Фотосинтезата • Джеймс Трефил, енциклопедия "двеста и законите на Вселената"

Растения превръщат слънчевата светлина в химическата енергия, съхранявана в два етапа: първо, те улавяне на енергията на слънчева светлина, и след това се използва за свързване с образуването на органични молекули въглерод.

Зелени растения - биолози ги наричат ​​autotrophs - основата на живота на планетата. С растения започне почти всички хранителни вериги. Те преобразуване на енергия инцидент върху тях под формата на слънчевата светлина в енергия, съхранявана на въглехидрати (виж. Биологични молекули), от които най-важният шест въглеродни захар захар. Този процес на преобразуване на енергията, наречена фотосинтеза. Други организми имат достъп до тази енергия чрез хранене на растенията. Това създава хранителна верига, която поддържа планетарната екосистема.

В допълнение, въздуха, който се вдишва през фотосинтезата е наситен с кислород. Общото уравнение на фотосинтезата е както следва:

въглероден двуокис + вода + леки + кислородни Ц въглехидрати

Растенията абсорбират въглероден двуокис, образуван по време на дишане и освобождава кислород - (. Види гликолиза и дишане) продукт на растенията. В допълнение, фотосинтезата е от съществено значение в цикъла на въглерод в природата.

Изглежда невероятно, че въпреки важността на фотосинтеза, учените толкова дълго, за да го изучават. След Ван Gelmonta експеримент. доставени в XVII век, е имало затишие, а само през 1905 г., на английски завод физиолог Фредерик Блекман (Frederick Блекман, 1866-1947), проведено изследване и установи основните процеси на фотосинтеза. Той показа, че фотосинтезата започва при слаба светлина, че скоростта на фотосинтезата се увеличава с увеличаване на светлинния поток, но като се започва от определено ниво, по-нататъшното укрепване на осветление не води до увеличаване на фотосинтезата. Блекман показа, че повишаването на температурата под слаба светлина не влияе на скоростта на фотосинтезата, но едновременно с увеличаване на температурата и скоростта на фотосинтезата се увеличава пали много повече, отколкото ако само едно от усилване на светлината.

Въз основа на тези експерименти, Blackman до заключението, че има два процеси, един от които е до голяма степен зависи от нивото на осветеност, но не и от температурата, докато втората температурата се определя в голяма степен независимо от нивото на осветеност. Това прозрение е в основата на съвременните концепции за фотосинтеза. Двата процеса са понякога се нарича "светлина" и "тъмно" реакция, която не е напълно вярно, тъй като беше установено, че, въпреки че реакцията "тъмна" фаза и ще при липса на светлина, те се нуждаят от продукти, "леки" фаза.

Фотосинтезата започва с факта, че фотоните, излъчвани от слънцето попаднат в специални пигментни молекули в листа, - молекулата на хлорофила. Хлорофил се съдържа в листни клетки, клетъчни органели мембрани на хлоропласти (те дават зелен цвят лист). Процесът на енергия притискане се състои от два етапа и се провежда в отделни групи от молекули - тези клъстери се нарича Фотосистема I и Фотосистема II. Стаи клъстери отразяват последователността, в която са открити тези процеси и е един от най-забавните научни куриози, защото реакциите първия лист се появят при фотосистема II, и едва след това - в фотосистема I.

Когато фотон сблъсква с 250-400 молекули на Фотосистема II, рязко увеличава и енергия се прехвърля в молекулата на хлорофил. В този момент, се появяват две химични реакции: хлорофил молекула губи два електрона (което отнема друга молекула, наречена електронен акцептор) и молекула вода се разделя. Електрони два водородни атоми, включени в молекулата на вода, два загубени компенсира електрон хлорофил.

След това, с висока енергия ( "бързо") електрон хвърля един до друг като горещ картоф събира в векторите на молекулните вериги. В тази част от енергията отива до образуването на трифосфат на молекула аденозин (АТР), един от основните носители на енергия в клетката (вж. Биологичната молекула). В същото време, малко по-различна молекула хлорофил Фотосистема I поглъща енергията на фотони и дарява електрон в друга акцепторна молекула. Това електрон се заменя в хлорофил електрони, пристигащи от верига носители Фотосистема II. Енергията на електрон на Фотосистема I и водородни йони се образуват по-рано в разцепването на молекула вода, преминете към образуване на NADPH, друга молекула носител.

В резултат на процеса на светлина събиране, енергията на две фотони се съхранява в молекулите, използвани за реакция клетка и допълнително една молекула кислород се произвежда. (Забележете, че в резултат на друга, по-малко ефикасен процес, включващ само един Фотосистема I, също образуват ATP молекули.) След слънчевата енергия се абсорбира и се съхранява от, образуването на свой ред въглехидрати. Основният механизъм на въглехидрати синтез в растенията е открита Мелвин Калвин, направено през 1940-те, серия от експерименти, които са се превърнали в класика. Келвин и сътрудниците му водорасли се отглеждат в присъствието на въглероден двуокис, съдържащ радиоактивен въглерод-14. Те успяха да установят химичните реакции на стъмване прекъсва фотосинтезата на различни етапи.

Цикъл превръщане на слънчевата енергия в въглехидрати - т.нар Келвин цикъл - подобно на цикъла на Кребс (виж гликолиза и дишане.): Също така се състои от серия от химични реакции, които започват със съединение с входящия молекула на молекула с "помощник", последвано от образуването на други химични реакции , Тези реакции водят до образуването на крайния продукт, и едновременно с това да възпроизвежда molekulu- "помощник" и цикълът започва отново. В цикъл Келвин molekuly- ролята на такива "помощник" носи захар ribulozodifosfat пет въглен (RDF). Келвин цикъл започва с факта, че молекули въглероден диоксид са свързани към RDF. Благодарение на енергията на слънчевата светлина се съхранява под формата на АТР и NADP-H, първите химични реакции за образуване на свързване въглехидрати въглеродните и след това - пресъздаване ribulozodifosfat реакция. Шест бобини цикъл шест въглеродни атоми, включени в молекулите на прекурсори на глюкоза и други въглехидрати. Този цикъл на химичните реакции ще продължи толкова дълго, колкото енергията идва. С този цикъл на енергията на слънчевата светлина е достъпно за живите организми.

