Rastline pridobivajo vodo in minerale iz svojih korenin. Listi zagotavljajo rastlinam organsko prehrano. Za razliko od korenin niso v tleh, ampak v zraku, zato ne zagotavljajo talne, temveč zračne prehrane.
Iz zgodovine proučevanja zračne prehrane rastlin
Znanje o prehrani rastlin se je nabiralo postopoma. Pred približno 350 leti je nizozemski znanstvenik Jan Helmont prvi eksperimentiral s preučevanjem prehrane rastlin. Vrbo je gojil v glineni posodi, napolnjeni z zemljo, dodal pa je le vodo. Znanstvenik je skrbno stehtal odpadlo listje. Po petih letih se je masa vrbe skupaj z odpadlim listjem povečala za 74,5 kg, masa zemlje pa se je zmanjšala le za 57 g.Na podlagi tega je Helmont prišel do zaključka, da vse snovi v rastlini nastanejo ne iz zemlje , ampak iz vode. Mnenje, da se rastlina poveča samo zaradi vode, se je obdržalo do konca 18. stoletja.
Leta 1771 je angleški kemik Joseph Priestley preučeval ogljikov dioksid ali, kot ga je sam imenoval, "pokvarjeni zrak" in prišel do izjemnega odkritja. Če prižgete svečo in jo pokrijete s steklenim pokrovom, bo potem, ko malo pogori, ugasnila. Miška pod tako kapuco se začne dušiti. Če pa z miško pod pokrovček položite vejico mete, se miška ne zaduši in živi naprej. To pomeni, da rastline "popravijo" zrak, pokvarjen z dihanjem živali, to pomeni, da pretvorijo ogljikov dioksid v kisik.
Leta 1862 je nemški botanik Julius Sachs s poskusi dokazal, da zelene rastline ne proizvajajo le kisika, ampak ustvarjajo tudi organske snovi, ki služijo kot hrana vsem ostalim organizmom.
fotosinteza
Glavna razlika med zelenimi rastlinami in drugimi živimi organizmi je prisotnost kloroplastov v njihovih celicah, ki vsebujejo klorofil. Klorofil ima lastnost zajemanja sončnih žarkov, katerih energija je potrebna za nastanek organskih snovi. Proces nastajanja organskih snovi iz ogljikovega dioksida in vode z uporabo sončne energije imenujemo fotosinteza (grško pbo1os svetloba). Med procesom fotosinteze ne nastajajo le organske snovi – sladkorji, ampak se sprošča tudi kisik.
Shematično lahko proces fotosinteze prikažemo na naslednji način:
Vodo absorbirajo korenine in se premika skozi prevodni sistem korenin in stebla do listov. Ogljikov dioksid je sestavni del zraka. V liste vstopi skozi odprta ustja. Absorpcijo ogljikovega dioksida olajša struktura lista: ravna površina listnih plošč, ki poveča površino stika z zrakom, in prisotnost velikega števila stomatov v koži.
Sladkorji, ki nastanejo kot posledica fotosinteze, se pretvorijo v škrob. Škrob je organska snov, ki se ne topi v vodi. Kgo je mogoče zlahka odkriti z raztopino joda.
Dokazi o tvorbi škroba v listih, izpostavljenih svetlobi
Dokažimo, da v zelenih listih rastlin škrob nastaja iz ogljikovega dioksida in vode. Če želite to narediti, razmislite o poskusu, ki ga je nekoč izvedel Julius Sachs.
Sobno rastlino (geranijo ali jeglič) pustimo dva dni v temi, da se ves škrob porabi za vitalne procese. Nato več listov na obeh straneh prekrijemo s črnim papirjem, tako da je le del pokrit. Čez dan je rastlina izpostavljena svetlobi, ponoči pa jo dodatno osvetlimo z namizno svetilko.
Po enem dnevu se proučevani listi odrežejo. Da ugotovimo, v katerem delu lista nastaja škrob, liste skuhamo v vodi (da škrobna zrna nabreknejo) in nato hranimo v vročem alkoholu (klorofil se raztopi in list se obarva). Nato liste speremo z vodo in obdelamo s šibko raztopino joda. Tako predeli listov, ki so bili izpostavljeni svetlobi, pridobijo modro barvo zaradi delovanja joda. To pomeni, da je v celicah osvetljenega dela lista nastal škrob. Zato se fotosinteza odvija le na svetlobi.
