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

სინათლე და მაფოტოსინთეზირებელი პიგმენტები

სინათლის თვისებები. როგორ შთანთქამს ქლოროფილი და სხვა პიგმენტები სინათლეს.

შესავალი

ოდესმე მზეზე დიდხანს თუ გაჩერებულხართ და დამწვარხართ, ალბათ, კარგად იცით, რა უზარმაზარი რაოდენობის ენერგია აქვს მზეს. სამწუხაროდ, ადამიანის ორგანიზმი ამ ენერგიას მაინცდამაინც ვერ იყენებს, გარდა იმისა, რომ მცირე რაოდენობით D ვიტამინს წარმოქმნის (ეს ვიტამინი კანში სინთეზირდება მზის სინათლის მეშვეობით).
მცენარეები, მეორე მხრივ, ნამდვილი ექსპერტები არიან სინათლის ენერგიის შთანთქმასა და მის ხარჯზე შაქრების წარმოქმნაში. ამ პროცესს ფოტოსინტეზი ეწოდება. ფოტოსინთეზი იწყება მცენარეების უჯრედების ქლოროპლასტებში განლაგებული სპეციალიზებული ორგანული მოლეკულების, პიგმენტების, მიერ სინათლის შთანთქმით. ამ სტატიაში განვიხილავთ სინათლეს, როგორც ენერგიის ერთ-ერთ ფორმას და გავიგებთ, როგორ შთანთქამენ მას პიგმენტები - მაგალითად, ქლოროფილი, რომელიც მცენარეებს მწვანე ფერს აძლევს.

რა არის სინათლის ენერგია?

სინათლე ელექტრომაგნიტური გამოსხივების (რადიაციის), ანუ ტალღების სახით გავრცელებადი ენერგიის, ერთ-ერთი სახეა. ელექტრომაგნიტური გამოსხივების სხვა ფორმები, რომელთაც ყოველდღიურ ცხოვრებაში ვხვდებით, არის: რადიოტალღები, მიკროტალღები და რენტგენის სხივები. ელექტრომაგნიტური გამოსხივების ყველა ფორმა ერთად ელექტრომაგნიტურ სპექტრს ქმნის.
ყველა ელექტრომაგნიტურ ტალღას თავისი ტალღის სიგრძე აქვს, ანუ მანძილი ორ მეზობელ შემაღლებას შორის. გამოსხივების სხვადასხვა სახეს კი დამახასიათებელი ტალღის სიგრძე გააჩნია (რაც ქვედა დიაგრამაზეა წარმოდგენილი). ტალღის დიდი სიგრძის მქონე, ანუ გრძელტალღოვან, გამოსხივებას (მაგ. რადიოტალღებს) ნაკლები ენერგია აქვს, ვიდრე მოკლეტალღოვანს (მაგ. რენტგენის სხივებს).
სხვადასხვა ტალღის სიგრძის მქონე ელექტრომაგნიტური გამოსხივების ფორმების ერთობლიობა ელექტრომაგნიტურ სპექტრს ქმნის. რაც უფრო გრძელია ტალღა, მით უფრო ნაკლები ენერგია აქვს გამოსხივებას, და პირიქით, მოკლეტალღოვანი გამოსხივება მეტი ენერგიის მატარებელია. სპექტრში შემავალი გამოსხივების სახეები ტალღის სიგრძის კლების მიხედვით რომ დავალაგოთ, ყველაზე გრძელიდან მოკლესკენ, ასეთ სიას მივიღებთ: რადიოტალღები, მიკროტალღები, ინფრაწითელი გამოსხივება, ხილული სინათლე, ულტრაიისფერი გამოსხივება, რენტგენის სხივები და გამა გამოსხივება. ხილული სინათლე რამდენიმე ფერისგან შედგება და ყველა მათგანს თავისი ტალღის სიგრძე და ენერგიის დონე აქვს. ტალღის სიგრძის კლების მიხედვით დალაგებული ფერების სია კი ასე გამოიყურება: წითელი, ნარინჯისფერი, ყვითელი, მწვანე, ლურჯი, ინდიგო და იისფერი.
სურათის წყარო: „ელექტრომაგნიტური სპექტრი," ავტორი Inductiveload (CC BY-SA 3,0) და „EM სპექტრი," ავტორი Philip Ronan (CC BY-SA 3,0). სურათის გამოყენების ლიცენზია: CC BY-SA 3,0
ხილული სპექტრი ელექტრომაგნიტური სპექტრის ერთადერთი ნაწილია, რომელსაც ადამიანის თვალი ხედავს. მასში შედის 400-დან 700 ნანომეტრამდე ტალღის სიგრძის ელექტრომაგნიტური გამოსხივება. მზისგან წამოსული ხილული სინათლის სხივები თეთრი ჩანს, მაგრამ ისინი რამდენიმე სხვადასხვა ტალღის სიგრძის (ანუ ფერის) სინათლისგან შედგება. ამ ფერების დანახვა მაშინაა შესაძლებელი, თუ სინათლის სხივი პრიზმაში გაივლის: ამ დროს სხვადასხვა ტალღის სიგრძის მქონე სინათლე სხვადასხვანაირად გარდატყდება, სინათლის სხივი იშლება და ცისარტყელა წარმოიქმნება. წითელ სინათლეს ყველაზე დიდი ტალღის სიგრძე აქვს და ყველაზე ნაკლები ენერგია, იისფერ სინათლეს კი - ყველაზე მოკლე ტალღის სიგრძე და ყველაზე მეტი ენერგია.
მიუხედავად იმისა, რომ სინათლე და ელექტრომაგნიტური გამოსხივების სხვა ფორმები ტალღების სახით ვრცელდება მრავალ გარემოში, მათ ნაწილაკების თვისებებიც აქვთ სხვა გარემოებების მოქმედებისას. ელექტრომაგნიტური გამოსხივების თითოეულ ნაწილაკს, ფოტონს, თავისი, განსაზღვრული რაოდენობის ენერგია აქვს. მოკლეტალღოვან გამოსხივებას მაღალენერგიული ფოტონები აქვს, გრძელტალღოვნს კი - დაბალენერგიული.

