¿Cómo explicar de forma breve y clara un proceso tan complejo como la fotosíntesis? Las plantas son los únicos organismos vivos que pueden producir su propio alimento. ¿Cómo lo hacen? Para crecer, reciben todas las sustancias necesarias del medio ambiente: dióxido de carbono del aire, del agua y del suelo. También necesitan energía, que obtienen de los rayos del sol. Esta energía desencadena ciertas reacciones químicas durante las cuales el dióxido de carbono y el agua se convierten en glucosa (alimento) y se produce la fotosíntesis. La esencia del proceso se puede explicar breve y claramente incluso a niños en edad escolar.
"Junto con la Luz"
La palabra "fotosíntesis" proviene de dos palabras griegas: "foto" y "síntesis", cuya combinación significa "junto con la luz". La energía solar se convierte en energía química. Ecuación química de la fotosíntesis:
6CO 2 + 12H 2 O + luz = C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + 6H 2 O.
Esto significa que se utilizan 6 moléculas de dióxido de carbono y doce moléculas de agua (junto con la luz solar) para producir glucosa, lo que da como resultado seis moléculas de oxígeno y seis moléculas de agua. Si representas esto como una ecuación verbal, obtienes lo siguiente:
Agua + sol => glucosa + oxígeno + agua.
El sol es una fuente de energía muy poderosa. La gente siempre intenta utilizarlo para generar electricidad, aislar casas, calentar agua, etc. Las plantas “descubrieron” cómo utilizar la energía solar hace millones de años porque era necesaria para su supervivencia. La fotosíntesis se puede explicar breve y claramente de la siguiente manera: las plantas utilizan la energía luminosa del sol y la convierten en energía química, cuyo resultado es el azúcar (glucosa), cuyo exceso se almacena en forma de almidón en las hojas, raíces, tallos y semillas de la planta. La energía del sol se transfiere a las plantas, así como a los animales que comen estas plantas. Cuando una planta necesita nutrientes para su crecimiento y otros procesos vitales, estas reservas son muy útiles.
¿Cómo absorben las plantas la energía del sol?
Hablando breve y claramente de la fotosíntesis, conviene abordar la cuestión de cómo las plantas consiguen absorber la energía solar. Esto se debe a la estructura especial de las hojas, que incluye células verdes: cloroplastos, que contienen una sustancia especial llamada clorofila. Esto es lo que da a las hojas su color verde y se encarga de absorber la energía de la luz solar.
¿Por qué la mayoría de las hojas son anchas y planas?
La fotosíntesis ocurre en las hojas de las plantas. Lo sorprendente es que las plantas están muy bien adaptadas para capturar la luz solar y absorber dióxido de carbono. Gracias a la amplia superficie se captará mucha más luz. Es por este motivo que los paneles solares, que en ocasiones se instalan en los tejados de las casas, también son anchos y planos. Cuanto mayor sea la superficie, mejor será la absorción.
¿Qué más es importante para las plantas?
Al igual que las personas, las plantas también necesitan nutrientes beneficiosos para mantenerse sanas, crecer y realizar bien sus funciones vitales. Obtienen minerales disueltos en agua del suelo a través de sus raíces. Si el suelo carece de nutrientes minerales, la planta no se desarrollará con normalidad. Los agricultores suelen analizar el suelo para asegurarse de que tenga suficientes nutrientes para que crezcan los cultivos. En caso contrario, recurrir al uso de fertilizantes que contengan minerales esenciales para la nutrición y el crecimiento de las plantas.
¿Por qué es tan importante la fotosíntesis?
Para explicar de forma breve y clara la fotosíntesis a los niños, vale decir que este proceso es una de las reacciones químicas más importantes del mundo. ¿Qué razones hay para una declaración tan ruidosa? En primer lugar, la fotosíntesis alimenta a las plantas, que a su vez alimentan a todos los demás seres vivos del planeta, incluidos los animales y los humanos. En segundo lugar, como resultado de la fotosíntesis, se libera a la atmósfera el oxígeno necesario para la respiración. Todos los seres vivos inhalan oxígeno y exhalan dióxido de carbono. Afortunadamente, las plantas hacen todo lo contrario, por lo que son muy importantes para humanos y animales, ya que les dan la capacidad de respirar.
proceso asombroso
Resulta que las plantas también saben respirar, pero, a diferencia de las personas y los animales, absorben dióxido de carbono del aire, no oxígeno. Las plantas también beben. Por eso es necesario regarlas, de lo contrario morirán. Con la ayuda del sistema de raíces, el agua y los nutrientes se transportan a todas las partes del cuerpo de la planta y el dióxido de carbono se absorbe a través de pequeños agujeros en las hojas. El desencadenante para iniciar una reacción química es la luz solar. Todos los productos metabólicos obtenidos son utilizados por las plantas para alimentarse y el oxígeno se libera a la atmósfera. Así podrás explicar de forma breve y clara cómo se produce el proceso de la fotosíntesis.
