Фотосинтез: Что, где, как и почему?
Введение
Что такое фотосинтез? Для многих это нечто такое, о чем мы узнали или услышали, но подробности с годами ускользают от нас. Поэтому мы решили, что будет полезно рассмотреть основные моменты и терминологию этого удивительного процесса.
Некоторая биохимия неизбежна, но мы будем придерживаться простой и понятной схемы. Вот темы:
- Что такое фотосинтез?
- Где происходит фотосинтез?
- Как происходит фотосинтез?
- Почему важен фотосинтез?
Мы надеемся, что к концу этой статьи вы будете уметь кратко излагать суть фотосинтеза как профессионал.
Рис. 1
Что такое фотосинтез?
Как известно, фотосинтез — это процесс, в ходе которого растения используют энергию света для получения «сахаров«.
В конечном итоге растение использует эти сахара в качестве энергии, необходимой для многих метаболических целей, таких как рост стебля, образование листьев, цветение и плодоношение.
Рис 2
Где происходит фотосинтез?
Для зеленых растений фотосинтез будет происходить в «зеленых» частях растения, а именно в листьях.
Посмотрите, пожалуйста, на рисунок 4.
- Листья состоят из растительных клеток, окруженных внешней границей.
- Внутри клетки листа находятся более мелкие бобовидные объекты, называемые хлоропластами.
- Внутри хлоропласта находятся сложенные в стопку блинообразные объекты, называемые тилакоидами.
- Тилакоиды имеют внешнюю мембрану — внутри этой мембраны происходит первая часть фотосинтеза.
Рис. 3 (Albert Melu на Unsplash)
Рис. 4 — Где происходит фотосинтез.
Как происходит фотосинтез?
Фотосинтез можно представить как небольшую фабрику по производству сахара. Завод нуждается в таких ресурсах, как энергия и материалы.
В нашей фабрике фотосинтеза лист использует энергию света, H2O (воду) и C02 (углекислый газ).
А на выходе получаются сахар и кислород. Сахар возвращается в растение для обмена веществ. Кислород выводится из организма в виде жизненно важных отходов, которые превращаются в воздух, которым мы дышим.
Рис. 5 — Фотосинтез как фабрика
Рис. 6 — Входы и выходы фотосинтеза
История двух заводов
Фактически фотосинтез осуществляется на двух фабриках — световых реакциях и цикле Кальвина.
Сначала мы рассмотрим световые реакции в тилакоидной мембране. Цель этой фабрики — переработка световой энергии в более удобную для использования форму.
Рис. 7 — Две фабрики фотосинтеза.
Фабрика световых реакций — ВХОДЫ
На рис. 9 показан свет, поступающий в нашу систему. Также можно увидеть ввод воды в систему. И вы можете видеть, как кислород выходит из системы.
Рис. 8 — Тилакоид
Рис. 9 — Входы световых реакций
Световые реакции — накопление энергии
На рис. 11 (красные кружки) энергия света преобразуется в H+ и e- в процессе, называемом транспортом электронов. Они представляют собой энергию или электричество, которые накапливаются в процессе обработки.
Также на рис. 11 (синие кружки) показаны выходы процесса — АТФ и NADPH. Они представляют собой временные запасы энергии (аккумуляторы), используемые для второго этапа фотосинтеза. Таким образом, первая часть фотосинтеза направлена на создание запасов энергии, которые будут использованы во второй части.
Рис. 10 — Тилакоид
Рис 11 — Световые реакции — накопление энергии
Вторая фабрика фотосинтеза — цикл Кальвина
На втором этапе происходит синтез сахара — он называется циклом Кальвина, по имени известного биохимика Мелвина Кальвина.
На рис. 13 показано, что АТФ и NADPH, образующиеся в процессе световой реакции, используются в качестве исходных веществ для цикла Кальвина (буквы E и D).
Следует также отметить, что диоксид углерода также используется в цикле Кальвина (букв. F). Конечным продуктом является сахар 3 фосфоглицерат (букв. G).
Обратите внимание, что цикл Кальвина происходит непосредственно за пределами тилакоида в пространствах стромы хлоропласта.
Рис. 12 — Мелвин Кельвин
Рис. 13. Сказка о двух фабриках — цикл Кальвина. (2023, 5 сентября). В Википедии. https://en.wikipedia.org/wiki/Calvin_cycle
А как насчет хлорофилла?
Нам еще предстоит поговорить о хлорофилле — важнейшей молекуле, отвечающей за поглощение световой энергии.
Хлорофилл — это молекула пигмента, названная так потому, что она отражает цвет, придавая листьям зеленый вид. Остальные цвета поглощаются, особенно в синей и красной областях.
Рис. 14 — Молекула хлорофилла
Рис. 15 — Выращивание светильников
Если вернуться к производственной линии световых реакций в тилакоидной мембране, то можно заметить модуль PSII и PSI. Именно здесь находится хлорофилл.
