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

Jeżeli jesteś za filtrem sieci web, prosimy, upewnij się, że domeny *.kastatic.org i *.kasandbox.org są odblokowane.

Główna zawartość

Wprowadzenie do fotosyntezy

Przemiana energii świetlnej w energię chemiczną. Reakcje fotosyntezy, ich miejsce i znaczenie w ekologii. Tłumaczenie na polski zrealizowane przez Fundację Edukacja dla Przyszłości dzięki wsparciu Fundacji „HASCO-LEK"

Wprowadzenie

Czy przytulałeś ostatnio drzewo? Jeśli nie, zastanów się nad tym. Ty, wraz z resztą populacji ludzkiej, zawdzięczacie swoje istnienie roślinom i innym organizmom, które pochłaniają energię słoneczną. W rzeczywistości, większość życia na Ziemi jest możliwe dzięki temu, że słońce zapewnia ciągłą dostawę energii do ekosystemu.
Wszystkie organizmy, włączając ludzi, potrzebują energii do napędzania metabolicznych reakcji związanych ze wzrostem, rozwojem i reprodukcją. Ale organizmy nie potrafią wykorzystywać bezpośrednio energii słonecznej dla swoich potrzeb metabolicznych. Energia słoneczna musi być najpierw przekształcona w energię chemiczną poprzez proces nazywany fotosyntezą.

Czym jest fotosynteza?

Fotosynteza jest procesem w którym energia świetlna jest przekształcana na energię chemiczną, w postaci cukrów. W procesie napędzanym przez energię świetlną, z wody i dwutlenku węgla tworzone są cząsteczki glukozy (lub inne cukry) oraz uwalniany jest tlen jako produkt uboczny. Cząsteczki glukozy zapewniają organizmom dwa kluczowe elementy: energię oraz zasymilowany—węgiel—organiczny.
  • Energia. Cząsteczki glukozy służą jako paliwo dla komórek: ich energia chemiczna może być magazynowana poprzez procesy takie jak oddychanie komórkowe i fermentacja, które generują adenozynotrójfosforan—ATP, małą cząsteczkę transportującą energię—w celu natychmiastowego zaspokojenia potrzeb energetycznych komórki.
  • Węgiel zasymilowany. Węgiel z dwutlenku węgla—węgiel nieorganiczny—może być włączany do cząsteczek organicznych; ten proces nazywany jest asymilacją węgla, zaś węgiel w cząsteczkach organicznych nazywany jest węglem zasymilowanym. Węgiel, który został zasymilowany i włączony w cukry podczas fotosyntezy może być wykorzystywany do budowania innych typów cząsteczek organicznych niezbędnych komórkom.
W fotosyntezie energia świetlna jest magazynowana i przekształcana do energii chemicznej w formie glukozy przy wykorzystaniu wody i dwutlenku węgla. Tlen jest uwalniany jako produkt.

Znaczenie fotosyntezy w ekologii

Organizmy fotosyntetyzujące, włączając rośliny, algi i niektóre bakterie, odgrywają kluczową rolę w ekologii. Wprowadzają one energię chemiczną i węgiel zasymilowany do ekosystemów poprzez wykorzystywanie światła do syntezy cukrów. Ponieważ produkują własne jedzenie—to znaczy, asymilują swój własny węgiel—używając energii świetlnej, organizmy te nazywają się fotoautotrofami (czyli dosłownie, samożywne, które wykorzystują światło).
Ludzie i inne organizmy, które nie potrafią same przemieniać dwutlenku węgla do składników organicznych, nazywane są heterotrofami, co oznacza, cudzożywne. Heterotrofy muszą otrzymywać węgiel zasymilowany poprzez jedzenie innych organizmów lub ich pół-produktów. Zwierzęta, grzyby i wiele prokariota a także protista są heterotrofami.
Poza włączeniem węgla zasymilowanego i energii w ekosystemy, proces fotosyntezy wpływa także na skład atmosfery ziemskiej. Większość organizmów fotosyntetyzujących wytwarza tlen jako produkt uboczny. Pojawienie się zjawiska fotosyntezy—około 3 bilionów lat temu, przeprowadzanej przez bakterie przypominające współczesne cyjanobakterie—na zawsze zmieniło życie na Ziemi1. Te bakterie stopniowo uwalniały tlen do ubogiej w tlen atmosfery, zaś stały wzrost stężenia tlenu w atmosferze wpłynął na ewolucję tlenowych form życia—organizmów, które wykorzystują tlen do oddychania komórkowego. Gdyby te pradawne fotosyntetyzujące formy życia nie pojawiły się, nas jak i wielu innych form życia nie byłoby dzisiaj na Ziemi!
Organizmy fotosyntetyzujące usuwają także spore ilości dwutlenku węgla z atmosfery i wykorzystują atomy węgla do budowania cząsteczek organicznych. Bez obfitych zasobów roślin i alg, które ciągle pobierają dwutlenek węgla, gaz ten pozostawał by w ziemskiej atmosferze na zawsze. Mimo, że organizmy fotosyntetyzujące usuwają część dwutlenku węgla wytwarzanego w wyniku działalności człowieka, wzrost zawartości dwutlenku węgla w atmosferze powoduje wzrost ocieplenia i zmiany klimatu. Wielu naukowców wierzy, że ochrona lasów i rozwój roślinności jest coraz bardziej istotna w walce ze wzrastającym poziomem dwutlenku węgla.

