Les plantes tirent de l’eau et des minéraux de leurs racines. Les feuilles fournissent une nutrition organique aux plantes. Contrairement aux racines, elles ne se trouvent pas dans le sol, mais dans l'air, elles fournissent donc une nutrition non pas au sol, mais à l'air.
De l'histoire de l'étude de la nutrition aérienne des plantes
Les connaissances sur la nutrition des plantes se sont accumulées progressivement. Il y a environ 350 ans, le scientifique néerlandais Jan Helmont a commencé à expérimenter l'étude de la nutrition des plantes. Il a fait pousser du saule dans un pot en argile rempli de terre, en ajoutant uniquement de l'eau. Le scientifique a soigneusement pesé les feuilles mortes. Après cinq ans, la masse du saule et des feuilles mortes a augmenté de 74,5 kg et la masse du sol n'a diminué que de 57 g. Sur cette base, Helmont est arrivé à la conclusion que toutes les substances de la plante ne sont pas formées à partir du sol. , mais de l'eau. L'opinion selon laquelle la plante augmente en taille uniquement grâce à l'eau a persisté jusqu'à la fin du XVIIIe siècle.
En 1771, le chimiste anglais Joseph Priestley étudia le dioxyde de carbone, ou, comme il l'appelait, « l'air vicié », et fit une découverte remarquable. Si vous allumez une bougie et la recouvrez d'un couvercle en verre, après qu'elle aura brûlé un peu, elle s'éteindra. Une souris sous une telle capuche commence à suffoquer. Cependant, si vous placez une branche de menthe sous le capuchon avec la souris, la souris ne s'étouffe pas et continue de vivre. Cela signifie que les plantes « corrigent » l’air altéré par la respiration des animaux, c’est-à-dire qu’elles transforment le dioxyde de carbone en oxygène.
En 1862, le botaniste allemand Julius Sachs a prouvé par des expériences que les plantes vertes non seulement produisent de l'oxygène, mais créent également des substances organiques qui servent de nourriture à tous les autres organismes.
Photosynthèse
La principale différence entre les plantes vertes et les autres organismes vivants est la présence dans leurs cellules de chloroplastes contenant de la chlorophylle. La chlorophylle a la propriété de capter les rayons solaires dont l'énergie est nécessaire à la création de substances organiques. Le processus de formation de matière organique à partir du dioxyde de carbone et de l’eau grâce à l’énergie solaire est appelé photosynthèse (du grec pbo1os lumière). Au cours du processus de photosynthèse, non seulement des substances organiques - des sucres - se forment, mais de l'oxygène est également libéré.
Schématiquement, le processus de photosynthèse peut être décrit comme suit :
L'eau est absorbée par les racines et se déplace à travers le système conducteur des racines et de la tige jusqu'aux feuilles. Le dioxyde de carbone est un composant de l'air. Il pénètre dans les feuilles par les stomates ouverts. L'absorption du dioxyde de carbone est facilitée par la structure de la feuille : la surface plane des limbes, qui augmente la surface de contact avec l'air, et la présence d'un grand nombre de stomates dans la peau.
Les sucres formés lors de la photosynthèse sont transformés en amidon. L'amidon est une substance organique qui ne se dissout pas dans l'eau. Kgo peut être facilement détecté à l’aide d’une solution d’iode.
Preuve de formation d'amidon dans les feuilles exposées à la lumière
Prouvons que dans les feuilles vertes des plantes, l'amidon est formé de dioxyde de carbone et d'eau. Pour ce faire, considérons une expérience réalisée autrefois par Julius Sachs.
Une plante d'intérieur (géranium ou primevère) est conservée dans l'obscurité pendant deux jours afin que tout l'amidon soit utilisé pour les processus vitaux. Ensuite, plusieurs feuilles sont recouvertes des deux côtés de papier noir afin que seule une partie d'entre elles soit recouverte. Pendant la journée, la plante est exposée à la lumière et la nuit, elle est également éclairée à l'aide d'une lampe de table.
Au bout d'une journée, les feuilles étudiées sont coupées. Pour savoir dans quelle partie de l'amidon des feuilles se forme, les feuilles sont bouillies dans de l'eau (pour gonfler les grains d'amidon) puis conservées dans de l'alcool chaud (la chlorophylle se dissout et la feuille se décolore). Ensuite, les feuilles sont lavées à l'eau et traitées avec une faible solution d'iode. Ainsi, les zones des feuilles exposées à la lumière acquièrent une couleur bleue sous l’action de l’iode. Cela signifie que de l'amidon s'est formé dans les cellules de la partie éclairée de la feuille. La photosynthèse ne se produit donc qu’à la lumière.