Fotosíntesis: fases clara y oscura de la fotosíntesis.
El proceso considerado consta de dos partes principales. Hay dos fases de la fotosíntesis (descripción y tabla a continuación). La primera se llama fase de luz. Ocurre solo en presencia de luz en las membranas de los tilacoides con la participación de clorofila, proteínas transportadoras de electrones y la enzima ATP sintetasa. ¿Qué más esconde la fotosíntesis? Se iluminan y reemplazan entre sí a medida que avanzan el día y la noche (ciclos de Calvin). Durante la fase de oscuridad se produce la producción de esa misma glucosa, alimento de las plantas. Este proceso también se llama reacción independiente de la luz.
| fase de luz | fase oscura |
1. Las reacciones que ocurren en los cloroplastos sólo son posibles en presencia de luz. En estas reacciones, la energía luminosa se convierte en energía química. 2. La clorofila y otros pigmentos absorben energía de la luz solar. Esta energía se transfiere a los fotosistemas responsables de la fotosíntesis. 3. El agua se utiliza para electrones e iones de hidrógeno y también participa en la producción de oxígeno. 4. Los electrones y los iones de hidrógeno se utilizan para crear ATP (molécula de almacenamiento de energía), que se necesita en la siguiente fase de la fotosíntesis. | 1. Las reacciones del ciclo extralumínico ocurren en el estroma de los cloroplastos. 2. El dióxido de carbono y la energía del ATP se utilizan en forma de glucosa. |
Conclusión
De todo lo anterior se pueden extraer las siguientes conclusiones:
- La fotosíntesis es un proceso que produce energía del sol.
- La clorofila convierte la energía luminosa del sol en energía química.
- La clorofila da a las plantas su color verde.
- La fotosíntesis ocurre en los cloroplastos de las células de las hojas de las plantas.
- El dióxido de carbono y el agua son necesarios para la fotosíntesis.
- El dióxido de carbono ingresa a la planta a través de pequeños agujeros, estomas, y el oxígeno sale por ellos.
- El agua es absorbida por la planta a través de sus raíces.
- Sin fotosíntesis no habría comida en el mundo.
- síntesis de compuestos orgánicos a partir de inorgánicos utilizando energía luminosa (hv). La ecuación general para la fotosíntesis es:
6CO 2 + 6H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 6O 2
La fotosíntesis se produce con la participación de pigmentos fotosintéticos, que tienen la propiedad única de convertir la energía de la luz solar en energía de enlace químico en forma de ATP. Los pigmentos fotosintéticos son sustancias similares a las proteínas. El más importante de ellos es el pigmento clorofila. En los eucariotas, los pigmentos fotosintéticos están incrustados en la membrana interna de los plastidios; en los procariotas, están incrustados en las invaginaciones de la membrana citoplasmática.
La estructura del cloroplasto es muy similar a la estructura de la mitocondria. La membrana interna de los tilacoides grana contiene pigmentos fotosintéticos, así como proteínas de la cadena de transporte de electrones y moléculas de la enzima ATP sintetasa.
El proceso de fotosíntesis consta de dos fases: luminosa y oscura.
fase de luz La fotosíntesis ocurre sólo con la luz en la membrana tilacoide del grana. En esta fase, la clorofila absorbe cuantos de luz, produce una molécula de ATP y la fotólisis del agua.
Bajo la influencia de un cuanto de luz (hv), la clorofila pierde electrones y pasa a un estado excitado:
Chl → Chl + mi -
Estos electrones son transferidos mediante portadores al exterior, es decir. la superficie de la membrana tilacoide frente a la matriz, donde se acumulan.
Al mismo tiempo, se produce la fotólisis del agua dentro de los tilacoides, es decir, su descomposición bajo la influencia de la luz
2H 2 O → O 2 +4H + + 4e —
Los electrones resultantes son transferidos por portadores a las moléculas de clorofila y las restauran: las moléculas de clorofila vuelven a un estado estable.
