Le piante ottengono acqua e minerali dalle loro radici. Le foglie forniscono nutrimento organico alle piante. A differenza delle radici, non sono nel terreno, ma nell'aria, quindi non forniscono nutrimento al suolo, ma all'aria.
Dalla storia dello studio della nutrizione aerea delle piante
La conoscenza sulla nutrizione delle piante si è accumulata gradualmente. Circa 350 anni fa, lo scienziato olandese Jan Helmont sperimentò per primo lo studio della nutrizione delle piante. Coltivava il salice in un vaso di terracotta pieno di terra, aggiungendo solo acqua. Lo scienziato soppesò attentamente le foglie cadute. Dopo cinque anni, la massa del salice insieme alle foglie cadute è aumentata di 74,5 kg e la massa del terreno è diminuita di soli 57 g. Sulla base di ciò, Helmont è giunto alla conclusione che tutte le sostanze nella pianta non sono formate dal suolo , ma dall'acqua. L'opinione che la pianta aumenti di dimensioni solo grazie all'acqua persistette fino alla fine del XVIII secolo.
Nel 1771, il chimico inglese Joseph Priestley studiò l'anidride carbonica o, come la chiamava lui, "aria viziata" e fece una scoperta straordinaria. Se accendi una candela e la copri con una copertura di vetro, dopo che sarà bruciata un po 'si spegnerà. Un topo sotto un cappuccio del genere inizia a soffocare. Tuttavia, se con il topo metti un rametto di menta sotto il cappuccio, il topo non soffoca e continua a vivere. Ciò significa che le piante “correggono” l’aria viziata dalla respirazione degli animali, cioè convertono l’anidride carbonica in ossigeno.
Nel 1862 il botanico tedesco Julius Sachs dimostrò attraverso esperimenti che le piante verdi non solo producono ossigeno, ma creano anche sostanze organiche che servono da cibo per tutti gli altri organismi.
Fotosintesi
La principale differenza tra le piante verdi e gli altri organismi viventi è la presenza nelle loro cellule di cloroplasti contenenti clorofilla. La clorofilla ha la proprietà di catturare i raggi solari, la cui energia è necessaria per la creazione di sostanze organiche. Il processo di formazione della materia organica a partire dall'anidride carbonica e dall'acqua utilizzando l'energia solare è chiamato fotosintesi (dal greco pbo1os luce). Durante il processo di fotosintesi non si formano solo sostanze organiche - gli zuccheri, ma viene rilasciato anche ossigeno.
Schematicamente il processo di fotosintesi può essere rappresentato come segue:
L'acqua viene assorbita dalle radici e si muove attraverso il sistema conduttivo delle radici e dello stelo fino alle foglie. L'anidride carbonica è un componente dell'aria. Entra nelle foglie attraverso gli stomi aperti. L'assorbimento dell'anidride carbonica è facilitato dalla struttura della foglia: la superficie piatta delle lame fogliari, che aumenta l'area di contatto con l'aria, e la presenza di un gran numero di stomi nella pelle.
Gli zuccheri formati a seguito della fotosintesi vengono convertiti in amido. L'amido è una sostanza organica che non si dissolve in acqua. Il Kgo può essere facilmente rilevato utilizzando una soluzione di iodio.
Evidenza di formazione di amido nelle foglie esposte alla luce
Dimostriamo che nelle foglie verdi delle piante l'amido è formato da anidride carbonica e acqua. Per fare ciò, considera un esperimento condotto una volta da Julius Sachs.
Una pianta d'appartamento (geranio o primula) viene tenuta al buio per due giorni in modo che tutto l'amido venga utilizzato per i processi vitali. Quindi diverse foglie vengono coperte su entrambi i lati con carta nera in modo che solo una parte sia coperta. Durante il giorno la pianta è esposta alla luce e di notte viene ulteriormente illuminata utilizzando una lampada da tavolo.
Dopo un giorno, le foglie studiate vengono tagliate. Per sapere in quale parte della foglia si forma l'amido, si fanno bollire le foglie in acqua (per far gonfiare i granelli di amido) e poi si tengono in alcool caldo (la clorofilla si scioglie e la foglia scolorisce). Quindi le foglie vengono lavate in acqua e trattate con una soluzione debole di iodio. Pertanto, le aree delle foglie esposte alla luce acquisiscono un colore blu grazie all'azione dello iodio. Ciò significa che nelle cellule della parte illuminata della foglia si è formato amido. Pertanto, la fotosintesi avviene solo alla luce.
