Өсімдіктер көбінесе арзан бағамен солнечный свет ” запасенную химиялық энергияға екі кезеңнен тұрады: алдымен олар танып біледі энергия күн сәулесінің, содан кейін пайдаланады, оны байланыстыру үшін көміртек білімі бар органикалық молекулалардың.

Жасыл өсімдіктер — биология деп атайды, олардың автотрофами — өмір негізі планетада. Өсімдіктерден басталып, іс жүзінде барлық азық-түлік тізбектері. Олар көбінесе арзан бағамен энергиясын, падающую оларға нысанында күн сәулесінің, энергия, запасенную ” углеводах (қараңыз Биологиялық молекулалар), олардың бәрінен маңызды шестиуглеродный қант глюкоза. Бұл процесс энергиясын түрлендіру деп аталады фотосинтезом. Басқа да тірі организмдер қол жеткізе алады, бұл энергияның, поедая өсімдіктер. Осылайша құрылады азық-түлік тізбегі, демеуші планетарную экожүйеге.

Сонымен қатар, ауа, біз дем арқасында фотосинтезу насыщается оттегі. Жиынтық теңдеуі фотосинтез былай көрінеді:

су + көмірқышқыл газ + жарық —> көмірсулар + оттегі

Өсімдіктер көмірқышқыл газын сіңіреді пайда болған кезде тыныс алу, оттегін бөледі өнім — өсімдіктердің тіршілік (қараңыз: Гликолиз және тыныс алу). Оның үстіне, фотосинтез маңызды рөл круговороте көміртек табиғатта.

Меніңше тамаша, бұл барлық маңызды фотосинтез ғалымдар ұзақ емес приступали, оны зерделеу. Кейін эксперимент Ван-Гельмонта қойылған XVII ғасырда келді тыныш, тек 1905 жылы ағылшын физиолог өсімдіктер Фредерик Блэкман (Frederick Blackman, 1866-1947) зерттеулер жүргізді және мынаны анықтады негізгі процестер фотосинтез. Ол көрсеткендей, фотосинтез кезінде басталады әлсіз жарықта, бұл фотосинтез жылдамдығы артады артуына байланысты жарық ағынының, бірақ бастап белгілі бір деңгейін одан әрі күшейту жарық емес әкеледі белсенділігін арттыру, фотосинтез. Блэкман көрсеткендей, арттыру температура кезінде әлсіз жарықта әсер етпейді жылдамдығы фотосинтез, бірақ бір мезгілде арттыру кезінде температура мен жарық жылдамдығы фотосинтез артады айтарлықтай көп жағдайда бір ғана жарықтандыруды күшейту.

Негізінде осы эксперименттер Блэкман деді, бұл орын екі процесс: олардың бірі едәуір дәрежеде тәуелді деңгейін жарықтандыру, бірақ температураға, ал екінші қатты айқындалады температурасы деңгейіне қарамастан жарық. Бұл озарение елдерімізге түсті негізіне қазіргі заманғы түсініктер туралы фотосинтезе. Екі процесс, кейде деп аталады “жарық” және “темновой” реакциясы, бұл емес, әбден дұрыс, өйткені бұл, дегенмен реакция “темновой” фаза жүреді болмаған жағдайда да жарық, олар үшін қажет азық-түлік “жарық” фаза.

Фотосинтез басталады деп излучаемые күн фотоны ұшырайды ерекше пигментті молекулалары орналасқан парақта, — молекулалар хлорофилла. Хлорофилл бар жасушаларында парағының, мембранах жасушалық органелл хлоропластов (олар мән береді парағына жасыл бояу). Процесі ұстау энергиясын екі кезеңнен тұрады және жүзеге асырылады бөлек кластерде молекулалардың — бұл кластерлер деп атайды Фотосистемой I және Фотосистемой II. Нөмірі кластерлерді тәртібін бейнелейді, онда бұл процестер ашылды, және бұл бір қызықты ғылыми странностей, өйткені парағына алдымен орын реакциялар Фотосистеме II, және содан кейін ғана — Фотосистеме I.

