Fotosintezė - vienas svarbiausių gamtoje vykstančių procesų, be kurio negalėtų augti augalai, o be jų būtų visai mažai gyvūnų. Augalams, kaip ir kitiems gyviems organizmams, reikia energijos, kad išliktų gyvi. Bet užuot gavę energiją iš maisto, jie gauna ją tiesiogiai iš Saulės šviesos. Šis procesas vadinamas fotosinteze, tai reiškia „sujungimas per šviesą“. Fotosintezės metu augalas savo lapais sugauna šviesos energiją ir panaudoja ją cukrui (kuris vadinamas gliukoze) gaminti iš vandens ir anglies dioksido.
Fotosintezė ir šviesa
Kadangi fotosintezė yra vienos rūšies energijos virsmas kitos rūšies energija, t.y. Saulės radiaciją galima apibūdinti dviem dydžiais - energijos kiekiu ir bangos ilgiu. Elektromagnetinis spektras suskirstytas pagal bangos ilgį: trumpiausios bangos - gama spinduliai, o ilgiausios - radijo bangos. Fotonų turima energija yra atvirkščiai proporcinga spinduliuojamos bangos ilgiui. Fotosintezei panaudojama tik dalis viso elektromagnetinio spektro - regimoji šviesa. Regimoji, arba dienos, šviesa yra įvairaus ilgio bangų spinduliavimas, kuriai praėjus pro prizmę (arba lietaus lašelius) matyti įvairaus ilgio bangos ir skirtingų spalvų šviesa.
Pirmoji reakcijų grandinė vadinama nuo šviesos priklausančiomis reakcijomis, nes jos negali vykti be šviesos ir nepriklauso nuo temperatūros. Nuo šviesos priklausančios reakcijos vyksta tilakoiduose, kur yra chlorofilo bei karotinoidų. Šie pigmentai sugeria violetinę, mėlyną ir raudoną šviesą geriau negu kito bangos ilgio šviesas. Pigmentai šviesą gali sugerti, atspindėti arba perduoti vienas kitam. Vienas chlorofilas atrodo mėlynai žalias, o kitas - geltonai žalias, nes šių spalvų jie nesugeria, tik atspindi. Atspindėtą šviesą mes ir matome. Dėl tos pačios priežasties karotinoidai mums atrodo įvairių geltonų ir oranžinių atspalvių. Nuo šviesos priklausančios reakcijos - tai šviesos energijos sugėrimo reakcijos. Jų metu tilakoidų membranų pigmentų sugerta energija panaudojama nedaug energijos turintiems H2O molekulės elektronams sužadinti ir atimti. Taigi nuo šviesos priklausančių reakcijų metu sintetinami angliavandeniai.
Fotosintezės procesas
Fotosintezės metu lapai sugeria Saulės šviesą. Be to, jie siurbia šaknimis vandenį ir ima iš oro anglies dioksidą. Saulės energiją lapai naudoja vandeniliui ir anglies dioksidui paversti gliukoze. Kaip šalutinis produktas išsiskiria deguonis, o gliukozė išnešiojama po visą augalą. Šis pigmentas būtinas fotosintezei. Jis sugeria saulės šviesos energiją ir paverčia ją chemine energija. Nors saulės šviesa susideda iš įvairių spalvų mišinio, chlorofilas sugeria daugiausiai raudoną, mėlyną ir violetinę spalvą. Kiti augalų pigmentai, tokie kaip geltonos arba oranžinės spalvos karotinoidai, sugeria violetinės, mėlynos ir žalios spektro dalies šviesą. Šie pigmentai gerai matomi rudenį prieš nukrentant lapams, kai chlorofilas suskyla.
Daugumoje augalų fotosintezė vyksta lapuose. Lapai paprastai būna atgręžti į Saulę ir išsidėstę taip, kad neuždengtų vienas kito ir neužstotų Saulės šviesos. Kai kurie medžiai turi daugiau kaip milijoną lapų. Lapai sudaryti iš kelių ląstelių rūšių. Pačiame viršuje yra apsauginis skaidrių ląstelių sluoksnis, vadinamas epidermiu. Žemiau šio sluoksnio pailgų statinių (polisacharidų) ląstelių sluoksnis. Jame gausu žalių chloroplastų, kuriuose vyksta fotosintezė. Žemiau statinių ląstelių yra laisvai išsidėsčiusios puriosios ląstelės, tarp kurių yra daug oro ertmių, kurios jungiasi su žiotelėmis apatinėje lapo pusėje. Gyslose esantys apytakiniai indai gabena vandenį į augalo ląsteles ir paima gliukozę.
