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

Dacă sunteţi în spatele unui filtru de web, vă rugăm să vă asiguraţi că domeniile *. kastatic.org şi *. kasandbox.org sunt deblocate.

Conţinutul principal

Introducere în fotosinteză

Conversia energiei solare în energie chimică. Reacţii de fotosinteză, acolo unde au loc şi importanţa lor ecologică.

Introducere

Ai îmbrățișat un copac recent? Dacă nu, s-ar putea să vrei să o faci. Tu, precum și restul populației umane, exiști datorită plantelor și altor organisme care captează lumina. De fapt, majoritatea vieții pe Terra este posibilă datorită faptului că soarele oferă o sursă continuă de energie pentru ecosisteme.
Toate organismele, inclusiv oamenii, au nevoie de energie pentru a alimenta reacțiile metabolice de creștere, dezvoltare și reproducere. Dar organismele nu pot utiliza energia luminoasă direct pentru nevoile lor metabolice. În schimb, trebuie întâi transformată în energie chimică prin procesul de fotosinteză.

Ce este fotosinteza?

Fotosinteza este procesul prin care energia luminoasă este transformată în energie chimică sub formă de zaharuri. Într-un proces determinat de energia luminoasă, moleculele de glucoză (sau alte zaharuri) sunt construite din apă și dioxid de carbon, oxigenul fiind eliberat ca produs secundar. Moleculele de glucoză oferă organismelor două resurse esențiale: energie și carbon fixat - organic.
  • Energia. Moleculele de glucoză sunt conbustibilul celulelor: energia lor chimică poate fi recoltată prin procese ca respirația celulară și fermentația, care generează adenozintrifosfat—start text, A, T, P, end text, o moleculă mică transportatoare de energie—pentru nevoile imediate de energie ale celulei.
  • Carbon fixat. Carbonul din dioxidul de carbon -carbon anorganic- poate fi incorporat în molecule organice; acest proces se numește fixarea carbonului, iar carbonul din moleculele organice este numit și carbon fixat. Carbonul care nu este fixat și incorporat în zaharuri în timpul fotosintezei poate fi utilizat pentru a forma alte tipuri de molecule organice necesare celulelor.
În cadrul fotosintezei, energie solară este recoltată și transformată în energie chimică sub formă de glucoză folosind apă și dioxid de carbon. Oxigenul este eliberat ca produs secundar.

Importanța ecologică a fotosintezei

Organismele fotosintetice, inclusiv plantele, algele și unele bacterii, joacă un rol esențial ecologic. Ele introduc energia chimică și carbonul fixat în ecosisteme folosind lumina pentru a sintetiza zaharuri. Pentru că aceste organisme își produc singure hrana - adică își fixează singure carbonul - folosind energia luminoasă, se numesc fotoautotrofe (literalmente, auto-hrănitoare care utilizează lumină).
Oamenii și alte organisme care nu pot transforma dioxidul de carbon în compuși organici, se numesc heterotrofe, adică hrănitori-diferiți. Heterotrofele trebuie să obțină carbon fixat hrănindu-se cu alte organisme sau produșii lor secundari. Animalele, fungii și multe procariote și protiste sunt heterotrofe.
Pe lângă introducerea carbonului fixat și a energie în ecosisteme, fotosinteza influențează alcătuirea atmosferei Pământului. Majoritatea organismelor fotosintetice generează gaz de oxigen ca produs secundar, iar apariția fotosintezei - acum mai bine de 3 miliarde de ani, într-o bacterie asemănătoare cu cianobacteriile de acum - a schimbat viața pe Pământ pentru totdeaunastart superscript, 1, end superscript. Aceste bacterii au emis gradat oxigen în atmosfera săracă în oxigen a Terrei și se consideră că această creștere a concentrației oxigenului a influențat evoluția formelor de viață aerobe - organisme care necesită oxigen pentru respirația celulară. Dacă aceste fotosintetizatoare antice nu ar fi existat, noi, precum și multe alte specii, n-am mai fi existat!
De asemenea, organismele fotosintetizatoare elimină cantități mari de dioxid de carbon din atmosferă și folosesc atomii de carbon pentru a construi molecule organice. Fără abundența de plante și alge de pe Pământ care extrag continuu dioxidul de carbon, gazul s-ar înmulți în atmosferă. Deși organismele fotosintetizatoare elimină o parte din dioxidul de carbon produs de activitățile umane, nivelurile atmosferice înalte captează căldura și cauzează schimbări climatice.

Frunzele sunt sediul fotosintezei

Plantele sunt cele mai comune autotrofe în ecosistemele terestre - de pe sol. Toate țesuturile verzi ale plantei pot fotosintetiza, dar, în cazul multor plante, marea parte a fotosintezei are loc în frunze. Celulele din stratul din mijloc al țesutului frunzei numit mezofilul reprezintă sediul principal al fotosintezei.
Mici pori numiți stomate - singular, stomată - sunt prezenți pe suprafața frunzelor la majoritatea plantelor, iar aceștia lasă dioxidul de carbon să difuzeze în stratul mezofil, iar oxigenul să difuzeze în afara acestuia.
O diagramă prezentând o frunză la diverse magnitudinea. Magnitudinea 1: Întreaga frunză Magnitudinea 2: Țesutul mezofilului din frunză Magnitudinea 3: O singură celulă din mezofil Magnitudinea 4: Un cloroplast din celula din mezofil Magnitudinea 5: Grămezi de tiladoide -grana- și stroma dintr-un cloroplast
Credit imagine: modificată de la "Overview of photosynthesis: Figure 6" by OpenStax College, Concepts of Biology, CC BY 3.0
Fiecare celulă a mezofilului conține organite numite chloroplaste, care sunt specializate pentru a produce reacțiile fotosintezei. În fiecare cloroplast, structuri în formă de discuri numite tilacoide sunt aranjate în grămezi ca niște clătite, care se numesc grana -singular, granum. Membrana fiecărui tilacoid conține pigmenți verzi numiți clorofile care absorb lumina. Spațiul cu fluid din jurul granei este numit stroma, iar spațiul din interiorul discurilor tilacoidelor este cunoscut ca spațiu tilacoid. Diverse reacții chimice se petrec în diverse părți ale cloroplastului.