Los protones de hidrógeno formados durante la fotólisis del agua se acumulan dentro del tilacoide, creando un depósito de H+. Como resultado, la superficie interna de la membrana tilacoide está cargada positivamente (debido a H +) y la superficie externa está cargada negativamente (debido a e -). A medida que se acumulan partículas con cargas opuestas en ambos lados de la membrana, la diferencia de potencial aumenta. Cuando la diferencia de potencial alcanza un valor crítico, la fuerza del campo eléctrico comienza a empujar protones a través del canal de la ATP sintetasa. La energía liberada en este caso se utiliza para fosforilar moléculas de ADP:
ADP + P → ATP
La formación de ATP durante la fotosíntesis bajo la influencia de la energía luminosa se llama fotofosforilación.
Los iones de hidrógeno, una vez en la superficie exterior de la membrana tilacoide, se encuentran con electrones allí y forman hidrógeno atómico, que se une a la molécula portadora de hidrógeno NADP (fosfato de dinucleótido de nicotinamida y adenina):
2H + + 4e - + NADP + → NADP H 2
Así, durante la fase luminosa de la fotosíntesis se producen tres procesos: la formación de oxígeno debido a la descomposición del agua, la síntesis de ATP y la formación de átomos de hidrógeno en forma de NADP H2. El oxígeno se difunde a la atmósfera, ATP y NADP H2 participan en los procesos de la fase oscura.
fase oscura La fotosíntesis ocurre en la matriz del cloroplasto tanto en la luz como en la oscuridad y representa una serie de transformaciones secuenciales del CO 2 procedente del aire en el ciclo de Calvin. Las reacciones en fase oscura se llevan a cabo utilizando la energía del ATP. En el ciclo de Calvin, el CO 2 se une con el hidrógeno del NADP H 2 para formar glucosa.
En el proceso de fotosíntesis, además de los monosacáridos (glucosa, etc.), se sintetizan monómeros de otros compuestos orgánicos: aminoácidos, glicerol y ácidos grasos. Así, gracias a la fotosíntesis, las plantas se abastecen a sí mismas y a todos los seres vivos de la Tierra de las sustancias orgánicas y el oxígeno necesarios.
Las características comparativas de la fotosíntesis y la respiración de eucariotas se dan en la tabla:
| Firmar | Fotosíntesis | Aliento |
|---|---|---|
| Ecuación de reacción | 6CO 2 + 6H 2 O + Energía luminosa → C 6 H 12 O 6 + 6O 2 | C 6 H 12 O 6 + 6O 2 → 6H 2 O + Energía (ATP) |
| Materiales de partida | Dióxido de carbono, agua | |
| Productos de reacción | Materia orgánica, oxígeno. | Dióxido de carbono, agua |
| Importancia en el ciclo de las sustancias. | Síntesis de sustancias orgánicas a partir de sustancias inorgánicas. | Descomposición de sustancias orgánicas a inorgánicas. |
| Conversión de energía | Conversión de energía luminosa en energía de enlaces químicos de sustancias orgánicas. | Conversión de la energía de los enlaces químicos de sustancias orgánicas en energía de los enlaces de alta energía de ATP. |
| Etapas clave | Fase de luz y oscuridad (incluido el ciclo de Calvin) | Oxidación incompleta (glucólisis) y oxidación completa (incluido el ciclo de Krebs) |
| Ubicación del proceso | cloroplasto | Hialoplasma (oxidación incompleta) y mitocondrias (oxidación completa) |
- síntesis de sustancias orgánicas a partir de dióxido de carbono y agua con el uso obligatorio de energía luminosa:
6CO 2 + 6H 2 O + Q luz → C 6 H 12 O 6 + 6O 2.
En las plantas superiores, el órgano de la fotosíntesis es la hoja y los orgánulos de la fotosíntesis son los cloroplastos (estructura de los cloroplastos - conferencia número 7). Las membranas de los tilacoides del cloroplasto contienen pigmentos fotosintéticos: clorofilas y carotenoides. Hay varios tipos diferentes de clorofila ( a, b, c, d), la principal es la clorofila a. En la molécula de clorofila se puede distinguir una “cabeza” de porfirina con un átomo de magnesio en el centro y una “cola” de fitol. La “cabeza” de porfirina es una estructura plana, es hidrófila y, por lo tanto, se encuentra en la superficie de la membrana que mira al ambiente acuoso del estroma. La “cola” del fitol es hidrofóbica y debido a esto retiene la molécula de clorofila en la membrana.