В повечето растения цикъл Келвин се извършва, както е описано по-горе, при което въглеродният диоксид директно участват в реакции, свързани с ribulozodifosfat. Тези растения се наричат ​​С3 -rasteniyami. Комплекс като "въглероден диоксид ribulozodifosfat" се разделя на две по-малки молекули, всяка от които се състои от три въглеродни атома. Някои растения (например царевица и захарна тръстика, както и в много тропически треви, включително пълзящи плевел) цикъл е различен. Фактът, че въглероден диоксид обикновено прониква през отворите в повърхностния лист, наречен устицата. При високи температури, устицата са затворени, защита на растенията от прекомерна загуба на влага. В -rasteniya С3 затворен устицата прекратява и въглероден двуокис поток, което води до забавяне и промяна на фотосинтезата на фотосинтезиращи реакции. В случай на царевица въглероден диоксид е свързан към молекулата на три въглерода на повърхността на листа, и след това се прехвърлят към вътрешните части на листа, където въглеродният диоксид се освобождава и започва цикъла Келвин. Поради това по-скоро сложен процес на фотосинтеза при царевицата се извършва дори и при изключително горещо и сухо време. Растения, в които има един процес, което наричаме C4 -rasteniyami. тъй като въглеродният диоксид в началото на цикъла се транспортира като част от четири молекули. C3 -rasteniya - това е най-вече умерен климат растения. и С4 -rasteniya растат предимно в тропиците.

Хипотеза Ван Nilya

Процесът на фотосинтезата е описан със следната химична реакция:

В началото на XX век се е смятало, че кислородът се разви през фотосинтеза, се образува чрез разцепването на въглероден диоксид. Това мнение бе опровергана през 1930 Cornelis Bernardus Ван Niel (Van Niel, 1897-1986), докато завършил студент в Станфордския университет в Калифорния. Завършва лилаво серни бактерии (за снимки), които трябва за фотосинтеза в сероводород (Н2 S) и отделя като страничен продукт отпадъчен продукт атомен сяра. За тези бактерии фотосинтетичния уравнение е както следва:

СО2 + Н2 → S + светлина въглехидрати + 2S.

Въз основа на сходството на тези два процеса, ван Niel Предполага се, че по време на нормална източник фотосинтезата кислород не е въглероден диоксид и вода, като серни бактерии, в които вместо метаболизъм кислород участва сяра, фотосинтеза връща че сяра, което е страничен продукт на фотосинтеза реакции. Modern подробно обяснение фотосинтеза потвърждава това предположение: първа стъпка на фотосинтеза, процесът (извършва в Фотосистема II) е разделянето на водните молекули.

Мелвин Калвин
Мелвин Калвин, 1911-97

Американската биолог. Роден в Сейнт Пол, Минесота, син на имигранти от България. През 1931 г. получава бакалавърска степен по химия в Мичиганския университет Минно-Technology, и през 1935 г. - докторска степен по химия в Университета на Минесота. Две години по-късно, Калвин започва да работи в Университета на Калифорния в Бъркли, а през 1948 г. става професор; преди година той е назначен за директор на отдел bioorganiki в Lawrence Радиационна лаборатория в Бъркли, където той използва технологичните постижения на военните изследвания по време на Втората световна война, например, нови методи за хроматография, за изучаването на тъмната фаза на фотосинтезата. През 1961 г., Калвин е удостоен с Нобелова награда за химия.

Доколкото ми е известно, изследователят, който се е отрекъл от конвенционалната теория (се е смятало, че въглехидратите са получени от C и H 2 O, и O2 се освобождава от въглероден диоксид) и направи решителен принос за изследването на фотосинтеза Корнилий Ван Niel (С. Ван Niel), когато той все още беше завършил студент (Стамфорд University), изследва метаболизма на различни фотосинтезиращи прокариоти аноксична. Без да навлизаме в подробности, трябва да се отбележи, че се препоръчва следното общо уравнение фотосинтетичния: СО2 + светлина 2N2A = (СН 2О) + H2O + 2А. В това уравнение Н2А представлява вода или други окисляващи вещества, например, водороден сулфид или Н2 (зелени растения, включително водорасли, Н2А = Н 2О и уравнението е както следва: 6SO2 + 12N2O светлина 6O2 = C6H12O6 + 6H2O +). Т.е. K. Van Niel предполага, че H2O, а не въглероден диоксид, се разлага по време на фотосинтеза. Това брилянтен идея представени в тридесетте, е експериментално доказано по-късно (изотопни методи на кислород се проследи от пътя на вода в газообразно състояние). Интересно е да се отбележи, че през 1926 г., микробиолози Albert Kluyver (A. Kluyver) и Хендрик Donker (Н. Donker), последвано от С ван Niel през 1931 г., предложен универсален модел на поява на метаболитни реакции (пътища) в клетката, което позволи (в това число и физиология на данни на животните, а след това генетиците) до приблизително средата на ХХ век, за да формулира концепцията за "биохимична единство на живота", един от малкото парадигми, които съществуват в областта на биологията и до днес.

О, вие Zaneta аз био Точки не харесва, но аз съм съгласен с вас.