Handige tips

Hoe te laten zien dat zuurstof een bijproduct is van fotosynthese

Pin
Send
Share
Send
Send


Kijk eens rond! Misschien is er in elk huis minstens één groene plant en zijn er buiten het raam verschillende bomen of struiken. Dankzij het complexe chemische proces van fotosynthese dat zich daarin voordoet, is de geboorte van leven op aarde en het bestaan ​​van de mens mogelijk geworden. We zullen de geschiedenis van zijn ontdekking analyseren, de essentie van het proces en de reactie die zich in verschillende fasen voordoen.

De geschiedenis van de ontdekking van fotosynthese

Momenteel maken studenten voor het eerst kennis met de complexe processen van fotosynthese al in het 6e leerjaar.

Maar 300-400 jaar geleden, het antwoord op de vraag "waar krijgen planten voedingsstoffen voor het bouwen van hun cellen?" Bezette de hoofden van wetenschappers over de hele wereld.

Het eerste en voor de hand liggende antwoord was dat van de aarde. In 1600 besloot de Vlaamse wetenschapper Jan Baptiste van Helmont echter het effect van de bodem op de plantengroei te testen en voerde een uniek experiment uit in zijn eenvoud. De natuuronderzoeker nam een ​​takje wilg en een vat aarde. Eerder woog ze. En toen plantte hij een wilgentak in een vat met aarde.

Vijf jaar lang heeft Van Helmont de jonge boom water gegeven met alleen regenwater. Vijf jaar later groef hij een boom op en woog de boom en de grond opnieuw afzonderlijk. Stel je zijn verbazing voor toen de schalen aantoonden dat de boom bijna dertig keer zwaarder was geworden en helemaal niet leek op het bescheiden takje dat in een kuip was geplant. En het gewicht van de grond daalde met slechts 56 gram.

Concludeerde de wetenschapper. dat de bodem praktisch geen bouwmateriaal aan planten geeft en de plant alle benodigde stoffen uit water ontvangt.

Na van Helmont herhaalden verschillende wetenschappers zijn ervaring en ontwikkelde zich de zogenaamde 'watertheorie van plantenvoeding'.

Een van degenen die probeerde bezwaar te maken tegen deze theorie was M.V. Lomonosov. En hij bouwde zijn bezwaren op het feit dat lange, krachtige bomen groeien op lege, schaarse noordelijke landen met zeldzame regens. Mikhail Vasilyevich suggereerde dat sommige voedingsstoffen van de plant door de bladeren worden opgenomen, maar hij kon zijn theorie niet experimenteel bewijzen.

En zoals vaak in de wetenschap, hielp Zijne Majesteit het toeval.

Ooit draaide een nalatige muis, die besloot te profiteren van kerkbenodigdheden, per ongeluk het blik om en zat hij vast. En na een tijdje stierf ze. Tot ons geluk vond Joseph Priestley, die niet alleen priester was, maar ook chemisch wetenschapper, deze muis in de bank en was hij erg geïnteresseerd in gaschemie en manieren om slechte lucht te reinigen. En hier hadden de kerkmuizen geen geluk. Ze werden deelnemers aan verschillende experimenten van de Engelse wetenschapper.

Joseph Priestley plaatste een brandende kaars onder het ene blik en een muis in een ander. De kaars was verrot, het knaagdier stierf.

In onze tijd zou hij door dierentuinverdedigers in een bank zijn neergezet, maar in de verre 1771 hinderde niemand een wetenschapper om zijn experimenten voort te zetten. Priestley stopte de muis in een pot waar de kaars eerder was uitgegaan. Het dier stierf nog sneller.

En toen concludeerde Priestley dat, omdat al het leven op aarde nog niet was vergaan, God (we herinneren ons dat Priestley een priester was) met een bepaald proces kwam, zodat de lucht weer geschikt was voor het leven. En hoogstwaarschijnlijk behoort de hoofdrol daarin tot planten.

Om dit te bewijzen, haalde de wetenschapper lucht uit het blik waar de muis stierf en verdeelde het in twee delen. In een pot deed hij munt in een pot. En de andere bank wachtte in de vleugels. Na 8 dagen stierf de plant niet alleen, maar liet hij zelfs verschillende nieuwe scheuten los. En hij stopte de knaagdieren weer in potten. In degene waar de munt groeide, was de muis krachtig en had een beet van bladeren. En in degene waar geen munt was - lag bijna onmiddellijk een dood muizenkarkas.