პიგმენტები სინათლეს შთანთქამენ ფოტოსინთეზის პროცესში

ფოტოსინთეზური ორგანიზმები ამ პროცესში მზის ენერგიას ქიმიურ ენერგიად გარდაქმნიან, თუმცაღა სხვადასხვა ტალღის სიგრძის მზის სინათლე თანაბრად არ გამოიყენება. ფოტოსინთეზურ ორგანიზმებს სპეციალური, სინათლის მშთანთქმელი მოლეკულები, პიგმენტები, აქვთ, რომლებიც ხილული სპექტრიდან მხოლოდ განსაზღვრული ტალღის სიგრძის სინათლეს შთანთქამენ, დანარჩენს კი აირეკლავენ.
პიგმენტების მიერ შთანთქმული, განსაზღვრული ტალღის სიგრძის მქონე სინათლის ერთობლიობას შთანთქმის სპექტრი ეწოდება. ქვედა დიაგრამაზე ფოტოსინთეზის სამი მთავარი პიგმენტის, a ქლოროფილის, b ქლოროფილისა და β-კაროტინის შთანთქმის სპექტრებია მოცემული. იმ განსაზღვრული ტალღის სიგრძის სინათლე, რაც არ შთაინთქმება, აირეკლება და ჩვენც სწორედ იმ ფერად ვხედავთ ობიექტს, რა ფერი სინათლეც აირეკლა. ასე მაგალითად, მცენარეებს მწვანედ იმიტომ ვხედავთ, რომ ისინი დიდი რაოდენობით შეიცავენ a და b ქლოროფილს, მოლეკულებს, რომლებიც სწორედ მწვანე სინათლეს აირეკლავენ.
თითოეული ფოტოსინთეტური პიგმენტი შთანთქავს გარკვეული ტალღის სიგრძეების სიმრავლეს — შთანთქმის სპექტრი აქვს. შთანთქმის სპექტრები შეგვიძლია გამოვსახოთ x ღერძზე ტალღის სიგრძით (ნმ), y ღერძზე კი შთანთქმული სინათლის დონით. ქლოროფილების შთანთქმის სპექტრი მოიცავს ცისფერისა და ნარინჯისფერი-წითელი სინათლის ტალღის სიგრძეებს, როგორც მათი პიკებიდან ჩანს, რომლებიც 450-475 ნმ-სა და 650-675 ნმ-ზეა. ქლოროფილი a ცოტათი განსხვავებულ სინათლის ტალღებს შთანთქავს, ვიდრე ქლოროფილი b. ქლოროფილები არ შთანთქავს მწვანე და ყვითელ ტალღის სიგრძეებს, რაც ჩანს სინათლის შთანთქმის ძალიან დაბალი დონით, დაახლოებით 500-დან 600 ნმ-მდე. β-კაროტინის (პიგმენტი კაროტენოიდი) შთანთქმის სპექტრი მოიცავს იისფერსა და ლურჯ-მწვანე სინათლეს, როგორც მისი პიკებიდან ჩანსს — 450 და 475 ნმ.
სხვადასხვა პიგმენტი სხვადასხვა ტალღის სიგრძის სინათლეს შთანთქამს ოპტიმალურად. მოდიფიცირებული სურათის წყაროა „ფოტოსინთეზის სინათლის ფაზის რეაქციები: სურათი 4," მფლობელი ოპენსტაქსის კოლეჯი, ბიოლოგია (CC BY 3,0)
ფოტოსინთეზური ორგანიზმების უმრავლესობა მრავალ სხვადასხვანაირ პიგმენტს შეიცავს, შესაბამისად, მრავალნაირი ტალღის სიგრძის სინათლის შთანთქმა შეუძლიათ. ამ სტატიაში მცენარეებისთვის მნიშვნელოვან პიგმენტთა ორ ჯგუფზე ვისაუბრებთ: ქლოროფილსა და კაროტინოიდებზე.

