Įvadas
Fotosintezė yra vienas svarbiausių gamtoje vykstančių procesų. Be jos negalėtų augti augalai, o be jų būtų visai mažai gyvūnų. Šis procesas, kurio metu augalai tiesiogiai iš Saulės šviesos gauna energiją, yra būtinas gyvybei Žemėje palaikyti. Straipsnyje nagrinėjama, kaip temperatūra ir fotoperiodas veikia fotosintezę, augalų augimą ir metabolizmą, remiantis mokslinių tyrimų duomenimis.
Fotosintezės Esmė
Fotosintezės metu augalas savo lapais sugauna šviesos energiją ir panaudoja ją cukrui (gliukozei) gaminti iš vandens ir anglies dioksido. 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. Fotosintezė vyksta mažytėse struktūrose, kurios vadinamos chloroplastais. Chloroplastuose yra krūvelės membranų, kurios tarsi saulės kolektoriai. Šių membranų paviršiuje telkiasi chlorofilas.
Chloroplasto Sandara
Dviguba chloroplasto membrana gaubia didelę centrinę sritį, vadinamą stroma. Stroma - tai tirpalas su daugybe fermentų, kur CO2 pirmiausiai prijungiamas prie organinės molekulės, o paskui redukuojamas. Stromos viduje esančios membranos suformuoja plokščius maišelius, vadinamus tilakoidais. Jie tam tikrose vietose sukrauti vienas ant kito į krūveles, vadinamas granomis. Manoma, kad kiekvieno tilokoido ertmė jungiasi su visų tilakoidų ertmėmis, tad sudaro vieną bendrą uždarą sritį, vadinamą tilokoido ertme. Tilakoidų membranose aptinkama chlorofilo ir kitų pigmentų.
Fotosintezės Fazės
Fotosintezė tai reakcijų seka. 1905m. F. F. Blekmanas, tirdamas fotosintezės priklausomybę nuo temperatūros, padarė išvadą, kad yra dvi fotosintezės fazės. 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 chlorofilų bei karotinoidų. Šios reakcijos - tai šviesos energijos sugėrimo reakcijos. Jų metu tilakoidų membranų pigmentų sugerta energija panaudojama nedaug energijos turintiems H2O molekulės elektronams sužadinti ir atimti. Antroji reakcijų grandinė vadinama nuo šviesos nepriklausančiomis reakcijomis, nes jos gali vykti ir be šviesos. Fotosintezės antrosios fazės reakcijos vyksta chloroplasto stromoje. Šios reakcijos vadinamos nuo šviesos nepriklausančiomis reakcijomis, nes jos gali vykti ir šviesoje ir tamsoje. Taigi nuo šviesos priklausančių reakcijų metu sintetinami angliavandeniai.
Šviesos Energijos Sugėrimas
Kadangi fotosintezė yra vienos rūšies energijos virsmas kitos rūšies energija, t.y. Saulės radiaciją galima apibūdinti dviem dydžiais - energijos kiekiu ir bangos ilgiu. Energija mus pasiekia fotonais. Fotonų turima energija yra atvirkščiai proporcinga spinduliuojamos bangos ilgiui, t.y. trumpabangės radiacijos fotonai turi daugiau energijos už ilgabangės radiacijos fotonus. 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. Fotosintetinančių ląstelių pigmentai gali sugerti įvairias regimosios šviesos bangas. 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.
Taip pat skaitykite: Kaip temperatūra veikia fotosintezę?
Svarbiausia Fotocheminė Reakcija
Itin svarbi fotocheminė reakcija yra fotosintezėje. Šviesos spindulys atsimušdamas į chlorofilo molekulę, perduoda savo energiją elektronui. Įgavęs energijos, elektronas gali iššokti kaip kamuoliukas loterijos mašinoje. Augalų ląstelių fermentai iššokusio elektrono energiją panaudoja daug energijos turintiems cheminiams junginiams sintetinti. Per tą vyksmą vandens molekulė suskaidoma į deguonį ir vandenilį. Reakcijoje su anglies dioksido molekule dalyvauja vandenilis ir daug energijos turintys junginiai. Po kelių reakcijų susidaro gliukozės molekulė. Šios reakcijos jau nebereikia šviesos, todėl šis etapas vadinamas nuo šviesos nepriklausančia fotosintezės faze. Šios fazės reakcijos ląstelėje vyksta tol, kol pakanka energijos, vandenilio ir anglies dioksido.