Preuve de la nécessité du dioxyde de carbone pour la photosynthèse
Pour prouver que le dioxyde de carbone est nécessaire à la formation d’amidon dans les feuilles, la plante d’intérieur est également d’abord conservée dans l’obscurité. L'une des feuilles est ensuite placée dans un flacon avec un peu d'eau de chaux. Le flacon est fermé avec un coton-tige. La plante est exposée à la lumière. Le dioxyde de carbone est absorbé par l'eau de chaux, il ne sera donc pas présent dans le ballon. La feuille est coupée et, comme dans l'expérience précédente, examinée pour détecter la présence d'amidon. Il est conservé dans de l'eau chaude et de l'alcool et traité avec une solution d'iode. Cependant, dans ce cas, le résultat de l'expérience sera différent : la feuille ne devient pas bleue, car il ne contient pas d'amidon. Par conséquent, pour la formation de l'amidon, en plus de la lumière et de l'eau, du dioxyde de carbone est nécessaire.
Ainsi, nous avons répondu à la question de savoir quelle nourriture la plante reçoit de l'air. L'expérience a montré qu'il s'agit de dioxyde de carbone. Il est nécessaire à la formation de matière organique.
Les organismes qui créent indépendamment des substances organiques pour construire leur corps sont appelés autotrophamnes (du grec autos - lui-même, trophe - nourriture).
Preuve de la production d'oxygène pendant la photosynthèse
Pour prouver que lors de la photosynthèse, les plantes libèrent de l'oxygène dans le milieu extérieur, envisageons une expérience avec la plante aquatique Elodea. Les pousses d'Elodea sont plongées dans un récipient rempli d'eau et recouvertes d'un entonnoir sur le dessus. Placez un tube à essai rempli d'eau au bout de l'entonnoir. La plante est exposée à la lumière pendant deux à trois jours. À la lumière, l’élodée produit des bulles de gaz. Ils s'accumulent au sommet du tube à essai, déplaçant l'eau. Afin de savoir de quel type de gaz il s'agit, le tube à essai est soigneusement retiré et un éclat fumant y est introduit. L’éclat brille vivement. Cela signifie que de l’oxygène s’est accumulé dans le ballon, favorisant ainsi la combustion.
Le rôle cosmique des plantes
Les plantes contenant de la chlorophylle sont capables d'absorber l'énergie solaire. C’est pourquoi K.A. Timiryazev a qualifié leur rôle sur Terre de cosmique. Une partie de l’énergie solaire stockée dans la matière organique peut être stockée pendant une longue période. Le charbon, la tourbe et le pétrole sont formés de substances qui, dans les temps géologiques anciens, étaient créées par des plantes vertes et absorbaient l'énergie du Soleil. En brûlant des matériaux combustibles naturels, une personne libère de l'énergie stockée il y a des millions d'années par les plantes vertes.
où AH 2 sont les produits de F.
Caractéristiques structurelles de l'appareil photosynthétique.
La haute efficacité du phosphore dans les plantes vertes supérieures est assurée par un appareil photosynthétique parfait, dont la base est constituée d'organites intracellulaires - les chloroplastes (il y en a 20 à 100 dans une cellule de feuille verte). Ils sont entourés d'une membrane double couche. Sa couche interne est constituée de sacs ou vésicules aplatis appelés thylakoïdes, qui sont souvent empilés et forment des grana reliés les uns aux autres par des thylakoïdes intergranulaires uniques. Les thylakoïdes sont eux-mêmes constitués de membranes photosynthétiques, qui sont des couches lipidiques biomoléculaires et des complexes lipoprotéines-pigments intercalés en mosaïque qui forment des centres photochimiquement actifs, et contiennent également des composants spéciaux impliqués dans le transport des électrons et la formation d'adénosine triphosphate (ATP). La partie du chloroplaste située entre les thylacoïdes du stroma contient des enzymes qui catalysent les réactions sombres du phosphore (par exemple, la conversion du carbone, de l'azote, du soufre, la biosynthèse des glucides et des protéines). L'amidon formé pendant F. se dépose dans le stroma. Les chloroplastes ont leur propre ADN, ARN, les ribosomes, synthétisant des protéines, et possèdent une certaine autonomie génétique, mais sont sous le contrôle général du noyau. les bactéries photosynthétiques et la plupart des algues ne possèdent pas de chloroplastes. L'appareil photosynthétique de la plupart des algues est représenté par des organites intracellulaires spécialisées - les chromatophores, et les bactéries photosynthétiques et les algues bleu-vert - les thylakoïdes (leurs membranes contiennent le pigment bactériochlorophylle ou bactérioviridine, ainsi que d'autres composants des réactions des mucosités), immergées dans les couches périphériques du cytoplasme.
