Fotosintezė yra vienas svarbiausių gamtoje vykstančių procesų. Be jos 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 esmė ir reikšmė
Fotosintezė - tai vienos rūšies energijos virsmas kita rūšimi, t. y. Saulės radiacija paverčiama chemine energija. Fotosintezės metu augalas savo lapais sugauna šviesos energiją ir panaudoja ją cukrui (kuris vadinamas gliukoze) gaminti iš vandens ir anglies dioksido. Vykstant fotosintezei, sugeriamas anglies dioksidas (CO2) ir išskiriamas deguonis (O2). Deguonis būtinas visiems organizmams, kurie yra aerobai (kvėpuoja oru). Be to, deguonis aukštuose atmosferos sluoksniuose sudaro ozono skydą, saugantį žemėje gyvenančius organizmus nuo saulės ultravioletinių spindulių kenksmingo poveikio.
Šviesos ir pigmentų vaidmuo
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. fotosintezei panaudojama tik dalis viso elektromagnetinio spektro - regimoji šviesa. Fotosintetinančių ląstelių pigmentai gali sugerti įvairias regimosios šviesos bangas. Chlorofilas 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.
Fotosintezės reakcijų skirstymas ir priklausomybė nuo temperatūros
Fotosintezė susideda iš dviejų reakcijų grandžių: nuo šviesos priklausančių reakcijų ir nuo šviesos nepriklausančių reakcijų (Kalvino ciklas). 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. Pigmentai šviesą gali sugerti, atspindėti arba perduoti vienas kitam. Šie pigmentai sugeria violetinę, mėlyną ir raudoną šviesą geriau negu kito bangos ilgio šviesas.
Nuo šviesos nepriklausančios reakcijos, Kalvino ciklas, vyksta stromoje ir yra fermentų valdomos biocheminės reakcijos, priklausančios nuo temperatūros: jas lemia fermentų aktyvumas, kuris didėja su temperatūra iki optimalios ribos ir mažėja aukštesnėse temperatūrose dėl fermentų denatūracijų ar kitų ribojančių veiksnių.
Taip pat skaitykite: Fotosintezės veiksniai
Temperatūros poveikis fotosintezės etapams
- Nuo šviesos priklausančios reakcijos: jos negali vykti be šviesos ir nepriklauso nuo temperatūros.
- Nuo šviesos nepriklausančios reakcijos (Kalvino ciklas): jos yra fermentų valdomos, todėl jų greitis priklauso nuo temperatūros - didėjant temperatūrai fermentų aktyvumas paprastai didėja iki optimalaus intervalo, o aukštesnėje temperatūroje fermentai gali denatūruoti ir reakcijos lėtėja.
Chloroplastas ir lapo sandara kaip temperatūros poveikio tarpininkai
Fotosintezė vyksta mažytėse struktūrose, kurios vadinamos chloroplastais. Juose yra krūvelės membranų, kurios tarsi saulės kolektoriai. Dviguba chloroplasto membrana gaubia didelę centrinę sritį vadinama stroma. Stroma - tai tirpalas su daugybe fermentų. Stromos viduje esančios membranos suformuoja plokščius maišelius, vadinamus tilakoidais. Tilakoidų membranose aptinkama chlorofilo ir kitų pigmentų.
Daugumoje augalų fotosintezė vyksta lapuose. Lapai paprastai būna atgręžti į Saulę ir išsidėstę taip, kad neuždengtų vienas kito ir neužstotų Saulės šviesos. Lapai sudaryti iš kelių ląstelių rūšių. Pačiame viršuje yra apsauginis skaidrių ląstelių sluoksnis, vadinamas epidermiu. Žemiau šio sluoksnio pailgų statinių 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.
Vanduo, anglies dioksidas, žiotelės ir transpircija
Fotosintezės metu lapai sugeria Saulės šviesą. Be to, jie siurbia šaknimis vandenį ir ima iš oro anglies dioksidą. Anglies dioksidas į augalo lapus patenka pro mikroskopines angas, 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 transpiracija, leidžia augalui paimti iš dirvožemio gyvybiškai svarbias maisto medžiagas.
Temperatūros efektai praktikoje ir eksperimentiniai stebėjimai
Fotosintezės greitis ir jo priklausomybė nuo temperatūros gali būti tirti laboratorijoje ar lauke. Nors pateiktuose eksperimentuose daugiausia nagrinėtas šviesos stiprumo poveikis, tą patį principą apie reakcijų greičio priklausomybę nuo išorinių sąlygų galima taikyti ir temperatūrai: fermentų valdomos Kalvino ciklo reakcijos greitis tiesiogiai priklauso nuo temperatūros.