Las clorofilas absorben la luz roja y azul violeta, reflejan el verde y, por tanto, dan a las plantas su característico color verde. Las moléculas de clorofila en las membranas de los tilacoides se organizan en fotosistemas. Las plantas y las algas verdiazules tienen el fotosistema-1 y el fotosistema-2, y las bacterias fotosintéticas tienen el fotosistema-1. Sólo el fotosistema-2 puede descomponer el agua para liberar oxígeno y tomar electrones del hidrógeno del agua.
La fotosíntesis es un proceso complejo de varios pasos; Las reacciones de fotosíntesis se dividen en dos grupos: reacciones. fase de luz y reacciones fase oscura.
fase de luz
Esta fase ocurre solo en presencia de luz en las membranas de los tilacoides con la participación de clorofila, proteínas transportadoras de electrones y la enzima ATP sintetasa. Bajo la influencia de un cuanto de luz, los electrones de la clorofila se excitan, abandonan la molécula y entran en el lado exterior de la membrana tilacoide, que finalmente queda cargada negativamente. Las moléculas de clorofila oxidadas se reducen, tomando electrones del agua ubicada en el espacio intratilacoide. Esto conduce a la descomposición o fotólisis del agua:
H 2 O + Q luz → H + + OH - .
Los iones hidroxilo ceden sus electrones, convirtiéndose en radicales reactivos.OH:
OH - → .OH + e - .
Los radicales OH se combinan para formar agua y oxígeno libre:
4NO. → 2H 2 O + O 2.
En este caso, el oxígeno se elimina al ambiente externo y los protones se acumulan dentro del tilacoide en el "depósito de protones". Como resultado, la membrana tilacoide, por un lado, está cargada positivamente debido a H + y, por el otro, debido a los electrones, está cargada negativamente. Cuando la diferencia de potencial entre los lados exterior e interior de la membrana tilacoide alcanza los 200 mV, los protones son empujados a través de los canales de la ATP sintetasa y el ADP se fosforila a ATP; El hidrógeno atómico se utiliza para restaurar el portador específico NADP + (nicotinamida adenina dinucleótido fosfato) a NADPH 2:
2H + + 2e - + NADP → NADPH 2.
Así, en la fase luminosa se produce la fotólisis del agua, que va acompañada de tres procesos importantes: 1) síntesis de ATP; 2) la formación de NADPH 2; 3) la formación de oxígeno. El oxígeno se difunde a la atmósfera, el ATP y el NADPH 2 se transportan al estroma del cloroplasto y participan en los procesos de la fase oscura.
1 - estroma del cloroplasto; 2 - tilacoide grana.
fase oscura
Esta fase ocurre en el estroma del cloroplasto. Sus reacciones no requieren energía luminosa, por lo que ocurren no sólo en la luz, sino también en la oscuridad. Las reacciones de fase oscura son una cadena de transformaciones sucesivas del dióxido de carbono (procedente del aire), que conducen a la formación de glucosa y otras sustancias orgánicas.
La primera reacción de esta cadena es la fijación de dióxido de carbono; El aceptor de dióxido de carbono es un azúcar de cinco carbonos. bifosfato de ribulosa(RiBF); enzima cataliza la reacción Ribulosa bifosfato carboxilasa(RiBP carboxilasa). Como resultado de la carboxilación del bisfosfato de ribulosa, se forma un compuesto inestable de seis carbonos que inmediatamente se descompone en dos moléculas. ácido fosfoglicérico(FGK). Luego ocurre un ciclo de reacciones en el que el ácido fosfoglicérico se convierte en glucosa a través de una serie de intermediarios. Estas reacciones utilizan la energía del ATP y NADPH 2 formados en la fase ligera; El ciclo de estas reacciones se llama “ciclo de Calvin”:
6CO 2 + 24H + + ATP → C 6 H 12 O 6 + 6H 2 O.
Además de la glucosa, durante la fotosíntesis se forman otros monómeros de compuestos orgánicos complejos: aminoácidos, glicerol y ácidos grasos, nucleótidos. Actualmente, existen dos tipos de fotosíntesis: la fotosíntesis C 3 - y C 4.
C 3-fotosíntesis
Este es un tipo de fotosíntesis en el que el primer producto son compuestos de tres carbonos (C3). La fotosíntesis C 3 se descubrió antes que la fotosíntesis C 4 (M. Calvin). Es la fotosíntesis C 3 la que se describe arriba, bajo el título “Fase oscura”. Rasgos característicos de la fotosíntesis C 3: 1) el aceptor de dióxido de carbono es RiBP, 2) la reacción de carboxilación de RiBP es catalizada por la RiBP carboxilasa, 3) como resultado de la carboxilación de RiBP, se forma un compuesto de seis carbonos que se descompone en dos PGA. FGK se restablece fosfatos de triosa(FT). Parte del TF se utiliza para la regeneración de RiBP y otra parte se convierte en glucosa.
