![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_6ixLCt6ulT0XuUPgvhf.jpg)
Ne velti meži tiek uzskatīti par “planētas zaļajām plaušām”. Kas ir fotosintēze un kā notiek šis process, mēs sīkāk apsvērsim.
Kas ir fotosintēze?
Fotosintēze - bioķīmisks process, kura laikā organiski rodas, izmantojot īpašus augu pigmentus un gaismas daudzumu no neorganiskām vielām (oglekļa dioksīds, ūdens). Šis ir viens no vissvarīgākajiem procesiem, kura dēļ uz planētas parādījās un turpina pastāvēt lielākā daļa organismu.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_uOv4HpOwd55imt1Be2E.jpg)
Interesants fakts: Sauszemes augi, kā arī zaļās aļģes ir spējīgas fotosintēzei. Šajā gadījumā aļģes (fitoplanktons) rada 80% skābekļa.
Fotosintēzes nozīme dzīvībai uz Zemes
Bez fotosintēzes daudzu dzīvo organismu vietā uz mūsu planētas pastāvētu tikai baktērijas. Šī ķīmiskā procesa rezultātā iegūtā enerģija ļāva baktērijām attīstīties.
Jebkuriem dabiskiem procesiem nepieciešama enerģija. Viņa nāk no saules. Bet saules gaisma iegūst formu tikai pēc augu pārveidošanas.
Augi patērē tikai daļu enerģijas, bet pārējo uzkrāj sevī. Viņi ēd zālēdājus, kas ir pārtika plēsējiem. Ķēdes gaitā katrs posms saņem nepieciešamās vērtīgās vielas un enerģiju.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_k9XrgGsZljrp.jpg)
Reakcijas laikā iegūtais skābeklis ir nepieciešams, lai visas radības varētu elpot. Elpošana ir pretēja fotosintēzei. Šajā gadījumā organiskās vielas tiek oksidētas, iznīcinātas. Iegūto enerģiju organismi izmanto dažādu dzīvībai svarīgu uzdevumu veikšanai.
Planētas pastāvēšanas laikā, kad bija maz augu, skābekļa praktiski nebija. Primitīvās dzīvības formas minimālu enerģijas daudzumu ieguva citos veidos. Tas bija par maz attīstībai. Tāpēc elpošana skābekļa ietekmē ir pavērusi vairāk iespēju.
Vēl viena fotosintēzes funkcija ir organismu aizsardzība no ultravioletās gaismas iedarbības. Mēs runājam par ozona slāni, kas atrodas stratosfērā aptuveni 20-25 km augstumā. Tas veidojas skābekļa ietekmē, kas saules gaismas ietekmē pārvēršas par ozonu. Bez šīs aizsardzības dzīvība uz Zemes būtu ierobežota tikai ar zemūdens organismiem.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_OmovxgXB250z.jpg)
Organismi elpošanas laikā izdala oglekļa dioksīdu. Tas ir būtisks fotosintēzes elements. Pretējā gadījumā oglekļa dioksīds vienkārši uzkrājas atmosfēras augšējā daļā, ievērojami pastiprinot siltumnīcas efektu.
Šī ir nopietna vides problēma, kuras būtība ir paaugstināt atmosfēras temperatūru ar negatīvām sekām. Tie ietver klimata izmaiņas (globālo sasilšanu), ledāju kušanu, jūras līmeņa celšanos utt.
Fotosintēzes funkcijas:
- skābekļa evolūcija;
- enerģijas veidošanās;
- barības vielu veidošanās;
- ozona slāņa izveidošana.
Fotosintēzes definīcija un formula
Termins “fotosintēze” nāk no divu vārdu apvienojuma: foto un sintēze. Tulkojumā no senās grieķu valodas tie nozīmē attiecīgi “gaismu” un “savienojumu”. Tādējādi gaismas enerģija tiek pārveidota par organisko vielu saišu enerģiju.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_bh66emxv2DqvOIDvpoYJ5.jpg)
Shēma:
Oglekļa dioksīds + ūdens + gaisma = ogļhidrāti + skābeklis.
Fotosintēzes zinātniskā formula:
6CO2 + 6H2O → C6N12PAR6 + 6O2.
Fotosintēze notiek tiešā ūdens un CO saskarē2 nav redzams.
