식물 광합성. 식물 영양의 기초로서의 광합성

광합성은 빛과 어둠의 두 단계로 구성됩니다.

가벼운 단계에서 가벼운 양자(광자)는 엽록소 분자와 상호 작용하며, 그 결과 이러한 분자는 매우 짧은 시간 동안 에너지가 더 풍부한 "여기" 상태로 이동합니다. "여기된" 분자 중 일부의 초과 에너지는 열로 변환되거나 빛으로 방출됩니다. 그것의 또 다른 부분은 물의 해리로 인해 수용액에 항상 존재하는 수소 이온으로 전달됩니다. 생성된 수소 원자는 유기 분자(수소 운반체)와 느슨하게 결합됩니다. 수산화물 이온 "OH"는 전자를 다른 분자에 포기하고 자유 라디칼 OH로 변합니다. OH 라디칼은 서로 상호 작용하여 물과 분자 산소를 형성합니다.

4OH = O2 + 2H2O 따라서 광합성 중에 형성되어 대기로 방출되는 분자 산소의 원천은 광분해, 즉 빛의 영향으로 물이 분해되는 것입니다. 물의 광분해 외에도 태양 복사 에너지는 산소의 참여 없이 ATP, ADP 및 인산염의 합성을 위해 광 단계에서 사용됩니다. 이것은 매우 효율적인 과정입니다. 엽록체는 산소가 포함된 동일한 식물의 미토콘드리아보다 30배 더 많은 ATP를 생성합니다. 이러한 방식으로 광합성의 암흑기 과정에 필요한 에너지가 축적됩니다.

빛이 필요하지 않은 어두운 단계의 복잡한 화학 반응에서 핵심 위치는 CO2 결합이 차지합니다. 이러한 반응에는 가벼운 단계에서 합성된 ATP 분자와 물의 광분해 중에 형성되고 운반체 분자와 결합된 수소 원자가 포함됩니다.

6СО2 + 24Н -» С6Н12О6 + 6НО

이것이 햇빛의 에너지가 복잡한 유기 화합물의 화학 결합 에너지로 변환되는 방식입니다.

87. 식물과 지구를 위한 광합성의 중요성.

광합성은 생물학적 에너지의 주요 원천입니다. 광합성 독립 영양 생물은 이를 사용하여 무기 물질에서 유기 물질을 합성합니다. 종속 영양 생물은 독립 영양 생물이 화학 결합의 형태로 저장한 에너지를 희생하여 호흡 및 발효 과정에서 방출합니다. 인류가 화석연료(석탄, 석유, 천연가스, 이탄)를 태워 얻은 에너지도 광합성 과정에서 저장됩니다.

광합성은 무기 탄소가 생물학적 순환에 들어가는 주요 투입물입니다. 대기 중의 모든 자유 산소는 생물학적 기원을 가지며 광합성의 부산물입니다. 산화성 대기(산소 재앙)의 형성은 지구 표면의 상태를 완전히 바꾸어 호흡의 출현을 가능하게 했고, 나중에 오존층이 형성된 후에는 생명체가 육지에 도달할 수 있게 했습니다. 광합성 과정은 모든 생명체의 영양의 기초이며, 인류에게 연료(목재, 석탄, 석유), 섬유질(셀룰로오스) 및 수많은 유용한 화합물을 공급합니다. 작물 건조 중량의 약 90~95%는 광합성 과정에서 공기 중의 이산화탄소와 물이 결합되어 형성됩니다. 나머지 5~10%는 토양에서 얻은 무기염과 질소에서 나옵니다.

인간은 광합성 생성물의 약 7%를 식품, 동물 사료, 연료 및 건축 자재의 형태로 사용합니다.

지구상에서 가장 흔한 과정 중 하나인 광합성은 탄소, 산소 및 기타 원소의 자연 순환을 결정하고 지구상의 생명체를 위한 물질과 에너지 기반을 제공합니다. 광합성은 대기 중 산소의 유일한 공급원입니다.

광합성은 지구상에서 가장 흔한 과정 중 하나이며, 탄소, O2 및 기타 자연 원소의 순환을 결정합니다.그것은 지구상의 모든 생명체의 물질적, 에너지적 기초를 형성합니다. 매년 광합성의 결과로 약 8,1010톤의 탄소가 유기물의 형태로 결합되고, 최대 1011톤의 셀룰로오스가 형성됩니다. 광합성 덕분에 육상 식물은 연간 약 1.8,1011톤의 건조 바이오매스를 생산합니다. 대략 같은 양의 식물 바이오매스가 매년 바다에서 형성됩니다. 열대림은 토지의 총 광합성 생산량에서 최대 29%를 차지하며, 모든 유형의 산림이 차지하는 비중은 68%입니다. 고등 식물과 조류의 광합성은 대기 중 O2의 유일한 공급원입니다. 약 28억년 전에 O2의 형성과 함께 물 산화 메커니즘이 지구상에 출현한 것은 생물학적 진화에서 가장 중요한 사건으로, 태양의 빛을 생물권의 자유 에너지의 주요 원천으로 만들고 물을 거의 무제한으로 만듭니다. 살아있는 유기체의 물질 합성을 위한 수소 공급원. 그 결과, 현대적인 구성의 분위기가 형성되고, O2가 식품의 산화에 이용 가능해지며, 이로 인해 고도로 조직화된 종속 영양 유기체(외인성 유기 물질을 탄소원으로 사용)가 출현하게 되었습니다. 광합성 생성물 형태의 태양 복사 에너지의 총 저장량은 연간 약 1.6,1021kJ로, 이는 인류의 현대 에너지 소비량보다 약 10배 더 높습니다. 태양 복사 에너지의 약 절반은 광합성(생리적 활성 복사 또는 PAR)에 사용되는 스펙트럼(400~700nm의 파장 l)의 가시 영역에 있습니다. IR 방사선은 산소를 생성하는 유기체(고등 식물 및 조류)의 광합성에는 적합하지 않지만 일부 광합성 박테리아에서는 사용됩니다.