1 - cloroplasto; 2 - peroxisoma; 3 - mitocondrias.
Se trata de una absorción de oxígeno dependiente de la luz y una liberación de dióxido de carbono. A principios del siglo pasado se estableció que el oxígeno inhibe la fotosíntesis. Al final resultó que, para la RiBP carboxilasa el sustrato puede ser no solo dióxido de carbono, sino también oxígeno:
O 2 + RiBP → fosfoglicolato (2C) + PGA (3C).
La enzima se llama RiBP oxigenasa. El oxígeno es un inhibidor competitivo de la fijación de dióxido de carbono. El grupo fosfato se escinde y el fosfoglicolato se convierte en glicolato, que la planta debe aprovechar. Entra en los peroxisomas, donde se oxida a glicina. La glicina ingresa a las mitocondrias, donde se oxida a serina, con la pérdida del carbono ya fijado en forma de CO 2. Como resultado, dos moléculas de glicolato (2C + 2C) se convierten en un PGA (3C) y CO 2. La fotorrespiración conduce a una disminución del rendimiento de las plantas C3 en un 30-40% ( Con 3 plantas- plantas caracterizadas por la fotosíntesis C 3).
La fotosíntesis C 4 es la fotosíntesis en la que el primer producto son compuestos de cuatro carbonos (C 4). En 1965 se descubrió que en algunas plantas (caña de azúcar, maíz, sorgo, mijo) los primeros productos de la fotosíntesis son ácidos de cuatro carbonos. Estas plantas fueron llamadas Con 4 plantas. En 1966, los científicos australianos Hatch y Slack demostraron que las plantas C4 prácticamente no tienen fotorrespiración y absorben dióxido de carbono de manera mucho más eficiente. La vía de transformación del carbono en las plantas C 4 comenzó a denominarse por Hatch-Slack.
Las plantas C 4 se caracterizan por una estructura anatómica especial de la hoja. Todos los haces vasculares están rodeados por una doble capa de células: la capa externa son células del mesófilo y la capa interna son células de la vaina. El dióxido de carbono se fija en el citoplasma de las células del mesófilo, el aceptor es fosfoenolpiruvato(PEP, 3C), como resultado de la carboxilación de PEP, se forma oxalacetato (4C). El proceso es catalizado PEP carboxilasa. A diferencia de la RiBP carboxilasa, la PEP carboxilasa tiene una mayor afinidad por el CO 2 y, lo más importante, no interactúa con el O 2 . Los cloroplastos del mesófilo tienen muchos granos donde ocurren activamente reacciones de fase ligera. Las reacciones de fase oscura ocurren en los cloroplastos de las células de la vaina.
El oxalacetato (4C) se convierte en malato, que se transporta a través de los plasmodesmos hacia las células de la vaina. Aquí se descarboxila y deshidrogena para formar piruvato, CO 2 y NADPH 2 .
El piruvato regresa a las células del mesófilo y se regenera utilizando la energía del ATP en PEP. El CO 2 es nuevamente fijado por la RiBP carboxilasa para formar PGA. La regeneración de PEP requiere energía ATP, por lo que requiere casi el doble de energía que la fotosíntesis C 3.
El significado de la fotosíntesis.
Gracias a la fotosíntesis, cada año se absorben de la atmósfera miles de millones de toneladas de dióxido de carbono y se liberan miles de millones de toneladas de oxígeno; la fotosíntesis es la principal fuente de formación de sustancias orgánicas. El oxígeno forma la capa de ozono, que protege a los organismos vivos de la radiación ultravioleta de onda corta.
Durante la fotosíntesis, una hoja verde utiliza sólo aproximadamente el 1% de la energía solar que incide sobre ella; la productividad es de aproximadamente 1 g de materia orgánica por 1 m2 de superficie por hora.
Quimiosíntesis
La síntesis de compuestos orgánicos a partir de dióxido de carbono y agua, que se lleva a cabo no gracias a la energía de la luz, sino gracias a la energía de oxidación de sustancias inorgánicas, se denomina quimiosíntesis. Los organismos quimiosintéticos incluyen algunos tipos de bacterias.
bacterias nitrificantes el amoníaco se oxida a nitroso y luego a ácido nítrico (NH 3 → HNO 2 → HNO 3).