Fotosintēzes nozīme augiem
Augiem nepieciešama organiska viela, enerģija izaugsmei un attīstībai. Pateicoties fotosintēzei, viņi sevi nodrošina ar šiem komponentiem. Augu fotosintēzes galvenais mērķis ir organisko vielu radīšana, un skābekļa izdalīšanās tiek uzskatīta par blakusreakciju.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_RZptuGhlQMPhC4V008P6.jpg)
Interesants fakts: Augi ir unikāli, jo tiem nav nepieciešami citi organismi, lai iegūtu enerģiju.Tāpēc viņi veido atsevišķu grupu - autotrofus (tulkojumā no sengrieķu valodas “Es pats ēdu”).
Kā notiek fotosintēze?
Fotosintēze notiek tieši zaļajās augu daļās - hloroplasti. Tās ir daļa no augu šūnām. Hloroplasti satur vielu - hlorofils. Šis ir galvenais fotosintētiskais pigments, pateicoties tam, notiek visa reakcija. Turklāt hlorofils nosaka veģetācijas zaļo krāsu.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_ge8lfDlQqulkYiAG2h8n.jpg)
Šim pigmentam raksturīga spēja absorbēt gaismu. Augu šūnās tiek palaista īsta bioķīmiskā “laboratorija”, kurā atrodas ūdens un CO2 pārvēršas par skābekli, ogļhidrātiem.
Ūdens iekļūst caur auga sakņu sistēmu, un gāze iekļūst tieši lapās. Gaisma darbojas kā enerģijas avots. Kad viegla daļiņa iedarbojas uz hlorofila molekulu, notiek tās aktivizācija. Ūdens molekulā H2O skābeklis (O) paliek nepieprasīts. Tādējādi tas kļūst par blakusproduktu augiem, bet mums tik svarīgs - par reakcijas produktu.
Fotosintēzes fāzes
Fotosintēze ir sadalīta divos posmos: gaišajā un tumšajā. Tie notiek vienlaikus, bet dažādās hloroplasta daļās. Katras fāzes nosaukums pats par sevi runā. Gaisma vai no gaismas atkarīgā fāze notiek tikai ar gaismas daļiņu piedalīšanos. Tumšā vai nepastāvīgā fāzē gaisma nav nepieciešama.
Pirms sīkāk izpētīt katru fāzi, ir vērts izprast hloroplasta struktūru, jo tas nosaka posmu būtību un vietu. Hloroplasti ir dažādi plastidi un atrodas šūnas iekšpusē atsevišķi no citiem komponentiem. Tam ir sēklas forma.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_eVvo0uL80KXGz.jpg)
Hloroplasta sastāvdaļas, kas iesaistītas fotosintēzē:
- 2 membrānas;
- stroma (iekšējais šķidrums);
- tirkoīdi;
- lūmeni (spraugas vairogdziedzera iekšpusē).
Fotosintēzes vieglā fāze
Tas plūst uz tireoīdiem, precīzāk, to membrānām. Kad gaisma tiem piesit, negatīvi lādēti elektroni tiek atbrīvoti un uzkrāti. Tādējādi fotosintētiskie pigmenti zaudē visus elektronus, pēc kuriem notiek ūdens molekulu pagrimums:
H2O → H + + OH-
Šajā gadījumā izveidotajiem ūdeņraža protoniem ir pozitīvs lādiņš un tie uzkrājas uz iekšējās tireoidālās membrānas. Rezultātā protonus ar lādiņa plusu un elektronus ar lādiņa mīnusu atdala tikai ar membrānu.
Skābekli ražo kā blakusproduktu:
4OH → O2 + 2H2O
Noteiktā brīdī elektronu un ūdeņraža protonu fāzes kļūst par daudz. Tad darbā nonāk fermenta ATP sintāze. Tās uzdevums ir pārnest ūdeņraža protonus no vairogdziedzera membrānas uz hloroplastu šķidru barotni - stromu.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_o9b6e1elhs9ulqtikfOHJo2V.jpg)
Šajā posmā ūdeņradis ir pieejama cita nesēja - NADP (īss - nikotinamidīna nukleotīda fosfāts) - rīcībā. Tas ir arī enzīmu veids, kas paātrina oksidatīvās reakcijas šūnās. Šajā gadījumā viņa uzdevums ir transportēt ūdeņraža protonus ogļhidrātu reakcijā.
Šajā posmā notiek fotofosfolācijas process, kura laikā tiek ģenerēts milzīgs enerģijas daudzums. Tās avots ir ATP - adenozīna trifosforskābe.
Īss izklāsts:
- Gaismas kvanta trāpījums hlorofilā.
- Elektronu atlase.
- Skābekļa evolūcija.
- NADPH oksidāzes veidošanās.