S.N. Vinogradsky의 화학 합성 과정 발견. 프로세스의 특성.

화학 합성은 미생물의 수명 동안 암모니아, 황화수소 및 기타 화학 물질이 산화되는 동안 방출되는 에너지로 인해 발생하는 이산화탄소로부터 유기 물질을 합성하는 과정입니다. 화학합성에는 화학석자가영양증이라는 또 다른 이름도 있습니다. 1887년 S. N. Vinogradovsky의 화학합성 발견은 살아있는 유기체의 기본 신진대사 유형에 대한 과학의 이해를 근본적으로 변화시켰습니다. 화학합성은 많은 미생물이 이산화탄소를 유일한 탄소원으로 흡수할 수 있기 때문에 유일한 영양 유형입니다. 광합성과 달리 화학합성은 빛 에너지 대신 산화환원 반응의 결과로 생성되는 에너지를 사용합니다.

이 에너지는 아데노신 삼인산(ATP)의 합성에 충분해야 하며 그 양은 10kcal/mol을 초과해야 합니다. 산화된 물질 중 일부는 이미 시토크롬 수준에서 사슬에 전자를 기증하므로 환원제 합성을 위해 추가 에너지 소비가 발생합니다. 화학 합성 중에 유기 화합물의 생합성은 이산화탄소의 독립 영양 동화, 즉 광합성과 똑같은 방식으로 발생합니다. 세포막에 내장된 박테리아 호흡 효소 사슬을 통해 전자가 전달된 결과 ATP의 형태로 에너지가 얻어집니다. 매우 높은 에너지 소비로 인해 수소를 제외한 모든 화학 합성 박테리아는 바이오 매스를 거의 형성하지 않지만 동시에 많은 양의 무기 물질을 산화합니다. 수소 박테리아는 과학자들이 단백질을 생산하고 특히 폐쇄된 생태계에서 필요한 이산화탄소로부터 대기를 정화하는 데 사용됩니다. 매우 다양한 화학합성 박테리아가 있으며, 대부분은 슈도모나드에 속하며, 사상균과 신진 박테리아, 렙토스피라, 스피릴라 및 코리네박테리아에서도 발견됩니다.

원핵생물에 의한 화학합성의 사용 예.

화학합성(러시아 연구자 Sergei Nikolaevich Vinogradsky가 발견한 과정)의 본질은 신체 자체에서 단순(무기) 물질과 함께 수행되는 산화환원 반응을 통해 신체가 에너지를 생산하는 것입니다. 이러한 반응의 예로는 암모늄을 아질산염으로, 2가 철을 제2철로, 황화수소를 황으로 산화하는 등이 있습니다. 특정 그룹의 원핵생물(광의의 박테리아)만이 화학합성을 할 수 있습니다. 화학합성으로 인해 현재 일부 열수 지역(수소, 황화수소, 황화철 등 환원 물질이 풍부한 뜨거운 지하수의 배출구가 있는 해저 장소)과 매우 단순한 생태계만 존재합니다. , 박테리아로만 구성된 생태계는 육지의 암석 단층 깊은 곳에서 발견됩니다.

박테리아는 화학합성을 하고, 암석을 파괴하고, 폐수를 정화하고, 광물 형성에 참여합니다.

지구상의 모든 생명체는 생존을 위해 음식이나 에너지가 필요합니다. 일부 유기체는 다른 생물을 먹고 사는 반면 다른 유기체는 스스로 영양분을 생산할 수 있습니다. 그들은 광합성이라는 과정을 통해 스스로 음식인 포도당을 생산합니다.

광합성과 호흡은 서로 연결되어 있습니다. 광합성의 결과는 포도당이며, 이는 화학에너지로 저장됩니다. 이렇게 저장된 화학 에너지는 무기 탄소(이산화탄소)가 유기 탄소로 전환된 결과입니다. 호흡 과정에서 저장된 화학 에너지가 방출됩니다.

식물이 생산하는 제품 외에도 식물이 생존하려면 탄소, 수소 및 산소가 필요합니다. 토양에서 흡수된 물은 수소와 산소를 제공합니다. 광합성 과정에서 탄소와 물은 음식을 합성하는 데 사용됩니다. 식물은 또한 아미노산을 만들기 위해 질산염이 필요합니다(아미노산은 단백질을 만드는 성분입니다). 이 외에도 엽록소를 생성하려면 마그네슘이 필요합니다.

참고 사항:다른 음식에 의존하여 살아가는 생물을 이라고 합니다. 곤충을 먹는 소나 식물과 같은 초식동물이 종속영양생물의 예입니다. 스스로 양분을 생산하는 생물을 말합니다. 녹색 식물과 조류는 독립영양생물의 예입니다.

이 글에서는 식물에서 광합성이 어떻게 일어나는지, 그리고 이 과정에 필요한 조건에 대해 자세히 알아볼 것입니다.

광합성의 정의

광합성은 식물(일부 조류)이 빛만을 에너지원으로 사용하여 이산화탄소와 물로부터 포도당과 산소를 생산하는 화학적 과정입니다.

이 과정은 모든 생명체가 의존하는 산소를 방출하기 때문에 지구상의 생명체에게 매우 중요합니다.

식물에는 왜 포도당(음식)이 필요합니까?

