Fotosynteza - to proces, który zmienia atmosferę
Żywe organizmy zasiedlające naszą planetę ciągle ją zmieniają. Jedne organizmy niszczą minerały, żeby dostać się do mikroelementów. Ze szczątków innych powstaje kreda, globigerynowy muł1, ziemie okrzemkowe. Jednak trudno wyobrazić sobie proces biologiczny, który zmienił naszą planetę bardziej niż fotosynteza, którą dokonują zielone rośliny. Dzięki niej atmosfera zawiera dużą ilość tlenu -21 %. Fotosynteza zabarwiła naszą Ziemię w zielono-błękitne kolory: zielony chlorofil potwierdza zwycięstwo roślin na lądzie, a błękitne niebo i ocean świadczą o czystej atmosferze i hydrosferze, które były oczyszczone tlenem od zabarwionych domieszek nieorganicznych. Warstwa ozonowa, która powstała w atmosferze z tlenu, broni wszystko, co jest żywe przed śmiertelnym ultrafioletowym promieniowaniem, a także zapobiega rozszczepieniu cząsteczek wody. Jakie by powolne nie było rozszczepienie cząsteczek wody pod działaniem ultrafioletu, w ciągu dwu miliardów lat istnienia tlenowej fotosyntezy (fotosyntezy, w której procesie powstaje tlen) ten proces mógłby zniszczyć zapas wody w Oceanie Światowym (jak to, być może, zaszło na Marsie). Tlen, który nasycił ponad miliard lat temu Ocean Światowy, utlenił rozpuszczone żelazo dwuwartościowe do nierozpuszczalnych związków trójwartościowego, które wytrąciły się w osad z powstaniem rudy żelaza, którą aktywnie wykorzystuje ludzkość. Tak samo tlen oczyścił ocean od domieszek siarki, a atmosferę - od metanu.
Organizmy fotosyntezujące zaczęły wchłaniać węgiel z krążenia substancji w przyrodzie, gromadząc jego związki w sobie. Tak powstała ropa naftowa, gaz ziemny i węgiel kamienny. Tlen zmienił również przyrodę żywą. Ponieważ on jest najmocniejszym (po fluorze) utleniaczem, żywe organizmy zaczęły go wykorzystywać do oddychania. Utlenianie tlenowe wodoru daje znacznie więcej energii, jak utlenianie żelazem (oddychanie żelazowe), kwasem siarkowym (oddychanie siarczanowe) lub kwasem azotowym (oddychanie azotanowe). A produktem utleniania jest woda. Taki wygodny i efektywny sposób oddychania opisany w poprzednim paragrafie, umożliwił organizmom stać się organizmami większymi i wielokomórkowymi. Można więc stanowczo stwierdzić, że bez tlenu na planecie nie byłoby żywych organizmów bardziej złożonych niż bakterie.
Fotosynteza - to dwa różne, lecz ściśle powiązane ze sobą procesy
Rozpatrzmy fotosyntezę, którą dokonują zielone rośliny, tak zwaną fotosyntezę tlenową, której ubocznym produktem jest tlen. Warto zaznaczyć, że taki typ fotosyntezy jest najbardziej złożony ze wszystkich istniejących2. Fotosynteza stanowi dwa różne, lecz powiązane ze sobą procesy.
1 Podstawowa odmiana wapiennego (węglanowego) mułu składa się z pancerzyków kilku rodzajów otwornic. Pokrywa do 30% powierzchni dna Oceanu Światowego.
2 Większość typów fotosyntezy zachodzi bez wydzielania tlenu. U niektórych prokariotów fotosynteza nawet nie jest powiązana z reakcjami redukcji-utleniania (redox). Dalej termin „fotosynteza" będzie rozumiany właśnie jako tlenowa fotosynteza.
1. Wychwytywanie energii słonecznej i przekształcenie jej na energię wiązań chemicznych ATP do zapewnienia potrzeb energetycznych organizmu.