Bacterias de hierro convertir hierro ferroso en óxido de hierro (Fe 2+ → Fe 3+).
bacterias del azufre oxidar el sulfuro de hidrógeno a azufre o ácido sulfúrico (H 2 S + ½O 2 → S + H 2 O, H 2 S + 2O 2 → H 2 SO 4).
Como resultado de reacciones de oxidación de sustancias inorgánicas, se libera energía, que las bacterias almacenan en forma de enlaces ATP de alta energía. El ATP se utiliza para la síntesis de sustancias orgánicas, que se desarrolla de manera similar a las reacciones de la fase oscura de la fotosíntesis.
Las bacterias quimiosintéticas contribuyen a la acumulación de minerales en el suelo, mejoran la fertilidad del suelo, favorecen el tratamiento de aguas residuales, etc.
Ir a conferencias número 11“El concepto de metabolismo. Biosíntesis de proteínas"
Ir a conferencias número 13“Métodos de división de células eucariotas: mitosis, meiosis, amitosis”
La historia del descubrimiento de un fenómeno sorprendente y de vital importancia como es la fotosíntesis está profundamente arraigada en el pasado. Hace más de cuatro siglos, en 1600, el científico belga Jan Van Helmont realizó un sencillo experimento. Colocó una ramita de sauce en una bolsa que contenía 80 kg de tierra. El científico registró el peso inicial del sauce y luego regó la planta exclusivamente con agua de lluvia durante cinco años. Imagínese la sorpresa de Jan Van Helmont cuando volvió a pesar el sauce. ¡El peso de la planta aumentó en 65 kg y la masa de la tierra disminuyó en solo 50 gramos! ¡De dónde obtuvo la planta 64 kg y 950 gramos de nutrientes sigue siendo un misterio para los científicos!
El siguiente experimento importante en el camino hacia el descubrimiento de la fotosíntesis perteneció al químico inglés Joseph Priestley. El científico puso un ratón debajo del capó y cinco horas después el roedor murió. Cuando Priestley colocó una ramita de menta con el ratón y también cubrió al roedor con una gorra, el ratón permaneció vivo. Este experimento llevó al científico a la idea de que existe un proceso opuesto a la respiración. Jan Ingenhouse estableció en 1779 el hecho de que sólo las partes verdes de las plantas son capaces de liberar oxígeno. Tres años más tarde, el científico suizo Jean Senebier demostró que el dióxido de carbono, bajo la influencia de la luz solar, se descompone en los orgánulos verdes de las plantas. Apenas cinco años después, el científico francés Jacques Boussingault, realizando una investigación de laboratorio, descubrió que la absorción de agua por las plantas también se produce durante la síntesis de sustancias orgánicas. El descubrimiento trascendental lo realizó en 1864 el botánico alemán Julius Sachs. Pudo demostrar que el volumen de dióxido de carbono consumido y el de oxígeno liberado se produce en una proporción de 1:1.
La fotosíntesis es uno de los procesos biológicos más importantes.
En términos científicos, la fotosíntesis (del griego antiguo φῶς - luz y σύνθεσις - conexión, unión) es un proceso en el que se forman sustancias orgánicas a partir de dióxido de carbono y agua en la luz. El papel principal en este proceso pertenece a los segmentos fotosintéticos.
Hablando en sentido figurado, la hoja de una planta se puede comparar con un laboratorio, cuyas ventanas dan al lado soleado. Es en él donde se produce la formación de sustancias orgánicas. Este proceso es la base de la existencia de toda la vida en la Tierra.
Muchos se preguntarán razonablemente: ¿qué respiran las personas que viven en una ciudad donde ni siquiera se puede encontrar un árbol o una brizna de hierba durante el día con fuego? La respuesta es muy sencilla. El hecho es que las plantas terrestres representan sólo el 20% del oxígeno liberado por las plantas. Las algas desempeñan un papel protagonista en la producción de oxígeno en la atmósfera. Representan el 80% del oxígeno producido. Hablando en el lenguaje de los números, tanto las plantas como las algas liberan anualmente 145 mil millones de toneladas (!) de oxígeno a la atmósfera. No en vano a los océanos del mundo se les llama "los pulmones del planeta".
La fórmula general de la fotosíntesis es la siguiente:
Agua + Dióxido de carbono + Luz → Carbohidratos + Oxígeno
¿Por qué las plantas necesitan la fotosíntesis?