- ATP enerģijas ražošana.
Interesants fakts: Atlantijas okeāna Āfrikas krastā aug relikts augs ar nosaukumu Velvichia. Tas ir vienīgais šāda veida pārstāvis ar minimālu lapu daudzumu, kas spēj fotosintēzi. Tomēr Velvich vecums sasniedz apmēram 2000 gadus.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_h2Onh5a1VIpAvyuxUy5.jpg)
Fotosintēzes tumšā fāze
No gaismas neatkarīgā fāze notiek tieši stromā. Tas attēlo fermentatīvu reakciju virkni. Oglekļa dioksīds, kas absorbēts vieglajā stadijā, izšķīst ūdenī, un šajā posmā to samazina līdz glikozei. Tiek ražotas arī sarežģītas organiskas vielas.
Tumšās fāzes reakcijas ir sadalītas trīs galvenajos veidos un ir atkarīgas no augu veida (precīzāk, no to metabolisma), kuru šūnās notiek fotosintēze:
- AR3-augi;
- AR4-augi;
- CAM augi.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_SU600g23awvV.jpg)
K C3- Augos ietilpst lielākā daļa lauksaimniecības kultūru, kas aug mērenā klimatā. Fotosintēzes laikā oglekļa dioksīds kļūst par fosfoglicerīnskābi.
Subtropu un tropu sugas, galvenokārt nezāles, pieder pie C4 augiem. Viņiem raksturīga oglekļa dioksīda pārveidošana oksaloacetātā. CAM augi ir tādu augu kategorija, kuriem trūkst mitruma. Tie atšķiras ar īpašu fotosintēzes veidu - CAM.
AR3-fotosintēze
Visizplatītākais ir C3-fotosintēze, ko sauc arī par Kalvina ciklu, par godu amerikāņu zinātniekam Melvinam Kalvinam, kurš deva milzīgu ieguldījumu šo reakciju izpētē un par to saņēma Nobela prēmiju.
Augus sauc par C3 sakarā ar to, ka tumšās fāzes reakciju laikā veidojas 3-fosfoglicerīnskābes - 3-PGA 3-oglekļa molekulas. Tieši iesaistīti dažādi fermenti.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_Qk05t1VSjLsE4TsFEYfrh2w.jpg)
Lai izveidotu pilnīgu glikozes molekulu, ir jāiziet 6 no gaismas neatkarīgās fāzes reakcijas cikli. Ogļhidrāti ir galvenais fotosintēzes produkts Kalvina ciklā, bet papildus tam tiek ražotas taukskābes un aminoskābes, kā arī glikolipīdi. C3 augu fotosintēze notiek tikai mezofila šūnās.
C galvenais trūkums3fotosintēze
C grupas augi3raksturo viens būtisks trūkums. Ja vidē nav pietiekami daudz mitruma, ievērojami samazinās fotosintēzes spēja. Tas ir saistīts ar fotorespirāciju.
Fakts ir tāds, ka ar mazu oglekļa dioksīda koncentrāciju hloroplastos (mazāk nekā 50: 1 000 000) oglekļa fiksācijas vietā tiek fiksēts skābeklis. Īpašie fermenti ievērojami palēnina un izšķiež saules enerģiju.
Tajā pašā laikā auga augšana un attīstība palēninās, jo tajā trūkst organisko vielu. Turklāt atmosfērā netiek izdalīts skābeklis.
Interesants fakts: Elysia chlorotica jūras plēksne ir unikāls dzīvnieks, kas fotosintēzē tāpat kā augi. Tas barojas ar aļģēm, kuru hloroplasti iekļūst gremošanas trakta šūnās un tur vairākus mēnešus sintezē. Izgatavotie ogļhidrāti kalpo plēksnei kā ēdiens.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_r68tJtEehupPx6ti7DiObe.jpg)
C4 fotosintēze
Atšķirībā no C3-sintēze, šeit oglekļa dioksīda fiksācijas reakcijas tiek veiktas dažādās augu šūnās. Šie augu veidi spēj tikt galā ar fotorespirācijas problēmu, un viņi to dara ar divpakāpju ciklu.
No vienas puses, tiek uzturēts augsts oglekļa dioksīda līmenis, no otras puses, tiek kontrolēts zems skābekļa līmenis hloroplastos. Šī taktika ļauj C4 augiem izvairīties no foto elpošanas un ar to saistītajām grūtībām. Šīs grupas augu pārstāvji ir cukurniedres, kukurūza, prosa utt.