La phase de transformations primaires et de stockage d'énergie dans le processus de photosynthèse
La photosynthèse végétale repose sur un processus rédox dans lequel 4 électrons (et protons) s'élèvent du niveau de potentiel rédox correspondant à l'oxydation de l'eau (+ 0,8 V) à un niveau correspondant à la réduction du CO 2 avec formation de glucides (– 0,4 V). Dans le même temps, l'augmentation de l'énergie libre de la réaction de réduction du CO 2 au niveau des glucides est de 120 kcal/mol, et l'équation totale de F. est exprimée par.
Photosynthèse est le processus de synthèse de substances organiques à partir de substances inorganiques en utilisant l'énergie lumineuse. Dans la grande majorité des cas, la photosynthèse est réalisée par les plantes à l'aide d'organites cellulaires comme chloroplastes contenant du pigment vert chlorophylle.
Si les plantes n'étaient pas capables de synthétiser la matière organique, presque tous les autres organismes sur Terre n'auraient rien à manger, puisque les animaux, les champignons et de nombreuses bactéries ne peuvent pas synthétiser des substances organiques à partir de substances inorganiques. Ils n'absorbent que les prêts à l'emploi, les divisent en plus simples, à partir desquels ils assemblent à nouveau des complexes, mais déjà caractéristiques de leur corps.
C’est le cas si l’on parle très brièvement de la photosynthèse et de son rôle. Pour comprendre la photosynthèse, il faut en dire plus : quelles substances inorganiques spécifiques sont utilisées, comment se produit la synthèse ?
La photosynthèse nécessite deux substances inorganiques : le dioxyde de carbone (CO 2) et l'eau (H 2 O). Le premier est absorbé depuis l’air par les parties aériennes des plantes, principalement par l’intermédiaire des stomates. L'eau provient du sol, d'où elle est acheminée vers les cellules photosynthétiques par le système conducteur de la plante. De plus, la photosynthèse nécessite l’énergie des photons (hν), mais ceux-ci ne peuvent être attribués à la matière.
Au total, la photosynthèse produit de la matière organique et de l'oxygène (O2). Généralement, la matière organique désigne le plus souvent le glucose (C 6 H 12 O 6).
Les composés organiques sont principalement composés d’atomes de carbone, d’hydrogène et d’oxygène. On les trouve dans le dioxyde de carbone et l'eau. Cependant, lors de la photosynthèse, de l'oxygène est libéré. Ses atomes proviennent de l'eau.
En bref et de manière générale, l'équation de la réaction de la photosynthèse s'écrit généralement comme suit :
6CO 2 + 6H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 6O 2
Mais cette équation ne reflète pas l’essence de la photosynthèse et ne la rend pas compréhensible. Regardez, bien que l'équation soit équilibrée, le nombre total d'atomes dans l'oxygène libre est de 12. Mais nous avons dit qu'ils viennent de l'eau, et il n'y en a que 6.
En fait, la photosynthèse se déroule en deux phases. Le premier s'appelle lumière, deuxième - sombre. De tels noms sont dus au fait que la lumière n'est nécessaire que pour la phase claire, la phase sombre est indépendante de sa présence, mais cela ne signifie pas qu'elle se produit dans l'obscurité. La phase claire se produit sur les membranes des thylakoïdes du chloroplaste et la phase sombre se produit dans le stroma du chloroplaste.
Pendant la phase lumineuse, la liaison du CO 2 ne se produit pas. Tout ce qui se produit est la capture de l'énergie solaire par des complexes chlorophylliens, son stockage dans l'ATP et l'utilisation de l'énergie pour réduire le NADP en NADP*H 2 . Le flux d'énergie de la chlorophylle excitée par la lumière est assuré par des électrons transmis le long de la chaîne de transport d'électrons des enzymes intégrées aux membranes thylakoïdes.
L’hydrogène du NADP provient de l’eau, qui est décomposée par la lumière du soleil en atomes d’oxygène, en protons d’hydrogène et en électrons. Ce processus est appelé photolyse. L'oxygène de l'eau n'est pas nécessaire à la photosynthèse. Les atomes d'oxygène de deux molécules d'eau se combinent pour former de l'oxygène moléculaire. L’équation de réaction pour la phase légère de la photosynthèse ressemble brièvement à ceci :
H 2 O + (ADP+P) + NADP → ATP + NADP*H 2 + ½O 2
Ainsi, la libération d'oxygène se produit pendant la phase légère de la photosynthèse. Le nombre de molécules d'ATP synthétisées à partir de l'ADP et de l'acide phosphorique par photolyse d'une molécule d'eau peut être différent : une ou deux.
Ainsi, l'ATP et le NADP*H 2 passent de la phase claire à la phase sombre. Ici, l'énergie du premier et le pouvoir réducteur du second sont dépensés pour lier le dioxyde de carbone. Cette étape de la photosynthèse ne peut pas être expliquée de manière simple et concise car elle ne se déroule pas de telle manière que six molécules de CO 2 se combinent à l'hydrogène libéré par les molécules de NADP*H 2 pour former du glucose :
6CO 2 + 6NADP*H 2 →C 6 H 12 O 6 + 6NADP
(la réaction se produit avec une dépense d'énergie ATP, qui se décompose en ADP et acide phosphorique).