Taip pat skaitykite: Kaip temperatūra veikia fotosintezę?
Fotosintezė vyksta mažytėse struktūrose, kurios vadinamos chloroplastais. Juose yra krūvelės membranų, kurios tarsi saulės kolektoriai. Šių membranų paviršiuje telkiasi chlorofilas. Dviguba chloroplasto membrana gaubia didelę centrinę sritį vadinama stroma. Stroma - tai tirpalas su daugybe fermentų. Stromos viduje esančios membranos suformuoja plokščius maišelius, vadinamus tilakoidais. Jie tam tikrose vietose sukrauti vienas ant kito į krūveles vadinamomis granomis. Tilakoidų membranose aptinkama chlorofilo ir kitų pigmentų.
Kiti organizmai, vykdantys fotosintezę
Augalai - nevieninteliai gyvi organizmai, vykdantys fotosintezę. Nemažai bakterijų irgi gaminasi maistą tokiu būdu. Svarbiausios iš šių paprastų gyvybės formų vadinamos cianobakterijomis. Iš į bakterijas panašių organizmų prieš milijonus metų išsivystė augalų chloroplastai. Jūrose cianobakterijos ir mikroskopiniai dumbliai sudaro daugybę srovės nešiojamų gyvų organizmų, vadinamu fitoplanktonu, kuris aprūpina maistu beveik visus jūrų gyvūnus. Šioje dirbtinio Žemės palydovo fotografijoje matyti gausybė fitoplanktono Atlanto vandenyne. Tos sritys, kur fitoplanktono daugiausia, yra raudonos arba geltonos spalvos, o kur jo mažiausia - rožinės spalvos.
Anglies dioksido patekimas į lapus
Anglies dioksidas į augalo lapus patenka pro mikroskopines angeles, vadinamas žiotelėmis. Žiotelės taip pat reguliuoja prarandamo vandens kiekį. Dienos šviesoje žiotelės pilnai atsiveria ir leidžia vandeniui garuoti. Šis vandens netekimas sukuria siurbiamąją jėgą, kuri padeda pritraukti aukštyn daugiau vandens iš šaknų. Vanduo keliauja stiebu ir lapų gyslomis oro nepraleidžiamais vamzdeliais, kurie vadinami medienos indais. Šis procesas, vadinamas trancpiracija, leidžia augalui paimti iš dirvožemio gyvybiškai svarbias maisto medžiagas.
Gliukozės transportavimas
Fotosintezės metu pagaminama gliukozė turi būti išnešiota po visą augalą. Bet prieš tai gliukozė paverčiama cukrumi, kuris vadinamas sacharoze. Tada sacharozė išnešiojama po visą augalą, kurios išsidėsčiusios karnienos induose. Augalai vartoja gliukozę kaip energijos šaltinį, tačiau jie taip pat geba paversti ją kitomis medžiagomis. Viena iš svarbiausių šių medžiagų yra celiuliozė iš kurios statomos augalinių ląstelių sienelės. Kita medžiaga yra krakmolas; tai sėklų maisto atsargos. Skirtingai nuo gliukozės, šių medžiagų ląstelės labai didelės, dėl to jos sunkiai tirpsta.
Laboratoriniai tyrimai
Šviesos intensyvumo įtaką fotosintezės greičiui galima tirti laboratoriniais metodais.
Taip pat skaitykite: Tyrimas: Fotosintezė ir šviesos intensyvumas
Bandymas su elodėja
Vienas iš bandymų, skirtų įvertinti fotosintezės reakcijos greičio priklausomybę nuo šviesos intensyvumo, atliekamas su elodėja.
Priemonės ir medžiagos:
- Elodėjos šakelė
- Vanduo
- Geriamoji soda
- Cilindro formos stiklinė
- Laikrodis
- Stalinė lempa
- Liniuotė
- Sąvaržėlė
- Skalpelis
Darbo eiga:
- Paimkite elodėjos šakelę, nuplaukite jos viršūnę, prie kito stiebo galo pritvirtinkite sąvaržėlę.
- Supilkite 0,1 % geriamosios sodos tirpalą į stiklinaitę ir pamerkite šakelę.
- Stiklinaitę pastatykite per 30cm nuo lempos ir skaičiuokite, kiek dujų burbuliukų išsiskiria iš elodėjos per minutę. Kad rezultatai būtų tikslesni, tą patį darykite iš eilės tris kartus ir apskaičiuokite vidurkį.
- Stiklinę pastatykite per 20cm nuo lempos ir vėl tris kartus skaičiuokite dujų burbuliukus.