Prova della necessità di anidride carbonica per la fotosintesi
Per dimostrare che l'anidride carbonica è necessaria per la formazione dell'amido nelle foglie, anche la pianta d'appartamento viene prima tenuta al buio. Una delle foglie viene quindi posta in un fiasco con una piccola quantità di acqua di calce. Il pallone viene chiuso con un batuffolo di cotone. La pianta è esposta alla luce. L'anidride carbonica viene assorbita dall'acqua di calce, quindi non sarà nel pallone. La foglia viene tagliata e, proprio come nell'esperimento precedente, esaminata per la presenza di amido. Si conserva in acqua calda e alcool e si tratta con una soluzione di iodio. Tuttavia, in questo caso, il risultato dell'esperimento sarà diverso: la foglia non diventerà blu, perché non contiene amido. Pertanto, per la formazione dell'amido, oltre alla luce e all'acqua, è necessaria l'anidride carbonica.
Pertanto, abbiamo risposto alla domanda su quale cibo riceve la pianta dall'aria. L'esperienza ha dimostrato che si tratta di anidride carbonica. È necessario per la formazione della materia organica.
Gli organismi che creano autonomamente sostanze organiche per costruire il proprio corpo sono chiamati autotrophamnes (greco autos - stesso, trophe - cibo).
Prova della produzione di ossigeno durante la fotosintesi
Per dimostrare che durante la fotosintesi le piante rilasciano ossigeno nell'ambiente esterno, consideriamo un esperimento con la pianta acquatica Elodea. I germogli di Elodea vengono immersi in una nave con acqua e coperti con un imbuto sopra. Metti una provetta piena d'acqua all'estremità dell'imbuto. La pianta viene esposta alla luce per due o tre giorni. Alla luce, elodea produce bolle di gas. Si accumulano nella parte superiore della provetta, spostando l'acqua. Per scoprire di che tipo di gas si tratta, la provetta viene accuratamente rimossa e vi viene introdotta una scheggia fumante. La scheggia lampeggia brillantemente. Ciò significa che l'ossigeno si è accumulato nel pallone, favorendo la combustione.
Il ruolo cosmico delle piante
Le piante contenenti clorofilla sono in grado di assorbire l'energia solare. Pertanto K.A. Timiryazev ha definito cosmico il loro ruolo sulla Terra. Parte dell’energia solare immagazzinata nella materia organica può essere immagazzinata per lungo tempo. Carbone, torba, petrolio sono formati da sostanze che nell'antichità geologica venivano create dalle piante verdi e assorbivano l'energia del sole. Bruciando materiali combustibili naturali, una persona rilascia energia immagazzinata milioni di anni fa dalle piante verdi.
dove AH 2 sono i prodotti di F.
Caratteristiche strutturali dell'apparato fotosintetico.
L'elevata efficienza del fosforo nelle piante verdi superiori è assicurata da un perfetto apparato fotosintetico, la cui base sono gli organelli intracellulari: i cloroplasti (ce ne sono 20-100 nella cellula della foglia verde). Sono circondati da una membrana a doppio strato. Il suo strato interno è costituito da sacche o vescicole appiattite chiamate tilacoidi, che spesso sono impacchettate in pile e formano grana collegate tra loro da singoli tilacoidi intergranulari. I tilacoidi sono costituiti da membrane fotosintetiche stesse, che sono strati lipidici biomolecolari e complessi lipoproteine-pigmenti intervallati a mosaico che formano centri fotochimicamente attivi e contengono anche componenti speciali coinvolti nel trasporto di elettroni e nella formazione di adenosina trifosfato (ATP). La parte del cloroplasto situata tra i tilacoidi dello stroma contiene enzimi che catalizzano le reazioni oscure del fosforo (ad esempio la conversione di carbonio, azoto, zolfo, la biosintesi di carboidrati e proteine). L'amido formatosi durante la F. si deposita nello stroma. I cloroplasti hanno il proprio DNA, RNA, ribosomi, sintetizzano le proteine e hanno una certa autonomia genetica, ma sono sotto il controllo generale del nucleo. i batteri fotosintetici e la maggior parte delle alghe non hanno cloroplasti. L'apparato fotosintetico della maggior parte delle alghe è rappresentato da organelli intracellulari specializzati - cromatofori, e batteri fotosintetici e alghe blu-verdi - tilacoidi (le loro membrane contengono il pigmento batterioclorofilla o batterioviridina, così come altri componenti delle reazioni della flemma), immersi negli strati periferici del citoplasma.
La fase delle trasformazioni primarie e dell'accumulo di energia nel processo di fotosintesi
La fotosintesi delle piante si basa su un processo redox in cui 4 elettroni (e protoni) salgono dal livello di potenziale redox corrispondente all'ossidazione dell'acqua (+ 0,8 V) ad un livello corrispondente alla riduzione di CO 2 con formazione di carboidrati (– 0,4 V). Allo stesso tempo, l'aumento dell'energia libera della reazione di riduzione della CO 2 al livello dei carboidrati è di 120 kcal/mol, e l'equazione totale di F. è espressa come.