Fotosintezės Produktai
Fotosintezės produktai - angliavandeniai (gliukozė) ir išskirtas deguonis, kuris pasiskirsto atmosferoje. 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.
Veiksniai, Nuo Kurių Priklauso Fotosintezė
Fotosintezės aktyvumas priklauso nuo:
- Apšvietimo intensyvumo
- CO2 kiekio atmosferoje
- Oro temperatūros
- Drėgmės
- Mikroelementų
Kuo didesnis šviesos intensyvumas, tuo greičiau vyksta fotosintezė.
Fotosintezės Reikšmė
Biosferoje vyksta deguonies apytaka tarp atmosferos ir gyvų organizmų. Deguonis yra būtinas kvėpavimui, degimo reakcijose. Fotosintezė palaiko gyvybę Žemėje. Vykstant fotosintezei augalai apsirūpina maistu ne tik patys, bet aprūpina ir kitus gyvus organizmus. Fotosintezės metu sugeriamas CO2 ir išskiriamas O2. Jis būtinas visiems organizmams, kurie kvėpuoja oru (aerobai). Ir aukštuose atmosferos sluoksniuose yra deguonies, kur iš jo susidaro ozono skydas, saugantis žemėje gyvenančius organizmus nuo saulės ultravioletinių spindulių kenksmingo poveikio. Vykstant fotosintezei, augalai ir dumbliai apsirūpina maistu ne tik patys, bet parūpina jo ir visiems kitiems gyviesiems organizmams. Vandenynuose dumbliai, o sausumoje augalai yra maisto medžiagų gamintojai, kartu ir visų tipų mitybinių grandinių pirmoji grandis. Vykstant fotosintezei, sugeriamas anglies dioksidas ir išskiriamas deguonis. Deguonis būtinas visiems organizmams, kurie yra aerobai (kvėpuoja oru). Ir aukštuose atmosferos sluoksniuose yra deguonies, kur iš jo susidaro ozono skydas, saugantis žemėje gyvenančius organizmus nuo saulės ultravioletinių spindulių kenksmingo poveikio.
Taip pat skaitykite: Tyrimas: Fotosintezė ir šviesos intensyvumas
Tyrimas: Temperatūros ir Fotoperiodo Įtaka
Tyrimas buvo atliktas siekiant ištirti fotoperiodo ir temperatūros įtaką valgomojo ridikėlio (Raphanus sativus L.) ir sėjamosios gražgarstės (Eruca sativa L.) augimo parametrams, fotosintezės pigmentų bei pirminių fotosintezės metabolitų kiekiui lapuose ir šakniavaisiuose.
Metodika
Valgomasis ridikėlis ‘Faraon’ ir sėjamoji gražgarstė ‘Rucola’ auginti dėžėse su durpių substrato (pH 5-6) ir smėlio mišiniu, mišinio santykis - atitinkamai 3:1. Augalai daiginti šiltnamyje 21-25/15-18 ○C (dienos/nakties) temperatūroje. Sudygę augalai pernešti į keturias fitotrono kameras, kontroliuojamo temperatūros ir fotoperiodo sąlygomis:
- +10/14 ○C (nakties/dienos) ir 8 val. (fotoperiodas);
- +10/14 ○C ir 16 val.;
- +17/21 ○C ir 8 val.;
- +17/21 ○C ir 16 val.
Augalai švitinti aukšto slėgio natrio lempomis (HPS). Bendras fotosintetiškai aktyvios spinduliuotės fotonų srauto tankis tirtuose šviesos deriniuose sudarė ~160 μmol cm2 s-1. Augalai nuo pasėjimo iki analizių auginti 30 dienų.
