der Photosynthese, die nur im Sonnenlicht stattfindet, schaffen Pflanzen Nahrung für sich. Während der Fotoatmung, die rund um die Uhr durchgeführt wird, werden diese Nährstoffe von ihnen aufgenommen, um den Stoffwechsel in den Zellen zu unterstützen.
Interessante Tatsache: An einem sonnigen Tag verbraucht ein 1 Hektar großes Waldgrundstück 120 bis 280 kg Kohlendioxid und stößt 180 bis 200 kg Sauerstoff aus.
Sauerstoff (wie Kohlendioxid) dringt durch spezielle Öffnungen - Stomata - in Pflanzenzellen ein. Sie befinden sich am unteren Rand der Blätter. Auf einem Blatt befinden sich ca. 1000 Stomata.
Gasaustausch von Pflanzen je nach Beleuchtung
Der Gasaustauschprozess bei unterschiedlicher Beleuchtung wird wie folgt dargestellt:
- Helles Licht. Bei der Photosynthese wird Kohlendioxid verwendet. Pflanzen produzieren mehr Sauerstoff als sie verbrauchen. Seine Überschüsse gelangen in die Atmosphäre. Kohlendioxid wird schneller verbraucht als durch Atmung freigesetzt. Nicht verwendete Kohlenhydrate werden von der Pflanze zur zukünftigen Verwendung gespeichert.
- Wenig Licht. Ein Gasaustausch mit der Umwelt findet nicht statt, da die Anlage den gesamten Sauerstoff verbraucht, den sie produziert.
- Mangel an Licht. Es treten nur Atmungsprozesse auf. Kohlendioxid wird freigesetzt und Sauerstoff verbraucht.
Chemosynthese
Einige lebende Organismen sind auch in der Lage, aus Wasser und Kohlendioxid Monokohlenhydrate zu bilden, während sie kein Sonnenlicht benötigen. Dazu gehören Bakterien, und der Prozess der Energieumwandlung wird als Chemosynthese bezeichnet.
Chemosynthese Es ist ein Prozess, bei dem Glukose synthetisiert wird, aber anstelle von Sonnenenergie Chemikalien verwendet werden. Es fließt in Bereichen mit einer ausreichend hohen Temperatur, die für den Betrieb von Enzymen geeignet ist, und in Abwesenheit von Licht. Dies können Gebiete in der Nähe von hydrothermalen Quellen, Methanlecks in Meerestiefen usw. sein.
Die Geschichte der Entdeckung der Photosynthese
Die Geschichte der Entdeckung und Untersuchung der Photosynthese reicht bis ins Jahr 1600 zurück, als Jan Baptiste van Helmont beschloss, die damals dringende Frage zu verstehen: Was essen Pflanzen und woher beziehen sie nützliche Substanzen?
Zu dieser Zeit glaubte man, dass der Boden eine Quelle wertvoller Elemente sei. Der Wissenschaftler legte einen Weidenzweig in einen Behälter mit Erde, maß aber zuvor ihr Gewicht. 5 Jahre lang kümmerte er sich um den Baum und goss ihn, woraufhin er erneut Messverfahren durchführte.
Es stellte sich heraus, dass das Gewicht der Erde um 56 g abnahm, der Baum jedoch 30-mal schwerer wurde. Diese Entdeckung widerlegte die Ansicht, dass Pflanzen sich vom Boden ernähren, und führte zu einer neuen Theorie - der Wasserernährung.
In Zukunft haben viele Wissenschaftler versucht, dies zu widerlegen.Zum Beispiel glaubte Lomonosov, dass teilweise strukturelle Komponenten durch Blätter in Pflanzen gelangen. Er wurde von Pflanzen geleitet, die erfolgreich in trockenen Gebieten wachsen. Diese Version konnte jedoch nicht nachgewiesen werden.
Das, was der realen Situation am nächsten kam, war Joseph Priestley, Chemiewissenschaftler und Teilzeitpriester. Einmal entdeckte er eine tote Maus in einem umgedrehten Glas, und dieser Vorfall zwang ihn in den 1770er Jahren zu einer Reihe von Experimenten mit Nagetieren, Kerzen und Behältern.
Priestley stellte fest, dass die Kerze immer schnell erlischt, wenn Sie sie mit einem Glas bedecken. Auch ein lebender Organismus kann nicht überleben. Der Wissenschaftler kam zu dem Schluss, dass es bestimmte Kräfte gibt, die Luft für das Leben geeignet machen, und versuchte, dieses Phänomen mit Pflanzen in Verbindung zu bringen.
Er setzte seine Experimente fort, aber diesmal versuchte er, einen Topf mit wachsender Minze unter einen Glasbehälter zu stellen. Zur großen Überraschung entwickelte sich die Anlage aktiv weiter. Dann stellte Priestley eine Pflanze und eine Maus unter ein Glas und nur ein Tier unter das zweite. Das Ergebnis ist offensichtlich - unter dem ersten Tank blieb das Nagetier unversehrt.
Die Leistung des Chemikers wurde zur Motivation für andere Wissenschaftler auf der ganzen Welt, das Experiment zu wiederholen. Aber der Haken war, dass der Priester tagsüber Experimente durchführte. Und zum Beispiel der Apotheker Karl Scheele - nachts, wenn es Freizeit gab. Infolgedessen beschuldigte der Wissenschaftler Priestley des Betrugs, weil seine Versuchspersonen das Experiment mit der Pflanze nicht ertragen konnten.
Es kam zu einer echten wissenschaftlichen Auseinandersetzung zwischen Chemikern, die erhebliche Vorteile brachte und eine weitere Entdeckung ermöglichte: Pflanzen müssen Luft wiederherstellen, sie brauchen Sonnenlicht.
Natürlich nannte dann niemand dieses Phänomen Photosynthese, und es gab noch viele Fragen. 1782 konnte der Botaniker Jean Senebier jedoch nachweisen, dass Pflanzen in Gegenwart von Sonnenlicht Kohlendioxid auf zellulärer Ebene abbauen können. Und 1864 zeigten sich schließlich experimentelle Beweise dafür, dass Pflanzen Kohlendioxid absorbieren und Sauerstoff produzieren. Dies ist das Verdienst des Wissenschaftlers aus Deutschland - Julius Sachs.
