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

თუ ვებფილტრს იყენებთ, დარწმუნდით, რომ *.kastatic.org და *.kasandbox.org დომენები არ არის დაბლოკილი.

ძირითადი მასალა

ფოტოსინთეზი: შესავალი

სინათლის ენერგიის ქიმიურ ენერგიად გარდაქმნა. ფოტოსინთეზის რეაქციები, სად მიმდინარეობს ისინი და რა მნიშვნელობა აქვთ ეკოლოგიაში.

შესავალი

ამ ბოლო დროს ხეს თუ ჩახუტებიხართ? თუ არა, დაფიქრდით ამაზე, იქნებ ღირს. თქვენ, ყველა დანარჩენ ადამიანთან ერთად, სიცოცხლეს მცენარეებსა და იმ სხვა ორგანიზმებს უნდა უმადლოდეთ, რომლებიც სინათლეს შთანთქამენ. მეტიც, დედამიწაზე სიცოცხლის დიდი ნაწილი სწორედ იმის წყალობით არსებობს, რომ მზე მუდმივად აწვდის ენერგიას ეკოსისტემებს.
ყველა ორგანიზმს, ადამიანების ჩათვლით, ენერგია სჭირდება მეტაბოლური რეაქციების წარსამართავად, რათა გაიზარდოს, განვითარდეს და გამრავლდეს, მაგრამ ორგანიზმებს პირდაპირ არ შეუძლიათ მზის ენერგიის გამოყენება თავიანთი მეტაბოლური საჭიროებებისთვის. პირველ რიგში, ის ქიმიურ ენერგიად უნდა გარდაიქმნას ფოტოსინთეზში.

რა არის ფოტოსინთეზი?

ფოტოსინთეზი პროცესია, რომლის დროსაც სინათლის ენერგია ქიმიურ ენერგიად გარდაიქმნება და შაქრის მოლეკულებში იდება. ეს პროცესი სინათლის ენერგიის ხარჯზე მიმდინარეობს და მისი წყალობით წყლისა და ნახშირორჟანგისგან წარმოიქმნება გლუკოზას (ან სხვა შაქრების) მოლეკულები, ჟანგბადი კი თანაპროდუქტის სახით გამოთავისუფლდება. გლუკოზას მოლეკულები ორი უმნიშვნელოვანესი რესურსით ამარაგებს ორგანიზმებს: ენერგიითა და ფიქსირებული - ანუ ორგანული - ნახშირბადით.
  • ენერგია. გლუკოზას მოლეკულები საწვავია უჯრედებისთვის: მათგან ქიმიური ენერგიის ამოღება შესაძლებელია უჯრედული სუნთქვისა და ფერმენტაციის პროცესში, რომლის დროსაც ადენოზინტრიფოსფატი—start text, ა, ტ, ფ, end text, პატარა, ენერგიის გადამტანი მოლეკულა—წარმოიქმნება, უჯრედის ენერგეტიკული საჭიროებებისთვის დასახარჯად იმ მომენტში.
  • ფიქსირებული ნახშირბადი. ნახშირორჟანგის ნახშირბადის - არაორგანული ნახშირბადის - ორგანულ მოლეკულებში ჩართვას ნახშირბადის ფიქსაცია ეწოდება, ხოლო ორგანული მოლეკულების ნახშირბადს - ფიქსირებული. ფოტოსინთეზის პროცესში ფიქსირებული და შაქრებში ჩადებული ნახშირბადი სხვა სახის ორგანული მოლეკულების წარმოსაქმნელად შეუძლია გამოიყენოს უჯრედს, საჭიროებისამებრ.
ფოტოსინთეზის დროს მზის ენერგიას შთანთქამენ უჯრედები და მას ქიმიურ ენერგიად გარდაქმნიან, ანუ წყლისა და ნახშირორჟანგისგან გლუკოზას წარმოქმნიან. ჟანგბადი თანაპროდუქტის სახით გამოთავისუფლდება.