인간이나 다른 생물과 마찬가지로 식물도 생존하려면 영양이 필요합니다. 식물에 있어서 포도당의 중요성은 다음과 같습니다.

광합성에 의해 생성된 포도당은 호흡 중에 식물이 다른 중요한 과정에 필요한 에너지를 방출하는 데 사용됩니다.
식물 세포는 또한 포도당의 일부를 필요에 따라 사용되는 전분으로 전환시킵니다. 이러한 이유로 죽은 식물은 화학에너지를 저장하기 때문에 바이오매스로 사용됩니다.
포도당은 성장과 기타 중요한 과정을 지원하는 데 필요한 단백질, 지방, 식물성 당과 같은 다른 화학 물질을 만드는데도 필요합니다.

광합성의 단계

광합성 과정은 밝은 단계와 어두운 단계의 두 단계로 나뉩니다.

광합성의 가벼운 단계

이름에서 알 수 있듯이 가벼운 단계에는 햇빛이 필요합니다. 광의존 반응에서 햇빛의 에너지는 엽록소에 흡수되어 전자 운반체 분자 NADPH(니코틴아미드 아데닌 디뉴클레오티드 인산염)와 에너지 분자 ATP(아데노신 삼인산)의 형태로 저장된 화학 에너지로 변환됩니다. 가벼운 단계는 엽록체 내의 틸라코이드 막에서 발생합니다.

광합성의 어두운 단계 또는 캘빈 회로

암흑 단계 또는 캘빈 회로에서는 명 단계의 여기된 전자가 이산화탄소 분자로부터 탄수화물을 형성하기 위한 에너지를 제공합니다. 빛 독립 단계는 과정의 주기적 특성으로 인해 캘빈 주기라고도 합니다.

암흑 단계는 빛을 반응물로 사용하지 않지만(결과적으로 낮이나 밤에 발생할 수 있음) 기능하려면 빛 의존 반응의 생성물이 필요합니다. 빛에 독립적인 분자는 에너지 운반체 분자인 ATP와 NADPH에 의존하여 새로운 탄수화물 분자를 생성합니다. 에너지가 전달되면 에너지 운반체 분자는 가벼운 단계로 돌아가 더 많은 에너지를 갖는 전자를 생성합니다. 또한, 여러 암상 효소가 빛에 의해 활성화됩니다.

광합성 단계의 다이어그램

참고 사항:이는 식물이 밝은 단계의 생성물을 사용하기 때문에 식물에 너무 오랫동안 빛이 없으면 어두운 단계가 계속되지 않음을 의미합니다.

식물 잎의 구조

잎의 구조에 대해 더 많이 알지 못하면 광합성을 완전히 연구할 수 없습니다. 잎은 광합성 과정에서 중요한 역할을 하도록 적응되었습니다.

잎의 외부 구조

정사각형

식물의 가장 중요한 특징 중 하나는 잎의 표면적이 크다는 것입니다. 대부분의 녹색 식물은 광합성에 필요한 만큼의 태양 에너지(햇빛)를 흡수할 수 있는 넓고 평평하며 열린 잎을 가지고 있습니다.

중앙맥과 잎자루

중심맥과 잎자루가 합쳐져 잎의 밑부분을 이룬다. 잎자루는 가능한 한 많은 빛을 받도록 잎의 위치를 정합니다.

나뭇잎 잎

단순한 잎에는 잎 잎이 하나 있고, 복잡한 잎에는 여러 개가 있습니다. 잎사귀는 잎의 가장 중요한 구성 요소 중 하나이며 광합성 과정에 직접적으로 관여합니다.

정맥

잎의 정맥 네트워크는 줄기에서 잎으로 물을 운반합니다. 방출된 포도당은 또한 잎맥을 통해 식물의 다른 부분으로 보내집니다. 또한, 이러한 잎 부분은 햇빛을 더 잘 포착할 수 있도록 잎날을 지지하고 평평하게 유지합니다. 정맥의 배열(venation)은 식물의 종류에 따라 다릅니다.

잎 기초

잎의 밑부분은 줄기와 연결되어 있는 가장 낮은 부분입니다. 종종 잎 밑부분에 한 쌍의 턱잎이 있습니다.

잎 가장자리

식물의 종류에 따라 잎의 가장자리는 전체 모양, 들쭉날쭉한 모양, 톱니 모양 모양, 노치 모양, 톱니 모양 등 다양한 모양을 가질 수 있습니다.

잎 끝

잎의 가장자리와 마찬가지로 끝도 날카로운 것, 둥근 것, 둔한 것, 길쭉한 것, 당겨진 것 등 다양한 모양이 있습니다.

잎의 내부 구조

아래는 잎 조직의 내부 구조에 대한 자세한 다이어그램입니다.

표피

큐티클은 식물 표면의 주요 보호층 역할을 합니다. 일반적으로 잎 꼭대기가 더 두껍습니다. 큐티클은 식물을 물로부터 보호하는 왁스 같은 물질로 덮여 있습니다.

표피

표피는 잎을 덮고 있는 세포층입니다. 주요 기능은 잎의 내부 조직을 탈수, 기계적 손상 및 감염으로부터 보호하는 것입니다. 또한 가스 교환 및 증산 과정을 조절합니다.

엽육

엽육은 식물의 주요 조직입니다. 이곳에서 광합성 과정이 일어납니다. 대부분의 식물에서 엽육은 두 개의 층으로 나누어져 있습니다. 위쪽 층은 방어벽이고 아래쪽 층은 해면질입니다.