Dokazi o potrebi po ogljikovem dioksidu za fotosintezo
Da bi dokazali, da je ogljikov dioksid nujen za tvorbo škroba v listih, tudi sobno rastlino najprej postavimo v temo. Enega od listov nato damo v bučko z majhno količino apnene vode. Bučko zapremo z vatirano palčko. Rastlina je izpostavljena svetlobi. Ogljikov dioksid absorbira apnena voda, zato ga v bučki ne bo. List odrežemo in tako kot v prejšnjem poskusu pregledamo na prisotnost škroba. Hranimo ga v vroči vodi in alkoholu ter obdelamo z raztopino joda. Vendar pa bo v tem primeru rezultat poskusa drugačen: list ne postane moder, ker ne vsebuje škroba. Zato je za nastanek škroba poleg svetlobe in vode potreben ogljikov dioksid.
Tako smo odgovorili na vprašanje, kakšno hrano rastlina prejema iz zraka. Izkušnje so pokazale, da gre za ogljikov dioksid. Potreben je za nastanek organske snovi.
Organizmi, ki samostojno ustvarjajo organske snovi za izgradnjo svojega telesa, se imenujejo avtotrofami (grško autos - sam, trophe - hrana).
Dokazi o proizvodnji kisika med fotosintezo
Da bi dokazali, da med fotosintezo rastline sproščajo kisik v zunanje okolje, razmislite o poskusu z vodno rastlino Elodea. Poganjke elodeje potopimo v posodo z vodo in na vrhu pokrijemo z lijakom. Na konec lijaka postavite epruveto, napolnjeno z vodo. Rastlina je izpostavljena svetlobi dva do tri dni. Na svetlobi elodea proizvaja plinske mehurčke. Kopičijo se na vrhu epruvete in izpodrivajo vodo. Da bi ugotovili, za kakšen plin gre, epruveto previdno odstranimo in vanjo vstavimo tleč drobec. Drobec močno utripa. To pomeni, da se je v bučki nabral kisik, ki podpira gorenje.
Kozmična vloga rastlin
Rastline, ki vsebujejo klorofil, lahko absorbirajo sončno energijo. Zato je K.A. Timirjazev je njihovo vlogo na Zemlji imenoval kozmična. Nekaj sončne energije, shranjene v organski snovi, se lahko shrani dolgo časa. Premog, šota, nafta so sestavljene iz snovi, ki so jih v starih geoloških časih ustvarile zelene rastline in absorbirale energijo sonca. S kurjenjem naravnih gorljivih materialov človek sprosti energijo, ki so jo pred milijoni let shranile zelene rastline.
kjer so AH 2 produkti F.
Strukturne značilnosti fotosintetskega aparata.
Visoko učinkovitost fosforja v višjih zelenih rastlinah zagotavlja popoln fotosintetski aparat, katerega osnova so znotrajcelični organeli - kloroplasti (v zeleni listni celici jih je 20-100). Obdaja jih dvoslojna membrana. Njegova notranja plast je sestavljena iz sploščenih vrečk ali veziklov, imenovanih tilakoidi, ki so pogosto pakirani v kupe in tvorijo grano, ki je med seboj povezana z enojnimi intergranularnimi tilakoidi. Tilakoidi so sestavljeni iz samih fotosintetskih membran, ki so biomolekularne lipidne plasti in mozaično razpršeni kompleksi lipoprotein-pigment, ki tvorijo fotokemično aktivne centre, vsebujejo pa tudi posebne komponente, ki sodelujejo pri transportu elektronov in tvorbi adenozin trifosfata (ATP). Del kloroplasta, ki se nahaja med tilakoidi strome, vsebuje encime, ki katalizirajo temne reakcije fosforja (na primer pretvorbo ogljika, dušika, žvepla, biosintezo ogljikovih hidratov in beljakovin). Škrob, ki nastane med F., se odloži v stromo. Kloroplasti imajo lastno DNK, RNK, ribosomi, sintetizirajo beljakovine in imajo določeno genetsko avtonomijo, vendar so pod splošnim nadzorom jedra. fotosintetske bakterije in večina alg nimajo kloroplastov. Fotosintetski aparat večine alg predstavljajo specializirani znotrajcelični organeli - kromatoforji, in fotosintetske bakterije in modro-zelene alge - tilakoidi (njihove membrane vsebujejo pigment bakterioklorofil ali bakterioviridin, pa tudi druge sestavine reakcij flegma), potopljene v periferne plasti citoplazme.