2. Fotoliza wody - rozszczepienie cząsteczek wody pod działaniem światła z powstaniem tlenu. Podczas fotolizy od wody odszczepiają się elektrony, protony i
powstaje tlen cząsteczkowy. Nadal elektrony wykorzystuje się do redukcji różnych związków - azotanów do amoniaku, siarczany do siarczynów, a dwutlenek węgla - do związków organicznych. Faktycznie jest to część „syntezująca” fotosyntezy, która jest bardzo ważna dla biosfery, ponieważ właśnie w niej powstają węglowodany (a następnie z nich - wszystkie inne związki organiczne).
Oba te procesy związane są z pracą łańcucha przenoszącego elektrony (ŁPE), podobnego do łańcucha oddechowego wewnętrznej błony mitochondrium. Jednak fotosyntetyczny ŁPE ma jedną dość ważną odmienność od oddechowego ŁPE.
Elektrony ŁPE mitochondriów mogą przekazywać się tylko w jednym kierunku - od wodoru do tlenu, przy tym ich energia tylko spada. Dopóki elektron biegnie „w dół” łańcuchem oddechowym, on wykonuje pracę. Lecz w końcu swego szlaku on staje się całkowicie „wycieńczony” i niezdolny do wykonania żadnej wydajnej pracy. To oznacza, że „wysokoenergetyczne” elektrony powinny bezustannie nadchodzić do ŁPE mitochondriów wraz z wodorem, a „wycieńczone” wyprowadzać się w składzie wody.
Fotosyntetyczny ŁPE zdolny jest do zwiększania energii elektronu i powracania go do pracy. Tę zdolność zapewniają barwniki (pigmenty) fotosyntetyczne, z których najważniejszy jest chlorofil. Zarówno one, jak i ŁPE, rozmieszczone są na błonie ty-lakoidów. Elektron, znajdując się w cząsteczce chlorofilu, ma dość niską energię. Jednak cząsteczka potrafi wchłonąć foton1 światła, następnie energia elektronu znacznie wzrasta. Oznacza to, że elektron znów okaże się na szczycie łańcucha przenoszącego elektrony. Potem on będzie poruszać się „w dół”, wykonując pracę. „Wycieńczony” elektron znów okazuje się na samym dole, na cząsteczce chlorofilu. Ta cząsteczka znów pochłania światło i proces zaczyna się od nowa. Taki proces nazywa się cyklicznym przeniesieniem elektronu (ryc. 18.1) i zachodzi w chloroplastach zielonych roślin. Praca, którą wykonuje elektron, jest analogiczna do pracy elektronu łańcucha oddechowego - przeniesienie protonów przez błonę. Korzystając z różnicy stężeń protonów, ATP-syntazy chloroplastów będą syntezować ATP Jak widzimy, cykliczne przeniesienie elektronów nie wymaga bezpośredniego nadchodzenia elektronów do ŁPE i umożliwia syntezowanie ATP dla potrzeb organizmu. Lecz taki system nie pozwala redukować dwutlenek węgla i, odpowiednio, syntezować substancje organiczne. Do redukcji dwutlenku węgla niezbędne jest stałe nadchodzenie wysokoenergetycznych elektronów. W procesie oddychania takie elektrony nadchodzą z substancji organicznych, ale to źródło nie nadaje się do fotosyntezy. Dlatego zielone rośliny wykorzystują całkiem inne źródło elektronów - wodę.