ფოტოსინთეზის ეკოლოგიური მნიშვნელობა

ფოტოსინთეზურ ორგანიზმებს, მათ შორის, მცენარეებს, წყალმცენარეებსა და ზოგ ბაქტერიას, უმნიშვნელოვანესი ფუნქცია აქვთ ეკოლოგიაში. ისინი სინათლის ენერგიას შაქრების წარმოსაქმნელად იყენებენ და ეკოსისტემებს ქიმიური ენერგიითა და ფიქსირებული ნახშირბადით ამარაგებენ. რადგანაც ეს ორგანიზმები თავიანთ საკვებს თვითონ წარმოქმნიან - ანუ ნახშირბადს თვითონ აფიქსირებენ - სინათლის ენერგიის გამოყენებით, მათ ფოტოავტოტროფები ეწოდებათ (სიტყვასიტყვით, „თავისი თავის მკვებავები სინათლის ხარჯზე").
ადამიანები და სხვა ორგანიზმები, რომლებიც ნახშირორჟანგს ორგანულ ნაერთებად თავად ვერ გარდაქმნიან, ჰეტეროტროფებად იწოდებიან, რაც „"სხვანაირად მკვებავს" ნიშნავს. ჰეტეროტროფებმა ფიქსირებული ნახშირბადი სხვა ორგანიზმების ან მათი თანაპროდუქტების ჭამით უნდა მოიპოვონ. ჰეტეროტროფები არიან ცხოველები, სოკოები, ბევრი პროკარიოტი და უმარტივესი.
ეკოსისტემებისთვის ფიქსირებული ნახშირბადისა და ენერგიის მიწოდების გარდა, ფოტოსინთეზი დედამიწის ატმოსფეროს შემადგენლობაზეც ახდენს გავლენას. ფოტოსინთეზური ორგანიზმების უმრავლესობა ამ პროცესში თანაპროდუქტად ჟანგბადის აირს წარმოქმნის და ფოტოსინთეზის გაჩენამ - 3 მილიარდ წელზე მეტი ხნის წინ, დღევანდელი ციანობაქტერიების მსგავს ბაქტერიებში - სამუდამოდ შეცვალა სიცოცხლე დედამიწაზეstart superscript, 1, end superscript. ამ ბაქტერიებმა ნელ-ნელა ჟანგბადით გაამდიდრეს აქამდე მცირეჟანგბადიანი ატმოსფერო და ითვლება, რომ სწორედ ჟანგბადის კონცენტრაციის ზრდის წყალობით მოხდა სიცოცხლის ევოლუცია აერობულ ფორმებად - წარმოიშვნენ ორგანიზმები, რომლებიც ჟანგბადს იყენებენ უჯრედულ სუნთქვაში. იმ უძველესი ფოტოსინთეზური ბაქტერიების გარეშე ჩვენ, სხვა მრავალი სახეობის მსგავსად, დღეს არ ვიარსებებდით!
ფოტოსინთეზური ორგანიზმები დიდი რაოდენობით ნახშირორჟანგს შთანთქამენ ატმოსფეროდან და ნახშირბადის ატომებს ორგანული მოლეკულების წარმოსაქმნელად იყენებენ. დედამიწაზე დიდი რაოდენობით რომ არ იყოს ნახშირბადის მშთანთქმელი მცენარეები და წყალმცენარეები, ეს აირი ატმოსფეროში დაგროვდებოდა. ფოტოსინთეზური ორგანიზმები კი ახერხებენ, ადამიანების საქმიანობის შედეგად წარმოქმნილი ნახშირორჟანგის ნაწილი შთანთქონ, მაგრამ ატმოსფეროში ამ აირის კონცენტრაცია იზრდება, სითბოს „დამწყვდევას" იწვევს და კლიმატიც იცვლება. მრავალ მეცნიერს მიაჩნია, რომ ტყეებისა და მცენარეების სხვა დიდი ჯგუფების შენარჩუნება უფრო და უფრო მნიშვნელოვანია ნახშირორჟანგის მზარდი დონის გასაუვნებელყოფად.