Rezultatai
Tyrimo metu buvo nustatyta, kad Brassicaceae šeimos augalai, valgomasis ridikėlis ‘Faraon’ (Raphanus sativus L.), sėjamoji gražgarste ‘Rucola’ (Eruca sativa L.) turėjo keturis ir daugiau lapų. Tiriamieji augalai buvo neištįsę, kaupė daugiau sausos ir žalios masės esant 17/21 ○C (nakties/dienos) temperatūrai ir 16 val. fotoperiodui. Žemesnis 10/14 C (nakties/dienos) temperatūros režimas slopino augalų augimą, tačiau užaugo kompaktiškesni, turėjo mažiau lapų ir didžiausią chlorofilo a ir b santykį ir angliavandenių (fruktozės, gliukozės ir sacharozės) kiekį.
C3 ir C4 Augalai
Vadinamieji C3 augalai CO2 fiksuoja tiesiogiai, įjungdami jį į tris anglies atomus turinčias medžiagas, o pirmoji po fiksavimo susidaranti molekulė - PGA. C4 augalai CO2 fiksuoja susidarant keturis anglies atomus turinčiai molekulei dar prieš prasidedant Kalvino ciklui. C3 ir C4 augalų lapai skiriasi savo sandara. C3 augalų mezofilo ląstelėse, kurios išsidėsčiusios lygiagrečiais sluoksniais, yra gerai išsivysčiusių chloroplastų. C4 augalų chloroplastų aptinkama tiek mezofilio, tiek lapų gyslas supančiose renkamosiose ląstelėse. C3 augalai CO2 fiksuoti mezofilio ląstelėse naudoja RuBP karboksilazę, o pirmasis po fiksavimo aptinkamas junginys yra PGA. C4 augalai CO2 fiksuoti naudoja PEP karboksilazę - jos dėka CO2 prijungiamas prie PEP. C4 augaluose CO2 sugeriamas mezofilio ląstelėse, o tada malatas, redukuota oksaloacetato forma, yra pernešamas į renkamąsias ląsteles. Čia CO2 patenka į Kalvino ciklą. Molekulių pernašai reikalinga energija, tad galima manyti, kad C4 augaluose vykstančios reakcijos nėra ekonomiškos. Tačiau ten, kur karšta ir sausa, C4 (cukranendrės, kukurūzai, soros) augalų fotosintezės greitis yra 2 - 3 kartus didesnis negu C3 (kviečiai, ryžiai, avižos) augalų.
Taip pat skaitykite: Plačiau apie fotosintezę ir šviesą
CAM Augalai
CAM augalai sugeba dalį CO2 fiksuoja nakties metu, tam naudodami PEPCazę ir pagamindami malatą - junginį, turintį keturis anglies atomus, kuris saugomas mezofilio ląstelių stambiose vakuolėse iki kitos dienos. Santrumpa CAM reiškia, kad šiose fotosintezės grandinės reakcijose dalyvauja rūgštys ir kad ji būdinga storalapinių šeimos augalams. Tai žydintys sukelentai, paplitę šiltose ir sausose nederlingose zonose. C4 augaluose fotosintezės atskiri etapai vyksta skirtingose vietose, o CAM augaluose fotosintezės procesas suskaidytas laiko atžvilgiu. Nakties metu susidarę 4 C atomus turintys junginiai saugomi vakuolėse, o dieną toje pat ląstelėje jie teikia CO2 Kalvino ciklui. Kadangi tuo pačiu metu vyksta ir nuo šviesos priklausančios reakcijos, tai ciklas gauna ir NADPH bei ATP. Pagrindinė tokio suskaidymo priežastis irgi susijusi su vandens taupymu. CAM augalai atveria žioteles tik nakties metu, tad tik tada gali pasiimti iš atmosferos CO2.
tags: #fotosintezes #priklausomybe #temperaturos #atzvilgiu