If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Եթե գտնվում ես վեբ զտիչի հետևում, խնդրում ենք համոզվել, որ *.kastatic.org և *.kasandbox.org տիրույթները հանված են արգելափակումից։

Հիմնական նյութ

Ծանոթություն լուսասինթեզին

Լուսային էներգիայի փոխակերպումը քիմիականի։ Լուսասինթեզի ռեակցիաներ, որտեղ են դրանք տեղի ունենում և դրանց էկոլոգիական կարևորությունը։

Ներածություն

Իսկ դու երբևէ ծառ գրկե՞լ ես։ Եթե ոչ, ապա ժամանակն է, որ մի փոքր մտածես դրա մասին։ Դու, ինչպես նաև ամբողջ մարդկությունը, իրենց գոյության համար պարտական են բույսերին և այն օրգանիզմներին, որոնք յուրացնում են լույսը։ Իրականում, կյանքը հնարավոր է Երկրի վրա, քանի որ արևը էներգիայի շարունակական աղբյուր լինելով՝ էկոհամակարգերին ապահովում է էներգիայով։
Բոլոր օրգանիզմները, ներառյալ մարդիկ, էներգիայի կարիք ունեն՝ ապահովելու նյութափոխանակության ռեակցիաները, որոնք անհրաժեշտ են աճի, զարգացման և վերարտադրվելու համար։ Բայց օրգանիզմները ուղղակիորեն չեն կարող օգտագործել լուսային էներգիան։ Նախ, այն պետք է փոխակերպել քիմիական էներգիայի՝ ֆոտոսինթեզի միջոցով։

Ի՞նչ է ֆոտոսինթեզը

Ֆոտոսինթեզը գործընթաց է, որի ընթացքում լուսային էներգիան փոխակերպվում է քիմիականի՝ պահեստավորվելով շաքարներում։ Այս գործընթացում, որն իրականանում է լույսի մասնակցությամբ, գլյուկոզի մոլեկուլների (կամ այլ շաքարների) ստեղծման համար հիմք են ծառայում ջուրը և ածխածնի երկօքսիդը, իսկ թթվածինը արտազատվում է՝ որպես վերջնանյութ։ Գլյուկոզի մոլեկուլներն ապահովում են օրգանիզմը երկու կարևոր աղբյուրով՝ էներգիա և ֆիքսված (օրգանական) ածխածին։
  • Էներգիա։ Գլյուկոզի մոլեկուլները վառելանյութ են հանդիսանում բջիջների համար։ Նրանց քիմիական էներգիան կարող է անջատվել այնպիսի գործընթացների արդյունքում, ինչպիսիք են բջջային շնչառությունը և խմորումը, որոնց արդյունքում արտադրվում է ադենոզինեռֆոսֆատ՝ ԱԵՖ՝ փոքր, էներգակիր մոլեկուլ, որն ապահովում է բջջի էներգիական կարիքները։
  • Ֆիքսված ածխածին։ Ածխածինը՝ ածխածնի երկօքսիդից, որն անօրգանական նյութ է, կարող է փոխակերպվել օրգանական մոլեկուլների։ Այս գործընթացը կոչվում է ածխածնի ֆիքսացիա, իսկ օրգանական մոլեկուլների կազմի մեջ մտնող ածխածինը հայտնի է, որպես ֆիքսված ածխածին։ Վերջինս ֆոտոսինթեզի ընթացքում կարող է փոխակերպվել շաքարների և հետագայում օգտագործվել բջջի համար անհրաժեշտ այլ օրգանական նյութեր ստեղծելիս։
Ֆոտոսինթեզի ընթացքում լուսային էներգիան կլանվում և փոխակերպվում է քիմիական էներգիայի՝ գլյուկոզի տեսքով, որի ընթացքում օգտագործում է ջուր ու ածխածնի երկօքսիդ։ Թթվածինն ազատվում է որպես վերջնանյութ։