La réaction donnée n’est qu’une simplification pour la rendre plus facile à comprendre. En fait, les molécules de dioxyde de carbone se lient une à une, rejoignant ainsi la substance organique à cinq carbones déjà préparée. Une substance organique instable à six carbones se forme, qui se décompose en molécules de glucides à trois carbones. Certaines de ces molécules sont utilisées pour resynthétiser la substance originale à cinq carbones afin de lier le CO 2 . Cette resynthèse est assurée Cycle de Calvin. Une minorité de molécules glucidiques contenant trois atomes de carbone sortent du cycle. Toutes les autres substances organiques (glucides, graisses, protéines) sont synthétisées à partir d'elles et d'autres substances.
Autrement dit, ce sont les sucres à trois carbones, et non le glucose, qui sortent de la phase sombre de la photosynthèse.
La photosynthèse est un processus biologique très complexe. Elle est étudiée par la science biologique depuis de nombreuses années, mais, comme le montre l’histoire de l’étude de la photosynthèse, certaines étapes restent encore floues. Dans les ouvrages de référence scientifiques, une description cohérente de ce processus prend plusieurs pages. Le but de cet article est de décrire le phénomène de la photosynthèse, de manière brève et claire pour les enfants, sous forme de schémas et d'explications.
Définition scientifique
Tout d’abord, il est important de savoir ce qu’est la photosynthèse. En biologie, la définition est la suivante : il s'agit du processus de formation de substances organiques (aliments) à partir de substances inorganiques (du dioxyde de carbone et de l'eau) dans les chloroplastes en utilisant l'énergie lumineuse.
Pour comprendre cette définition, nous pouvons imaginer une usine parfaite : n’importe quelle plante verte photosynthétique. Le « carburant » de cette usine est la lumière du soleil, les plantes utilisent de l’eau, du dioxyde de carbone et des minéraux produire de la nourriture pour presque toutes les formes de vie sur terre. Cette « usine » est parfaite car, contrairement à d’autres usines, elle ne cause pas de dommages, mais au contraire, lors de la production, elle libère de l’oxygène dans l’atmosphère et absorbe du dioxyde de carbone. Comme vous pouvez le constater, certaines conditions sont requises pour la photosynthèse.
Ce processus unique peut être représenté sous forme de formule ou d’équation :
soleil + eau + dioxyde de carbone = glucose + eau + oxygène
Structure des feuilles des plantes
Afin de caractériser l'essence du processus de photosynthèse, il est nécessaire de considérer la structure de la feuille. Si vous regardez au microscope, vous pouvez voir des cellules transparentes contenant de 50 à 100 points verts. Ce sont des chloroplastes, où se trouve la chlorophylle, principal pigment photosynthétique, et dans lesquels se produit la photosynthèse.
Le chloroplaste est comme un petit sac et à l’intérieur se trouvent des sacs encore plus petits. On les appelle thylakoïdes. Des molécules de chlorophylle se trouvent à la surface des thylakoïdes. et sont disposés en groupes appelés photosystèmes. La plupart des plantes possèdent deux types de photosystèmes (PS) : le photosystème I et le photosystème II. Seules les cellules possédant un chloroplaste sont capables de photosynthèse.
Description de la phase lumineuse
Quelles réactions se produisent pendant la phase lumineuse de la photosynthèse ? Dans le groupe PSII, l'énergie de la lumière solaire est transférée aux électrons de la molécule de chlorophylle, à la suite de quoi l'électron devient chargé, c'est-à-dire « tellement excité » qu'il saute hors du groupe du photosystème et est « capté ». » par la molécule porteuse dans la membrane thylakoïde. Cet électron se déplace de porteur en porteur jusqu'à ce qu'il soit déchargé. Il peut ensuite être utilisé dans un autre groupe PSI pour remplacer un électron.
Il manque un électron au groupe photosystème II, et maintenant il est chargé positivement et nécessite un nouvel électron. Mais où peut-on se procurer un tel électron ? Une zone du groupe connu sous le nom de complexe évoluant en oxygène attend la molécule d'eau insouciante qui se « promène ».
Une molécule d'eau contient un atome d'oxygène et deux atomes d'hydrogène. Le complexe d’évolution de l’oxygène dans le PSII contient quatre ions manganèse qui prennent les électrons des atomes d’hydrogène. En conséquence, la molécule d’eau se divise en deux ions hydrogène positifs, deux électrons et un atome d’oxygène. Les molécules d'eau se divisent, et les atomes d'oxygène sont répartis par paires, formant des molécules d'oxygène gazeux, qui renvoient la plante dans l'air. Les ions hydrogène commencent à s'accumuler dans le sac thylakoïde, à partir de là la plante peut les utiliser, et avec l'aide d'électrons, le problème de la perte dans le complexe PS II est résolu, qui est prêt à répéter ce cycle plusieurs fois par seconde.