방어 케이지

공변 세포는 잎의 표피에 있는 특수 세포로 가스 교환을 조절하는 데 사용됩니다. 그들은 기공 보호 기능을 수행합니다. 물을 자유롭게 이용할 수 있으면 기공 구멍이 커지고, 그렇지 않으면 보호 세포가 느려집니다.

장루

광합성은 공기 중의 이산화탄소(CO2)가 기공을 통해 엽육 조직으로 침투하는 것에 달려 있습니다. 광합성의 부산물로 생성된 산소(O2)는 기공을 통해 식물 밖으로 나갑니다. 기공이 열리면 증발을 통해 물이 손실되고 증산 흐름을 통해 뿌리에 의해 흡수된 물로 대체되어야 합니다. 식물은 공기에서 흡수되는 CO2의 양과 기공을 통한 수분 손실의 균형을 맞춰야 합니다.

광합성에 필요한 조건

식물이 광합성 과정을 수행하는 데 필요한 조건은 다음과 같습니다.

이산화탄소.무색, 무취의 천연가스로 공기 중에 존재하며 학명은 CO2입니다. 이는 탄소 및 유기 화합물의 연소 중에 형성되며 호흡 중에도 발생합니다.
물. 무취, 무미(정상적인 조건에서) 투명한 액체 화학물질입니다.
빛.인공 조명도 식물에 좋지만 자연 햇빛에는 식물에 긍정적인 영향을 미치는 자연 자외선이 포함되어 있기 때문에 일반적으로 더 나은 광합성 조건을 제공합니다.
엽록소.식물 잎에서 발견되는 녹색 색소입니다.
영양소와 미네랄.식물 뿌리가 토양에서 흡수하는 화학 물질 및 유기 화합물.

광합성의 결과로 무엇이 생성됩니까?

포도당;
산소.

(빛 에너지는 중요하지 않으므로 괄호 안에 표시)

참고 사항:식물은 잎을 통해 공기로부터 CO2를 얻고, 뿌리를 통해 토양으로부터 물을 얻습니다. 빛 에너지는 태양으로부터 나옵니다. 생성된 산소는 잎에서 공기 중으로 방출됩니다. 생성된 포도당은 에너지 저장소로 사용되는 전분과 같은 다른 물질로 전환될 수 있습니다.

광합성을 촉진하는 인자가 없거나 부족한 경우 식물에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 예를 들어, 빛이 적으면 식물의 잎을 먹는 곤충에게 유리한 환경이 조성되고, 물이 부족하면 속도가 느려집니다.

광합성은 어디서 일어나는가?

광합성은 식물 세포 내부, 즉 엽록체라고 불리는 작은 색소체에서 발생합니다. 엽록체(주로 엽육층에서 발견됨)에는 엽록소라는 녹색 물질이 포함되어 있습니다. 다음은 엽록체와 함께 광합성을 수행하는 세포의 다른 부분입니다.

식물 세포의 구조

식물 세포 부분의 기능

: 구조적 및 기계적 지지를 제공하고, 세포를 보호하고, 세포 모양을 고정 및 결정하며, 성장 속도와 방향을 제어하고, 식물에 모양을 부여합니다.
: 대부분의 효소 제어 화학 공정을 위한 플랫폼을 제공합니다.
: 장벽 역할을 하여 세포 안팎으로 물질의 이동을 제어합니다.
: 위에서 설명한 것처럼 광합성 과정을 통해 빛 에너지를 흡수하는 녹색 물질인 엽록소를 함유하고 있습니다.
: 물을 저장하는 세포질 내의 공동.
: 세포의 활동을 조절하는 유전적 표지(DNA)가 들어 있습니다.

엽록소는 광합성에 필요한 빛 에너지를 흡수합니다. 빛의 모든 색 파장이 흡수되는 것은 아니라는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 식물은 주로 빨간색과 파란색 파장을 흡수하며 녹색 범위의 빛은 흡수하지 않습니다.

광합성 중 이산화탄소

식물은 잎을 통해 공기로부터 이산화탄소를 흡수합니다. 이산화탄소는 잎 바닥에 있는 작은 구멍인 기공을 통해 새어 나옵니다.

잎의 아래쪽 부분에는 이산화탄소가 잎의 다른 세포에 도달할 수 있도록 느슨하게 간격을 둔 세포가 있습니다. 이는 또한 광합성으로 생성된 산소가 잎에서 쉽게 빠져나가도록 해줍니다.

이산화탄소는 우리가 호흡하는 공기 중에 매우 낮은 농도로 존재하며 광합성의 어두운 단계에서 필요한 요소입니다.

광합성 중 빛

잎은 일반적으로 표면적이 넓어 많은 빛을 흡수할 수 있습니다. 상부 표면은 왁스 층(큐티클)에 의해 수분 손실, 질병 및 날씨 노출로부터 보호됩니다. 시트의 윗부분은 빛이 닿는 곳입니다. 이 엽육층을 방어벽(palisade)이라고 합니다. 엽록체를 많이 함유하고 있기 때문에 많은 양의 빛을 흡수하는 데 적합합니다.

빛 단계에서는 빛이 많을수록 광합성 과정이 증가합니다. 빛의 광자가 녹색 잎에 집중되면 더 많은 엽록소 분자가 이온화되고 더 많은 ATP와 NADPH가 생성됩니다. 빛은 광상에서 매우 중요하지만 과도한 양은 엽록소를 손상시키고 광합성 과정을 감소시킬 수 있다는 점에 유의해야 합니다.

가벼운 단계는 광합성 과정을 완료하는 데 모두 필요하지만 온도, 물 또는 이산화탄소에 크게 의존하지 않습니다.