Ֆոտոսինթեզի էկոլոգիական կարևորությունը

Ֆոտոսինթեզող օրգանիզմները, ներառյալ՝ բույսերը, ջրիմուռները և որոշ բակտերիաներ, էկոլոգիական կարևոր դեր ունեն։ Դրանք էկոհամակարգում ներմուծում են քիմիական էներգիա ու ֆիքսված ածխածին՝ օգտագործելով լույսը, որպեսզի սինթեզեն շաքարներ։ Այս օրգանիզմները կոչվում են ֆոտոավտոտրոֆներ (բառացի՝ ինքնուրույն սնվողներ, որոնք օգտագործում են լույսը), քանի որ նրանք արտադրում են իրենց սեփական սնունդը, այն է՝ ֆիքսում են սեփական ածխածինը՝ օգտագործելով լուսային էներգիա։
Մարդիկ և այլ օրգանիզմները, որոնք ինքնուրույն չեն կարող ածխաթթու գազը փոխակերպել օրգանական նյութերի, կոչվում են հետերոտրոֆներ, որը նշանակում է տարբեր սնվողներ։ Հետերոտրոֆները ստանում են ֆիքսված ածխածին՝ սնվելով այլ օրգանիզմներով կամ դրանց վերջնանյութերով։ Կենդանիները, սնկերը, բազմաթիվ նախակորիզավորներ և պրոտիստներ հետերեոտրոֆներ են։
Բացի ֆիքսված ածխածնի և էներգիայի ներմուծումից էկոհամակարգեր, ֆոտոսինթեզն ազդում է նաև Երկրի մթնոլորտի ձևավորման վրա։ Ֆոտոսինթեզող օրգանիզմների մեծ մասը, որպես վերջնանյութ արտազատում է թթվածին: Ֆոտոսինթեզի ի հայտ գալուց ի վեր մոտ 3 միլիարդ տարի առաջ, բակտերիան, որը նման է ժամանակակից ցիանոբակտերիային՝ ընդմիշտ փոխեց կյանքը Երկրի վրա1։ Բակտերիան սկսեց թթվածնով լցնել դրանով աղքատ Երկրի մթնոլորտը։ Թթվածնի կոնցենտրացիայի աճը մեծ ազդեցություն ունեցավ աերոբ օրգանիզմների էվոլյուցիոն զարգացման վրա՝ այն օրգանիզմների, որոնք բջջային շնչառության համար թթվածին են օգտագործում։ Եթե այդ հնագույն ֆոտոսինթեզողները գոյություն չունենային, ապա մենք, ինչպես նաև բազմաթիվ այլ տեսակներ, այսօր այստեղ չէինք լինի։
Ֆոտսինթեզ իրականացնող օրգանիզմները մեծ քանակությամբ ածխածնի երկօքսիդ են կլանում են մթնոլորտից և ածխածնի մոլեկուլներն օգտագործում են այլ օրգանական նյութեր ստեղծելու համար։ Երկրի վրա բուսականության և ջրիմուռների առատության բացակայության դեպքում, որոնք անընդհատ կլանում են ածխածնի երկօքսիդը, գազի մակարդակը կաճեր մթնոլորտում։ Չնայած, ֆոտոսինթեզող օրգանիզմները կլանում են մարդկանց գործունեության արդյունքում արտանետված ածխածնի երկօքսիդի որոշ ծավալներ, այնուամենայնիվ ջերմոցային գազերի քանակն աճում է, ինչն էլ հանգեցնում է կլիմայի փոփոխության։ Բազմաթիվ գիտնականներ հավատում են, որ անտառների և բուսական այլ տարածքների պահպանությունը ածխածնի երկօքսիդի քանակի աճի դեմ պայքարում դառնում է ավելի ու ավելի կարևոր։

Տերևները ֆոտոսինթեզի վայրն են

Ցամաքային էկոհամակարգերում բույսերն ամենատարածված ավտոտրոֆներն են։ Բույսերի բոլոր կանաչ հյուսվածքները կարող են ֆոտոսինթեզ իրականացնել, սակայն դրանց մեծամասնության մոտ ֆոտոսինթեզի գործընթացների հիմնական մասը տեղի է ունենում տերևներում։ Տերևների հյուսվածքի միջին շերտի բջիջները կոչվում է մեզոֆիլ, որը ֆոտոսինթեզի իրականացման հիմնական վայրն է։
Փոքրիկ ծակոտիները կոչվում են հերձանցքեր, որոնք հայտնաբերվել են բույսերի մեծամասնության տերևների մակերևույթին և ածխածնի երկօքսիդին թույլ են տալիս դիֆուզվելու մեզոֆիլից ներս, իսկ թթվածնին՝ դուրս։
Տրամագիրը ցույց է տալիս տերև՝ մեծացվող խոշորացման դեպքում։ Խոշորացում 1՝ Ամբողջ տերևը Խոշորացում 2՝ Մեզոֆիլի հյուսվածքը տերևի մեջ Խոշորացում 3՝ Մեզոֆիլի մեկ բջիջ Խոշորացում 4՝ Քլորոպլաստը մեզոֆիլի բջջում Խոշորացում 5՝ Թիլակոիդների կույտեր՝ գրաններ և ստրոմա՝ քլորոպլաստի մեջ
Նկարի աղբյուրը՝ "Overview of photosynthesis: Figure 6", մշակումը ըստ՝ OpenStax College, Biology-ի CC BY 3,0
Մեզոֆիլի բջիջներից յուրաքանչյուրը պարունակում է քլորոպլաստ կոչվող օրգանոիդը, որը մասնագիտացած է ֆոտոսինթեզի ռեակցիաների իրականացման համար։ Յուրաքանչյուր քլորոպլաստ պարունակում է սկավառակաձև կառուցվածքներ՝ թիլակոիդներ, որոնք դասավորված են առանձին խմբերով, ինչպես թխվածքաբլիթի շերտերը և հայտնի են գրաններ անունով։ Յուրաքանչյուր թիլակոիդի թաղանթ պարունակում է կանաչ գունավորում ունեցող գունանյութեր՝ քլորոֆիլներ, որոնք կլանում են լույսը։ Գրանների շուրջ առկա տարածությունը լցված է հեղուկով՝ ստրոմայով, իսկ թիլակոիդների սկավառակների միջև առկա տարածությունը կոչվում է թիլակոիդային տարածություն։ Տարբեր քիմիական ռեակցիաներ տեղի են ունենում քլորոպլաստների տարբեր հատվածներում։