Кезде фотон бетпе-бет келеді 250-400 молекулалар Фотосистемы II, энергия скачкообразно артады және беріледі молекула бар хлорофилла. Осы сәтте болып жатқан екі химиялық реакциялар: молекуласы хлорофилла жоғалтады екі электрона (олар қабылдайды басқа молекуласы, ол акцептором электрондар) және расщепляется молекуласы су. Электрондар екі атомдар сутегі, кірген және молекула бар су өтейді екі жоғалған хлорофиллом электрона.

Осыдан кейін высокоэнергетический (“жылдам”) электрон перекидывают бір-бірімізге ыстық картофелину бір тізбекке жиналған молекулалық тасымалдаушылары. Бұл ретте бөлігі энергиясын жүріп, білім молекулалар аденозинтрифосфата (АТФ), негізгі таратушылар клеткадағы энергия (қараңыз Биологиялық молекулалар). Дегенмен сәл басқа молекуласы хлорофилла Фотосистемы I жұтып энергиясын фотон мен электрон береді басқа молекуласындағы-акцептору. Бұл электрон замещается ” хлорофилле электрондық келген тізбегі бойынша тасымалдаушы бірі Фотосистемы II. Энергия электрона бірі Фотосистемы I және сутегі иондары пайда болған кезінде бұрын расщеплении молекулалары су жұмсалады білімі НАДФ-Н, басқа молекулалар-переносчика.

Нәтижесінде процесті ұстау жарық энергиясы екі фотондар запасается ” молекулах пайдаланылатын торымен жүзеге асыру үшін реакциялар, және қосымша құрылады бір молекуласы оттегінің. (Айта кету керек, нәтижесінде тағы бір айтарлықтай кем тиімді процесін қатысуымен бір ғана Фотосистемы I, сондай-ақ түзілетін АТФ молекулалары.) Кейін күн энергиясы поглощена және запасена, кезегі білім беру көмірсулар. Негізгі механизм синтездеу көмірсулар өсімдіктер ашылды Мелвином Калвином, проделавшим 1940-шы жылдары эксперименттер сериясын болған қазірдің өзінде классикалық. Калвин және оның қызметкерлері зардап балдыры қатысуымен көмірқышқыл газ, құрамында радиоактивті көміртек-14. Оларға орнатуға сәтті химиялық реакциялар темновой фазаның прерывая фотосинтез түрлі сатыларында.

Цикл айналдыру күн энергиясының көмірсулар деп аталатын цикл Калвина — сходен Кребс циклі бар (қараңыз Гликолиз және тыныс алу): ол да тұрады сериясы химиялық реакциялар, олар басталады қосылыстар кіретін молекулалар бастап молекула-“көмекшісі”, кейіннен инициацией басқа да химиялық реакциялар. Бұл реакциялар құруға әкеледі түпкілікті өнім және бір мезгілде талқылап молекула бар-“көмекшісі”, және цикл қайтадан басталады. Цикл Калвина рөлі мұндай молекулалар-“көмекшісі” орындайды пятиуглеродный қант рибулозодифосфат (РДФ). Цикл Калвина басталады, сонымен қатар көмірқышқыл газының молекулалары қосылады РДФ. Энергиясы есебінен күн сәулесінің, запасенной түрінде АТФ және НАДФ-H, әуелі болып жатқан химиялық реакциялар байланыстыру көміртек білімі бар көмірсулар, содан кейін — реакция қайта құру рибулозодифосфата. Алты витках циклінің алты атомынан енгізіледі молекулалар предшественников глюкоза мен басқа да көмірсулардың. Бұл цикл химиялық реакциялардың жалғасады болғанша түседі энергия. Осының арқасында циклі энергия күн сәулесінің жетімді тірі ағзаларға.