Salīdzinot ar augiem C3 viņi daudz intensīvāk spēj veikt fotosintēzes procesus augstas temperatūras un mitruma trūkuma apstākļos. Pirmajā posmā oglekļa dioksīds tiek fiksēts mezofila šūnās, kur veidojas 4-ogļskābe. Tad skābe nonāk čaulā un sadalās tajā 3-oglekļa savienojumā un oglekļa dioksīdā.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_qOV4EeoTfawFT6iB9XDKc.jpg)
Otrajā posmā iegūtais oglekļa dioksīds sāk darboties Kalvina ciklā, kurā tiek ražots glicerraldehīds-3-fosfāts un ogļhidrāti, kas nepieciešami enerģijas metabolismam.
Sakarā ar divpakāpju fotosintēzi C4 augos, Kelvina ciklā veidojas pietiekams daudzums oglekļa dioksīda. Tāpēc fermenti darbojas pilnā spēkā un velti netērē enerģiju.
Bet šai sistēmai ir savi trūkumi. Jo īpaši tiek patērēts lielāks ATP enerģijas daudzums - tas ir nepieciešams 4-oglekļa skābju pārvēršanai 3-oglekļa skābēs un pretējā virzienā. Tātad C3-Fotosintēze vienmēr ir produktīvāka nekā C4 ar pareizu ūdens un gaismas daudzumu.
Kas ietekmē fotosintēzes ātrumu?
Fotosintēze var notikt ar dažādu ātrumu. Šis process ir atkarīgs no vides apstākļiem:
- ūdens;
- gaismas viļņa garums;
- oglekļa dioksīds;
- temperatūra.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_ZW73s84oz5.jpg)
Ūdens ir būtisks faktors, tāpēc, kad tā trūkst, reakcija palēninās. Fotosintēzei vislabvēlīgākie ir sarkanā un zili violetā spektra viļņi. Vēlama ir arī augsta apgaismojuma pakāpe, bet tikai līdz noteiktai vērtībai - kad tā tiek sasniegta, savienojums starp apgaismojumu un reakcijas ātrumu pazūd.
Augsta oglekļa dioksīda koncentrācija nodrošina ātrus fotosintēzes procesus un otrādi. Fermentiem, kas paātrina reakcijas, ir svarīga noteikta temperatūra. Ideāli apstākļi tiem ir aptuveni 25-30 ℃.
Foto elpa
Visām dzīvajām lietām nepieciešama elpošana, un augi nav izņēmums. Tomēr šis process viņos notiek nedaudz savādāk nekā cilvēkiem un dzīvniekiem, tāpēc to sauc par fotorespirāciju.
Parasti elpa - fizisks process, kura laikā dzīvs organisms un tā vide apmainās ar gāzēm. Tāpat kā visām dzīvajām lietām, augiem ir nepieciešams skābeklis elpošanai. Bet viņi to patērē daudz mazāk nekā ražo.
Fotosintēzes laikā, kas notiek tikai saules gaismā, augi paši rada barību. Foto elpošanas laikā, kas tiek veikts visu diennakti, šīs barības vielas tās absorbē, lai atbalstītu metabolismu šūnās.
Interesants fakts: saulainā dienā 1 hektāra meža gabals patērē no 120 līdz 280 kg oglekļa dioksīda un izdala no 180 līdz 200 kg skābekļa.
Skābeklis (piemēram, oglekļa dioksīds) iekļūst augu šūnās caur īpašām atverēm - stomatiem. Tie atrodas lapu apakšā. Uz vienas lapas var atrasties apmēram 1000 stomātu.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_i88dfhKbye6D.jpg)
Augu gāzes apmaiņa atkarībā no apgaismojuma
Gāzes apmaiņas process dažādos apgaismojumos tiek parādīts šādi:
- Spilgta gaisma. Fotosintēzes laikā tiek izmantots oglekļa dioksīds. Augi ražo vairāk skābekļa, nekā patērē. Tā pārpalikumi nonāk atmosfērā. Oglekļa dioksīds tiek patērēts ātrāk, nekā izdalās elpojot. Neizlietotos ogļhidrātus augs glabā turpmākai lietošanai.
- Zemas gaismas. Gāzes apmaiņa ar vidi nenotiek, jo augs patērē visu saražoto skābekli.