Faza primarnih transformacij in shranjevanja energije v procesu fotosinteze
Fotosinteza rastlin temelji na redoks procesu, v katerem se 4 elektroni (in protoni) dvignejo od ravni redoks potenciala, ki ustreza oksidaciji vode (+ 0,8 V) na raven, ki ustreza zmanjšanju CO 2 s tvorbo ogljikovih hidratov (– 0,4 V). Hkrati je povečanje proste energije reakcije redukcije CO 2 na raven ogljikovih hidratov 120 kcal/mol, in skupna enačba F. je izražena kot.
fotosinteza je proces sinteze organskih snovi iz anorganskih z uporabo svetlobne energije. V veliki večini primerov fotosintezo izvajajo rastline s pomočjo celičnih organelov kot npr kloroplasti ki vsebuje zeleni pigment klorofil.
Če rastline ne bi bile sposobne sintetizirati organskih snovi, potem skoraj vsi drugi organizmi na Zemlji ne bi imeli kaj jesti, saj živali, glive in številne bakterije ne morejo sintetizirati organskih snovi iz anorganskih. Vsrkajo le že pripravljene, jih razdelijo na enostavnejše, iz katerih spet sestavijo kompleksne, a že značilne za njihovo telo.
Tako je, če zelo na kratko govorimo o fotosintezi in njeni vlogi. Da bi razumeli fotosintezo, moramo povedati več: katere specifične anorganske snovi se uporabljajo, kako pride do sinteze?
Za fotosintezo sta potrebni dve anorganski snovi - ogljikov dioksid (CO 2) in voda (H 2 O). Prvega iz zraka absorbirajo nadzemni deli rastlin predvsem skozi želodce. Voda prihaja iz tal, od koder jo po prevodnem sistemu rastline dovaja fotosintetskim celicam. Tudi fotosinteza zahteva energijo fotonov (hν), vendar jih ne moremo pripisati materiji.
Fotosinteza skupaj proizvaja organske snovi in kisik (O2). Značilno je, da organska snov najpogosteje pomeni glukozo (C 6 H 12 O 6).
Organske spojine so večinoma sestavljene iz atomov ogljika, vodika in kisika. Najdemo jih v ogljikovem dioksidu in vodi. Vendar pa se med fotosintezo sprošča kisik. Njegovi atomi so vzeti iz vode.
Na kratko in na splošno je enačba za reakcijo fotosinteze običajno zapisana takole:
6CO 2 + 6H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 6O 2
Toda ta enačba ne odraža bistva fotosinteze in je ne naredi razumljive. Poglejte, čeprav je enačba uravnotežena, je v njej skupno število atomov v prostem kisiku 12. Ampak rekli smo, da prihajajo iz vode, in jih je le 6.
Pravzaprav fotosinteza poteka v dveh fazah. Prvi se imenuje svetloba, drugič - temno. Takšna imena so posledica dejstva, da je svetloba potrebna le za svetlo fazo, temna faza je neodvisna od njene prisotnosti, vendar to ne pomeni, da se pojavi v temi. Svetla faza se pojavi na membranah tilakoidov kloroplasta, temna faza pa se pojavi v stromi kloroplasta.
Med svetlobno fazo ne pride do vezave CO 2 . Vse, kar se zgodi, je zajemanje sončne energije s klorofilnimi kompleksi, njeno shranjevanje v ATP in uporaba energije za redukcijo NADP v NADP*H 2 . Pretok energije iz svetlobno vzbujenega klorofila zagotavljajo elektroni, ki se prenašajo vzdolž transportne verige encimov, vgrajenih v tilakoidne membrane.
Vodik za NADP prihaja iz vode, ki jo sončna svetloba razgradi na atome kisika, vodikove protone in elektrone. Ta proces se imenuje fotoliza. Kisik iz vode za fotosintezo ni potreben. Atomi kisika iz dveh molekul vode se združijo in tvorijo molekularni kisik. Reakcijska enačba za svetlobno fazo fotosinteze je na kratko videti takole:
H 2 O + (ADP+P) + NADP → ATP + NADP*H 2 + ½O 2
Tako pride do sproščanja kisika med svetlobno fazo fotosinteze. Število molekul ATP, sintetiziranih iz ADP in fosforne kisline na fotolizo ene molekule vode, je lahko različno: ena ali dve.
Torej, ATP in NADP*H 2 prideta iz svetle faze v temno fazo. Pri tem se energija prvega in redukcijska moč drugega porabita za vezavo ogljikovega dioksida. Te stopnje fotosinteze ni mogoče razložiti preprosto in jedrnato, ker ne poteka tako, da bi se šest molekul CO 2 združilo z vodikom, ki se sprosti iz molekul NADP*H 2, da bi tvorilo glukozo:
6CO 2 + 6NADP*H 2 →C 6 H 12 O 6 + 6NADP
(reakcija poteka s porabo energije ATP, ki se razgradi na ADP in fosforno kislino).