Priestley's experimenten inspireerden wetenschappers en over de hele wereld begonnen kleine knaagdieren te vangen en probeerden zijn experimenten te herhalen.

Maar we herinneren ons dat Priestley een priester was en dat hij de hele dag tot de avonddienst onderzoek kon doen.

En Karl Scheele, een apotheker uit Zwitserland, experimenteerde in zijn eigen laboratorium in zijn vrije tijd, d.w.z. 's nachts stierven de muizen aan hem, ongeacht de aanwezigheid van munt in de bank. Als resultaat van zijn experimenten bleek dat planten de lucht niet verbeteren, maar ongeschikt maken voor het leven. En Scheele beschuldigde Priestley van het misleiden van de wetenschappelijke gemeenschap. Priestley gaf niet op en als resultaat van de confrontatie van wetenschappers werd gevonden dat planten zonlicht nodig hadden om lucht te herstellen.

Het waren deze experimenten die de basis legden voor het onderzoek fotosynthese.

De studie van fotosynthese ging snel verder. Al in 1782, slechts 11 jaar na het onderzoek van Priestley, bewees de Zwitserse botanicus Jean Senebier dat plantenorganoïden koolstofdioxide afbreken in de aanwezigheid van zonlicht. En bijna nog eens honderd jaar van mislukte en succesvolle experimenten waren nodig door wetenschappers van verschillende specialiteiten, zodat de Duitse wetenschapper Julius Sachs in 1864 kon bewijzen dat planten kooldioxide consumeren en zuurstof uitstoten in een verhouding van 1: 1.

Het belang van fotosynthese voor het leven op aarde

En nu wordt duidelijk hoe belangrijk het proces van fotosynthese is voor het leven op aarde. Dankzij dit complexe chemische proces werd de geboorte van het leven op aarde en het bestaan ​​van de mens mogelijk.

Iemand kan bezwaar maken dat er plaatsen op aarde zijn waar geen bomen of struiken groeien, bijvoorbeeld woestijnen of poolijs. Wetenschappers hebben bewezen dat de hoeveelheid zuurstof die wordt uitgestoten door de groene massa van bossen, struiken en grassen - dat wil zeggen planten die op het landoppervlak leven, slechts ongeveer 20% van de gasuitwisseling uitmaken, en 80% van de zuurstof wordt veroorzaakt door de kleinste algen en oceaanalgen, luchtstromen worden over de hele planeet vervoerd, waardoor dieren kunnen ademen in het extreme, bijna verstoken van vegetatiegebieden van onze verbazingwekkende planeet.

Dankzij fotosynthese heeft zich rond onze planeet een beschermend ozonscherm gevormd dat al het leven op aarde beschermt tegen kosmische straling en zonnestraling, en levende organismen konden vanuit de diepten van de oceaan op land landen.

Meer informatie over de "grote zuurstofrevolutie" is te vinden in het handboek "Biology 10-11 grades", uitgegeven door A.A. Kamensky op het portaal LECTA.

Helaas verbruiken momenteel niet alleen levende wezens zuurstof, maar ook de industrie. Tropische bossen worden vernietigd, oceanen worden vervuild, wat leidt tot een afname van gasuitwisseling en een toename van zuurstofgebrek.

Definitie en formule van fotosynthese

Definitie en formule van fotosynthese

Het woord fotosynthese bestaat uit twee delen: foto - "licht" en synthese - "verbinding", "creatie". Als we de definitie op een vereenvoudigde manier benaderen, is fotosynthese de omzetting van lichtenergie in energie van complexe chemische bindingen van organische stoffen met de deelname van fotosynthetische pigmenten. Groene planten fotosynthese treedt op in chloroplasten.

Fotosyntheseschemaschijnbaar eenvoudig:

Water + kwantum van licht + kooldioxide → zuurstof + koolhydraat

of (in de taal van formules):

Als je een beetje dieper graaft en met een elektronenmicroscoop naar het vel kijkt, zal het een verrassend ding blijken: water en kooldioxide hebben geen directe interactie met elkaar in een van de structurele delen van het vel.