ქლოროფილები

ქლოროფილის ხუთი ძირითადი სახე არსებობს: a, b, c, d ქლოროფილები და მათი მონათესავე მოლეკულა, რომელიც პროკარიოტებში გვხვდება, ბაქტერიოქლოროფილი. მცენარეებში ქლოროფილი a და ქლოროფილი b ძირითადი ფოტოსინთეზური პიგმენტებია. ქლოროფილის მოლეკულები ლურჯ და წითელ სინათლეს შთანთქამენ, რაც ზედა დიაგრამაზეც ჩანს შთანთქმის სპექტრის უმაღლესი წერტილების სახით.
სტრუქტურულად ქლოროფილის მოლეკულა შედგება ჰიდროფობური („წყლის მოშიში") კუდისგან, რომელიც თილაკოიდურ მემბრანაშია ჩაშენებული, და თავის - პორფირინის რგოლისგან (მაგნიუმის იონის გარშემო წრეზე განლაგებულ ატომთა ჯგუფი) - რომელიც სინათლეს შთანთქამსstart superscript, 1, end superscript.
a ქლოროფილის მოლეკულა, რომელიც შედგება თილაკოიდურ მემბრანაში ჩაშენებული ჰიდროფობური კუდისგან და პორფირინის თავისგან, რომელიც სინათლის ენერგიას შთანთქამს.
მოდიფიცირებული სურათის წყაროა „Chlorophyll-a-2D-skeletal," ავტორი ბენ მილსი (საჯარო დომენი)
a და b ქლოროფილი, ორივე შთანთქამს სინათლეს, თუმცაღა a-ს განსაკუთრებული და უმნიშვნელოვანესი როლი ეკისრება სინათლის ენერგიის ქიმიურად გარდაქმნაში (რაზეც ვისაუბრებთ სტატიაში სინათლეზე დამოკიდებულ რეაქციებზე). ყველა ფოტოსინთეზური მცენარე, წყალმცენარე და ციანობაქტერია შეიცავს a ქლოროფილს, b ქლოროფილს კი მხოლოდ მწვანე მცენარეები და წყალმცენარეები შეიცავენ, ზოგი სახის ციანობაქტერიასთან ერთადstart superscript, 2, comma, 3, end superscript.
იმის გამო, რომ a ქლოროფილს უმთავრესი ფუნქცია ეკისრება ფოტოსინთეზში, მის გარდა სხვა ყველა პიგმენტს დამატებითი პიგმენტები ეწოდება - მათ შორის, სხვა ქლოროფილებსა და პიგმენტების სხვა კლასს, კაროტინოიდებსაც. დამატებითი პიგმენტების წყალობით უფრო მეტი, განსხვავებული ტალღის სიგრძის სინათლისა და, შესაბამისად, ენერგიის შთანთქმა შეიძლება მზიდან.