Podana reakcija je le poenostavitev za lažje razumevanje. Pravzaprav se molekule ogljikovega dioksida vežejo ena za drugo in se pridružijo že pripravljeni petogljikovi organski snovi. Nastane nestabilna šestogljikova organska snov, ki razpade na triogljikove molekule ogljikovih hidratov. Nekatere od teh molekul se uporabijo za ponovno sintetizacijo prvotne petogljikove snovi za vezavo CO 2 . Ta ponovna sinteza je zagotovljena Calvinov cikel. Manjšina molekul ogljikovih hidratov, ki vsebujejo tri ogljikove atome, zapusti cikel. Iz njih in drugih snovi se sintetizirajo vse druge organske snovi (ogljikovi hidrati, maščobe, beljakovine).
To pomeni, da pravzaprav iz temne faze fotosinteze nastanejo sladkorji s tremi ogljikovimi atomi in ne glukoza.
Fotosinteza je zelo zapleten biološki proces. Že vrsto let ga proučuje biološka znanost, vendar, kot kaže zgodovina preučevanja fotosinteze, so nekatere stopnje še vedno nejasne. V znanstvenih referenčnih knjigah traja dosleden opis tega procesa več strani. Namen tega članka je otrokom na kratko in razumljivo v obliki diagramov in razlag opisati pojav fotosinteze.
Znanstvena definicija
Najprej je pomembno vedeti, kaj je fotosinteza. V biologiji je definicija naslednja: to je proces nastajanja organskih snovi (hrane) iz anorganskih snovi (iz ogljikovega dioksida in vode) v kloroplastih z uporabo svetlobne energije.
Da bi razumeli to definicijo, si lahko predstavljamo popolno tovarno – vsako zeleno rastlino, ki je fotosintezna. »Gorivo« za to tovarno je sončna svetloba, rastline uporabljajo vodo, ogljikov dioksid in minerale za proizvodnjo hrane za skoraj vse oblike življenja na zemlji. Ta »tovarna« je popolna, ker za razliko od drugih tovarn ne povzroča škode, ampak nasprotno, med proizvodnjo v ozračje sprošča kisik in absorbira ogljikov dioksid. Kot lahko vidite, so za fotosintezo potrebni določeni pogoji.
Ta edinstven proces je mogoče predstaviti kot formulo ali enačbo:
sonce + voda + ogljikov dioksid = glukoza + voda + kisik
Struktura listov rastline
Da bi opisali bistvo procesa fotosinteze, je treba upoštevati strukturo lista. Če pogledate pod mikroskopom, lahko vidite prozorne celice, ki vsebujejo od 50 do 100 zelenih pik. To so kloroplasti, kjer se nahaja klorofil, glavni fotosintetski pigment in v katerih poteka fotosinteza.
Kloroplast je kot majhna vrečka, v njej pa so še manjše vrečke. Imenujejo se tilakoidi. Molekule klorofila se nahajajo na površini tilakoidov. in so razvrščeni v skupine, imenovane fotosistemi. Večina rastlin ima dve vrsti fotosistemov (PS): fotosistem I in fotosistem II. Samo celice, ki imajo kloroplast, so sposobne fotosinteze.
Opis svetlobne faze
Kakšne reakcije se zgodijo med svetlobno fazo fotosinteze? V skupini PSII se energija sončne svetlobe prenaša na elektrone molekule klorofila, zaradi česar se elektron naelektri, torej »tako vznemiri«, da skoči iz skupine fotosistema in se »pobere«. ” z nosilno molekulo v tilakoidni membrani. Ta elektron se premika od nosilca do nosilca, dokler se ne izprazni. Nato se lahko uporabi v drugi skupini PSI za zamenjavo elektrona.
Skupini fotosistema II manjka elektron in zdaj je pozitivno nabit in zahteva nov elektron. Toda kje je mogoče dobiti tak elektron? Območje v skupini, znano kot kompleks, ki razvija kisik, čaka na brezskrbno sprehajanje vodne molekule.
Molekula vode vsebuje en atom kisika in dva atoma vodika. Kompleks za razvoj kisika v PSII ima štiri manganove ione, ki jemljejo elektrone vodikovim atomom. Zaradi tega se molekula vode razcepi na dva pozitivna vodikova iona, dva elektrona in en atom kisika. Molekule vode se razcepijo, atomi kisika pa se porazdelijo v pare in tvorijo molekule kisikovega plina, ki rastlino vrača v zrak. Vodikovi ioni se začnejo zbirati v tilakoidni vrečki, od tu jih rastlina lahko uporabi, s pomočjo elektronov pa se reši problem izgube v kompleksu PS II, ki je pripravljen ta cikel ponoviti večkrat na sekundo.