Les ions hydrogène s'accumulent dans le sac thylakoïde et commencent à chercher une issue. Deux ions hydrogène, qui se forment toujours lors de la désintégration d'une molécule d'eau, ne constituent pas tout : en passant du complexe PS II au complexe PS I, les électrons attirent d'autres ions hydrogène dans le sac. Ces ions s'accumulent ensuite dans le thylakoïde. Comment peuvent-ils sortir de là ?
Il s'avère qu'ils ont un "tourniquet" avec une seule sortie - une enzyme utilisée dans la production de "carburant" cellulaire appelé ATP (adénosine triphosphate). En passant par ce « tourniquet », les ions hydrogène fournissent l’énergie nécessaire à la recharge des molécules d’ATP déjà utilisées. Les molécules d'ATP sont des « batteries » cellulaires. Ils fournissent de l’énergie pour les réactions à l’intérieur de la cellule.
Lors de la collecte du sucre, une molécule supplémentaire est nécessaire. C'est ce qu'on appelle le NADP (nicotinamide adénine dinucléotide phosphate). Les molécules de NADP sont des « camions », chacune d'entre elles délivre un atome d'hydrogène à l'enzyme de la molécule de sucre. La formation du NADP se produit dans le complexe PS I. Pendant que le photosystème (PSII) décompose les molécules d'eau et crée de l'ATP à partir d'eux, le photosystème (PS I) absorbe la lumière et libère des électrons, qui seront plus tard nécessaires à la formation du NADP. Les molécules d’ATP et de NADP sont stockées dans le stroma et seront ensuite utilisées pour former du sucre.
Produits de la phase lumineuse de la photosynthèse :
- oxygène
- NADP*H2
Schéma de phase de nuit
Après la phase lumineuse, vient la phase sombre de la photosynthèse. Cette phase a été découverte pour la première fois par Calvin. Par la suite, cette découverte a été appelée c3 - photosynthèse. Chez certaines espèces végétales, un type de photosynthèse est observé - c4.
Aucun sucre n'est produit pendant la phase légère de la photosynthèse. Lorsqu'ils sont exposés à la lumière, seuls l'ATP et le NADP sont produits. Les enzymes sont utilisées dans le stroma (l'espace à l'extérieur du thylakoïde) pour la production de sucre. Le chloroplaste peut être comparé à une usine dans laquelle des équipes (PS I et PS II) à l'intérieur du thylakoïde produisent des camions et des batteries (NADP et ATP) pour le travail de la troisième équipe (enzymes spéciales) du stroma.
Cette équipe forme le sucre en combinant des atomes d’hydrogène et des molécules de dioxyde de carbone grâce à des réactions chimiques utilisant des enzymes situées dans le stroma. Les trois équipes travaillent pendant la journée, et l'équipe « sucre » travaille de jour comme de nuit, jusqu'à ce que l'ATP et le NADP qui restent après le quart de jour soient épuisés.
Dans le stroma, de nombreux atomes et molécules sont combinés à l’aide d’enzymes. Certaines enzymes sont des molécules protéiques qui ont une forme particulière qui leur permet de prendre les atomes ou les molécules dont elles ont besoin pour une réaction spécifique. Après la connexion se produit, l'enzyme libère une molécule nouvellement formée, et ce processus se répète constamment. Dans le stroma, les enzymes transmettent les molécules de sucre qu'elles ont collectées, les réorganisent, les chargent d'ATP, ajoutent du dioxyde de carbone, ajoutent de l'hydrogène, puis envoient le sucre à trois carbones vers une autre partie de la cellule où il est converti en glucose et une variété d'autres substances.
Ainsi, la phase sombre est caractérisée par la formation de molécules de glucose. Et les glucides sont synthétisés à partir du glucose.
Phases claires et sombres de la photosynthèse (tableau)
Rôle dans la nature
Quelle est l’importance de la photosynthèse dans la nature ? Nous pouvons affirmer avec certitude que la vie sur Terre dépend de la photosynthèse.
- Avec son aide, les plantes produisent de l'oxygène, si nécessaire à la respiration.
- Lors de la respiration, du dioxyde de carbone est libéré. Si les plantes ne l’absorbaient pas, un effet de serre se produirait dans l’atmosphère. Avec l’apparition de l’effet de serre, le climat pourrait changer, les glaciers pourraient fondre et, par conséquent, de nombreuses zones pourraient être inondées.
- Le processus de photosynthèse contribue à alimenter tous les êtres vivants et fournit également du carburant à l’humanité.