Fotosintesiè il processo di sintesi delle sostanze organiche da quelle inorganiche utilizzando l'energia luminosa. Nella stragrande maggioranza dei casi, la fotosintesi viene effettuata dalle piante utilizzando organelli cellulari come cloroplasti contenente pigmento verde clorofilla.
Se le piante non fossero in grado di sintetizzare la materia organica, quasi tutti gli altri organismi sulla Terra non avrebbero nulla da mangiare, poiché animali, funghi e molti batteri non possono sintetizzare sostanze organiche da quelle inorganiche. Assorbono solo quelli già pronti, li dividono in quelli più semplici, dai quali assemblano nuovamente quelli complessi, ma già caratteristici del loro corpo.
Questo è il caso se parliamo molto brevemente della fotosintesi e del suo ruolo. Per comprendere la fotosintesi occorre dire di più: quali specifiche sostanze inorganiche vengono utilizzate, come avviene la sintesi?
La fotosintesi richiede due sostanze inorganiche: anidride carbonica (CO 2) e acqua (H 2 O). Il primo viene assorbito dall'aria dalle parti fuori terra delle piante principalmente attraverso gli stomi. L'acqua proviene dal suolo, da dove viene consegnata alle cellule fotosintetiche dal sistema di conduzione della pianta. Inoltre, la fotosintesi richiede l'energia dei fotoni (hν), ma non possono essere attribuiti alla materia.
In totale, la fotosintesi produce materia organica e ossigeno (O2). Tipicamente, la materia organica molto spesso significa glucosio (C 6 H 12 O 6).
I composti organici sono composti principalmente da atomi di carbonio, idrogeno e ossigeno. Si trovano nell'anidride carbonica e nell'acqua. Tuttavia, durante la fotosintesi, viene rilasciato ossigeno. I suoi atomi sono presi dall'acqua.
In breve e in generale, l'equazione per la reazione della fotosintesi è solitamente scritta come segue:
6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2
Ma questa equazione non riflette l'essenza della fotosintesi e non la rende comprensibile. Guarda, sebbene l'equazione sia equilibrata, in essa il numero totale di atomi nell'ossigeno libero è 12. Ma abbiamo detto che provengono dall'acqua e ce ne sono solo 6.
La fotosintesi, infatti, avviene in due fasi. Si chiama il primo leggero, secondo - buio. Tali nomi sono dovuti al fatto che la luce è necessaria solo per la fase luminosa, la fase oscura è indipendente dalla sua presenza, ma ciò non significa che avvenga nell'oscurità. La fase luminosa si verifica sulle membrane dei tilacoidi del cloroplasto e la fase oscura si verifica nello stroma del cloroplasto.
Durante la fase luminosa non avviene il legame della CO2. Tutto ciò che avviene è la cattura dell'energia solare da parte dei complessi della clorofilla, la sua conservazione nell'ATP e l'uso dell'energia per ridurre il NADP a NADP*H 2 . Il flusso di energia dalla clorofilla eccitata dalla luce è fornito da elettroni trasmessi lungo la catena di trasporto degli enzimi incorporata nelle membrane tilacoidi.
L'idrogeno per il NADP proviene dall'acqua, che viene decomposta dalla luce solare in atomi di ossigeno, protoni di idrogeno ed elettroni. Questo processo si chiama fotolisi. L'ossigeno dell'acqua non è necessario per la fotosintesi. Gli atomi di ossigeno di due molecole d'acqua si combinano per formare ossigeno molecolare. L'equazione di reazione per la fase leggera della fotosintesi assomiglia brevemente a questa:
H2O + (ADP+P) + NADP → ATP + NADP*H2 + ½O2
Pertanto, il rilascio di ossigeno avviene durante la fase leggera della fotosintesi. Il numero di molecole di ATP sintetizzate da ADP e acido fosforico per fotolisi di una molecola d'acqua può essere diverso: uno o due.
Quindi, ATP e NADP*H 2 provengono dalla fase luminosa alla fase oscura. Qui l'energia della prima e il potere riducente della seconda vengono spese per legare l'anidride carbonica. Questa fase della fotosintesi non può essere spiegata in modo semplice e conciso perché non procede in modo tale che sei molecole di CO 2 si combinino con l'idrogeno rilasciato dalle molecole NADP*H 2 per formare glucosio:
6CO2 + 6NADP*H2 →C6H12O6 + 6NADP
(la reazione avviene con il dispendio energetico di ATP, che si scompone in ADP e acido fosforico).