Vodikovi ioni se kopičijo v tilakoidni vrečki in začnejo iskati izhod. Dva vodikova iona, ki vedno nastaneta med razpadom molekule vode, nista vse: elektroni, ki prehajajo iz kompleksa PS II v kompleks PS I, pritegnejo druge vodikove ione v vrečko. Ti ioni se nato kopičijo v tilakoidu. Kako lahko pridejo od tam?
Izkazalo se je, da imajo "turntil" z enim izhodom - encim, ki se uporablja pri proizvodnji celičnega "goriva", imenovanega ATP (adenozin trifosfat). S prehodom skozi ta "turnstikel" vodikovi ioni zagotavljajo energijo, potrebno za ponovno polnjenje že uporabljenih molekul ATP. Molekule ATP so celične "baterije". Zagotavljajo energijo za reakcije znotraj celice.
Pri zbiranju sladkorja je potrebna še ena molekula več. Imenuje se NADP (nikotinamid adenin dinukleotid fosfat). Molekule NADP so »tovornjaki«, vsak od njih dostavi atom vodika encimu molekule sladkorja. Tvorba NADP poteka v kompleksu PS I. Medtem ko fotosistem (PSII) razgrajuje molekule vode in iz njih ustvari ATP, fotosistem (PS I) absorbira svetlobo in sprošča elektrone, ki bodo kasneje potrebni pri nastanku NADP. Molekule ATP in NADP so shranjene v stromi in bodo kasneje uporabljene za tvorbo sladkorja.
Produkti svetlobne faze fotosinteze:
- kisik
- NADP*H 2
Shema nočne faze
Po svetlobni fazi nastopi temna faza fotosinteze. To fazo je prvi odkril Calvin. Kasneje so to odkritje poimenovali c3 - fotosinteza. Pri nekaterih rastlinskih vrstah opazimo vrsto fotosinteze - c4.
Med svetlobno fazo fotosinteze se sladkor ne proizvaja. Pri izpostavljenosti svetlobi nastajata le ATP in NADP. Encimi se uporabljajo v stromi (prostor zunaj tilakoida) za proizvodnjo sladkorja. Kloroplast lahko primerjamo s tovarno, v kateri ekipe (PS I in PS II) znotraj tilakoida proizvajajo tovornjake in baterije (NADP in ATP) za delo tretje ekipe (posebnih encimov) strome.
Ta ekipa tvori sladkor z dodajanjem vodikovih atomov in molekul ogljikovega dioksida s kemičnimi reakcijami z uporabo encimov, ki se nahajajo v stromi. Vse tri ekipe delajo podnevi, ekipa "cukra" pa podnevi in ponoči, dokler ne porabita ATP in NADP, ki ostaneta po dnevni izmeni.
V stromi se številni atomi in molekule povezujejo s pomočjo encimov. Nekateri encimi so beljakovinske molekule, ki imajo posebno obliko, ki jim omogoča, da prevzamejo atome ali molekule, ki jih potrebujejo za določeno reakcijo. Po pride do povezave, encim sprosti novo oblikovano molekulo in ta proces se nenehno ponavlja. V stromi encimi prenesejo molekule sladkorja, ki so jih zbrali, jih prerazporedijo, napolnijo z ATP, dodajo ogljikov dioksid, dodajo vodik, nato pošljejo sladkor s tremi ogljikovimi atomi v drug del celice, kjer se pretvori v glukozo in različne druge snovi.
Torej je za temno fazo značilna tvorba molekul glukoze. In ogljikovi hidrati se sintetizirajo iz glukoze.
Svetla in temna faza fotosinteze (tabela)
Vloga v naravi
Kakšen je pomen fotosinteze v naravi? Mirno lahko trdimo, da je življenje na Zemlji odvisno od fotosinteze.
- Z njegovo pomočjo rastline proizvajajo kisik, ki je tako potreben za dihanje.
- Med dihanjem se sprošča ogljikov dioksid. Če ga rastline ne bi absorbirale, bi v ozračju nastal učinek tople grede. S pojavom učinka tople grede se lahko podnebje spremeni, ledeniki se stopijo in posledično so lahko poplavljena številna območja.
- Proces fotosinteze pomaga poganjati vsa živa bitja in zagotavlja gorivo tudi človeštvu.