ფოტოსინთეზი ფოთლებში მიმდინარეობს

მცენარეები ხმელეთის ეკოსისტემების ყველაზე გავრცელებული ავტოტროფებია. მცენარეების ყველა მწვანე ქსოვილს შეუძლია ფოტოსინთეზის წარმოება, მაგრამ უმრავლეს შემთხვევაში ეს პროცესი ფოთლებში მიმდინარეობს. ფოთლის შუა შრეში, მეზოფილში, არსებული უჯრედები ფოტოსინთეზის ძირითადი ადგილია.
მცენარეთა უმრავლესობის ფოთლების ზედაპირზე პატარა ხვრელები, ბაგეებია (სტომები) მოთავსებული. მათი მეშვეობით ნახშირორჟანგი მეზოფილურ შრეში დიფუზიით შედის, ჟანგბადი კი - გამოდის.
დიაგრამაზე ფოთლის თანდათან გადიდებული სტრუქტურებია წარმოდგენილი. გადიდება 1: მთლიანი ფოთოლი გადიდება 2: მეზოფილური ქსოვილი ფოთოლში გადიდება 3: ერთი მეზოფილური უჯრედი გადიდება 4: ქლოროპლასტი მეზოფილურ უჯრედში გადიდება 5: თილაკოიდების დასტები - გრანები - და სტრომა ქლოროპლასტში
მოდიფიცირებული სურათის წყაროა „ფოტოსინთეზის მიმოხილვა: სურათი 6" ავტორი ოპენსტაქსის კოლეჯი ბიოლოგია CC BY 3,0
ყველა მეზოფილური უჯრედი შეიცავს ორგანელებს, სახელად ქლოროპლასტებს, რომელთა მოვალეობაც ფოტოსინთეზის რეაქციების შესრულებაა. ყველა ქლოროპლასტში არის დისკის ფორმის სტრუქტურები, თილაკოიდები, რომლებიც ბლინების გროვასავითაა ჩაწყობილი. ამ ბლინების გროვას გრანა ჰქვია. თითოეული თილაკოიდის მემბრანა შეიცავს მწვანე პიგმენტებს, ქლოროფილებს, რომლებიც სინათლეს შთანთქავენ. გრანას გარშემო სითხით ავსებული სივრცეა, რომელსაც სტრომა ჰქვია. თილაკოიდურ დისკებს შორის არსებულ სივრცეს კი თილაკოიდური სივრცე ეწოდება. ქლოროპლასტის სხვადასხვა ნაწილებში, განსხვავებული ქიმიური რეაქციები ხდება.

სინათლის რეაქციები და კალვინის ციკლი

მცენარეთა ფოთლებში ფოტოსინთეზი მრავალ საფეხურად მიმდინარეობს, მაგრამ იგი შეგვიძლია, ორ ძირითად ეტაპად დავყოთ: სინათლეზე დამოკიდებული რეაქციები და კალვინის ციკლი.
  • სინათლის ფაზის, ანუ სინათლეზე დამოკიდებული, რეაქციები თილაკოიდურ მემბრანაში მიმდინარეობს და სინათლის ენერგიის მუდმივ მიწოდებას საჭიროებს. ქლოროფილი შთანთქავს სინათლის ენერგიას და მას ქიმიურ ენერგიად გარდაქმნის ორი ნაერთის სინთეზის გზით - start text, ა, ტ, ფ, end text-ისა (ენერგიის შემნახველი მოლეკულის) და start text, ნ, ა, დ, ფ, H, end text-ის (აღდგენილი (ელექტრონით დატვირთული) ელექტრონის გადამტანის)). ამ პროცესში წყლის მოლეკულები გარდაიქმნება ჟანგბადის აირად - იმ ჟანგბადად, რომელსაც ჩვენ ვსუნთქავთ!
  • კალვინის ციკლი, ანუ ბნელი ფაზის, სინათლეზე დამოუკიდებელი რეაქციები, სტრომაში მიმდინარეობს და არ საჭიროებს სინათლის ენერგიის პირდაპირ მიწოდებას. ამის ნაცვლად, კალვინის ციკლში სინათლის ფაზაში წარმოქმნილი start text, ა, ტ, ფ, end text და start text, ნ, ა, დ, ფ, H, end text იხარჯება ნახშირბადის ფიქსაციისთვის და სამნახშირბადიანი შაქრის - გლიცერალდეჰიდ-3-ფოსფატის, ანუ გ3ფ-ის. - წარმოსაქმნელად. ორი ასეთი მოლეკულა ერთმანეთს უერთდება და გლუკოზა წარმოიქმნება.
სინათლის ფაზისა და კალვინის ციკლის რეაქციების, მათი ურთიერთკავშირის სქემა.
სინათლეზე დამოკიდებული რეაქციები თილაკოიდურ მემბრანაში მიმდინარეობს. ისინი სინათლეს საჭიროებს და ამ პროცესში წყლის მოლეკულები ჟანგბადად გარდაიქმნება, რასაც თან ახლავს ატფ-ისა და ნადფH-ის წარმოქმნა (ატფ ადფ-ისა და არაორგანული ფოსფატისგან (Pi) წარმოიქმნება, ნადფH კი - ნადფ+-ის აღდგენის გზით).
ატფ და ნადფH თილაკოიდური მემბრანაში, სტრომის მხარეს წარმოიქმნება, სადაც შემდგომ კალვინის ციკლში ერთვებიან.
კალვინის ციკლი სტრომაში მიმდინარეობს და ამ დროს სინათლის ფაზაში წარმოქმნილი ატფ და ნადფH იხარჯება ნახშირბადის ფიქსაციისთვის. შედეგად, სამნახშირბადიანი შაქრის, გლიცერალდეჰიდ-3-ფოსფატის, ანუ გსფ-ის, მოლეკულები წარმოიქმნება.
კალვინის ციკლში ატფ ადფ-ად და არაორგანულ ფოსფატად (Pi) იშლება, რასაც თან ახლავს ნადფH-ის გარდაქმნა ნადფ+-ად. ადფ, Pi და ნადფ+ ხელახლა გამოიყენება სინათლის ფაზის რეაქციებში სუბსტრატებად.
მოდიფიცირებული სურათის წყაროა: „ფოტოსინთეზის მიმოხილვა: სურათი 6" მფლობელი ოპენსტაქსის კოლეჯი, ბიოლოგია CC BY 3,0
ზოგადად, სინათლის ფაზის რეაქციებში სინათლის ენერგია შთაინთქმება და დროებით ქიმიურ ფორმად ინახება start text, ა, ტ, ფ, end text-სა და start text, ნ, ა, დ, ფ, H, end text-ში. შემდგომ start text, ა, ტ, ფ, end text იშლება და ენერგია გამოთავისუფლდება, start text, ნ, ა, დ, ფ, H, end text კი თავის ელექტრონებს გასცემს, რათა ნახშირორჟანგი შაქრებად გარდაიქმნას. საბოლოოდ, სინათლის ენერგია შაქრის მოლეკულების ქიმიურ ბმებში „მოემწყვდევა".