Reacțiile dependente de lumină și ciclul Calvin

Fotosinteza din frunzele plantelor implică mai mulți pași, dar poate fi împărțită în două etape: reacțiile dependente de lumină și ciclul Calvin.
  • Reacțiile dependente de lumină au loc în membrana tilacoidelor și necesită o sursă constantă de energie luminoasă. Clorofilele absorb această energie luminoasă, care este transformată în energie chimică prin formarea a doi compuși, start text, A, T, P, end text
    • o moleculă care stochează energie - și start text, N, A, D, P, H, end text
      • un transportator de electroni redus (purtător de electroni). În acest proces, moleculele de apă sunt și ele transformate în oxigen sub formă de gaz - oxigenul pe care îl putem respira!
  • Ciclul Calvin, cunoscut și ca reacțiile independente de lumină, are loc în stromă și nu necesită lumină în mod direct. În schimb, ciclul Calvin folosește start text, A, T, P, end text și start text, N, A, D, P, H, end text din reacțiile dependente de lumină pentru a fixa dioxidul de carbon și produce zaharuri cu trei carboni - molecule de gliceraldehida-3-fosfat, sau G3P - care se leagă pentru a forma glucoză.
Schemă a reacțiilor dependente de lumină și a ciclului Calvin și conexiunea dintre cele două.
Reacțiile dependente de lumină au loc în membrana tilacoidelor. Ele necesită lumină, iar efectul lor net este transformarea moleculelor de apă în oxigen, producând, totodată, molecule de ATP - din ADP și Pi - și molecule de NADPH - prin reducerea NADP+.
ATP și NADPH sunt produse pe partea membranei tilacoidale spre stromă, unde pot fi utilizate de ciclul Calvin.
Ciclul Calvin are loc în stromă și folosește ATP și NADPH din reacțiile dependente de lumină pentru a fixa dioxidul de carbon, producând zaharuri cu trei carboni - molecule de glicealdehidă-3-fosfat, sau G3P.
Ciclul Calvin transformă ATP în ADP și Pi și transformă NADPH în NADP+. ADP, Pi și NADP+ pot fi refolosite ca substrat în reacțiile luminoase.
Credit imagine: modificată de la "Overview of photosynthesis: Figure 6" by OpenStax College, Biology, CC BY 3.0
Per ansamblu, reacțiile dependente de lumină captează energia luminoasă și o stochează temporar sub forma chimică de start text, A, T, P, end text și start text, N, A, D, P, H, end text. Acolo, start text, A, T, P, end text este descompus pentru a elibera energie și start text, N, A, D, P, H, end text își donează electronii pentru a transforma molecule de dioxid de carbon în zaharuri. La final, energia care era inițial lumină ajunge blocată în legăturile zaharurilor.

Fotosinteza vs. respirația celulară

Din punct de vedere al reacțiilor în ansamblu, fotosinteza și respirația celulară sunt procese aproape opuse. Sunt diferite doar din punct de vedere al energiei absorbite sau eliberate, după cum se vede în diagrama de mai jos.
La un nivel simplificat, fotosinteza și respirația celulară sunt reacții opuse una față de cealaltă. În cadrul fotosintezei, energie luminoasă este recoltată ca energie chimicp într-un proces care transformă apa și dioxidul de carbon în glucoză. Oxigenul este eliberat ca produs secundar. În cadrul respirației celulare, exigenul este utilizat pentru a descompune glucoza, eliberând energie chimică și căldură în timpul procesului. Produșii acestei reacții sunt apa și dioxidul de carbon.
La nivelul pașilor individuali, fotosinteza nu este doar respirație celulară inversată. În schimb, după cum vom vedea în restul secțiunii, fotosinteza are loc în etapele sale unice. Totuși, există câteva similarități între fotosinteză și respirația celulară.
De exemplu, și fotosinteza și respirația celulară implică o serie de reacții redox (reacții care implică transferuri de electroni). În cadrul respirației celulare, electronii trec de la glucoză la oxigen, formând apa și eliberând energie. În cadrul fotosintezei, aceștia se deplasează în direcția opusă, pornind din apă și ajungând în glucoză - un proces care necesită energie, alimentat de lumină. Precum respirația celulară, fotosinteza folosește și ea lanțul transportator de electroni pentru a forma gradientul de concentrație al start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript care alimentează sinteza de start text, A, T, P, end text prin chemiosmoză.
Dacă acestea nu-ți sunt cunoscute, nu te îngrijora! Nu trebuie să știi respirația celulară pentru a înțelege fotosinteza. Doar continuă să citești și să te uiți; vei învăța cum funcționează acest proces care susține viața.