Fotosynthesefasen

Niet alleen planten zijn in staat tot fotosynthese, maar ook veel eencellige dieren dankzij speciale organoïden die chloroplasten worden genoemd.

Chloroplasten zijn groene plastiden van fotosynthetische eukaryoten. De samenstelling van chloroplasten omvat:

  1. twee membranen
  2. stapels korrels
  3. thylakoid schijven,
  4. stroma - de interne substantie van de chloroplast,
  5. lumen is een interne substantie van thylakoid.

Het complexe proces van fotosynthese bestaat uit twee fasen: licht en donker. Zoals de naam al aangeeft, vindt de licht (lichtafhankelijke) fase plaats met de deelname van lichtquanta. naam donkere fase betekent niet dat het proces in het donker plaatsvindt. Een meer precieze definitie is licht onafhankelijk. ie voor de reacties die in deze fase optreden, is licht niet nodig, maar het stroomt gelijktijdig met het licht, alleen in andere delen van de chloroplast.

Velen maken de fout om te zeggen dat planten tijdens het fotosyntheseproces zuurstof produceren dat zo noodzakelijk is voor de mensheid. In feite fotosynthese is de synthese van koolhydraten (bijvoorbeeld glucose) en zuurstof is slechts een bijproduct van de reactie.

Lichte fase van fotosynthese

De lichte fase van fotosynthese vindt plaats op de membranen van thylakoïden. Een foton van licht, invallend op chlorofyl, windt het op en elektronen komen vrij en negatief geladen elektronen hopen zich op het membraan op. Nadat chlorofyl al zijn elektronen heeft verloren, blijft een hoeveelheid licht op water inwerken, waardoor fotolyse van H wordt veroorzaakt2O.

Positief geladen waterstofprotonen hopen zich op het binnenste thylakoïde membraan op.

Dit resulteert in een sandwich: aan de ene kant negatief geladen elektronen van chlorofyl, aan de andere kant - positief geladen waterstofprotonen, en daartussen bevindt zich het binnenmembraan van de thylakoïde.

Hydroxylionen gaan naar de productie van zuurstof:

Wanneer het aantal protonen van waterstof en elektronen een maximum bereikt, wordt een speciale drager gelanceerd - ATP-synthase. ATP-synthase duwt waterstofprotonen in het stroma, waar ze worden opgepikt door een speciale drager nicotinamide dinucleotide fosfaat of afgekort NADP. NADP is een specifieke drager van waterstofprotonen in koolhydraatreacties.

De passage van waterstofprotonen door ATP-synthase gaat gepaard met de synthese van ATP-moleculen uit ADP en fosfaat of fotofosforylering, in tegenstelling tot oxidatieve fosforylering.

Op dit punt eindigt de lichte fase van fotosynthese en gaan NADPH + en ATP de donkere fase in.

Laten we de belangrijkste processen van de lichte fase van fotosynthese herhalen:

  1. Het foton komt het chlorofyl binnen met de afgifte van elektronen.
  2. Fotolyse van water.
  3. De evolutie van zuurstof.
  4. De accumulatie van NADPH +.
  5. ATP-accumulatie.

In sommige fabrieken volgt de fotosynthese een vereenvoudigde versie genaamd "cyclische fosforylering" en dit proces wordt geanalyseerd in het handboek "Biology 10-11 grades", uitgegeven door A. A. Kamensky op de LECTA-portal.

Cyclisch elektronentransport

De zogenaamde niet-cyclische lichtfase van fotosynthese. Er zijn er nog steeds cyclisch elektronentransport wanneer geen NADP-herstel plaatsvindt. In dit geval gaan de elektronen van het fotosysteem I naar de transportketen, waar ATP wordt gesynthetiseerd. Dat wil zeggen, deze elektronentransportketen ontvangt elektronen van fotosysteem I, niet II. Het eerste fotosysteem implementeert als het ware een cyclus: de uitgezonden elektronen keren ernaar terug. Onderweg besteden ze een deel van hun energie aan ATP-synthese.