ფოტოსინთეზი და უჯრედული სუნთქვა

ჯამურ რეაქციებს თუ განვიხილავთ, ფოტოსინთეზი და უჯრედული სუნთქვა თითქმის ერთმანეთის შებრუნებული პროცესებია. ისინი მხოლოდ შთანთქმული და გამოთავისუფლებული ენერგიის სახით განსხვავდება, რაც ქვედა დიაგრამაზე ჩანს.
გამარტივებულად რომ განვიხილოთ, ფოტოსინთეზი და უჯრედული სუნთქვა ერთმანეთის შებრუნებული რეაქციებია. ფოტოსინთეზში მზის ენერგია შთაინთქმება და ქიმიურ ენერგიად გარდაიქმნება, რასაც თან ახლავს წყლისა და ნახშირორჟანგისგან გლუკოზას წარმოქმნა. ჟანგბადი რეაქციის თანაპროდუქტის სახით გამოთავისუფლდება. უჯრედულ სუნთქვაში პირიქით, ჟანგბადი გამოიყენება გლუკოზას დასაშლელად, რასაც თან ახლავს ქიმიური ენერგიისა და სითბოს გამოყოფა. ნახშირორჟანგი და წყალი ამ რეაქციის საბოლოო პროდუქტებია.
ხოლო ცალკეული საფეხურების დონეზე თუ განვიხილავთ, ფოტოსინთეზი „უკუღმა დატრიალებული" უჯრედული სუნთქვა სულაც არაა. როგორც ამ სექციაში ვნახავთ, ფოტოსინთეზს თავისი განსაკუთრებული რეაქციათა წყება აქვს, თუმცა ფოტოსინთეზსა და უჯრედულ სუნთქვას შორის საკმაოდ მნიშვნელოვანი მსგავსებებიც არსებობს.
მაგალითად, ფოტოსინთეზშიც და უჯრედულ სუნთქვაშიც გვხვდება ჟანგვა-აღდგენითი რეაქციების წყებები (რეაქციები, რომლებშიც ელექტრონები ერთი მოლეკულადან მეორეზე გადაიტანება). უჯრედულ სუნთქვაში ელექტრონები გლუკოზადან ჟანგბადზე გადადის, შედეგად, წყალი წარმოიქმნება და ენერგია გამოთავისუფლდება. ფოტოსინთეზში ისინი საპირისპირო მიმართულებით მოძრაობს, „დაიძვრება" წყლიდან და ბოლოს გლუკოზას მოლეკულაში „ჩერდება" - ამაზე მზის სინათლის ენერგია იხარჯება. უჯრედული სუნთქვის მსგავსად, ფოტოსინთეზშიც გამოიყენება ელექტრონების გადამტანი ჯაჭვი start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript-ის გრადიენტის წარმოსაქმნელად. ამ გრადიენტში ჩადებული ენერგია შემდეგ ქემიოსმოსში start text, ა, ტ, ფ, end text-ის სინთეზს ხმარდება.
თუ ეს ამბები არ გეცნობათ, არ ინერვიულოთ! არ არის საჭირო, უჯრედული სუნთქვა იცოდეთ იმისთვის, რომ ფოტოსინთეზი გაიგოთ. უბრალოდ გააგრძელეთ კითხვა და ვიდეოების ყურება და საბოლოოდ ყველაფერს გაიგებთ ამ პროცესზე, რომელიც სიცოცხლეს უდევს საფუძვლად.