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—ატფ\text{ატფ}, 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 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 - 33 მილიარდ წელზე მეტი ხნის წინ, დღევანდელი ციანობაქტერიების მსგავს ბაქტერიებში - სამუდამოდ შეცვალა სიცოცხლე დედამიწაზე1^1. 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.
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 - ატფ\text{ატფ}-ისა (ენერგიის შემნახველი მოლეკულის) და ნადფH\text{ნადფH}-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 ატფ\text{ატფ} და ნადფH\text{ნადფH} იხარჯება ნახშირბადის ფიქსაციისთვის და სამნახშირბადიანი შაქრის - გლიცერალდეჰიდ-3-ფოსფატის, ანუ გ3ფ-ის. - წარმოსაქმნელად. ორი ასეთი მოლეკულა ერთმანეთს უერთდება და გლუკოზა წარმოიქმნება.
ზოგადად, სინათლის ფაზის რეაქციებში სინათლის ენერგია შთაინთქმება და დროებით ქიმიურ ფორმად ინახება ატფ\text{ატფ}-სა და ნადფH\text{ნადფH}-ში. შემდგომ ატფ\text{ატფ} იშლება და ენერგია გამოთავისუფლდება, ნადფH\text{ნადფH} 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.
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 H+\text{H}^+-ის გრადიენტის წარმოსაქმნელად. ამ გრადიენტში ჩადებული ენერგია შემდეგ ქემიოსმოსში ატფ\text{ატფ}-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.
იტვირთება