Fotofosforylering en oxidatieve fosforylering

De lichte fase van fotosynthese kan worden vergeleken met het stadium van cellulaire ademhaling - oxidatieve fosforylering, die optreedt op mitochondriale cristae. Ook daar vindt ATP-synthese plaats door de overdracht van elektronen en protonen langs een keten van dragers. In het geval van fotosynthese wordt energie echter in ATP opgeslagen niet voor de behoeften van de cel, maar vooral voor de behoeften van de donkere fase van fotosynthese. En hoewel organische materie de eerste bron van energie is bij het ademen, is het bij fotosynthese zonlicht. ATP-synthese in fotosynthese wordt genoemd fotofosforylatiein plaats van oxidatieve fosforylering.

De donkere fase van fotosynthese

Voor het eerst werd de donkere fase van fotosynthese in detail bestudeerd door Calvin, Benson, Bessem. De door hen ontdekte reactiecyclus werd later de Calvin-cyclus of C genoemd3-fotosintezom. In bepaalde plantengroepen wordt een gemodificeerde fotosynthese-route waargenomen - C4, ook wel de Hatch-Slack-cyclus genoemd.

Bij donkere fotosynthesereacties is CO gefixeerd2. De donkere fase vindt plaats in het stroma van de chloroplast.

CO herstel2 treedt op als gevolg van ATP-energie en NADP · H-herstellende kracht2gevormd in lichte reacties. Zonder hen vindt geen koolstoffixatie plaats. Daarom, hoewel de donkere fase niet direct afhankelijk is van licht, maar meestal ook in het licht voorkomt.

Calvin cyclus

De eerste reactie van de donkere fase is de toevoeging van CO2 (koolzuure) tot 1,5-ribulose-bisfosfaat (ribulose-1,5-difosfaat) – RiBF. De laatste is een dubbele gefosforyleerde ribose. Deze reactie wordt gekatalyseerd door het enzym ribulose-1,5-difosfaatcarboxylase, ook wel genoemd Rubisco.

Als gevolg van carboxylering wordt een onstabiele zes-koolstofverbinding gevormd, die, als gevolg van hydrolyse, uiteenvalt in twee drie-koolstof moleculen fosfoglycerinezuur (FGK) - het eerste product van fotosynthese. FGK wordt ook fosfoglyceraat genoemd.

FGK bevat drie koolstofatomen, waarvan er één deel uitmaakt van de zure carboxylgroep (-COOH):

Drie-koolstofsuiker (glyceraldehydfosfaat) wordt gevormd uit FGC triose fosfaat (TF)inclusief de aldehydegroep (-CHO):

FGK (3-zuur) → TF (3-suiker)

De energie van ATP en de reducerende kracht van NADP · H worden verbruikt bij deze reactie.2. TF is het eerste koolhydraat in fotosynthese.

Daarna wordt het grootste deel van het triosofosfaat besteed aan de regeneratie van ribulosebisfosfaat (RiBP), dat opnieuw wordt gebruikt om CO te binden2. Regeneratie omvat een aantal reacties waarbij ATP betrokken is tegen een prijs, waarbij suikerfosfaten met een aantal koolstofatomen van 3 tot 7 betrokken zijn.

Deze cyclus van RiBF is de Calvin-cyclus.

Een kleiner deel van de daarin gevormde TF verlaat de Calvin-cyclus. In termen van 6 gebonden koolstofdioxidemoleculen is de opbrengst 2 triosofosfaatmoleculen. De totale reactie van de cyclus met invoer- en uitvoerproducten:

Tegelijkertijd nemen 6 RiBP-moleculen deel aan de binding en worden 12 FGC-moleculen gevormd, die worden omgezet in 12 TF's, waarvan 10 moleculen in de cyclus blijven en worden omgezet in 6 RiBP-moleculen. Omdat TF drie-koolstofsuiker is en RiBP vijf-koolstof is, hebben we met betrekking tot koolstofatomen: 10 * 3 = 6 * 5. Het aantal koolstofatomen dat de cyclus levert, verandert niet, alle benodigde RiBP wordt geregenereerd. En zes koolstofdioxidemoleculen die deel uitmaken van de cyclus worden besteed aan de vorming van twee triosofosfaatmoleculen die de cyclus verlaten.

Per Calvin-cyclus per 6 gebonden CO-moleculen2 er zijn 18 ATP-moleculen en 12 NADP · H-moleculen nodig2die werden gesynthetiseerd in de reacties van de lichte fase van fotosynthese.

De berekening wordt uitgevoerd op twee triosofosfaatmoleculen die de cyclus verlaten, omdat het gevormde glucosemolecuul vervolgens 6 koolstofatomen bevat.