- Gaismas trūkums. Notiek tikai elpošanas procesi. Izdalās oglekļa dioksīds un tiek patērēts skābeklis.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_wgWu7iRgxx8aTq80Eu.jpg)
Kemosintēze
Daži dzīvi organismi arī spēj no ūdens un oglekļa dioksīda veidot monokarbohidrātus, kamēr tiem nav nepieciešama saules gaisma. Tajās ietilpst baktērijas, un enerģijas pārvēršanas procesu sauc par ķemosintēzi.
Kemosintēze Tas ir process, kura laikā tiek sintezēta glikoze, bet saules enerģijas vietā tiek izmantotas ķīmiskas vielas. Tas plūst apgabalos ar pietiekami augstu temperatūru, ir piemērots fermentu darbībai un gaismas trūkuma gadījumā. Tās var būt teritorijas pie hidrotermāliem avotiem, metāna noplūdes jūras dziļumā utt.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_1kf7567z9O0gbkQ.jpg)
Fotosintēzes atklāšanas vēsture
Fotosintēzes atklāšanas un izpētes vēsture aizsākās 1600. gadā, kad Jans Baptiste van Helmonts tajā laikā izlēma izprast steidzamo jautājumu: ko augi ēd un no kurienes viņi iegūst noderīgas vielas?
Tajā laikā tika uzskatīts, ka augsne ir vērtīgu elementu avots. Zinātnieks ievietoja kārklu zariņu traukā ar zemi, bet iepriekš izmērīja to svaru. 5 gadus viņš rūpējās par koku, to laistot, pēc tam viņš atkal veica mērīšanas procedūras.
Izrādījās, ka zemes svars samazinājās par 56 g, bet koks kļuva 30 reizes smagāks. Šis atklājums noliedza uzskatu, ka augi barojas ar augsni, un radīja jaunu teoriju - ūdens uzturu.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_HfWfuWci6MGiKmIA4udB5Gl6.jpg)
Nākotnē daudzi zinātnieki mēģināja to atspēkot.Piemēram, Lomonosovs uzskatīja, ka daļēji strukturālie komponenti augos nonāk caur lapām. Viņu vadīja augi, kas veiksmīgi aug sausos apgabalos. Tomēr šo versiju nebija iespējams pierādīt.
Vistuvāk lietas patiesajam stāvoklim bija Džozefs Priestlejs, ķīmijas zinātnieks un nepilna laika priesteris. Reiz viņš atklāja mirušu peli apgrieztā burkā, un šis incidents piespieda viņu veikt virkni eksperimentu ar grauzējiem, svecēm un konteineriem 1770. gados.
Priestley secināja, ka svece vienmēr ātri izdziest, ja jūs to pārklājat ar burku virsū. Arī dzīvs organisms nespēj izdzīvot. Zinātnieks nonāca pie secinājuma, ka ir noteikti spēki, kas padara gaisu piemērotu dzīvībai, un mēģināja savienot šo parādību ar augiem.
Viņš turpināja veidot eksperimentus, bet šoreiz mēģināja zem stikla trauka novietot podu ar augošu piparmētru. Par lielu pārsteigumu augs turpināja aktīvi attīstīties. Tad Prieslijs zem vienas burkas ievietoja augu un peli, bet zem otra - tikai dzīvnieku. Rezultāts ir acīmredzams - zem pirmās tvertnes grauzējs palika neskarts.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_5yst8JXqa4O.jpg)
Ķīmiķa sasniegums kļuva par motīvu citiem zinātniekiem visā pasaulē atkārtot eksperimentu. Bet nozveja bija tā, ka priesteris dienā veica eksperimentus. Un, piemēram, farmaceits Kārlis Šīele - naktī, kad bija brīvais laiks. Tā rezultātā zinātnieks apsūdzēja Priestley par maldināšanu, jo viņa eksperimentālie subjekti nevarēja izturēt eksperimentu ar augu.
Starp ķīmiķiem izcēlās īsta zinātniska konfrontācija, kas deva ievērojamus ieguvumus un ļāva izdarīt vēl vienu atklājumu - augiem ir jāatjauno gaiss, viņiem nepieciešama saules gaisma.
Protams, tad neviens šo fenomenu nesauca par fotosintēzi, un joprojām bija daudz jautājumu. Tomēr 1782. gadā botāniķis Žans Senebjērs spēja pierādīt, ka saules gaismas klātbūtnē augi spēj sadalīt oglekļa dioksīdu šūnu līmenī. Un, visbeidzot, 1864. gadā parādījās eksperimentāli pierādījumi, ka augi absorbē oglekļa dioksīdu un ražo skābekli. Tas ir zinātnieka no Vācijas - Julius Sachs - nopelns.