Como hemos aprendido, la fotosíntesis es una condición necesaria para la existencia humana en la Tierra. Sin embargo, esta no es la única razón por la que los organismos fotosintéticos producen activamente oxígeno a la atmósfera. El hecho es que tanto las algas como las plantas forman anualmente más de 100 mil millones de sustancias orgánicas (!), que constituyen la base de su actividad vital. Recordando el experimento de Jan Van Helmont, entendemos que la fotosíntesis es la base de la nutrición de las plantas. Está científicamente comprobado que el 95% de la cosecha está determinada por las sustancias orgánicas que obtiene la planta durante el proceso de fotosíntesis, y el 5% por los fertilizantes minerales que el jardinero aplica al suelo.
Los residentes de verano modernos prestan la mayor atención a la nutrición del suelo de las plantas, olvidándose de la nutrición del aire. Se desconoce qué tipo de cosecha podrían obtener los jardineros si tuvieran cuidado con el proceso de fotosíntesis.
Sin embargo, ni las plantas ni las algas podrían producir oxígeno y carbohidratos de manera tan activa si no tuvieran un sorprendente pigmento verde: la clorofila.
El misterio del pigmento verde
La principal diferencia entre las células vegetales y las células de otros organismos vivos es la presencia de clorofila. Por cierto, es él quien es responsable de que las hojas de las plantas sean de color verde. Este complejo compuesto orgánico tiene una propiedad asombrosa: ¡puede absorber la luz solar! Gracias a la clorofila también es posible el proceso de fotosíntesis.
Dos etapas de la fotosíntesis.
En términos simples, la fotosíntesis es un proceso en el que el agua y el dióxido de carbono absorbidos por una planta en la luz con la ayuda de la clorofila forman azúcar y oxígeno. De este modo, sorprendentemente, las sustancias inorgánicas se transforman en orgánicas. El azúcar obtenido como resultado de la conversión es una fuente de energía vegetal.
La fotosíntesis tiene dos etapas: clara y oscura.
Fase luminosa de la fotosíntesis.
Se lleva a cabo sobre membranas tilacoides.
Los tilacoides son estructuras rodeadas de membranas. Están ubicados en el estroma del cloroplasto.
El orden de los acontecimientos en la etapa de luz de la fotosíntesis es:
- La luz incide en la molécula de clorofila, que luego es absorbida por el pigmento verde y provoca que se excite. El electrón incluido en la molécula pasa a un nivel superior y participa en el proceso de síntesis.
- El agua se divide, durante la cual los protones se convierten en átomos de hidrógeno bajo la influencia de los electrones. Posteriormente se gastan en la síntesis de carbohidratos.
- En la etapa final de la etapa luminosa, se sintetiza ATP (trifosfato de adenosina). Se trata de una sustancia orgánica que desempeña el papel de acumulador de energía universal en los sistemas biológicos.
Fase oscura de la fotosíntesis.
El lugar donde se produce la fase oscura es el estroma de los cloroplastos. Es durante la fase oscura cuando se libera oxígeno y se sintetiza glucosa. Muchos pensarán que esta fase recibió este nombre porque el proceso que ocurre dentro de esta etapa ocurre exclusivamente durante la noche. De hecho, esto no es del todo cierto. La síntesis de glucosa se produce las 24 horas del día. El hecho es que es en esta etapa cuando la energía luminosa ya no se consume, lo que significa que simplemente no es necesaria.
La importancia de la fotosíntesis para las plantas.
Ya hemos determinado el hecho de que las plantas necesitan la fotoíntesis tanto como nosotros. Es muy fácil hablar de la escala de la fotosíntesis en términos de números. Los científicos han calculado que las plantas terrestres por sí solas almacenan tanta energía solar como la que podrían consumir 100 megaciudades en 100 años.
La respiración de las plantas es el proceso opuesto a la fotosíntesis. El significado de la respiración de las plantas es liberar energía durante el proceso de fotosíntesis y dirigirla a las necesidades de las plantas. En términos simples, el rendimiento es la diferencia entre la fotosíntesis y la respiración. ¡Cuanto más fotosíntesis y menor sea la respiración, mayor será la cosecha, y viceversa!
¡La fotosíntesis es un proceso asombroso que hace posible la vida en la Tierra!
Es mejor explicar un material tan voluminoso como la fotosíntesis en dos lecciones pareadas; así no se perderá la integridad de la percepción del tema. La lección debe comenzar con la historia del estudio de la fotosíntesis, la estructura de los cloroplastos y el trabajo de laboratorio para el estudio de los cloroplastos de las hojas. Tras esto, es necesario pasar al estudio de las fases clara y oscura de la fotosíntesis. A la hora de explicar las reacciones que se producen en estas fases es necesario elaborar un diagrama general:
Como explicas, necesitas dibujar. diagrama de la fase luminosa de la fotosíntesis.