Triose fosfaat (TF) is het eindproduct van de Calvin-cyclus, maar het is moeilijk om het het eindproduct van fotosynthese te noemen, omdat het zich bijna niet ophoopt, maar wanneer het reageert met andere stoffen, verandert het in glucose, sucrose, zetmeel, vetten, vetzuren, aminozuren. Naast TF speelt FGC een belangrijke rol. Dergelijke reacties komen echter niet alleen voor in fotosynthetische organismen. In die zin is de donkere fase van fotosynthese hetzelfde als de Calvin-cyclus.

Zes-koolstof suiker wordt gevormd uit FGC door stapsgewijze enzymatische katalyse fructose-6-fosfaatwat verandert in glucose. In planten kan glucose polymeriseren tot zetmeel en cellulose. De synthese van koolhydraten is vergelijkbaar met het omgekeerde glycolyseproces.

Biochemie van fotosynthese

Voor een beschrijving fotosynthese proces De volgende vergelijking wordt vaak gebruikt:

In deze vorm is de vergelijking handig om te gebruiken als het nodig is om de formatie te tonen enkele suikermoleculeDit is echter slechts een samenvatting van veel gebeurtenissen. Een geschiktere vorm van schrijven is de vergelijking:

CH-verbindingen2Oh bestaat niet in de natuur, het is gewoon een symbool van koolhydraten.

Zuurstofbron

Kijkend naar het totaal fotosynthese vergelijking, hebben we het recht om een ​​vraag te stellen: welke combinatie - koolstofdioxide of water - dient als zuurstofbron? Het meest voor de hand liggende antwoord lijkt te zijn dat koolstofdioxide zo'n bron is. Voor de vorming van koolhydraten mag de resterende koolstof alleen in het water komen. Het exacte antwoord werd verkregen in de jaren veertig van de twintigste eeuw, toen isotopen ter beschikking stonden van biologen.

Gemeenschappelijke zuurstofisotoop heeft een massagetal van 16 en wordt aangeduid als 16 O (8 protonen, 8 neutronen). Er is nog steeds een zeldzame isotoop met een massagetal van 18 (18 O). Dit is een stabiele isotoop, maar vanwege zijn grotere massa dan 16 O, kan het worden gedetecteerd met behulp van een massaspectrometer, een analytisch instrument waarmee u verschillen tussen atomen en moleculen kunt identificeren op basis van hun massawaarden. In 1941 werd een experiment uitgevoerd, waarvan de resultaten zijn samengevat in de volgende vergelijking:

Met andere woorden zuurstofbron is water. Als resultaat ziet de evenwichtige vergelijking er als volgt uit:

Dit is het meest nauwkeurig. fotosynthese procesuitdrukking, wat bovendien duidelijk laat zien dat water niet alleen wordt gebruikt bij fotosynthese, maar ook een van zijn producten is. Dit experiment liet ons toe om diep in de aard van fotosynthese te kijken, waaruit bleek dat fotosynthese in twee fasen verloopt, waarvan de eerste bestaat uit de vorming van waterstof als gevolg van het smelten van water tot waterstof en zuurstof. Dit vereist de energie die licht geeft (daarom wordt het proces fotolyse genoemd: foto's - licht, lysis - splitsing). Zuurstof wordt vrijgegeven als bijproduct. In de tweede fase interageert waterstof met kooldioxide om suiker te vormen. De toevoeging van waterstof is een voorbeeld van een chemische reductiereactie.

het feit wat is fotosynthese is een proces in twee fasen, werd voor het eerst vastgesteld in de jaren twintig en dertig van de twintigste eeuw. Реакции первой стадии нуждаются в свете, поэтому они называются световыми реакциями.De reacties van de tweede fase van licht vereisen niet, daarom worden ze donkere reacties genoemd, hoewel ze in het licht voorkomen! Er is vastgesteld dat lichte reacties optreden op chloroplastmembranen en donkere reacties in het stroma van chloroplasten.

Nadat ze dat hadden vastgesteld donkere fotosynthesereacties ontstaan ​​na het licht, in de jaren 1950 bleef het alleen om de aard van deze reacties te onthullen.

Bekijk de video: Photosynthesis: Crash Course Biology #8 (Oktober 2021).

Pin
Send
Share
Send
Send