1 Foton - elementarna cząsteczka, kwant światła.
Wydawałoby się, że wykorzystywanie wody jako donora elektronów - to sprawa niewdzięczna. Energia elektronu w cząsteczce wody jest tak niska, że nie może być wykorzystywana do redukcji dwutlenku węgla. Jednak nie warto zapominać, że rośliny mają zdolność do podwyższania energii elektronu drogą wchłaniania energii światła. Elektron, oderwany od cząsteczki wody podczas fotolizy, dostaje się na cząsteczkę chlorofilu. Wchłaniając energię światła słonecznego, elektron od cząsteczki chlorofilu podnosi się „do góry” po schodach energetycznych. Jednak tej energii okazuje się za mało, żeby zredukować cząsteczkę dwutlenku węgla. Nieznacznie powędrowawszy po ŁPE i wykonawszy niedużą pracę w postaci pompowania protonów, „nie do końca wyczerpany” elektron dostaje się na inną cząsteczkę chlorofilu i znów pochłania foton światła. Otóż elektron ma już pod dostatkiem energii do redukcji dwutlenku węgla. Ten elektron łączy się z protonem, co powoduje powstanie atomu wodoru, który natychmiast łączy się z przenośnikiem, w tym przypadku - NADP+. Wodór na przenośniku będzie następnie wykorzystany do redukcji dwutlenku węgla. Podany schemat funkcjonowania ŁPE nazywa się niecyklicznym transportem elektronów lub Z-schematem (ryc. 18. 2).
Otóż w toku uzależnionych od światła reakcji fotosyntezy elektron odrywa się od cząsteczki wody. On pochłania energię światła i zaczyna swój ruch po łańcuchu przenoszącym elektrony chloroplastu. Przy tym on może wykorzystać swoją energię do pompowania protonów przez błonę, co prowadzi do syntezy ATP lub łącząc się z protonem, utworzyć atom wodoru, który następnie wykorzystuje się do redukcji dwutlenku węgla. Całokształt wszystkich procesów w ŁPE chloroplastu nazywa się fazą świetlną (jasną) fotosyntezy. ATP i wodór (na przenośniku NADP+), które powstały podczas tej fazy, będą uczestniczyć w fascynujących kolejnościach reakcji nazywających się fazą ciemną fotosyntezy. W jej rezultacie z dwutlenku węgla utworzą się cząsteczki organicz-
ne (гус. 18.3). Faza ciemna zaczyna się od przyłączenia dwutlenku węgla, który bierze udział w cyklu reakcji prowadzących do powstania glukozy. W tym cyklu dwutlenek węgla redukuje się wodorem wody (wodór jest dostarczany przenośnikiem NADPł). Nazwy „świetlna” i „ciemna” fazy fotosyntezy wprowadzają w błąd. Ich podstawowa różnica polega na tym, że procesy fazy świetlnej bezpośrednio zależą od światła. Jednak obydwie fazy fotosyntezy zachodzą na świetle, ponieważ faza ciemna potrzebuje produktów fazy świetlnej. Oprócz tego, aktywność wielu enzymów fazy ciemnej pośrednio jest regulowana światłem i w ciemności one są w stanie nieaktywnym. Pod promieniami porannego słońca ŁPE chloroplastu zaczyna stopniowo nasycać się elektronami. Następnie aktywują się enzymy fazy ciemnej, które wykorzystują produkty fazy świetlnej fotosyntezy i zaczynają produkować organikę.
Zastanów się
Wybierz jedną poprawną odpowiedź
1
Brak wody na Marsie, prawdopodobnie, związany jest z A brakiem tam życia В brakiem tam warstwy ozonowej
C obecnością tam dużej ilości atomów żelaza D czerwonym kolorem gleby E niską temperaturą
2
Bez łańcucha przenoszącego elektrony chloroplastów rośliny będą mogły A otrzymywać energię świetlną В rozszczepiać wodę C wytwarzać tlen D wytwarzać ATP E oddychać
3
Do przyczyn, przez które enzymy fazy ciemnej fotosyntezy źle funkcjonują w nocy, należą
A 1 - faza świetlna dostarcza za mało substancji, z którymi one pracują;
2 - one są nieaktywne
В 1 - faza świetlna dostarcza za mało substancji, z którymi one pracują;
2 - one są zbyt aktywne
C 1 - faza świetlna dostarcza za dużo substancji, z którymi one pracują;
2 - one są nieaktywne
D 1 - faza świetlna dostarcza za dużo substancji, z którymi one pracują;
2 - one są zbyt aktywne
E 1 - faza świetlna dostarcza za mało substancji, z którymi one pracują;
2 - one nie powstają w ciemności
4
Cykliczny transport elektronów jest wygodniejszy od niecyklicznego, ponieważ A nie potrzebuje światła
В podczas niego zachodzi przeniesienie protonów przez błonę C on potrzebuje dwóch cząsteczek chlorofilu D dzięki niemu potem powstają cząsteczki ATP E on nie potrzebuje stałego uzupełniania zapasu elektronów
Sformułuj odpowiedź w postaci kilku zdań
5
Jaki wygląd miałaby Ziemia, gdyby w procesie ewolucji nie powstała tlenowa fotosynteza?