광합성 중 물

식물은 뿌리를 통해 광합성에 필요한 물을 얻습니다. 그들은 토양에서 자라는 뿌리털을 가지고 있습니다. 뿌리는 표면적이 넓고 벽이 얇아 물이 쉽게 통과할 수 있는 것이 특징입니다.

이미지는 물이 충분한 식물과 세포(왼쪽)와 물이 부족한 식물(오른쪽)을 보여줍니다.

참고 사항:뿌리 세포는 일반적으로 어둠 속에 있고 광합성을 할 수 없기 때문에 엽록체를 포함하지 않습니다.

식물이 충분한 물을 흡수하지 못하면 시들게 됩니다. 물이 없으면 식물은 충분히 빨리 광합성을 할 수 없으며 심지어 죽을 수도 있습니다.

식물에게 물의 중요성은 무엇입니까?

식물 건강을 지원하는 용해된 미네랄을 제공합니다.
운송 매체입니다.
안정성과 직립성을 유지합니다.
습기로 냉각되고 포화됩니다.
식물 세포에서 다양한 화학 반응을 수행할 수 있게 해줍니다.

자연에서 광합성의 중요성

광합성의 생화학적 과정은 햇빛의 에너지를 사용하여 물과 이산화탄소를 산소와 포도당으로 전환합니다. 포도당은 식물의 조직 성장을 위한 빌딩 블록으로 사용됩니다. 따라서 광합성은 뿌리, 줄기, 잎, 꽃 및 과일이 형성되는 방법입니다. 광합성 과정이 없으면 식물은 자랄 수도, 번식할 수도 없습니다.

생산자

광합성 능력으로 인해 식물은 생산자로 알려져 있으며 지구상의 거의 모든 먹이 사슬의 기초 역할을 합니다. (조류는 식물과 동일합니다). 우리가 먹는 모든 음식은 광합성을 하는 유기체에서 나옵니다. 우리는 이러한 식물을 직접 먹거나 식물성 식품을 섭취하는 소나 돼지 등의 동물을 먹습니다.

먹이사슬의 기초

수생 시스템 내에서 식물과 조류도 먹이 사슬의 기초를 형성합니다. 조류는 먹이 역할을 하며, 이는 더 큰 유기체의 영양 공급원 역할을 합니다. 수중 환경에서 광합성이 없다면 생명체는 존재할 수 없습니다.

이산화탄소 제거

광합성은 이산화탄소를 산소로 전환시킵니다. 광합성 과정에서 대기 중의 이산화탄소가 식물에 유입되어 산소로 방출됩니다. 이산화탄소 수준이 놀라운 속도로 증가하고 있는 오늘날의 세계에서 대기에서 이산화탄소를 제거하는 모든 과정은 환경적으로 중요합니다.

영양 순환

식물과 기타 광합성 유기체는 영양분 순환에 중요한 역할을 합니다. 공기 중의 질소는 식물 조직에 고정되어 단백질 생성에 이용 가능해집니다. 토양에서 발견되는 미량 영양소는 식물 조직에 통합되어 먹이 사슬의 상위에 있는 초식 동물에게 제공될 수도 있습니다.

광합성 의존성

광합성은 빛의 강도와 품질에 따라 달라집니다. 일년 내내 햇빛이 풍부하고 물이 제한 요소가 아닌 적도에서는 식물의 성장률이 높고 상당히 커질 수 있습니다. 반대로, 바다의 깊은 부분에서는 빛이 이 층을 통과하지 못하기 때문에 광합성이 덜 자주 발생하여 생태계가 더 황폐해집니다.

광합성은 다소 복잡한 과정이며 두 단계, 즉 항상 빛에서만 발생하는 빛과 어둠의 두 단계를 포함합니다. 모든 과정은 특수한 작은 기관인 틸라코이드의 엽록체 내부에서 발생합니다. 빛 단계에서는 빛의 상당량이 엽록소에 흡수되어 ATP와 NADPH 분자가 형성됩니다. 그런 다음 물은 분해되어 수소 이온을 형성하고 산소 분자를 방출합니다. ATP와 NADH라는 이해할 수 없는 신비한 물질은 무엇입니까?

ATP는 모든 살아있는 유기체에서 발견되는 특별한 유기 분자이며 종종 "에너지" 통화라고 불립니다. 고에너지 결합을 포함하고 신체의 모든 유기 합성 및 화학 과정에서 에너지원이 되는 것은 바로 이러한 분자입니다. 음, NADPH는 실제로 수소의 공급원이며, 이산화탄소를 사용하는 광합성의 두 번째 어두운 단계에서 발생하는 고분자 유기 물질, 즉 탄수화물의 합성에 직접 사용됩니다. 하지만 순서대로 살펴 보겠습니다.

광합성의 가벼운 단계

엽록체에는 많은 양의 엽록소 분자가 포함되어 있으며 모두 햇빛을 흡수합니다. 동시에 빛은 다른 색소에 흡수되지만 광합성을 할 수는 없습니다. 과정 자체는 일부 엽록소 분자에서만 발생하며 그 수가 거의 없습니다. 엽록소, 카로티노이드 및 기타 물질의 다른 분자는 특수 안테나 및 광 수확 복합체(LHC)를 형성합니다. 안테나와 마찬가지로 빛의 양자를 흡수하고 여기를 특수 반응 센터나 트랩으로 전달합니다. 이 센터는 광계에 위치하고 있으며 식물에는 광계 II와 광계 I의 두 가지가 있습니다. 이들은 각각 광계 II - P680 및 광계 I - P700에 특수 엽록소 분자를 포함합니다. 이들은 정확히 이 파장(680 및 700nm)의 빛을 흡수합니다.