- Bandymą kartokite stiklinę su šakele pastatę per 10cm nuo lempos.
Jeigu tyrimas atliekamas be klaidų, duomenys rodo teigiamą stiprėjančios šviesos poveikį fotosintezės greičiui: šviesai stiprėjant, jis didėja, bet iki tam tikros ribos. Kuo didesnis šviesos intensyvumas, tuo greičiau vyksta fotosintezė.
Kitas bandymas su elodėja:
Ją pastatome prie lempos 10cm atstumu, skaičiuojame, kiek dujų burbuliukų išsiskiria iš elodėjos tarpuląsčių per laiko vienetą, pavyzdžiui, per 1 minutę. Skaičiuojame 3 kartus ir išvedame vidurkį, kad būtų tiksliau. Stiklinaitę stumiame toliau nuo lempos ties 20cm liniuotės padala ir vėl skaičiuojame dujų burbuliukus 3 kartus. Bandyma tęsiame tol, kol stiklinę su elodėja nutolinsime nuo lempos ties liniuotės galu. Tiriant šviesos poveikį fotosintezės intensyvumui, svarbu, kad nesikeistų CO2koncentracija vandenyje ir vandens temperatūra.
Krakmolo susidarymo tyrimas
Kitas eksperimentas skirtas įrodyti, kad fotosintezei vykti reikalinga šviesa, o jos metu susidaro krakmolas. Juodame voke iškirpome apskritimą, uždėjome jį ant pelargonijos lapo. Po to, gėlę įdėjome į tamsią spintą, kad visiškai sustabdytume fotosintezės veikimą, ir palaikėme dvi paras. Lapą nuskynėme ir įdėjome į mėgintuvėlį, užpylėme spiritu ir kaitinome ant spiritinės lemputės. Po to, lapą nuplovėme vandeniu ir užpylėme jodo tirpalu. Užpilus jodo, ten kur vyko fotosintezė susidarė krakmolas, lapas nusidažė tamsia (violetine) spalva.
Chlorofilo kiekio nustatymas
Balandžio 17 dieną mūsų gimnazijos II-IV klasių moksleiviai kartu su mokytojomis E. Verkovska ir M. Mozžuchina lankėsi Vilniaus universiteto Biologijos didaktikos centre „BioEduLab“, esančiame VU Gyvybės mokslų centre. Moksleiviai dalyvavo Vilniaus STEAM centro organizuotoje veikloje „Chlorofilo kiekio augalų lapuose palyginimas“. Biofizikos laboratorijoje jie atliko praktinį darbą, kurio metu tyrė augalų pigmentus, ypač chlorofilą, naudodami šviesos sugerties principus. Pagrindinis tyrimo tikslas buvo nustatyti, kaip augalų pigmentai sugeria šviesą skirtinguose bangos ilgiuose ir kaip šiuos duomenis galima analizuoti taikant tiesinį modelį. Laboratorinio darbo metu buvo taikoma spektrofotometrija - metodas, leidžiantis matuoti šviesos intensyvumo pokyčius pereinant per mėginį. Analizuojant sugerties spektrą, buvo nustatytos specifinės bangos ilgių sritys, kuriose pigmentai, tokie kaip chlorofilas a ir chlorofilas b, pasižymi didžiausiu šviesos sugėrimu. Gauti duomenys buvo interpretuojami taikant tiesinės regresijos modelį. Buvo sudaryta tiesės lygtis, apibūdinanti sugerties ir pigmento koncentracijos priklausomybę. Tai leido ne tik vizualizuoti duomenis, bet ir matematiškai įvertinti sąsajas tarp šviesos sugerties bei pigmentų kiekio mėginyje. Šis laboratorinis darbas padėjo moksleiviams geriau suprasti augalų fotosintezės procesus, pigmentų vaidmenį bei šviesos energijos transformaciją į cheminę energiją. Tai taip pat buvo puiki galimybė pritaikyti biofizikos žinias praktikoje ir susipažinti su šiuolaikiniais analitiniais metodais.
Taip pat skaitykite: Fotosintezė ir augalų augimas
Fotosintezės svarba
Jei kartais atsitiktų taip, kad Saulė užgestų - mūsų Žemėje visa gyvybė, pradedant augalais, pradėtų sparčiai nykti. Nevyks fotosintezė - išnyks augalai, išnyks augalai - išnyks ir žolėdžiai gyvūnai, o po to ir plėšrūnai, tame tarpe ir mes - žmonės. Žemėje neliks nieko - tik griuvėsiai.
tags: #fotosintezes #priklausomybe #nuo #sviesos