Liście są miejscem zachodzenia procesu fotosyntezy

Rośliny są najbardziej powszechnymi autotrofami w ekosystemach lądowych. Wszystkie zielone tkanki roślin mogą przeprowadzać fotosyntezę, ale w większości roślin, większość fotosyntezy ma miejsce w liściach. Komórki w środkowej warstwie tkanki liściowej, nazywane mezofilem są głównym miejscem fotosyntezy.
Niewielkie pory nazywane aparatami szparkowymi znajdują się u większości roślin na powierzchni liści i umożliwiają dyfuzję dwutlenku węgla do warstwy mezofilu oraz dyfuzję tlenu na zewnątrz.
Diagram przedstawiający liść w rosnącym powiększeniu. Powiększenie 1: Cały liść Powiększenie 2: Mezofil wewnątrz liścia Powiększenie 3: Pojedyncza komórka mezofilu Mezofil 4: Chloroplast wewnątrz komórki mezofilu Powiększenie 5: Stosy tylakoidów - grana - i stroma chloroplastów
Obraz na podstawie "Overview of photosynthesis: Figure 6" OpenStax College, Concepts of Biology, CC BY 3.0
Każda komórka mezofilu zawiera organelle nazywane chloroplastami, które są wyspecjalizowane do przeprowadzania reakcji fotosyntezy. W wnętrzu każdego chloroplastu, struktury przypominające dyski nazywane tylakoidami są ułożone w stosy jak naleśniki, stosy, które są znane jako grana (liczba pojedyncza - granum). Błona każdego tylakoidu zawiera zielone barwniki nazywane chlorofilami, które absorbują światło. Wypełniona płynem przestrzeń wokół gran jest nazywana stromą, a przestrzeń wewnątrz dysków tylakoidów jest znana jako wnętrze tylakoidów. Różne reakcje chemiczne występują w różnych częściach chloroplastu.