이 다이어그램은 광합성의 명 단계에서 모든 것이 어떻게 보이고 일어나는지 더 명확하게 보여줍니다.

그림에서 우리는 엽록소 P680과 P700을 가진 두 개의 광계를 볼 수 있습니다. 그림은 또한 전자 수송이 일어나는 캐리어를 보여줍니다.

따라서 두 광계의 엽록소 분자는 모두 빛 양자를 흡수하고 여기됩니다. 전자 e-(그림에서 빨간색)는 더 높은 에너지 레벨로 이동합니다.

여기된 전자는 매우 높은 에너지를 가지며, 엽록체의 내부 구조인 틸라코이드 막에 위치한 특수한 전달체 사슬로 부서져 들어갑니다. 그림은 엽록소 P680의 광계 II에서 전자가 플라스토퀴논으로 이동하고 광계 I의 엽록소 P700에서 페레독신으로 이동함을 보여줍니다. 엽록소 분자 자체에는 제거 후 전자 대신 양전하를 띤 블루홀이 형성됩니다. 무엇을 해야 할까요?

전자 부족을 보충하기 위해 광계 II의 엽록소 P680 분자는 물에서 전자를 받아 수소 이온이 형성됩니다. 또한 산소가 대기 중으로 방출되는 것은 물의 분해로 인해 발생합니다. 그리고 그림에서 볼 수 있듯이 엽록소 P700 분자는 광계 II의 운반체 시스템을 통해 전자 부족을 보완합니다.

일반적으로 아무리 어렵더라도 이것이 바로 광합성의 가벼운 단계가 진행되는 방식이며, 그 주요 본질은 전자의 전달입니다. 또한 그림에서 볼 수 있듯이 전자 수송과 병행하여 수소 이온 H+가 막을 통해 이동하고 틸라코이드 내부에 축적됩니다. 거기에는 그것들이 많기 때문에 그들은 특별한 공액 인자의 도움으로 바깥쪽으로 이동합니다. 그림에서 주황색은 오른쪽에 표시되고 버섯처럼 보입니다.

마지막으로, 앞서 언급한 NADH 화합물이 형성되는 전자 전달의 마지막 단계를 살펴보겠습니다. 그리고 H+ 이온의 이동으로 인해 에너지 화폐인 ATP가 합성됩니다(그림 오른쪽 참조).

따라서 광합성의 가벼운 단계가 완료되고 산소가 대기로 방출되며 ATP와 NADH가 형성됩니다. 무엇 향후 계획? 약속된 유기물은 어디에 있나요? 그리고 주로 화학 공정으로 구성된 어두운 단계가 나옵니다.

광합성의 어두운 단계

광합성의 어두운 단계에서는 이산화탄소(CO2)가 필수 구성 요소입니다. 그러므로 식물은 지속적으로 대기로부터 이를 흡수해야 합니다. 이를 위해 잎 표면에 기공이라는 특별한 구조가 있습니다. 잎이 열리면 CO2가 잎으로 들어가고 물에 용해되어 광합성의 가벼운 단계와 반응합니다.

대부분의 식물에서 가벼운 단계 동안 CO2는 5개의 탄소로 구성된 유기 화합물(5개의 탄소 분자로 구성된 사슬)에 결합하여 3개의 탄소로 구성된 화합물 두 분자(3-포스포글리세린산)를 형성합니다. 왜냐하면 일차적인 결과는 바로 이러한 세 개의 탄소로 구성된 화합물이며, 이러한 유형의 광합성을 하는 식물을 C3 식물이라고 합니다.

엽록체에서 일어나는 추가 합성은 매우 복잡합니다. 궁극적으로 6개의 탄소로 구성된 화합물이 형성되고, 이로부터 포도당, 자당 또는 전분이 합성될 수 있습니다. 식물이 에너지를 축적하는 것은 이러한 유기 물질의 형태입니다. 그 중 극히 일부만 시트에 남아 있으며 필요에 따라 사용됩니다. 나머지 탄수화물은 식물 전체를 이동하며 에너지가 가장 필요한 곳, 예를 들어 성장 지점으로 정확히 이동합니다.

정의: 광합성은 빛 속에서 산소를 방출하면서 이산화탄소와 물로부터 유기 물질을 형성하는 과정입니다.

광합성에 대한 간략한 설명

광합성 과정에는 다음이 포함됩니다.

1) 엽록체,

3) 이산화탄소,

5) 온도.

고등 식물에서 광합성은 엽록체(엽록소 색소를 함유한 타원형 색소체(반자율 소기관))에서 발생합니다. 이는 식물의 일부도 녹색을 띠는 녹색 덕분입니다.

조류에서 엽록소는 색소포(색소를 함유하고 빛을 반사하는 세포)에 포함되어 있습니다. 햇빛이 잘 닿지 않는 상당한 깊이에 서식하는 갈조류와 홍조류는 다른 색소를 가지고 있습니다.

모든 생물의 먹이 피라미드를 보면 독립영양생물(무기물에서 유기물을 합성하는 생물체) 중 맨 아래에 광합성 생물이 있다. 그러므로 그들은 지구상의 모든 생명체를 위한 식량의 원천입니다.

광합성 중에 산소가 대기 중으로 방출됩니다. 대기의 상층부에서는 오존이 형성됩니다. 오존 보호막은 가혹한 자외선으로부터 지구 표면을 보호하여 생명체가 바다에서 육지로 나올 수 있도록 해줍니다.

식물과 동물의 호흡에는 산소가 필요합니다. 포도당이 산소와 함께 산화되면 미토콘드리아는 산소가 없을 때보다 거의 20배 더 많은 에너지를 저장합니다. 이로 인해 음식을 훨씬 더 효율적으로 사용할 수 있게 되었고, 이로 인해 새와 포유류의 대사율이 높아졌습니다.