- Zahvaljujoč kisiku, ki se sprošča s fotosintezo v obliki kisikovo-ozonskega zaslona ozračja, so vsa živa bitja zaščitena pred ultravijoličnim sevanjem.
Izvedeno proces fotosinteze v listih rastlin. Fotosinteza je značilna samo za zelene rastline. Ta najpomembnejši vidik delovanja listov najbolj v celoti opisuje K. A. Timiryazev:
Lahko rečemo, da življenje lista izraža samo bistvo rastlinskega življenja. Vse organske snovi, ne glede na to, kako raznolike so, kjer koli se nahajajo - bodisi v rastlini, živali ali človeku - prehajajo skozi list, izvirajo pa iz snovi, ki jih proizvaja list.
Struktura rastlinskih listov
Rastlinski listi Zanje je značilna velika raznolikost anatomske zgradbe, ki je odvisna tako od vrste rastline kot od pogojev rasti. List je zgoraj in spodaj prekrit s povrhnjico - pokrovnim tkivom s številnimi odprtinami, ki jih imenujemo želodci. Pod zgornjo povrhnjico je palisadni ali stebrasti parenhim, imenovan asimilacija. Pod njo je bolj ohlapno tkivo - gobasti parenhim, nato pa spodnja povrhnjica. Celoten list je prepreden z mrežo žil, sestavljenih iz prevodnih snopov, skozi katere prehajajo voda, minerali in organske snovi. Prerez lista. Stebrasto in gobasto tkivo lista vsebuje zelene plastide - kloroplaste, ki vsebujejo pigmente. Prisotnost kloroplastov in zelenih pigmentov, ki jih vsebujejo (klorofilov), pojasnjuje barvo rastlin. Ogromna listna površina, ki doseže 30.000 - 50.000 kvadratnih metrov. m na 1 hektar v različnih rastlinah, je dobro prilagojen za uspešno absorpcijo CO 2 iz zraka med fotosintezo. Ogljikov dioksid prodre v list rastline skozi želodce, ki se nahajajo v povrhnjici, vstopi v medcelične prostore in, prodre skozi celično membrano, vstopi v citoplazmo in nato v kloroplaste, kjer poteka proces asimilacije. Pri tem nastali kisik difundira s površine kloroplastov v prostem stanju. Tako skozi stomate poteka izmenjava plinov med listi in zunanjim okoljem - vnos ogljikovega dioksida in sproščanje kisika med fotosintezo, sproščanje ogljikovega dioksida in absorpcija kisika med dihanjem. Poleg tega stomati služijo za sproščanje vodne pare. Kljub dejstvu, da je skupna površina stomatalnih odprtin le 1-2% celotne listne površine, kljub temu, ko so stomati odprti, ogljikov dioksid prodre v liste s hitrostjo, ki je 50-krat večja od njegove absorpcije z alkalijami. . Število stomatov je zelo veliko - od nekaj deset do 1500 na 1 kvadrat. mm.kloroplasti
kloroplasti- zeleni plastidi, v katerih poteka proces fotosinteze. Nahajajo se v citoplazmi. Pri višjih rastlinah so kloroplasti v obliki diska ali leče, pri nižjih rastlinah pa so bolj raznoliki.