- Grâce à l'oxygène libéré par la photosynthèse sous la forme d'un écran oxygène-ozone de l'atmosphère, tous les êtres vivants sont protégés des rayons ultraviolets.
Mis en œuvre le processus de photosynthèse dans les feuilles des plantes. La photosynthèse n'est caractéristique que des plantes vertes. Cet aspect le plus important de l'activité des feuilles est caractérisé de manière plus complète par K. A. Timiryazev :
On peut dire que la vie de la feuille exprime l’essence même de la vie végétale. Toutes les substances organiques, quelle que soit leur diversité, où qu'elles se trouvent - que ce soit dans une plante, un animal ou une personne - sont passées par la feuille et proviennent de substances produites par la feuille.
La structure des feuilles des plantes
Feuilles de plantes Ils se caractérisent par une grande diversité dans leur structure anatomique, qui dépend à la fois du type de plante et des conditions de leur croissance. La feuille est recouverte au-dessus et au-dessous d'épiderme - un tissu couvrant avec de nombreuses ouvertures appelées stomates. Sous l'épiderme supérieur se trouve une palissade, ou parenchyme colonnaire, appelée assimilation. En dessous se trouve un tissu plus lâche - le parenchyme spongieux, suivi de l'épiderme inférieur. La feuille entière est traversée par un réseau de nervures constitué de faisceaux conducteurs à travers lesquels passent l'eau, les minéraux et les substances organiques. Coupe transversale d'une feuille. Le tissu colonnaire et spongieux de la feuille contient des plastes verts - des chloroplastes contenant des pigments. La présence de chloroplastes et des pigments verts qu'ils contiennent (chlorophylles) explique la couleur des plantes. Surface foliaire énorme, atteignant 30 000 à 50 000 m². m pour 1 hectare dans différentes plantes, est bien adapté pour l'absorption réussie du CO 2 de l'air pendant la photosynthèse. Le dioxyde de carbone pénètre dans la feuille de la plante par les stomates situés dans l'épiderme, pénètre dans les espaces intercellulaires et, en pénétrant à travers la membrane cellulaire, pénètre dans le cytoplasme, puis dans les chloroplastes, où se déroule le processus d'assimilation. L'oxygène formé au cours de ce processus diffuse à partir de la surface des chloroplastes à l'état libre. Ainsi, à travers les stomates, se produisent des échanges gazeux entre les feuilles et l'environnement extérieur - l'apport de dioxyde de carbone et la libération d'oxygène lors de la photosynthèse, la libération de dioxyde de carbone et l'absorption d'oxygène lors de la respiration. De plus, les stomates servent à libérer de la vapeur d’eau. Malgré le fait que la superficie totale des ouvertures stomatiques ne représente que 1 à 2 % de la surface totale de la feuille, néanmoins, lorsque les stomates sont ouverts, le dioxyde de carbone pénètre dans les feuilles à un taux 50 fois supérieur à son absorption par les alcalis. . Le nombre de stomates est très important - de plusieurs dizaines à 1 500 pour 1 carré. mm.Chloroplastes
Chloroplastes- les plastes verts dans lesquels se déroule le processus de photosynthèse. Ils sont situés dans le cytoplasme. Chez les plantes supérieures, les chloroplastes sont en forme de disque ou de lentille ; chez les plantes inférieures, ils sont plus diversifiés.
Chloroplastes dans les cellules végétales vertes. La taille des chloroplastes dans les plantes supérieures est assez constante, en moyenne entre 1 et 10 microns. Habituellement, une cellule contient un grand nombre de chloroplastes, en moyenne 20 à 50, et parfois plus. Ils se trouvent principalement dans les feuilles et sont nombreux dans les fruits non mûrs. Dans une plante, le nombre total de chloroplastes est énorme ; chez un chêne adulte par exemple, leur superficie est de 2 hectares. Le chloroplaste a une structure membranaire. Il est séparé du cytoplasme par une double membrane. Le chloroplaste contient des lamelles, des plaques protéino-lipoïdes, rassemblées en faisceaux et appelées grana. La chlorophylle est localisée dans les lamelles sous la forme d'une couche monomoléculaire. Entre les lamelles se trouve un fluide protéique aqueux - le stroma ; il contient des grains d'amidon et des gouttes d'huile. La structure du chloroplaste est bien adaptée à la photosynthèse, puisque la division de l'appareil porteur de chlorophylle en petites plaques augmente considérablement la surface active du chloroplaste, ce qui facilite l'accès à l'énergie et son transfert aux systèmes chimiques impliqués dans la photosynthèse. Les données de A. A. Tabentsky montrent que les chloroplastes changent constamment au cours de l'ontogenèse des plantes. Dans les jeunes feuilles, on observe une structure à grains fins de chloroplastes, tandis que dans les feuilles ayant terminé leur croissance, on observe une structure à grains grossiers. Dans les vieilles feuilles, la dégradation des chloroplastes est déjà observée. La matière sèche des chloroplastes contient 20 à 45 % de protéines, 20 à 40 % de lipides, 10 à 12 % de glucides et autres substances de réserve, 10 % d'éléments minéraux, 5 à 10 % de pigments verts (chlorophylle UN et de la chlorophylle b), 1 à 2 % de caroténoïdes, ainsi que de petites quantités d'ARN et d'ADN. La teneur en eau atteint 75%. Les chloroplastes contiennent un large éventail d'enzymes hydrolytiques et rédox. Les recherches de N. M. Sissakyan ont montré que la synthèse de nombreuses enzymes se produit également dans les chloroplastes. Grâce à cela, ils participent à l'ensemble des processus complexes de la vie végétale. Les pigments, leurs propriétés et conditions de formation