Rekcje zależne od światła i cykl Calvina

Fotosynteza w liściach roślin obejmuje wiele etapów, ale można to podzielić na dwa: reakcje zależne od światła, inaczej fazę jasną i cykl Calvina.
  • Faza jasna zachodzi w błonach tylakoidów i wymaga ciągłego dostarczania energii słonecznej. Chlorofile absorbują energię słoneczną, która jest zamieniana w energię chemiczną poprzez wytworzenie dwóch związków chemicznych, ATP-cząsteczki magazynującej energię oraz NADPH-zredukowanego (przyjmującego elektrony) nośnika elektronów. W tym procesie, cząsteczki wody są także przekształcane do tlenu - tlenu, którym oddychamy!
  • Cykl Calvina, także nazywany reakcjami niezależnymi od światła lub fazą ciemną, ma miejsce w stromie i nie wymaga światła bezpośrednio. W zamian, cykl Calvina wykorzystuje ATP i NADPH z fazy ciemnej, aby zmienić dwutlenek węgla i zsyntetyzować trójwęglowe cukry-aldehyd 3-fosfoglicerynowy (GAP, PGAL), cząsteczki, które łącząc się tworzą glukozę.
Schemat reakcji fazy jasnej i cykl Calvina oraz ich połączenie.
Reakcje fazy jasnej zachodzą błonach tylakoidów. Wymagają one dostępu światła i ich zadaniem jest przekształcanie cząsteczek wody w tlen, kiedy wytwarzane są cząsteczki ATP (z ADP i Pi) i NADPH (poprzez redukcję NADP+).
ATP i NADPH są produkowane w wewnętrznej błonie tylakoidów, gdzie mogą być wykorzystywane w cyklu Calvina.
Cykl Calvina ma miejsce w stromie i wykorzystuje ATP i NADPH z reakcji fazy jasnej, aby zasymilować dwutlenek węgla wytwarzając trójwęglowe cukry - cząsteczki aldehydu 3-fosfoglicerynowego (GAP, PGAL).
Cykl Calvina przekształca ATP do ADP i Pi, oraz NADPH do NADP+. ADP, Pi i NADP+ mogą być ponownie wykorzystywane jako substraty w fazie jasnej.
Obraz na podstawie: "Overview of photosynthesis: Figure 6" OpenStax College, Biology, CC BY 3.0
Ogólnie, reakcje fazy jasnej wychwytują energię świetlną i tymczasowo ją magazynują w formie ATP i NADPH. Tam ATP rozpada się uwalniając energię a NADPH przyjmuje jego elektrony, aby zamienić dwutlenek węgla w cukry. Na końcu, energia, która początkowo jest światłem przechodzi do tej uwięzionej w wiązaniach chemicznych cukrów.

Fotosynteza vs. oddychanie komórkowe

Na poziomie ogólnych reakcji, fotosynteza i oddychanie komórkowe są procesami niemal przeciwstawnymi. Różnią się tylko formą energii absorbowanej lub uwalnianej, co pokazano na poniższym schemacie.
Upraszczając, fotosynteza i oddychanie komórkowe to reakcje przeciwstawne. W fotosyntezie, energia świetlna jest magazynowana jako energia chemiczna w procesie, który przekształca wodę i dwutlenek węgla do glukozy. Tlen jest uwalniany jako produkt uboczny. W oddychaniu komórkowym, tlen jest wykorzystywany do spalania glukozy, uwalniając energię chemiczną i ciepło w tym procesie. Dwutlenek węgla i woda są produkowane w tej reakcji.
Na poziomie poszczególnych etapów, fotosynteza to nie tylko oddychanie komórkowe zachodzące w odwrotnym kierunku. Natomiast jak zobaczymy w dalszej części tej sekcji, fotosynteza zachodzi swoją własną unikalną serią etapów. Istnieją jednakże pewne istotne podobieństwa między fotosyntezą a oddychaniem komórkowym.
Na przykład, zarówno fotosynteza jak i oddychanie komórkowe obejmują serię reakcji redox (reakcje obejmujące transfer elektronów). W oddychaniu komórkowym elektrony przepływają od glukozy do tlenu tworząc wodę oraz uwalniając energię. W fotosyntezie przechodzą one w odwrotnym kierunku, zaczynając od wody i kończąc na glukozie - to proces wymagający energii dostarczanej przez światło. Tak jak oddychanie komórkowe, fotosynteza także wykorzystuje łańcuch transportu elektronów, aby utworzyć gradient H+, który napędza syntezę ATP poprzez chemiosmozę.
Jeśli te rzeczy nie brzmią znajomo, nie martw się! Nie potrzebujesz znać oddychania komórkowego, aby zrozumieć fotosyntezę. Tylko kontynuuj czytanie i oglądanie, to nauczysz się wszystkich szczegółów dotyczących tego utrzymującego życie procesu.

Chcesz dołączyć do dyskusji?

  • Awatar duskpin seedling style dla użytkownika kukumbus48
    W akapicie o cyklu Calvina, "W zamian, Cykl Calvina wykorzystuje ATP i NADPH z fazy ciemnej" A nie jasnej? Mała pomyłka się wkradła.
    (1 głos)
    Awatar Default Khan Academy avatar dla użytkownika
Rozumiesz angielski? Kliknij tutaj, aby zobaczyć więcej dyskusji na angielskiej wersji strony Khan Academy.