Kloroplasti v celicah zelenih rastlin. Velikost kloroplastov v višjih rastlinah je precej konstantna, v povprečju 1-10 mikronov. Običajno celica vsebuje veliko število kloroplastov, v povprečju 20-50, včasih pa tudi več. Nahajajo se predvsem v listih, veliko pa jih je tudi v nezrelih plodovih. V rastlini je skupno število kloroplastov ogromno; pri odraslem hrastu je na primer njihova površina 2 hektarja. Kloroplast ima membransko strukturo. Od citoplazme je ločen z membrano z dvojno membrano. Kloroplast vsebuje lamele, beljakovinsko-lipoidne plošče, zbrane v snope in imenovane grana. Klorofil se nahaja v lamelah v obliki monomolekularne plasti. Med lamelami je vodena beljakovinska tekočina - stroma; vsebuje škrobna zrna in kapljice olja. Struktura kloroplasta je dobro prilagojena fotosintezi, saj delitev klorofilnega aparata na majhne plošče znatno poveča aktivno površino kloroplasta, kar olajša dostop energije in njen prenos do kemičnih sistemov, ki sodelujejo pri fotosintezi. Podatki A. A. Tabentskega kažejo, da se kloroplasti med ontogenezo rastlin ves čas spreminjajo. Pri mladih listih opazimo drobnozrnato strukturo kloroplastov, pri listih, ki so zaključili rast, pa grobozrnato strukturo. V starih listih že opazimo razpad kloroplastov. Suha snov kloroplastov vsebuje 20-45% beljakovin, 20-40% lipoidov, 10-12% ogljikovih hidratov in drugih rezervnih snovi, 10% mineralnih elementov, 5-10% zelenih pigmentov (klorofil). A in klorofil b), 1-2 % karotenoidov, kot tudi majhne količine RNA in DNA. Vsebnost vode doseže 75%. Kloroplasti vsebujejo velik nabor hidrolitičnih in redoks encimov. Raziskave N. M. Sissakiana so pokazale, da v kloroplastih poteka tudi sinteza številnih encimov. Zahvaljujoč temu sodelujejo v celotnem zapletenem kompleksu življenjskih procesov rastlin. Pigmenti, njihove lastnosti in pogoji nastanka
Pigmenti lahko ekstrahiramo iz rastlinskih listov z alkoholom ali acetonom. Izvleček vsebuje naslednje pigmente: zeleni – klorofil A in klorofil b; rumena - karoten in ksantofil (karotenoidi).klorofil
klorofil predstavljaena najzanimivejših snovi na zemeljskem površju(C. Darwin), saj je zahvaljujoč njemu možna sinteza organskih snovi iz anorganskih CO 2 in H 2 O. Klorofil je netopen v vodi in se zlahka spremeni pod vplivom soli, kislin in alkalij, zato je bilo zelo težko ugotoviti njegovo kemično sestavo. Za ekstrakcijo klorofila se običajno uporablja etilni alkohol ali aceton. Klorofil ima naslednje zbirne formule: klorofil A- C 55 H 72 O 5 N 4 Mg, klorofil b- C 55 H 70 O 6 N 4 mg. V klorofilu A 2 atoma vodika več in 1 atom kisika manj kot klorofil b. Formule za klorofil lahko predstavimo na naslednji način:
Klorofilne formule A in b. Osrednje mesto v molekuli klorofila zavzema Mg; lahko ga izpodrinemo z obdelavo alkoholnega izvlečka klorofila s klorovodikovo kislino. Zeleni pigment se spremeni v rjavega, imenovanega feofitin, v katerem je Mg nadomeščen z dvema atomoma H iz klorovodikove kisline. Zeleno barvo izvlečka je zelo enostavno povrniti z dodatkom magnezija ali druge kovine v molekulo feofitina. Zato je zelena barva klorofila povezana s prisotnostjo kovine v njegovi sestavi. Ko je alkoholni izvleček klorofila izpostavljen alkaliji, se alkoholne skupine (fitol in metilni alkohol) izločijo; v tem primeru se ohrani zelena barva klorofila, kar kaže, da se med to reakcijo ohrani jedro molekule klorofila. Kemična sestava klorofila je pri vseh rastlinah enaka. Vsebnost klorofila a je vedno večja (približno 3-krat) kot klorofila b. Skupna količina klorofila je majhna in znaša približno 1 % suhe snovi lista. Po svoji kemijski naravi je klorofil blizu barvne snovi v krvi - hemoglobina, katerega osrednje mesto v molekuli ne zaseda magnezij, ampak železo. V skladu s tem se razlikujejo tudi njihove fiziološke funkcije: klorofil sodeluje v najpomembnejšem regenerativnem procesu v rastlini - fotosintezi, hemoglobin pa v procesu dihanja živalskih organizmov, ki prenašajo kisik. Optične lastnosti pigmentov
Klorofil absorbira sončno energijo in jo usmerja v kemične reakcije, do katerih ne more priti brez energije, prejete od zunaj. Raztopina klorofila je v prepustni svetlobi zelena, z večanjem debeline plasti ali koncentracije klorofila pa postane rdeča. Klorofil absorbira svetlobo ne v celoti, ampak selektivno. Ko belo svetlobo spustimo skozi prizmo, nastane spekter, sestavljen iz sedmih vidnih barv, ki postopoma prehajajo druga v drugo. Pri prehodu bele svetlobe skozi prizmo in raztopino klorofila bo najbolj intenzivna absorpcija v nastalem spektru pri rdečih in modro-vijoličnih žarkih. Zeleni žarki se malo absorbirajo, zato ima klorofil v prepuščeni svetlobi v tanki plasti zeleno barvo. Z večanjem koncentracije klorofila pa se absorpcijski pasovi razširijo (absorbira se tudi precejšen del zelenih žarkov) in le del skrajnih rdečih žarkov preide brez absorpcije. Absorpcijski spektri klorofila A in b zelo blizu. V odbiti svetlobi je klorofil videti češnjevo rdeč, ker oddaja absorbirano svetlobo s spremembo valovne dolžine. Ta lastnost klorofila se imenuje fluorescenca.Karoten in ksantofil
Karoten in ksantofil imajo absorpcijske pasove samo v modrih in vijoličnih žarkih. Njihovi spektri so blizu drug drugemu.