La reazione data è solo una semplificazione per renderla più facile da capire. Le molecole di anidride carbonica, infatti, si legano una alla volta, unendosi alla sostanza organica a cinque atomi di carbonio già preparata. Si forma una sostanza organica instabile a sei atomi di carbonio, che si scompone in molecole di carboidrati a tre atomi di carbonio. Alcune di queste molecole vengono utilizzate per risintetizzare la sostanza originale a cinque atomi di carbonio per legare la CO 2 . Questa risintesi è assicurata Ciclo di Calvino. Una minoranza di molecole di carboidrati contenenti tre atomi di carbonio escono dal ciclo. Da loro e da altre sostanze vengono sintetizzate tutte le altre sostanze organiche (carboidrati, grassi, proteine).
Cioè, infatti, dalla fase oscura della fotosintesi escono gli zuccheri a tre atomi di carbonio, non il glucosio.
La fotosintesi è un processo biologico molto complesso. È stato studiato dalla scienza della biologia per molti anni, ma, come mostra la storia dello studio della fotosintesi, alcune fasi non sono ancora chiare. Nei libri di consultazione scientifica, una descrizione coerente di questo processo richiede diverse pagine. Lo scopo di questo articolo è descrivere il fenomeno della fotosintesi, in modo breve e chiaro per i bambini, sotto forma di diagrammi e spiegazioni.
Definizione scientifica
Innanzitutto è importante sapere cos’è la fotosintesi. In biologia, la definizione è la seguente: questo è il processo di formazione di sostanze organiche (cibo) da sostanze inorganiche (da anidride carbonica e acqua) nei cloroplasti utilizzando l'energia luminosa.
Per comprendere questa definizione, possiamo immaginare una fabbrica perfetta: qualsiasi pianta verde fotosintetica. Il “carburante” per questa fabbrica è la luce del sole, le piante utilizzano acqua, anidride carbonica e minerali produrre cibo per quasi tutte le forme di vita sulla terra. Questa “fabbrica” è perfetta perché, a differenza di altre fabbriche, non provoca danni, ma, al contrario, durante la produzione rilascia ossigeno nell’atmosfera e assorbe anidride carbonica. Come puoi vedere, per la fotosintesi sono necessarie determinate condizioni.
Questo processo unico può essere rappresentato come una formula o un'equazione:
sole + acqua + anidride carbonica = glucosio + acqua + ossigeno
Struttura delle foglie delle piante
Per caratterizzare l'essenza del processo di fotosintesi, è necessario considerare la struttura della foglia. Se guardi al microscopio, puoi vedere cellule trasparenti contenenti da 50 a 100 punti verdi. Si tratta dei cloroplasti, dove si trova la clorofilla, il principale pigmento fotosintetico e in cui avviene la fotosintesi.
Il cloroplasto è come una piccola borsa e al suo interno ci sono borse ancora più piccole. Si chiamano tilacoidi. Le molecole di clorofilla si trovano sulla superficie dei tilacoidi. e sono organizzati in gruppi chiamati fotosistemi. La maggior parte delle piante ha due tipi di fotosistemi (PS): fotosistema I e fotosistema II. Solo le cellule che hanno un cloroplasto sono capaci di fotosintesi.
Descrizione della fase luminosa
Quali reazioni si verificano durante la fase luminosa della fotosintesi? Nel gruppo PSII, l'energia della luce solare viene trasferita agli elettroni della molecola di clorofilla, a seguito della quale l'elettrone si carica, cioè “eccita così tanto” che salta fuori dal gruppo del fotosistema e viene “raccolto "dalla molecola trasportatrice nella membrana tilacoide. Questo elettrone si sposta da un trasportatore all'altro finché non viene scaricato. Può quindi essere utilizzato in un altro gruppo PSI per sostituire un elettrone.
Al gruppo del Fotosistema II manca un elettrone e ora è carico positivamente e richiede un nuovo elettrone. Ma dove si può trovare un elettrone del genere? Un'area del gruppo noto come complesso di evoluzione dell'ossigeno attende la molecola d'acqua spensierata che "passeggia".
Una molecola d'acqua contiene un atomo di ossigeno e due atomi di idrogeno. Il complesso di evoluzione dell'ossigeno nel PSII ha quattro ioni manganese che prendono elettroni dagli atomi di idrogeno. Di conseguenza, la molecola d'acqua si divide in due ioni idrogeno positivi, due elettroni e un atomo di ossigeno. Le molecole d’acqua si dividono e gli atomi di ossigeno si distribuiscono a coppie, formando molecole di ossigeno gassoso, che restituiscono la pianta all'aria. Gli ioni idrogeno iniziano a raccogliersi nel sacco tilacoide, da qui la pianta può usarli e, con l'aiuto degli elettroni, viene risolto il problema della perdita nel complesso PS II, che è pronto a ripetere questo ciclo molte volte al secondo.