Eksperimento idėja: matuoti fotosintezės greitį pagal dujų (O2) išsiskyrimą iš vandens augalų (pvz., elodėjos) ir lyginti rezultatus skirtingose temperatūrose, išlaikant konstantu šviesos intensyvumą ir anglies dioksido kiekį. Svarbu: Negalima keisti oro temperatūros, elodėjos šakelės ir vandens kiekio (kai testuojama kitas parametras, pavyzdžiui, šviesa). Analoginiu būdu keičiant temperatūrą, reikia stabilių kitų sąlygų.
Taip pat skaitykite: šviesos intensyvumo įtaka fotosintezės procesui
Eksperimentai iš juodraščio (atitinkami principai)
- Fotosintezės reakcijos greičio priklausomybė nuo šviesos stiprumo matuota skaičiuojant dujų burbuliukus elodėjos šakelei skirtingu atstumu nuo lempos. Išvada: kuo didesnis šviesos intensyvumas, tuo greičiau vyksta fotosintezė.
- Krakmolo susidarymo eksperimente juodame voke uždėtas apskritimas ant lapo ir po dviejų parų tamsos lapas nuplautas ir užpilta jodo tirpalu. Ten kur vyko fotosintezė susidarė krakmolas, lapas nusidažė tamsia (violetine) spalva. Išvada: fotosintezei vykti reikalinga šviesa, o jos metu susidaro krakmolas.
Analoginiu principu galima projektuoti temperatūros eksperimentą: laikant augalus vienodu apšvietimu ir CO2 kiekiu, keisti aplinkos temperatūrą ir fiksuoti O2 išsiskyrimo ar krakmolo susidarymo intensyvumą. Stebėjimai leis nustatyti optimalią temperatūrą fotosintezės fermentams ir ribines temperatūras, kuriose fotosintezė ima mažėti dėl fermentų denatūracijų ar vandens stygiaus dėl sutrikusios transpircijos.
Biologiniai ir ekologiniai padariniai
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. Fotosintezės svarba gyvybei yra esminė: be jos nebūtų tiek daug deguonies ir organinių medžiagų, reikalingų ekosistemų palaikymui.
Kiti organizmai ir fotosintezės universalumas
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.
Praktiniai pastebėjimai ir patarimai
- Norint išmatuoti temperatūros įtaką fotosintezei, svarbu kontroliuoti šviesos intensyvumą, CO2 kiekį ir vandens prieinamumą.
- Fotosintezės fermentai turi optimalią temperatūrą: mažesnė temperatūra lėtina reakcijas, didesnė gali jas stabdyti dėl denatūracijų.
- Transpiracija ir žiotelių būklė turi įtakos fotosintezės intensyvumui, nes sutrikusi vandens apykaita riboja CO2 patekimą į lapus.
- Laboratoriniams bandymams tinka vandens augalai (pvz., elodėja) arba vazoniniai augalai su kontroliuojama aplinka.
| Veiksnys | Poveikis fotosintezei |
|---|---|
| Temperatūra | Didina fermentų aktyvumą iki optimalaus taško; aukštesnė temperatūra mažina dėl denatūracijų |
| Šviesos intensyvumas | Didina nuo šviesos priklausančių reakcijų greitį, kol kitas faktorius tampa ribojantis |
| CO2 koncentracija | Riboja Kalvino ciklo greitį mažose koncentracijose; didėjant - fotosintezė didėja iki limito |
| Vandens tiekimas / transpircija | Įtakoja žiotelių atsidarymą; vandens trūkumas riboja CO2 įsiurbimą |
Fotosintezės matavimas naudojant plaukiojančius lapus | Mokslo projektas
Apibendrinant, temperatūra veikia fotosintezės intensyvumą per fermentų aktyvumą Kalvino cikle ir per vandens bei žiotelių dinamiką. Todėl tik suprasdami visus šiuos tarpusavio ryšius galime tiksliau prognozuoti ir valdyti fotosintezės efektyvumą skirtingose aplinkos sąlygose.
Taip pat skaitykite: Socialinio darbo metodai priklausomybėms įveikti
tags: #fotosintezes #priklausomybe #temperaturai #diagrama