PSII и PSI содержат два типа хлорофилла, а именно a и b. Оба типа хлорофилла поглощают синий и красный свет, поэтому лампы для выращивания обычно бывают синими и красными.
Однако растения наиболее чувствительны к красному свету. PSII наиболее эффективно поглощает красный свет при 680 нм, а PSI наиболее эффективно поглощает красный свет при 700 нм, который можно назвать дальним красным светом. В основном это касается хлорфилла-а.
Рис. 16 — Хлорофилл в PSII и PSI
Что такое световая энергия?
Свет содержит энергию, которая обеспечивает всю фотосинтетическую деятельность. Когда вы думаете о световой энергии, вы можете рассматривать ее с двух точек зрения — свет как частицы и свет как волны — это двойственная природа света.
Рис. 17 — Спектр от спектрометра
Свет как частицы
Если рассматривать свет как частицу, то можно представить себе капельки света, падающие на лист. Эти капли называются фотонами.
Рис. 20 — Свет как частицы
Если увеличить яркость или интенсивность света, то число фотонов увеличится, и энергия возрастет.
Рис. 18 — Яркость или интенсивность
Свет как волны
Когда вы думаете о свете как о волнах, вы должны думать о цветах. И мы обозначаем цвет в терминах длин волн.
Более высокочастотные волны стремятся к синему спектру и обладают большей энергией, а более низкочастотные — к красному и обладают меньшей энергией.
Рис. 21 — Цвет, длина волны и энергия
Фотон имеет соответствующую длину волны
Каждый фотон света будет иметь соответствующую длину волны. Таким образом, у вас будут синие фотоны, красные фотоны, зеленые фотоны, желтые фотоны и т.д. Синие фотоны будут обладать большей энергией, чем красные.
PSII поглощает синие фотоны в качестве очень высокого источника энергии для производства NADPH и АТФ. Большинство листьев, расположенных над пологом, получают достаточное для фотосинтеза количество синего света.
Однако листья под пологом все еще могут участвовать в фотосинтезе, потому что часть синего и красного света все еще проникает через листья. На самом деле, цветовой диапазон хлорофилла-a шире, чем хлорофилла-b, чтобы обеспечить максимально возможное поглощение света в тени.
Рис. 22 — Фотоны и длины волн
Использование спектрального PAR-метра для измерения световой энергии.
Вы можете использовать спектральный PAR-метр, чтобы увидеть световую энергию от ламп освещения или солнца.
На рис. 23 приведена спектральная диаграмма, на которой показаны длины волн фотонов и их интенсивности.
Мы видим обилие высокоэнергетических синих фотонов, которые может использовать PSII, однако синий цвет не соответствует оптимальному поглощению хлорофилла. По форме спектра можно определить, что это светодиодная лампа для выращивания — если это «динамическая» светодиодная лампа, то цвета должны быть скорректированы.
Рис. 23 — Фотоны и длины волн
Резюме
Фотосинтез — это процесс, с помощью которого растения производят сахар, жизненно важный элемент, используемый для многих метаболических функций. Этот процесс происходит глубоко в клетке растения, в месте, называемом тилакоидной мембраной. Это похоже на заводскую производственную линию с входами (свет, вода, CO2) и выходами (кислород и сахар).
Фотосинтез состоит из двух стадий — световой реакции и цикла Кальвина. На стадии световой реакции энергия света преобразуется в более полезную форму(АТФ и NADPH).
В цикле Кальвина из АТФ и NADPH синтезируются сахара для последующих метаболических процессов, таких как рост, цветение и плодоношение растений.
Фотосинтез — одно из чудес природы, и знание его основ дает фермерам уверенность в том, что они могут корректировать параметры и повышать продуктивность земледелия.
Но фотосинтез — это только половина истории о растущем свете. В следующей статье мы расскажем, как растения используют свет для роста, цветения и плодоношения.
Рис. 24 — Фотосинтез
PG200N Spectral PAR Meter
Измерение спектрального PAR позволяет фермерам и исследователям воспользоваться преимуществами экспертного освещения при настройке цветовых параметров для улучшения качества, сроков и количества производимой продукции.
серия справочников
Руководство по мерцанию
Все, что вам нужно знать о мерцании, коварном и потенциально серьезном световом артефакте, влияющем на визуальную безопасность в общественных местах, таких как больницы, офисы, библиотеки и т. д.
О УПОТЭКе
United Power Research and Technology
UPRtek (2010) - производитель портативных высокоточных приборов для измерения освещенности; ручных спектрометров, ПАР-метров, спектрорадиометров, светокалибровочных решений.
Штаб-квартира UPRtek, НИОКР и производство расположены за пределами Тайваня, с мировым представительством через наших сертифицированных глобальных реселлеров.
Последние статьи
Категория
Категория