Gli ioni idrogeno si accumulano nel sacco tilacoide e iniziano a cercare una via d'uscita. Non ci sono solo due ioni idrogeno, che si formano sempre durante la disintegrazione di una molecola d'acqua: passando dal complesso PS II al complesso PS I, gli elettroni attirano altri ioni idrogeno nella borsa. Questi ioni si accumulano poi nel tilacoide. Come possono uscire da lì?
Si scopre che hanno un "tornello" con un'uscita: un enzima che viene utilizzato nella produzione del "carburante" cellulare chiamato ATP (adenosina trifosfato). Passando attraverso questo "tornello", gli ioni idrogeno forniscono l'energia necessaria per ricaricare le molecole di ATP già utilizzate. Le molecole di ATP sono "batterie" cellulari. Forniscono energia per le reazioni all'interno della cellula.
Quando si raccoglie lo zucchero, è necessaria un'altra molecola. Si chiama NADP (nicotinammide adenina dinucleotide fosfato). Le molecole NADP sono “camion”, ciascuna di esse consegna un atomo di idrogeno all’enzima della molecola di zucchero. La formazione di NADP avviene nel complesso PS I. Mentre il fotosistema (PSII) scompone le molecole d'acqua e da essi crea ATP, il fotosistema (PS I) assorbe la luce e rilascia elettroni, che saranno successivamente necessari nella formazione del NADP. Le molecole di ATP e NADP vengono immagazzinate nello stroma e verranno successivamente utilizzate per formare lo zucchero.
Prodotti della fase leggera della fotosintesi:
- ossigeno
- NADP*H2
Schema della fase notturna
Dopo la fase luminosa, avviene la fase oscura della fotosintesi. Questa fase fu scoperta per la prima volta da Calvino. Successivamente, questa scoperta fu chiamata c3 - fotosintesi. In alcune specie vegetali si osserva un tipo di fotosintesi: c4.
Durante la fase leggera della fotosintesi non viene prodotto zucchero. Quando esposti alla luce, vengono prodotti solo ATP e NADP. Gli enzimi vengono utilizzati nello stroma (lo spazio esterno al tilacoide) per la produzione dello zucchero. Il cloroplasto può essere paragonato a una fabbrica in cui le squadre (PS I e PS II) all'interno del tilacoide producono camion e batterie (NADP e ATP) per il lavoro della terza squadra (enzimi speciali) dello stroma.
Questa squadra forma lo zucchero aggiungendo atomi di idrogeno e molecole di anidride carbonica attraverso reazioni chimiche utilizzando enzimi situati nello stroma. Tutte e tre le squadre lavorano durante il giorno e la squadra “zucchero” lavora sia di giorno che di notte, finché l'ATP e il NADP rimasti dopo il turno diurno non vengono esauriti.
Nello stroma molti atomi e molecole si combinano con l'aiuto di enzimi. Alcuni enzimi sono molecole proteiche che hanno una forma speciale che consente loro di assumere gli atomi o le molecole di cui hanno bisogno per una reazione specifica. Dopo avviene la connessione, l'enzima viene rilasciato una molecola appena formata e questo processo si ripete costantemente. Nello stroma, gli enzimi trasmettono le molecole di zucchero che hanno raccolto, le riorganizzano, le caricano di ATP, aggiungono anidride carbonica, aggiungono idrogeno, quindi inviano lo zucchero a tre atomi di carbonio in un'altra parte della cellula dove viene convertito in glucosio e una varietà di altre sostanze.
Quindi, la fase oscura è caratterizzata dalla formazione di molecole di glucosio. E i carboidrati sono sintetizzati dal glucosio.
Fasi chiare e scure della fotosintesi (tabella)
Ruolo in natura
Qual è il significato della fotosintesi in natura? Possiamo tranquillamente affermare che la vita sulla Terra dipende dalla fotosintesi.
- Con il suo aiuto, le piante producono ossigeno, così necessario per la respirazione.
- Durante la respirazione viene rilasciata anidride carbonica. Se le piante non lo assorbissero, nell’atmosfera si creerebbe un effetto serra. Con l’avvento dell’effetto serra, il clima potrebbe cambiare, i ghiacciai potrebbero sciogliersi e, di conseguenza, molte aree del territorio potrebbero essere inondate.
- Il processo di fotosintesi aiuta ad alimentare tutti gli esseri viventi e fornisce carburante anche all’umanità.
- Grazie all'ossigeno rilasciato attraverso la fotosintesi sotto forma di uno schermo di ossigeno-ozono dell'atmosfera, tutti gli esseri viventi sono protetti dalle radiazioni ultraviolette.
Implementato il processo di fotosintesi nelle foglie delle piante. La fotosintesi è caratteristica solo delle piante verdi. Questo aspetto più importante dell'attività fogliare è caratterizzato nel modo più completo da K. A. Timiryazev:
Si può dire che la vita della foglia esprime l'essenza stessa della vita vegetale. Tutte le sostanze organiche, non importa quanto diverse siano, ovunque si trovino - sia in una pianta, in un animale o in una persona - sono passate attraverso la foglia, originando da sostanze prodotte dalla foglia.
La struttura delle foglie delle piante
Foglie di piante Sono caratterizzati da una grande diversità nella loro struttura anatomica, che dipende sia dal tipo di pianta che dalle condizioni della loro crescita. La foglia è ricoperta sopra e sotto dall'epidermide, un tessuto di copertura con numerose aperture chiamate stomi. Sotto l'epidermide superiore è presente una palizzata, o parenchima colonnare, detta di assimilazione. Sotto di esso c'è un tessuto più sciolto: il parenchima spugnoso, seguito dall'epidermide inferiore. L'intera foglia è penetrata da una rete di vene costituite da fasci conduttori attraverso i quali passano acqua, minerali e sostanze organiche. Sezione trasversale di una foglia. Il tessuto colonnare e spugnoso della foglia contiene plastidi verdi - cloroplasti contenenti pigmenti. La presenza dei cloroplasti e dei pigmenti verdi in essi contenuti (clorofille) spiega il colore delle piante. Enorme superficie fogliare, che raggiunge i 30.000 - 50.000 mq. m per 1 ettaro in diverse piante, è ben adattato per l'assorbimento efficace della CO 2 dall'aria durante la fotosintesi. L'anidride carbonica penetra nella foglia della pianta attraverso gli stomi situati nell'epidermide, entra negli spazi intercellulari e, penetrando attraverso la membrana cellulare, entra nel citoplasma e quindi nei cloroplasti, dove avviene il processo di assimilazione. L'ossigeno formato in questo processo si diffonde dalla superficie dei cloroplasti allo stato libero. Pertanto, attraverso gli stomi, avviene lo scambio di gas tra le foglie e l'ambiente esterno: l'assunzione di anidride carbonica e il rilascio di ossigeno durante la fotosintesi, il rilascio di anidride carbonica e l'assorbimento di ossigeno durante la respirazione. Inoltre, gli stomi servono a rilasciare vapore acqueo. Nonostante il fatto che l'area totale delle aperture stomatiche sia solo l'1-2% dell'intera superficie fogliare, tuttavia, quando gli stomi sono aperti, l'anidride carbonica penetra nelle foglie ad una velocità 50 volte superiore al suo assorbimento da parte degli alcali . Il numero di stomi è molto elevato: da diverse dozzine a 1500 per 1 quadrato. mm.Cloroplasti
Cloroplasti- plastidi verdi in cui avviene il processo di fotosintesi. Si trovano nel citoplasma. Nelle piante superiori, i cloroplasti sono a forma di disco o di lente; nelle piante inferiori sono più diversificati.