Pigments peut être extrait des feuilles des plantes avec de l'alcool ou de l'acétone. L'extrait contient les pigments suivants : vert - chlorophylle UN et de la chlorophylle b; jaune - carotène et xanthophylle (caroténoïdes).Chlorophylle
Chlorophylle représentel'une des substances les plus intéressantes à la surface de la Terre(C. Darwin), car grâce à elle, la synthèse de substances organiques à partir de CO 2 et de H 2 O inorganiques est possible. La chlorophylle est insoluble dans l'eau et se transforme facilement sous l'influence des sels, des acides et des alcalis, c'était donc très difficile pour établir sa composition chimique. L'alcool éthylique ou l'acétone sont généralement utilisés pour extraire la chlorophylle. La chlorophylle a les formules récapitulatives suivantes : chlorophylle UN- C 55 H 72 O 5 N 4 Mg, chlorophylle b- C 55 H 70 O 6 N 4 Mg. En chlorophylle UN 2 atomes d'hydrogène de plus et 1 atome d'oxygène de moins que la chlorophylle b. Les formules de la chlorophylle peuvent être représentées comme suit :
Formules de chlorophylle UN Et b. La place centrale dans la molécule de chlorophylle est occupée par Mg ; il peut être déplacé en traitant l'extrait alcoolique de chlorophylle avec de l'acide chlorhydrique. Le pigment vert se transforme en un pigment brun, appelé phéophytine, dans lequel Mg est remplacé par deux atomes d'hydrogène provenant de l'acide chlorhydrique. Il est très simple de restaurer la couleur verte de l’extrait en ajoutant du magnésium ou un autre métal à la molécule de phéophytine. Par conséquent, la couleur verte de la chlorophylle est associée à la présence de métal dans sa composition. Lorsqu'un extrait alcoolique de chlorophylle est exposé à un alcali, les groupes alcooliques (phytol et alcool méthylique) sont éliminés ; dans ce cas, la couleur verte de la chlorophylle est conservée, indiquant que le noyau de la molécule de chlorophylle est préservé lors de cette réaction. La composition chimique de la chlorophylle est la même dans toutes les plantes. La teneur en chlorophylle a est toujours supérieure (environ 3 fois) à celle en chlorophylle b. La quantité totale de chlorophylle est faible et représente environ 1 % de la matière sèche de la feuille. Dans sa nature chimique, la chlorophylle est proche de la substance colorante du sang - l'hémoglobine, dont la place centrale dans la molécule n'est pas occupée par le magnésium, mais par le fer. Conformément à cela, leurs fonctions physiologiques diffèrent également : la chlorophylle participe au processus de régénération le plus important d'une plante - la photosynthèse, et l'hémoglobine - dans le processus de respiration des organismes animaux, transportant l'oxygène. Propriétés optiques des pigments
La chlorophylle absorbe l'énergie solaire et la dirige vers des réactions chimiques qui ne peuvent se produire sans énergie reçue de l'extérieur. Une solution de chlorophylle en lumière transmise est verte, mais avec l'augmentation de l'épaisseur de la couche ou de la concentration en chlorophylle, elle devient rouge. La chlorophylle n'absorbe pas complètement la lumière, mais de manière sélective. Lorsque la lumière blanche traverse un prisme, elle produit un spectre composé de sept couleurs visibles, qui se transforment progressivement les unes dans les autres. Lors du passage de la lumière blanche à travers un prisme et une solution de chlorophylle, l'absorption la plus intense dans le spectre résultant se fera dans les rayons rouges et bleu-violet. Les rayons verts sont peu absorbés, donc en couche mince, la chlorophylle a une couleur verte en lumière transmise. Cependant, avec l'augmentation de la concentration en chlorophylle, les bandes d'absorption s'élargissent (une partie importante des rayons verts est également absorbée) et seule une partie des rayons rouges extrêmes les traverse sans absorption. Spectres d'absorption de la chlorophylle UN Et b très proche. En lumière réfléchie, la chlorophylle apparaît rouge cerise car elle émet une lumière absorbée avec un changement de longueur d'onde. Cette propriété de la chlorophylle est appelée fluorescence.Carotène et xanthophylle
Carotène et xanthophylle ont des bandes d'absorption uniquement dans les rayons bleus et violets. Leurs spectres sont proches les uns des autres.