Լուսային ռեակցիաներ և Կալվինի ցիկլը

Բույսերի տերևներում ընթացող ֆոտոսինթեզը ներառում է բազմաթիվ քայլեր, սակայն դրանք կարելի բաժանել երկու փուլի՝ լուսային փուլի ռեակցիաներ և Կալվինի ցիկլ։
  • Լուսային փուլի ռեակցիաները տեղի են ունենում թիլակոիդների թաղանթում և պահանջում են լուսային էներգայի շարունակական առկայություն։ Քլորոֆիլները կլանում են լուսային էներգիան, որը փոխակերպվում է քիմիականի՝ ԱԵՖ-ի (էներգիա պահեստավորող մոլեկուլ) և ՆԱԴՖH՝ (վերականգնված էլեկտրոնակիր) տեսքով։ Այս գործընթացների ժամանակ ջրի մոլեկուլները փոխարկվում են թթվածին գազի․ այն թթվածնի, որը մենք շնչում ենք։
  • Կալվինը ցիկլը, որը հայտնի է նաև, որպես մթնային փուլի ռեակցիաներ անունով, տեղի է ունենում ստրոմայում և անմիջականորեն չի պահանջում լույս։ Փոխարենը, Կալվինի ցիկլում օգտագործվում են լուսային ռեակցիաների ընթացքում առաջացած ԱԵՖ–ը և ՆԱԴՖH–ը՝ ֆիքսելու ածխածինը և արտադրելու երեք ածխածին պարունակող շաքարներ՝ գլիցերալդեհիդ-3-ֆոսֆատ կամ, որ նույնն է Գ3Ֆ, որոնք միանում են միմյանց՝ գյուկոզ ստեղծելու համար։
Լուսային փուլի ռեակցիաների և Կալվինի ցիկլի սխեմատիկ պատկերումը, որտեղ ցույց է տրված, թե ինչպես են դրանք կապված։
Լուսային փուլի ռեակցիաները տեղի են ունենում թիլակոիդի թաղանթում։ Այս ռեակցիաները պահանջում են լույս և դրանց գումարայաին ազդեցությունը ջրի մոլեկուլների փոխարկումն է թթվածնի՝ միևնույն ժամանակ արտադրելով ԱԵՖ-ի մոլեկուլներ՝ ԱԿՖ-ից և ֆոսֆատից, և ՆԱԴՖH՝ ՆԱԴՖ+-ի վերականգնման միջոցով։
ԱԵՖ-ը և ՆԱԴՖH-ն արտադրվում են թիլակոիդներիթաղանթում՝ դեպի ստրոմա ուղղված կողմում, որտեղ էլ օգտագործվում են Կալվինի ցիկլի ժամանակ։
Կալվինի ցիկլը տեղի է ունենում ստրոմայում և օգտագործում է լուսային փուլի ռեակցիաներում ստացված ԱԵՖ-ը և ՆԱԴՖH-ը՝ ածխածնի երկօքսիդը ֆիքսելու համար, որի ժամանակ արտադրվում են երեք ածխածին պարունակող շաքարներ՝ գլիցերալդեհիդ-3-ֆոսֆատի՝ Գ3Ֆ-ի մոլեկուլ։
Կալվինի ցիկլի ընթացքում ԱԵՖ-ը փոխակերպվում է ԱԿՖ-ի և ֆոսֆատի, իսկ ՆԱԴՖH-ը՝ ՆԱԴՖ+-ի։ ԱԿՖ-ն, ֆոսֆատը և ՆԱԴՖ+-ն այնուհետև կարող են վերաօգտագործվել որպես ելանյութ՝ լուսային փուլի ռեակցիաների համար։
Նկարի աղբյուրը՝ "Overview of photosynthesis: Figure 6", մշակումը ըստ՝ OpenStax College, Biology-ի CC BY 3,0
Արդյունքում՝ լուսային փուլի ռեակցիաները կլանում են լուսային էներգիան և այն ժամանակավորապես պահեստավորում են քիմիական ձևով՝ ԱԵՖ-ի և ՆԱԴՖH-ի միջոցով։ Այնուհետև ԱԵՖ-ը քայքայվում է՝ անջատելով էներգիա, իսկ ՆԱԴՖH-ը տրամադրում է իր էլեկտրոնները՝ ածխածնի երկօքսիդի մոլեկուլները շաքարների փոխակերպելու համար։ Վերջում էներգիան, որն ի սկզբանե լուսային էր, փոխակերպվում և պահեստավորվում է շաքարների կապերում։