Cloroplasti nelle cellule vegetali verdi. La dimensione dei cloroplasti nelle piante superiori è abbastanza costante, con una media di 1-10 micron. Di solito una cellula contiene un gran numero di cloroplasti, in media 20-50, e talvolta di più. Si trovano principalmente nelle foglie e ce ne sono molti nei frutti acerbi. In una pianta il numero totale di cloroplasti è enorme; in una quercia adulta, ad esempio, la loro superficie è di 2 ettari. Il cloroplasto ha una struttura a membrana. È separato dal citoplasma da una doppia membrana. Il cloroplasto contiene lamelle, placche proteico-lipidiche, raccolte in fasci e chiamate grana. La clorofilla si trova nelle lamelle sotto forma di uno strato monomolecolare. Tra le lamelle si trova un fluido proteico acquoso: lo stroma; contiene granelli di amido e gocce di olio. La struttura del cloroplasto è ben adattata alla fotosintesi, poiché la divisione dell'apparato contenente clorofilla in piccole piastre aumenta significativamente la superficie attiva del cloroplasto, facilitando l'accesso dell'energia e il suo trasferimento ai sistemi chimici coinvolti nella fotosintesi. I dati di A. A. Tabentsky mostrano che i cloroplasti cambiano continuamente durante l'ontogenesi delle piante. Nelle foglie giovani si osserva una struttura a granulometria fine dei cloroplasti, mentre nelle foglie che hanno completato la crescita si osserva una struttura a grana grossa. Nelle foglie vecchie si osserva già la decomposizione dei cloroplasti. La sostanza secca dei cloroplasti contiene 20-45% proteine, 20-40% lipidi, 10-12% carboidrati ed altre sostanze di riserva, 10% elementi minerali, 5-10% pigmenti verdi (clorofilla UN e clorofilla B), 1-2% di carotenoidi, nonché piccole quantità di RNA e DNA. Il contenuto di acqua raggiunge il 75%. I cloroplasti contengono un ampio insieme di enzimi idrolitici e redox. La ricerca di N. M. Sissakyan ha dimostrato che la sintesi di molti enzimi avviene anche nei cloroplasti. Grazie a ciò, prendono parte all'intero complesso complesso dei processi della vita vegetale. Pigmenti, loro proprietà e condizioni di formazione
Pigmenti può essere estratto dalle foglie delle piante con alcool o acetone. L'estratto contiene i seguenti pigmenti: verde - clorofilla UN e clorofilla B; giallo - carotene e xantofilla (carotenoidi).Clorofilla
Clorofilla rappresentauna delle sostanze più interessanti sulla superficie terrestre(C. Darwin), poiché grazie ad esso è possibile la sintesi di sostanze organiche da CO 2 inorganici e H 2 O. La clorofilla è insolubile in acqua e cambia facilmente sotto l'influenza di sali, acidi e alcali, quindi è stato molto difficile per stabilirne la composizione chimica. Per estrarre la clorofilla viene solitamente utilizzato l'alcol etilico o l'acetone. La clorofilla ha le seguenti formule riassuntive: clorofilla UN- C 55 H 72 O 5 N 4 Mg, clorofilla B-C55H70O6N4Mg. Nella clorofilla UN 2 atomi di idrogeno in più e 1 atomo di ossigeno in meno rispetto alla clorofilla B. Le formule della clorofilla possono essere rappresentate come segue:
Formule della clorofilla UN E B. Il posto centrale nella molecola della clorofilla è occupato dal Mg; può essere spostato trattando l'estratto alcolico della clorofilla con acido cloridrico. Il pigmento verde si trasforma in marrone, chiamato feofitina, in cui il Mg è sostituito da due atomi di H dell'acido cloridrico. È molto semplice ripristinare il colore verde dell'estratto aggiungendo magnesio o un altro metallo alla molecola di feofitina. Pertanto, il colore verde della clorofilla è associato alla presenza di metallo nella sua composizione. Quando un estratto alcolico di clorofilla viene esposto agli alcali, i gruppi alcolici (fitolo e alcol metilico) vengono eliminati; in questo caso viene mantenuto il colore verde della clorofilla, indicando che il nucleo della molecola di clorofilla viene preservato durante questa reazione. La composizione chimica della clorofilla è la stessa in tutte le piante. Il contenuto di clorofilla a è sempre maggiore (circa 3 volte) rispetto alla clorofilla b. La quantità totale di clorofilla è piccola e ammonta a circa l'1% della sostanza secca della foglia. Nella sua natura chimica, la clorofilla è vicina alla sostanza colorante nel sangue: l'emoglobina, il cui posto centrale nella molecola non è occupato dal magnesio, ma dal ferro. In base a ciò, anche le loro funzioni fisiologiche differiscono: la clorofilla prende parte al processo rigenerativo più importante in una pianta - la fotosintesi e l'emoglobina - nel processo di respirazione degli organismi animali, trasportando ossigeno. Proprietà ottiche dei pigmenti
La clorofilla assorbe l'energia solare e la dirige verso reazioni chimiche che non possono avvenire senza energia ricevuta dall'esterno. Una soluzione di clorofilla alla luce trasmessa è verde, ma con l'aumento dello spessore dello strato o della concentrazione di clorofilla diventa rossa. La clorofilla assorbe la luce non completamente, ma selettivamente. Quando la luce bianca passa attraverso un prisma, produce uno spettro composto da sette colori visibili, che gradualmente si trasformano l'uno nell'altro. Quando si fa passare la luce bianca attraverso un prisma e una soluzione di clorofilla, l'assorbimento più intenso nello spettro risultante sarà nei raggi rossi e blu-viola. I raggi verdi sono poco assorbiti, quindi, in uno strato sottile, la clorofilla ha un colore verde nella luce trasmessa. Tuttavia, con l'aumento della concentrazione di clorofilla, le bande di assorbimento si espandono (viene assorbita anche una parte significativa dei raggi verdi) e solo una parte dei raggi rossi estremi passa senza assorbimento. Spettri di assorbimento della clorofilla UN E B molto vicino. Alla luce riflessa, la clorofilla appare rosso ciliegia perché emette luce assorbita con un cambiamento nella sua lunghezza d'onda. Questa proprietà della clorofilla è chiamata fluorescenza.Carotene e xantofilla
Carotene e xantofilla hanno bande di assorbimento solo nei raggi blu e viola. I loro spettri sono vicini tra loro.
Spettri di assorbimento della clorofilla UN E B. L'energia assorbita da questi pigmenti viene trasferita alla clorofilla UN, che partecipa direttamente alla fotosintesi. Il carotene è considerato provitamina A, poiché la sua degradazione produce 2 molecole di vitamina A. La formula del carotene è C 40 H 56, la xantofilla è C 40 H 54 (OH) 2. Condizioni per la formazione della clorofilla
Formazione di clorofilla avviene in 2 fasi: la prima fase è buia, durante la quale si forma il precursore della clorofilla, la protoclorofilla, e la seconda fase è chiara, durante la quale si forma la clorofilla dalla protoclorofilla alla luce. La formazione della clorofilla dipende sia dal tipo di pianta che da una serie di condizioni esterne. Alcune piante, come le piantine di conifere, possono diventare verdi anche senza luce, al buio, ma nella maggior parte delle piante la clorofilla si forma dalla protoclorofilla solo alla luce. In assenza di luce si ottengono piante eziolate che presentano un fusto sottile, debole, molto allungato e foglie di colore giallo pallido molto piccole. Se le piante eziolate vengono esposte alla luce, le foglie diventeranno rapidamente verdi. Ciò è spiegato dal fatto che le foglie contengono già protoclorofilla, che sotto l'influenza della luce viene facilmente convertita in clorofilla. La temperatura ha una grande influenza sulla formazione della clorofilla; In una primavera fredda, le foglie di alcuni arbusti non diventano verdi finché non arriva il clima caldo: quando la temperatura scende, la formazione di protoclorofilla viene soppressa. La temperatura minima alla quale inizia la formazione della clorofilla è di 2°, la massima alla quale non avviene la formazione della clorofilla è di 40°. Oltre ad una certa temperatura, la formazione della clorofilla richiede elementi di nutrimento minerale, in particolare il ferro. In sua assenza, le piante soffrono di una malattia chiamata clorosi. A quanto pare, il ferro è un catalizzatore nella sintesi della protoclorofilla, poiché non fa parte della molecola della clorofilla. La formazione della clorofilla richiede anche azoto e magnesio, che fanno parte della sua molecola. Una condizione importante è la presenza nelle cellule fogliari di plastidi capaci di diventare verdi. In loro assenza le foglie della pianta rimangono bianche, la pianta non è capace di fotosintesi e può vivere solo finché non esaurisce le riserve di semi. Questo fenomeno è chiamato albinismo. È associato a un cambiamento nella natura ereditaria di una determinata pianta.Rapporti quantitativi tra clorofilla e anidride carbonica assimilabile
Con contenuti più elevati clorofilla In una pianta, il processo di fotosintesi inizia con un'intensità luminosa inferiore e anche a una temperatura inferiore. Con l'aumento del contenuto di clorofilla nelle foglie, la fotosintesi aumenta, ma fino a un certo limite. Di conseguenza, non esiste una relazione diretta tra il contenuto di clorofilla e l'intensità dell'assorbimento di CO 2. La quantità di CO 2 assimilata dalla foglia in un'ora, calcolata per unità di clorofilla contenuta nella foglia, è tanto maggiore quanto minore è la clorofilla. R. Willstetter e A. Stohl hanno proposto un'unità che caratterizza la relazione tra la quantità di clorofilla e l'anidride carbonica assorbita. Hanno chiamato la quantità di anidride carbonica decomposta per unità di tempo per unità di peso di clorofilla numero di assimilazione. Il numero di assimilazione non è costante: è maggiore quando il contenuto di clorofilla è basso e minore quando il suo contenuto nelle foglie è elevato. Di conseguenza, la molecola di clorofilla viene utilizzata in modo più produttivo quando il suo contenuto nella foglia è basso e la produttività della clorofilla diminuisce all'aumentare della sua quantità. I dati vengono inseriti nella tabella.Tabella Numero di assimilazione in funzione del contenuto di clorofilla (secondo R. Willstetter e A. Stohl)
| Impianti |
alle 10 foglie (mg) |
Numero di assimilazione |
|
razza verde razza gialla |
16,2 1,2 | 6,9 82,0 |
| Lilla | 16,2 | 5,8 |
| Germogli di soia eziolati dopo illuminazione per: 6 ore 4 giorni |