კაროტინოიდები

კაროტინოიდები პიგმენტების კიდევ ერთი ძირითადი ჯგუფია, რომელიც იისფერ და ლურჯ-მწვანე სინათლეს შთანთქამს (იხ. სპექტრი ზედა დიაგრამაზე). ხასხასა კაროტინოიდები, რომლებიც მცენარეებში გვხვდება და მათ ფერს განაპირობებს - მაგალითად, პომიდვრის სიწითლეს (ლიკოპენი), სიმინდის მარცვლების სიყვითლეს (ზეაქსანთინი) ან ფორთოხლის ქერქის ფერს (β-კაროტინი) - ხშირად „რეკლამებად" გამოიყენება ამ მცენარეების მიერ, ანუ იმ ცხოველების მისაზიდად, რომლებიც შემდეგ მათ თესლს ავრცელებენ გარემოში.
ფოტოსინთეზში კაროტინოიდები სინათლის შთანთქმაში მონაწილეობენ, მაგრამ მათ კიდევ ერთი მნიშვნელოვანი ფუნქცია აქვთ: ზედმეტი სინათლის ენერგიის თავიდან მოშორება. შუაგულ მზეზე მყოფი ფოთლისკენ დიდი რაოდენობით ენერგიაა მიმართული, რომელსაც, თუ რამე არ მოუხერხა მცენარემ, ფოტოსინთეზის მექანიზმის დაზიანება შეუძლია. ქლოროპლასტებში არსებული კაროტინოიდები ჭარბ ენერგიას შთანთქამენ და მას სითბოს სახით გამოათავისუფლებენ.

რას ნიშნავს პიგმენტის მიერ სინათლის შთანთქმა?

როცა პიგმენტი სინათლის ფოტონს შთანთქამს, იგი აიგზნება ანუ ზედმეტ ენერგიას იღებს და თავის ნორმალურ, ძირითად მდგომარეობაში აღარ იმყოფება. სუბატომურ დონეზე თუ განვიხილავთ, აგზნება ნიშნავს ელექტრონის უფრო მაღალენერგეტიკულ, ბირთვიდან უფრო შორს მდებარე ორბიტალზე გადახტომას.
პიგმენტის აგზნება მხოლოდ იმ ფოტონს შეუძლია, რომელსაც ზუსტად იმდენი ენერგია აქვს, რამდენიც ელექტრონის სხვა ორბიტალზე გადახტუნებას ესაჭიროება. მეტიც, სწორედ ეს განაპირობებს პიგმენტების მიერ სხვადასხვა ტალღის სიგრძის მქონე სინათლის შთანთქმას: ორბიტალებს შორის არსებული „ენერგეტიკული" ნაპრალები სხვადასხვაა „ზომისაა" ყველა პიგმენტში. ანუ ყველა ნაპრალზე გადახტომას ზუსტად ამ ნაპრალის შესაბამისი ენერგიის მიწოდება ესაჭიროება, ზუსტად ამდენი ენერგიის მატარებელი ფოტონისგან.
როცა პიგმენტის მოლეკულა სინათლეს შთანთქამს, იგი ძირითადი მდგომარეობიდან აგზნებულში გადადის. ეს იმას ნიშნავს, რომ ელექტრონი უფრო მაღალენერგეტიკულ (ბირთვიდან უფრო შორს მდებარე) ორბიტალზე გადახტება.
აგზნებული პიგმენტი არასტაბილურია და სტაბილურობის მოსაპოვებლად მას რამდენიმე გზა აქვს. მაგალითად, მას შეუძლია, ჭარბი ენერგია ან თავისი აგზნებული ელექტრონი მეზობელ მოლეკულას გადასცეს. შემდეგ სექციაში, სინათლეზე დამოკიდებული რეაქციები, განვიხილავთ, როგორ ხდება ეს ორივე პროცესი.