식물의 광합성 과정에 대한 자세한 설명

광합성 진행:

광합성 과정은 녹색 색소를 함유한 세포 내 반자율 소기관인 엽록체에 빛이 닿는 것으로 시작됩니다. 빛에 노출되면 엽록체는 토양의 물을 소비하기 시작하여 이를 수소와 산소로 분해합니다.

산소의 일부는 대기로 방출되고, 나머지 부분은 식물의 산화 과정에 사용됩니다.

설탕은 토양에서 나오는 질소, 황, 인과 결합하여 녹색 식물은 생명에 필요한 전분, 지방, 단백질, 비타민 및 기타 복합 화합물을 생성합니다.

광합성은 햇빛의 영향을 받아 가장 잘 일어나지만, 일부 식물은 인공조명에도 만족할 수 있습니다.

고급 독자를 위한 광합성 메커니즘에 대한 복잡한 설명

20세기 60년대까지 과학자들은 C3-5탄당 인산 경로를 통한 이산화탄소 고정 메커니즘을 하나만 알고 있었습니다. 그러나 최근 호주 과학자 그룹은 일부 식물에서 C4-디카르복실산 회로를 통해 이산화탄소 감소가 발생한다는 것을 증명할 수 있었습니다.

C3 반응이 있는 식물의 경우, 광합성은 주로 숲과 어두운 곳에서 적당한 온도와 빛의 조건에서 가장 활발하게 일어납니다. 이러한 식물에는 거의 모든 재배 식물과 대부분의 야채가 포함됩니다. 그들은 인간 식단의 기초를 형성합니다.

C4 반응이 있는 식물에서는 고온과 빛의 조건에서 광합성이 가장 활발하게 일어납니다. 이러한 식물에는 예를 들어 따뜻하고 열대 기후에서 자라는 옥수수, 수수, 사탕수수가 포함됩니다.

식물 대사 자체는 물을 저장하기 위한 특수 조직을 가진 일부 식물에서 이산화탄소가 유기산의 형태로 축적되어 하루가 지나면 탄수화물로 고정된다는 사실이 최근에 발견되었습니다. 이 메커니즘은 식물이 물을 절약하는 데 도움이 됩니다.

광합성 과정은 어떻게 진행됩니까?

식물은 엽록소라는 녹색 물질을 사용하여 빛을 흡수합니다. 엽록소는 줄기나 과일에서 발견되는 엽록체에서 발견됩니다. 잎에는 특히 많은 양이 있습니다. 왜냐하면 매우 평평한 구조로 인해 잎은 많은 빛을 끌어당겨 광합성 과정에서 훨씬 더 많은 에너지를 받을 수 있기 때문입니다.

흡수된 후 엽록소는 들뜬 상태에 있으며 식물체의 다른 분자, 특히 광합성에 직접 관여하는 분자에 에너지를 전달합니다. 광합성 과정의 두 번째 단계는 빛의 필수 참여 없이 이루어지며 공기와 물에서 얻은 이산화탄소의 참여로 화학 결합을 얻는 것으로 구성됩니다. 이 단계에서는 전분, 포도당 등 생명에 매우 유용한 다양한 물질이 합성됩니다.

이러한 유기 물질은 식물 자체에서 다양한 부분에 영양을 공급하고 정상적인 생명 기능을 유지하는 데 사용됩니다. 또한 이러한 물질은 동물이 식물을 먹음으로써 얻어지기도 합니다. 사람들은 또한 동물 및 식물 유래 식품을 섭취함으로써 이러한 물질을 얻습니다.

광합성 조건

광합성은 인공 조명과 햇빛의 영향으로 발생할 수 있습니다. 일반적으로 식물은 필요한 햇빛이 많은 봄과 여름에 자연에서 집중적으로 "작동"합니다. 가을에는 빛이 적고 낮이 짧아지며 잎이 먼저 노랗게 변한 다음 떨어집니다. 그러나 따뜻한 봄 햇살이 내리자마자 녹색 잎이 다시 나타나고 녹색 "공장"은 생명에 꼭 필요한 산소와 기타 많은 영양소를 공급하기 위해 다시 작업을 재개할 것입니다.

광합성의 대체 정의

광합성(고대 그리스 광광 및 합성 - 연결, 접기, 결합, 합성)은 광합성 색소(식물의 엽록소)가 참여하는 광독립영양생물에 의해 빛 에너지를 빛 속의 유기 물질의 화학 결합 에너지로 변환하는 과정입니다. , 박테리아의 박테리오클로로필 및 박테리오로돕신). 현대 식물 생리학에서 광합성은 이산화탄소를 유기 물질로 전환하는 것을 포함하여 다양한 흡열 반응에서 빛 양자의 에너지를 흡수, 변환 및 사용하는 일련의 과정인 광독립영양 기능으로 더 자주 이해됩니다.

광합성의 단계

광합성은 다소 복잡한 과정이며 두 단계, 즉 항상 빛에서만 발생하는 빛과 어둠의 두 단계를 포함합니다. 모든 과정은 특별한 작은 기관인 틸라코디아의 엽록체 내부에서 발생합니다. 빛 단계에서는 빛의 상당량이 엽록소에 흡수되어 ATP와 NADPH 분자가 형성됩니다. 그런 다음 물은 분해되어 수소 이온을 형성하고 산소 분자를 방출합니다. ATP와 NADH라는 이해할 수 없는 신비한 물질은 무엇입니까?

광합성의 가벼운 단계

이 다이어그램은 광합성의 명 단계에서 모든 것이 어떻게 보이고 일어나는지 더 명확하게 보여줍니다.