6
Co wspólnego jest w procesach oddychania w mitochondriach i fotosyntezy w chloroplastach?
7
Z jakiej substancji i podczas jakiego procesu powstaje tlen podczas fotosyntezy? Czy możliwa jest fotosynteza bez jego powstania?
8
W jaki sposób węgiel wyłącza się z obiegu w przyrodzie? W jaki sposób ludzkość zmienia stan tego „wyłączonego” węgla?
Znajdź odpowiedź i postaraj się zrozumieć istotę problemu
9
Rozpatrz mapę rozdzielenia chlorofilu w hydrosferze. Znajdź obszary szczególnie bogate w chlorofil. Dlaczego właśnie w tych miejscach woda jest bogata w zielone rośliny z chlorofilem?
10
U niektórych roślin kolor liści latem nie jest zielony, lecz czerwony, żółty lub fioletowy. Czy świadczy to o braku w liściach chlorofilu? Co powoduje taki „dziwny” kolor liści?
Dowiedz się samodzielnie i opowiedz innym
11
Mimo swej korzyści, w momencie powstania 2,3 min lat temu tlenowa fotosynteza spowodowała klęskę tlenową i zasadnicze zmiany w biosferze. Dlaczego pojawienie się tlenu stało się klęską i jak to zmieniło atmosferę?
12
Stworzenie efektywnej fotosyntezy sztucznej w znacznym stopniu pomogłoby ludzkości otrzymać niezbędne do odżywiania produkty „z światła słonecznego”. Jakie kroki już zrobiono na drodze jej stworzenia i czy daleko jest jeszcze do sukcesu?
Projekt do opracowania w grupie
13
Powstanie skrobi w liściu podczas fotosyntezy.
1) Zostaw roślinę pokojową na kilka dni w ciemności, żeby zapasy skrobi w liściu były zużyte.
2) Nakryj część liścia nieprzezroczystym papierem lub folią i postaw roślinę na jaskrawe światło.
3) Po upływie kilku godzin zetnij liść, zdejmij papier lub folię i zanurz liść na kilka minut do wrzątku, a potem do gorącej wódki lub spirytusu.
4) Przepłucz liść wodą i zanurz do roztworu jodyny.
5) Zrób zdjęcie tego, co otrzymałeś i pokaż je na lekcji. Wytłumacz, dlaczego liść zafarbował się właśnie w taki sposób.
14
Wpływ światła na intensywność fotosyntezy.
1) Zanurz w przybliżeniu wjednakowych ilościach moczarkę lub glony nitkowate do dwóch szklanek wypełnionych wodą z naturalnego źródła.
2) Przykryj rośliny niedużą przewróconą do góry dnem szklanką mniejszego rozmiaru tak, żeby wszystkie rośliny okazały się pod szklanką, a z góry pozostał nieduży zapas powietrza.
3) Zaznacz poziom wody w obu szklankach.
4) Jedną szklankę postaw na światło, a inną nakryj nieprzezroczystą tkaniną.
5) Po kilku dniach porównaj poziom wody w szklankach.
6) Opowiedz o otrzymanych rezultatach na lekcji i wyjaśnij, dlaczego poziom wody w szklankach jest różny.
Źródło: Biologia podręcznika dla klasy 9 Szałamow