Spectres d'absorption de la chlorophylle UN Et b. L'énergie absorbée par ces pigments est transférée à la chlorophylle UN, qui participe directement à la photosynthèse. Le carotène est considéré comme une provitamine A, car sa dégradation produit 2 molécules de vitamine A. La formule du carotène est C 40 H 56, la xanthophylle est C 40 H 54 (OH) 2. Conditions de formation de la chlorophylle
Formation de chlorophylle s'effectue en 2 phases : la première phase est sombre, durant laquelle se forme le précurseur de la chlorophylle, la protochlorophylle, et la seconde est claire, durant laquelle la chlorophylle se forme à partir de la protochlorophylle à la lumière. La formation de chlorophylle dépend à la fois du type de plante et d'un certain nombre de conditions extérieures. Certaines plantes, comme les semis de conifères, peuvent devenir vertes même sans lumière, dans l'obscurité, mais chez la plupart des plantes, la chlorophylle n'est formée à partir de la protochlorophylle qu'à la lumière. En l'absence de lumière, on obtient des plantes étiolées, dotées d'une tige fine, faible et très allongée et de très petites feuilles jaune pâle. Si les plantes étiolées sont exposées à la lumière, les feuilles deviendront rapidement vertes. Cela s'explique par le fait que les feuilles contiennent déjà de la protochlorophylle qui, sous l'influence de la lumière, se transforme facilement en chlorophylle. La température a une grande influence sur la formation de chlorophylle ; Lors d'un printemps froid, les feuilles de certains arbustes ne verdissent que lorsque le temps chaud s'installe : lorsque la température baisse, la formation de protochlorophylle est supprimée. La température minimale à laquelle commence la formation de chlorophylle est de 2°, la température maximale à laquelle la formation de chlorophylle ne se produit pas est de 40°. Outre une certaine température, la formation de la chlorophylle nécessite des éléments de nutrition minérale, notamment du fer. En son absence, les plantes souffrent d’une maladie appelée chlorose. Apparemment, le fer est un catalyseur dans la synthèse de la protochlorophylle, puisqu'il ne fait pas partie de la molécule de chlorophylle. La formation de la chlorophylle nécessite également de l'azote et du magnésium, qui font partie de sa molécule. Une condition importante est la présence dans les cellules foliaires de plastes capables de verdir. En leur absence, les feuilles de la plante restent blanches, la plante n'est pas capable de photosynthèse et ne peut vivre que jusqu'à épuisement de ses réserves de graines. Ce phénomène s'appelle l'albinisme. Elle est associée à un changement dans le caractère héréditaire d'une plante donnée.Relations quantitatives entre la chlorophylle et le dioxyde de carbone assimilable
Avec un contenu plus élevé chlorophylle Dans une plante, le processus de photosynthèse commence à une intensité lumineuse plus faible et même à une température plus basse. Avec une augmentation de la teneur en chlorophylle des feuilles, la photosynthèse augmente, mais jusqu'à une certaine limite. Par conséquent, il n'y a pas de relation directe entre la teneur en chlorophylle et l'intensité de l'absorption du CO 2. La quantité de CO 2 assimilée par la feuille par heure, calculée par unité de chlorophylle contenue dans la feuille, est d'autant plus élevée qu'il y a moins de chlorophylle. R. Willstetter et A. Stohl ont proposé une unité qui caractérise la relation entre la quantité de chlorophylle et le dioxyde de carbone absorbé. Ils ont appelé la quantité de dioxyde de carbone décomposé par unité de temps et par unité de poids de chlorophylle numéro d'assimilation. L'indice d'assimilation n'est pas constant : il est plus élevé lorsque la teneur en chlorophylle est faible et plus faible lorsque sa teneur dans les feuilles est élevée. Par conséquent, la molécule de chlorophylle est utilisée de manière plus productive lorsque sa teneur dans la feuille est faible, et la productivité de la chlorophylle diminue à mesure que sa quantité augmente. Les données sont saisies dans le tableau.Tableau Indice d'assimilation en fonction de la teneur en chlorophylle (d'après R. Willstetter et A. Stohl)
| Plantes |
à 10 feuilles (mg) |
Numéro d'assimilation |
|
course verte course jaune |
16,2 1,2 | 6,9 82,0 |
| Lilas | 16,2 | 5,8 |
| Germes de soja étiolés après éclairage pendant : 6 heures 4 jours |