Absorpcijski spektri klorofila A in b. Energija, ki jo absorbirajo ti pigmenti, se prenese na klorofil A, ki je neposreden udeleženec fotosinteze. Karoten velja za provitamin A, saj pri njegovi razgradnji nastaneta 2 molekuli vitamina A. Formula karotena je C 40 H 56, ksantofila je C 40 H 54 (OH) 2. Pogoji za nastanek klorofila
Tvorba klorofila poteka v 2 fazah: prva je temna faza, med katero nastaja predhodnik klorofila, protoklorofil, druga pa je svetla, med katero na svetlobi iz protoklorofila nastane klorofil. Tvorba klorofila je odvisna tako od vrste rastline kot od številnih zunanjih pogojev. Nekatere rastline, na primer sadike iglavcev, lahko ozelenijo tudi brez svetlobe, v temi, pri večini rastlin pa klorofil nastane iz protoklorofila šele na svetlobi. Ob pomanjkanju svetlobe dobimo etiolirane rastline, ki imajo tanko, šibko, zelo podolgovato steblo in zelo majhne bledo rumene liste. Če etiolirane rastline izpostavimo svetlobi, bodo listi hitro ozeleneli. To je razloženo z dejstvom, da listi že vsebujejo protoklorofil, ki se pod vplivom svetlobe zlahka pretvori v klorofil. Temperatura ima velik vpliv na tvorbo klorofila; V hladni pomladi listi nekaterih grmovnic ne postanejo zeleni, dokler ne nastopi toplo vreme: ko temperatura pade, se tvorba protoklorofila zavira. Najnižja temperatura, pri kateri se začne tvorba klorofila, je 2°, najvišja, pri kateri ne pride do tvorbe klorofila, je 40°. Za tvorbo klorofila so poleg določene temperature potrebni elementi mineralne prehrane, zlasti železa. Če ga ni, rastline doživijo bolezen, imenovano kloroza. Očitno je železo katalizator pri sintezi protoklorofila, saj ni del molekule klorofila. Za nastanek klorofila sta potrebna tudi dušik in magnezij, ki sta del njegove molekule. Pomemben pogoj je prisotnost v listnih celicah plastidov, ki lahko ozelenijo. Če jih ni, ostanejo listi rastline beli, rastlina ni sposobna fotosinteze in lahko živi le, dokler ne porabi zalog semen. Ta pojav se imenuje albinizem. Povezan je s spremembo dedne narave določene rastline.Kvantitativna razmerja med klorofilom in asimiliranim ogljikovim dioksidom
Z višjo vsebnostjo klorofil V rastlini se proces fotosinteze začne pri nižji jakosti svetlobe in celo pri nižji temperaturi. S povečanjem vsebnosti klorofila v listih se fotosinteza poveča, vendar do določene meje. Posledično ni neposredne povezave med vsebnostjo klorofila in intenzivnostjo absorpcije CO 2 . Količina CO 2, ki jo list asimilira na uro, izračunana na enoto klorofila v listu, je tem večja, čim manj je klorofila. R. Willstetter in A. Stohl sta predlagala enoto, ki označuje razmerje med količino klorofila in absorbiranim ogljikovim dioksidom. Količino ogljikovega dioksida, ki se razgradi na enoto časa na enoto teže, so imenovali klorofil asimilacijsko število. Asimilacijsko število ni konstantno: večje je pri nizki vsebnosti klorofila in nižje pri visoki vsebnosti klorofila v listih. Posledično se molekula klorofila bolj produktivno uporablja, ko je njegova vsebnost v listu nizka, produktivnost klorofila pa se zmanjšuje z večanjem njegove količine. Podatki se vnesejo v tabelo.Tabela Asimilacijsko število v odvisnosti od vsebnosti klorofila (po R. Willstetterju in A. Stohlu)
| Rastline |
ob 10 listi (mg) |
Asimilacijsko število |
|
zelena rasa rumena rasa |
16,2 1,2 | 6,9 82,0 |
| Lila | 16,2 | 5,8 |
| Etilirani fižol kali po osvetljevanju: 6 ur 4 dni |