Ֆոտոսինթեզի և բջջային շնչառության համեմատությունը

Ռեակցիաները ընդհանրական մակարդակում դիտարկելիս, ֆոտոսինթեզը և բջջային շնչառությունը կարծես հակադարձ ռեակցիաներ լինեն։ Դրանք տարբերվում են միայն էներգիայի յուրացման ու արտադրման եղանակներով, ինչպես ցույց է տրված է ներքևի տրամագրում։
Պարզ ասած՝ ֆոտոսինթեզը և բջջային շնչառությունը հակառակ ռեակցիաներ են։ Ֆոտոսինթեզի դեպքում լուսային էներգիան կլանվում և պահեստավորվում է քիմիական էներգիայի տեսքով մի գործընթացի շնորհիվ, որի ընթացքում ջրից և ածխածնի երկօքսիդից ստացվում է գլյուկոզի։ Այդ ընթացքում թթվածինն անջատվում է որպես վերջնանյութ։ Բջջային շնչառության ժամանակ թթվածինն օգտագործվում է գլյուկոզը քայքայելու համար, որի ընթացքում անջատվում է քիմիական էներգիա և ջերմություն: Ածխածնի երկօքսիդը և ջուրն այս ռեակցիայի վերջնանյութեր են:
Առանձին քայլերը դիտարկելիս պարզ է դառնում, որ ֆոտոսինթեզը, պարզապես բջջային շնչառության հակադարձ գործընթացը չէ։ Փոխարենը, ինչպես կտեսնես հաջորդիվ, ֆոտոսինթեզը յուրահատուկ քայլերի հաջորդականություն է։ Այնուամենայնիվ, կան մի շարք շոշափելի նմանություններ ֆոտոսինթեզի և բջջային շնչառության միջև։
Օրինակ, և՛ ֆոտոսինթեզը, և՛ բջջային շնչառությունը ներառում են օքսիդավերականգնման ռեակցիաներ (էլեկտրոնի փոխադրումներ ներառող ռեակցիաներ)։ Բջջային շնչառության ժամանակ էլեկտրոնները փոխադրվում են գլյուկոզից դեպի թթվածին՝ առաջացնելով ջուր և անջատելով էներգիա։ Ֆոտոսինթեզի դեպքում դրանք շարժում են հակառակ ուղղությամբ՝ ջրից դեպի գլյուկոզ, որն էներգիա պահանջող գործընթաց է, որի համար լույս է անհրաժեշտ։ Ինչպես բջջային շնչառությունը, այնպես էլ ֆոտոսինթեզը, օգտագործում են էլետրոնափոխադրիչ շղթա՝ ստեղծելով H+-ի կոնցենտրացիոն գրադիենտ, որի շնորհիվ իրականանում է ԱԵՖ-ի սինթեզը քիմիօսմոսի միջոցով։
Եթե այս ամենն անծանոթ է հնչում քեզ, ապա մի անհանգստացիր։ Ֆոտոսինթեզը հասկանալու համար ամենևին պարտադիր չէ բջջային շնչառությունն իմանալ։ Պարզապես շարունակիր կարդալ ու դիտել և կծանոթանաս այս կենսապահպան գործընթացների բոլոր մանրուքներին։

Ուզո՞ւմ ես միանալ խոսակցությանը։

Առայժմ հրապարակումներ չկան։
Անգլերեն հասկանո՞ւմ ես: Սեղմիր այստեղ և ավելի շատ քննարկումներ կգտնես «Քան» ակադեմիայի անգլերեն կայքում: