As florestas são consideradas os "pulmões verdes do planeta" não em vão. O que é a fotossíntese e como esse processo ocorre, consideraremos em detalhes.
O que é fotossíntese?
Fotossíntese - Processo bioquímico durante o qual surgem os orgânicos, usando pigmentos vegetais especiais e energia luminosa de substâncias inorgânicas (dióxido de carbono, água). Este é um dos processos mais importantes devido ao qual a maioria dos organismos apareceu e continua a existir no planeta.
Fato interessante: As plantas terrestres, bem como as algas verdes, são capazes de fotossíntese. Nesse caso, as algas (fitoplâncton) produzem 80% de oxigênio.
A Importância da Fotossíntese para a Vida na Terra
Sem fotossíntese, em vez de muitos organismos vivos, apenas bactérias existiriam em nosso planeta. É a energia obtida como resultado desse processo químico que permitiu a evolução das bactérias.
Qualquer processo natural precisa de energia. Ela vem do sol. Mas a luz do sol só toma forma depois de ser transformada pelas plantas.
As plantas usam apenas parte da energia e o restante acumulam em si mesmas. Eles comem herbívoros, que são alimentos para predadores. No decorrer da cadeia, cada elo recebe as substâncias e energia valiosas necessárias.
O oxigênio produzido durante a reação é necessário para todas as criaturas respirarem. Respirar é o oposto da fotossíntese. Nesse caso, a matéria orgânica é oxidada, destruída. A energia resultante é usada pelos organismos para executar várias tarefas vitais.
Durante a existência do planeta, quando havia poucas plantas, o oxigênio estava praticamente ausente. As formas de vida primitivas receberam um mínimo de energia de outras maneiras. Era muito pouco para o desenvolvimento. Portanto, respirar devido ao oxigênio abriu mais oportunidades.
Outra função da fotossíntese é a proteção dos organismos da exposição à luz ultravioleta. Estamos falando da camada de ozônio localizada na estratosfera, a uma altitude de 20 a 25 km. É formado devido ao oxigênio, que se transforma em ozônio sob a ação da luz solar. Sem essa proteção, a vida na Terra seria limitada apenas a organismos subaquáticos.
Os organismos liberam dióxido de carbono durante a respiração. É um elemento essencial da fotossíntese. Caso contrário, o dióxido de carbono simplesmente se acumularia na atmosfera superior, aumentando bastante o efeito estufa.
Este é um grave problema ambiental, cuja essência é aumentar a temperatura da atmosfera com consequências negativas. Isso inclui mudanças climáticas (aquecimento global), derretimento de geleiras, aumento do nível do mar etc.
Funções da fotossíntese:
- evolução de oxigênio;
- formação de energia;
- formação de nutrientes;
- a criação da camada de ozônio.
Definição e fórmula da fotossíntese
O termo "fotossíntese" vem de uma combinação de duas palavras: foto e síntese. Traduzido do grego antigo, eles significam "luz" e "conexão", respectivamente. Assim, a energia da luz é convertida na energia das ligações de substâncias orgânicas.
Esquema:
Dióxido de carbono + água + luz = carboidrato + oxigênio.
A fórmula científica para a fotossíntese:
6CO2 + 6H2O → C6N12SOBRE6 + 6O2.
A fotossíntese ocorre para que o contato direto da água e do CO2 não visível.
A importância da fotossíntese para as plantas
As plantas requerem matéria orgânica, energia para crescimento e desenvolvimento. Graças à fotossíntese, eles fornecem esses componentes. A criação de substâncias orgânicas é o principal objetivo da fotossíntese para as plantas, e a liberação de oxigênio é considerada uma reação lateral.
Fato interessante: As plantas são únicas porque não precisam de outros organismos para obter energia.Portanto, eles formam um grupo separado - autotróficos (traduzido da língua grega antiga "Eu me como").
Como ocorre a fotossíntese?
A fotossíntese ocorre diretamente nas partes verdes das plantas - cloroplastos. Eles fazem parte das células vegetais. Os cloroplastos contêm uma substância - clorofila. Este é o principal pigmento fotossintético, graças a ele toda a reação ocorre. Além disso, a clorofila determina a cor verde da vegetação.
Este pigmento é caracterizado pela capacidade de absorver luz. E nas células da planta é lançado um verdadeiro “laboratório” bioquímico, no qual água e CO2 transformar em oxigênio, carboidratos.
A água entra pelo sistema radicular da planta e o gás penetra diretamente nas folhas. A luz atua como uma fonte de energia. Quando uma partícula de luz atua sobre uma molécula de clorofila, sua ativação ocorre. Na molécula de água H2O oxigênio (O) permanece não reclamado. Assim, torna-se um subproduto para as plantas, mas tão importante para nós, um produto de reação.
Fases da fotossíntese
A fotossíntese é dividida em dois estágios: claro e escuro. Eles ocorrem simultaneamente, mas em diferentes partes do cloroplasto. O nome de cada fase fala por si. A fase leve ou dependente da luz ocorre apenas com a participação de partículas de luz. Na fase escura ou não volátil, a luz não é necessária.
Antes de examinar cada fase com mais detalhes, vale a pena entender a estrutura do cloroplasto, pois determina a essência e o local das etapas. O cloroplasto é uma variedade de plastídeos e está localizado dentro da célula separadamente de seus outros componentes. Tem a forma de uma semente.
Constituintes do cloroplasto envolvidos na fotossíntese:
- 2 membranas;
- estroma (fluido interno);
- tilacóides;
- lúmens (lacunas no interior dos tilacóides).
Fase clara da fotossíntese
Flui sobre os tilacóides, mais precisamente, suas membranas. Quando a luz os atinge, elétrons com carga negativa são liberados e acumulados. Assim, os pigmentos fotossintéticos perdem todos os elétrons, após o que é a vez das moléculas de água se decomporem:
H2O → H + + OH-
Neste caso, os prótons de hidrogênio formados têm uma carga positiva e se acumulam na membrana interna do tilacoide. Como resultado, prótons com carga positiva e elétrons com carga negativa são separados apenas por uma membrana.
O oxigênio é produzido como subproduto:
4OH → O2 + 2H2O
Em um determinado momento, as fases dos elétrons e prótons do hidrogênio se tornam demais. Então a enzima ATP sintase entra no trabalho. Sua tarefa é transferir prótons de hidrogênio da membrana do tilacoide para o meio líquido de cloroplasto - o estroma.
Nesta fase, o hidrogênio está à disposição de outro transportador - NADP (abreviação de fosfato de nucleotídeo de nicotinamidina). É também um tipo de enzima que acelera reações oxidativas nas células. Nesse caso, seu trabalho é transportar prótons de hidrogênio em uma reação a carboidratos.
Nesta fase, ocorre o processo de fotofosfoliação, durante o qual uma enorme quantidade de energia é gerada. Sua fonte é o ATP - ácido trifosfórico de adenosina.
Breve resumo:
- O golpe de um quantum de luz na clorofila.
- A seleção de elétrons.
- A evolução do oxigênio.
- A formação de NADPH oxidase.
- Produção de energia ATP.
Fato interessante: Existe uma planta relict chamada Velvichia que cresce na costa africana do Oceano Atlântico. Este é o único representante de um tipo com um mínimo de folhas capazes de fotossíntese. No entanto, a idade do Velvich atinge cerca de 2000 anos.
A fase escura da fotossíntese
A fase independente da luz ocorre diretamente no estroma. Representa uma série de reações enzimáticas. O dióxido de carbono absorvido no estágio leve dissolve-se na água e, nesse estágio, é reduzido a glicose. Também são produzidas substâncias orgânicas complexas.
As reações da fase escura são divididas em três tipos principais e dependem do tipo de plantas (mais precisamente, seu metabolismo), nas células nas quais ocorre a fotossíntese:
- COM3-plantas;
- COM4-plantas;
- Plantas CAM.
K C3- As plantas incluem a maioria das culturas agrícolas que crescem em climas temperados. Durante a fotossíntese, o dióxido de carbono se torna ácido fosfoglicerílico.
As espécies subtropicais e tropicais, principalmente as ervas daninhas, pertencem às plantas C4. Eles são caracterizados pela transformação de dióxido de carbono em oxaloacetato. As plantas CAM são uma categoria de plantas que não possuem umidade. Eles diferem em um tipo especial de fotossíntese - CAM.
COM3-fotossíntese
O mais comum é C3- a fotossíntese, também chamada de ciclo de Calvin - em homenagem ao cientista americano Melvin Calvin, que fez uma enorme contribuição para o estudo dessas reações e recebeu o Prêmio Nobel por isso.
As plantas são chamadas C3 devido ao fato de que durante as reações da fase escura são formadas 3 moléculas de carbono do ácido 3-fosfoglicerílico - 3-PGA. Várias enzimas estão diretamente envolvidas.
Para que uma molécula de glicose completa se forme, 6 ciclos de reações da fase independente da luz devem passar. O carboidrato é o principal produto da fotossíntese no ciclo de Calvin, mas, além disso, são produzidos ácidos graxos e aminoácidos, além de glicolipídios. C3 a fotossíntese das plantas ocorre exclusivamente em células mesofílicas.
A principal desvantagem de C3fotossíntese
Plantas do grupo C3são caracterizados por uma desvantagem significativa. Se houver umidade insuficiente no ambiente, a capacidade de fotossíntese é significativamente reduzida. Isto é devido à fotorrespiração.
O fato é que, com uma baixa concentração de dióxido de carbono nos cloroplastos (menos de 50: 1 000 000), o oxigênio é fixado em vez da fixação de carbono. Enzimas especiais diminuem significativamente e desperdiçam energia solar.
Ao mesmo tempo, o crescimento e o desenvolvimento da planta diminuem, pois falta matéria orgânica. Além disso, não há liberação de oxigênio na atmosfera.
Fato interessante: Elysia chlorotica lesma do mar é um animal único que fotossintetiza como plantas. Alimenta-se de algas, cujos cloroplastos penetram nas células do trato digestivo e fotossintetizam por meses. Os carboidratos produzidos servem a lesma como alimento.
Fotossíntese C4
Ao contrário de C3-síntese, aqui as reações de fixação do dióxido de carbono são realizadas em várias células vegetais. Esses tipos de plantas são capazes de lidar com o problema da fotorrespiração e fazem isso com um ciclo de dois estágios.
Por um lado, é mantido um alto nível de dióxido de carbono e, por outro, é controlado um baixo nível de oxigênio nos cloroplastos. Essa tática permite que as plantas C4 evitem a respiração fotográfica e as dificuldades associadas. Os representantes das plantas desse grupo são cana, milho, milho, etc.
Comparado às plantas C3 eles são capazes de realizar processos de fotossíntese muito mais intensivamente sob a condição de alta temperatura e falta de umidade. No primeiro estágio, o dióxido de carbono é fixado nas células do mesofilo, onde o ácido 4-carbônico é formado. Em seguida, o ácido passa para a casca e se decompõe em um composto de 3 carbonos e dióxido de carbono.
No segundo estágio, o dióxido de carbono obtido começa a funcionar no ciclo de Calvin, onde são produzidos gliceraldeído-3-fosfato e carboidratos, necessários para o metabolismo energético.
Devido à fotossíntese em duas etapas nas plantas C4, uma quantidade suficiente de dióxido de carbono é formada para o ciclo Kelvin. Portanto, as enzimas trabalham com força total e não desperdiçam energia em vão.
Mas este sistema tem suas desvantagens. Em particular, uma quantidade maior de energia ATP é consumida - é necessário para a transformação de ácidos 4-carbono em ácidos 3-carbono e na direção oposta. Então C3- A fotossíntese é sempre mais produtiva que o C4 com a quantidade adequada de água e luz.
O que afeta a taxa de fotossíntese?
A fotossíntese pode ocorrer em velocidades diferentes. Esse processo depende das condições ambientais:
- água;
- comprimento de onda da luz;
- dióxido de carbono;
- temperatura.
A água é um fator fundamental; portanto, quando falta, as reações diminuem. Para a fotossíntese, as mais favoráveis são as ondas do espectro vermelho e azul-violeta. Também é preferível um alto grau de iluminação, mas apenas com um certo valor - quando é alcançado, a conexão entre a iluminação e a taxa de reação desaparece.
Uma alta concentração de dióxido de carbono fornece processos fotossintéticos rápidos e vice-versa. Certas temperaturas são importantes para enzimas que aceleram reações. As condições ideais para eles são de 25 a 30 ℃.
Foto respiração
Todos os seres vivos precisam de respiração, e as plantas não são exceção. No entanto, esse processo neles ocorre um pouco diferente do que em humanos e animais, razão pela qual é chamado de fotorrespiração.
Geralmente, respiração - um processo físico durante o qual um organismo vivo e seu ambiente trocam gases. Como todos os seres vivos, as plantas precisam de oxigênio para respirar. Mas eles consomem muito menos do que produzem.
Durante a fotossíntese, que ocorre apenas à luz do sol, as plantas criam alimento para si. Durante a foto-respiração, realizada 24 horas por dia, esses nutrientes são absorvidos por eles, a fim de apoiar o metabolismo dentro das células.
Fato interessante: durante um dia ensolarado, um terreno florestal de 1 hectare consome de 120 a 280 kg de dióxido de carbono e emite de 180 a 200 kg de oxigênio.