1. La absorción de un cuanto de luz por una molécula de clorofila, que se encuentra en las membranas tilacoides de los grana, provoca la pérdida de un electrón y lo transfiere a un estado excitado. Los electrones se transfieren a lo largo de la cadena de transporte de electrones, lo que resulta en la reducción de NADP+ a NADP H.
2. El lugar de los electrones liberados en las moléculas de clorofila lo ocupan los electrones de las moléculas de agua; así es como el agua se descompone (fotólisis) bajo la influencia de la luz. Los hidroxilos OH– resultantes se convierten en radicales y se combinan en la reacción 4 OH – → 2 H 2 O +O 2, lo que conduce a la liberación de oxígeno libre a la atmósfera.
3. Los iones de hidrógeno H+ no penetran la membrana tilacoide y se acumulan en su interior, cargándola positivamente, lo que conduce a un aumento de la diferencia de potencial eléctrico (DEP) a través de la membrana tilacoide.
4. Cuando se alcanza el REF crítico, los protones salen corriendo a través del canal de protones. Esta corriente de partículas cargadas positivamente se utiliza para producir energía química mediante un complejo enzimático especial. Las moléculas de ATP resultantes pasan al estroma, donde participan en reacciones de fijación de carbono.
5. Los iones de hidrógeno liberados en la superficie de la membrana tilacoide se combinan con los electrones, formando hidrógeno atómico, que se utiliza para restaurar el transportador NADP +.
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Luego de considerar este tema, analizándolo nuevamente según el diagrama elaborado, invitamos a los estudiantes a completar la tabla.
Mesa. Reacciones de las fases clara y oscura de la fotosíntesis.
Después de completar la primera parte de la tabla, puede proceder al análisis. fase oscura de la fotosíntesis.
En el estroma del cloroplasto, las pentosas, carbohidratos, que son compuestos de cinco carbonos que se forman en el ciclo de Calvin (ciclo de fijación de dióxido de carbono), están constantemente presentes.
1. Se agrega dióxido de carbono a la pentosa, formando un compuesto inestable de seis carbonos, que se descompone en dos moléculas de ácido 3-fosfoglicérico (PGA).
2. Las moléculas de PGA aceptan un grupo fosfato del ATP y se enriquecen con energía.
3. Cada uno de los FHA une un átomo de hidrógeno de dos portadores, convirtiéndose en una triosa. Las triosas se combinan para formar glucosa y luego almidón.
4. Las moléculas de triosa, combinadas en diferentes combinaciones, forman pentosas y se incluyen nuevamente en el ciclo.
Reacción total de la fotosíntesis:
Esquema. Proceso de fotosíntesis
Prueba
1. La fotosíntesis ocurre en orgánulos:
a) mitocondrias;
b) ribosomas;
c) cloroplastos;
d) cromoplastos.
2. El pigmento clorofila se concentra en:
a) membrana del cloroplasto;
b) estroma;
c) cereales.
3. La clorofila absorbe luz en la región del espectro:
a) rojo;
b) verde;
c) morado;
d) en toda la región.
4. El oxígeno libre durante la fotosíntesis se libera durante la descomposición de:
a) dióxido de carbono;
b) ATP;
c) NADP;
d) agua.
5. El oxígeno libre se forma en:
a) fase oscura;
b) fase ligera.
6. En la fase luminosa de la fotosíntesis, el ATP:
a) sintetizado;
b) divisiones.
7. En el cloroplasto, el carbohidrato primario se forma en:
a) fase ligera;
b) fase oscura.
8. Se necesita NADP en el cloroplasto:
1) como trampa para electrones;
2) como enzima para la formación de almidón;
3) como parte integral de la membrana del cloroplasto;
4) como enzima para la fotólisis del agua.
9. La fotólisis del agua es:
1) acumulación de agua bajo la influencia de la luz;
2) disociación del agua en iones bajo la influencia de la luz;
3) liberación de vapor de agua a través de los estomas;
4) inyección de agua en las hojas bajo la influencia de la luz.
10. Bajo la influencia de cuantos de luz:
1) la clorofila se convierte en NADP;
2) un electrón abandona la molécula de clorofila;
3) el cloroplasto aumenta de volumen;
4) la clorofila se convierte en ATP.
LITERATURA
Bogdanova T.P., Solodova E.A. Biología. Manual para estudiantes de secundaria y aspirantes a universidades. – M.: LLC “AST-Escuela de Prensa”, 2007.