Көптеген өсімдіктер жүзеге асырылады жоғарыда сипатталған цикл Калвина, онда көмір қышқыл газы, тікелей реакцияларына қатыса отырып, байланыстырылады рибулозодифосфатом. Бұл өсімдіктер деп аталады C3-өсімдіктер, өйткені “кешені, көмір қышқыл газы—рибулозодифосфат” расщепляется екі молекулалар аз мөлшерін, олардың әрқайсысы үш атомынан. Кейбір өсімдіктер (мысалы, жүгері мен қант құрағы, сондай-ақ көптеген тропикалық шөптерді қоса алғанда, арамшөп жатаған) цикл бойынша жүзеге асырылады басқаша. Өйткені, көмірқышқыл газы қалыпты енеді тесік арқылы үстіңгі парағының деп аталатын устьицами. Жоғары температурада устьица жабылады, қорғап өсімдік шамадан тыс ылғал жоғалуынан. “C3-өсімдіктер жабық устьицах тоқтатылады және көмірқышқыл газының түсуі әкеледі бәсеңдеуіне фотосинтез және өзгерту фотосинтетических реакциялар. Егер жүгері көмірқышқыл газы қосылады трехуглеродной молекуласындағы бетінде парақ, содан кейін көшіріледі ішкі учаскелері парағының, көмірқышқыл газы босатылып басталады цикл Калвина. Осының арқасында өте күрделі процесс фотосинтез у жүгері жүзеге асырылады, тіпті өте ыстық, құрғақ ауа райында. Өсімдіктер жүргізілетін мұндай процесс, біз деп атаймыз С4-өсімдіктерге, өйткені көмір қышқыл газы, цикл басында тасымалданады құрамында четырехуглеродной молекулалар. C3-өсімдіктер — бұл, негізінен, өсімдіктер қоңыржай климатты , ал С4-өсімдіктер негізінен произрастают в тропиках.

Гипотеза Ван Ниля

Фотосинтез процесі сипатталады мынадай химиялық реакция:

СО2 + Н2О + жарық —> көмірсу + О2

XX ғасырдың басында болып саналды, оттегі бөлінетін барысында фотосинтез, нәтижесінде қалыптасады ыдырату көмірқышқыл газ. Бұл көзқарасты жоққа шығарды 1930-шы жылдары Корнелис Бернардус Ван Ниль (Van Niel, 1897-1986), аспирант стэнфорд университетінің Калифорния штатында. Ол зерттеумен айналысып, күлгін серобактерии (фото), ол қажет жүзеге асыру үшін фотосинтез ” сероводороде (H2S) бөледі жанама өнім ретінде тіршілік атомарную күкірт. Мұндай бактериялардың фотосинтез теңдеу мынадай: СО2 + Н2Ѕ + жарық —> көмірсу + 2S.

Негізге ала отырып, ұқсастық, осы екі процестер, Ван Ниль бұл ұсынды, әдеттегі фотосинтезе оттегінің көзі болып табылады көмірқышқыл газы, су, өйткені серобактерий, метаболизмі, олардың орнына оттегі қатысады күкірт, фотосинтез қайтарады, бұл күкірт табылатын жанама өнімі реакциялар фотосинтез. Қазіргі заманғы егжей-тегжейлі түсініктеме фотосинтез растайды бұл догадку: бірінші сатысы фотосинтез процесінің (жүзеге асырылатын Фотосистеме II) болып табылады расщепление молекулалары су.

Мелвин КАЛВИН

Melvin Calvin, 1911-97

Американдық биолог. Дүниеге келген Сент-Пол штаты, Миннесота, отбасында шыққан. 1931 жылы бакалавр дәрежесін химия Мичиганском колледжінде тау-кен ісі және технологиялар”, ал 1935 жылы — дәрежесін химия университетінде Миннесота штатының. Екі жылдан кейін Калвин жұмыс істей бастады Калифорния университетінің Беркли және 1948 жылы профессор болды; осыдан бір жыл директоры болып тағайындалды бөлімінің биоорганики Радиациялық зертханасының Лоренс Беркли, онда пайдаланылатын технологиялық жетістіктер әскери зерттеулер Екінші дүниежүзілік соғыс кезіндегі, мысалы жаңа әдістері хроматография, зерделеу үшін темновой фазасы фотосинтез. 1961 жылы Калвин ие болды-Нобель сыйлығының химия саласы бойынша.