O oxigênio (como o dióxido de carbono) penetra nas células das plantas através de aberturas especiais - estômatos. Eles estão localizados na parte inferior das folhas. Cerca de 1000 estômatos podem ser localizados em uma folha.
Trocas gasosas de plantas, dependendo da iluminação
O processo de troca de gás com iluminação diferente é apresentado da seguinte forma:
- Luz brilhante. O dióxido de carbono é usado durante a fotossíntese. As plantas produzem mais oxigênio do que consomem. Seus excedentes entram na atmosfera. O dióxido de carbono é consumido mais rapidamente do que o liberado pela respiração. Os carboidratos não utilizados são armazenados pela planta para uso futuro.
- Luz baixa. As trocas gasosas com o meio ambiente não ocorrem, pois a planta consome todo o oxigênio que produz.
- Falta de luz. Somente processos respiratórios ocorrem. O dióxido de carbono é liberado e o oxigênio é consumido.
Quimossíntese
Alguns organismos vivos também são capazes de formar monocarboidratos a partir de água e dióxido de carbono, enquanto não precisam da luz solar. Estes incluem bactérias, e o processo de conversão de energia é chamado quimiossíntese.
Quimossíntese É um processo durante o qual a glicose é sintetizada, mas produtos químicos são usados no lugar da energia solar. Flui em áreas com temperatura suficientemente alta, adequada para a operação de enzimas e na ausência de luz. Podem ser áreas próximas a fontes hidrotermais, vazamentos de metano nas profundezas do mar, etc.
A história da descoberta da fotossíntese
A história da descoberta e estudo da fotossíntese remonta a 1600, quando Jan Baptiste van Helmont decidiu entender a pergunta urgente da época: o que as plantas comem e de onde elas tiram substâncias úteis?
Naquela época, acreditava-se que o solo era uma fonte de elementos valiosos. O cientista colocou um galho de salgueiro em um recipiente com terra, mas anteriormente mediu seu peso. Durante 5 anos, ele cuidou da árvore e a regou, após o que voltou a realizar procedimentos de medição.
Aconteceu que o peso da terra diminuiu 56 g, mas a árvore ficou 30 vezes mais pesada. Essa descoberta refutou a visão de que as plantas se alimentam do solo e deu origem a uma nova teoria - a nutrição da água.
No futuro, muitos cientistas tentaram refutá-lo.Por exemplo, Lomonosov acreditava que componentes parcialmente estruturais entram nas plantas através das folhas. Ele foi guiado por plantas que crescem com sucesso em áreas áridas. No entanto, não foi possível provar esta versão.
A coisa mais próxima do estado real das coisas foi Joseph Priestley, um cientista químico e padre de meio período. Uma vez, ele descobriu um rato morto em uma jarra de cabeça para baixo, e esse incidente o forçou a realizar uma série de experimentos com roedores, velas e recipientes na década de 1770.
Priestley descobriu que a vela sempre se apaga rapidamente se você a cobrir com uma jarra em cima. Além disso, um organismo vivo não pode sobreviver. O cientista chegou à conclusão de que existem certas forças que tornam o ar adequado para a vida e tentou conectar esse fenômeno às plantas.
Ele continuou a montar experimentos, mas desta vez tentou colocar uma panela com hortelã sob um recipiente de vidro. Para a grande surpresa, a planta continuou a se desenvolver ativamente. Então Priestley colocou uma planta e um rato embaixo de uma jarra, e apenas um animal embaixo da segunda. O resultado é óbvio - sob o primeiro tanque, o roedor permaneceu ileso.
A conquista do químico tornou-se a motivação para outros cientistas ao redor do mundo repetirem o experimento. Mas o problema era que o padre conduzia experimentos durante o dia. E, por exemplo, o farmacêutico Karl Scheele - à noite, quando havia tempo livre. Como resultado, o cientista acusou Priestley de fraude, porque seus sujeitos experimentais não suportaram o experimento com a planta.
Um verdadeiro confronto científico eclodiu entre químicos, o que trouxe benefícios significativos e tornou possível fazer outra descoberta - que as plantas precisam restaurar o ar, precisam da luz solar.
É claro que ninguém chamou esse fenômeno de fotossíntese, e ainda havia muitas perguntas. No entanto, em 1782, o botânico Jean Senebier conseguiu provar que, na presença da luz solar, as plantas são capazes de decompor o dióxido de carbono no nível celular. E em 1864, finalmente, surgiram evidências experimentais de que as plantas absorvem dióxido de carbono e secretam oxigênio. Este é o mérito do cientista da Alemanha - Julius Sachs.