그림에서 우리는 엽록소 P680과 P700을 가진 두 개의 광계를 볼 수 있습니다. 그림은 또한 전자 수송이 일어나는 캐리어를 보여줍니다.

따라서 두 광계의 엽록소 분자는 모두 빛 양자를 흡수하고 여기됩니다. 전자 e-(그림에서 빨간색)는 더 높은 에너지 레벨로 이동합니다.

광합성의 어두운 단계

엽록체의 추가 합성은 다소 복잡하게 발생합니다. 이는 궁극적으로 6개의 탄소로 구성된 화합물을 형성하며, 이로부터 이후에 포도당, 자당 또는 전분이 합성될 수 있습니다. 이러한 유기 물질의 형태로 식물은 에너지를 축적합니다. 이 경우 그 중 일부만 잎에 남아 필요에 따라 사용되는 반면 나머지 탄수화물은 식물 전체를 여행하여 에너지가 가장 필요한 곳(예: 성장 지점)에 도달합니다.

그리고 NADP·H 2 는 가벼운 단계에서 얻어졌습니다. 더 정확하게 말하면, 어두운 단계에서는 이산화탄소(CO 2)가 결합됩니다.

이 과정은 다단계로 이루어지며 자연적으로 C 3 -광합성과 C 4 -광합성의 두 가지 주요 경로가 있습니다. 라틴 문자 C는 탄소 원자를 나타내며, 그 뒤의 숫자는 광합성의 어두운 단계의 1차 유기 생성물에 있는 탄소 원자의 수입니다. 따라서 C3 경로의 경우 1차 생성물은 PGA로 지정된 3탄소 포스포글리세린산으로 간주됩니다. C4 경로의 경우, 이산화탄소와 결합하는 첫 번째 유기 물질은 탄소가 4개인 옥살로아세트산(옥살로아세트산)입니다.

C 3 광합성은 이를 연구한 과학자의 이름을 따서 캘빈 회로라고도 합니다. C4 광합성에는 캘빈 회로(Calvin Cycle)가 포함되는데, 이것만으로 구성되지 않고 Hatch-Slack 회로라고 합니다. 온대 위도에서는 C3 식물이 흔하고 열대 위도에서는 C4 식물이 흔합니다.

광합성의 암반응은 엽록체의 간질에서 일어납니다.

캘빈주기

캘빈 회로의 첫 번째 반응은 리불로스-1,5-비스포스페이트(RiBP)의 카르복실화입니다. 카르복실화- 이것은 CO 2 분자를 첨가하여 카르복실기 -COOH를 형성합니다. RiBP는 말단 탄소 원자에 인산염 그룹(인산으로 형성됨)이 부착된 리보스(5탄당)입니다.

RiBP의 화학식

이 반응은 리불로스-1,5-비스포스페이트 카르복실라제 옥시게나제 효소에 의해 촉매됩니다( 루비스KO). 이는 이름에 "옥시게나제"라는 단어에서 알 수 있듯이 이산화탄소뿐만 아니라 산소의 결합도 촉매할 수 있습니다. RuBisCO가 기질에 산소를 첨가하는 반응을 촉매하는 경우 광합성의 어두운 단계는 더 이상 캘빈 회로의 경로를 따르지 않고 경로를 따릅니다. 광호흡, 이는 기본적으로 식물에 해롭다.

RiBP에 CO2를 첨가하는 반응의 촉매작용은 여러 단계로 발생합니다. 그 결과, 불안정한 6탄소 유기 화합물이 형성되고, 이는 즉시 두 개의 3탄소 분자로 분해됩니다. 포스포글리세린산

포스포글리세린산의 화학식

다음으로, PGA는 포스포글리세르알데히드(PGA)로 전환됩니다. 삼당 인산염.

PHA의 더 작은 부분은 캘빈 회로를 벗어나 포도당과 같은 더 복잡한 유기 물질의 합성에 사용됩니다. 이는 차례로 중합되어 전분으로 될 수 있습니다. 다양한 출발 물질의 참여로 다른 물질(아미노산, 지방산)이 형성됩니다. 이러한 반응은 식물 세포에서만 관찰되는 것이 아닙니다. 따라서 광합성을 엽록소 함유 세포의 독특한 현상으로 간주하면 포도당이 아닌 PHA 합성으로 끝납니다.

대부분의 PHA 분자는 캘빈 회로에 남아 있습니다. 일련의 변환이 발생하고 그 결과 PHA가 RiBP로 변합니다. 이것은 또한 ATP 에너지를 사용합니다. 따라서 RiBP는 재생되어 새로운 이산화탄소 분자를 결합합니다.

해치-슬랙 주기

더운 서식지에 있는 많은 식물에서 광합성의 어두운 단계는 다소 더 복잡합니다. 진화 과정에서 대기 중 산소량이 증가하고 RuBisCO가 비효율적인 광호흡으로 낭비되기 시작하면서 이산화탄소를 고정하는 보다 효율적인 방법으로 C4 광합성이 나타났습니다.

C4 식물에는 두 가지 유형의 광합성 세포가 있습니다. 잎의 엽육의 엽록체에서는 광합성의 밝은 단계와 어두운 단계의 일부가 발생합니다. 즉 CO 2와 포스포에놀피루베이트(FEP). 결과적으로 4개의 탄소로 구성된 유기산이 형성됩니다. 이 산은 혈관다발초세포의 엽록체로 운반됩니다. 여기에서 CO 2 분자는 효소적으로 분리되어 캘빈 회로로 들어갑니다. 탈카르복실화 후 남은 3탄소산은 다음과 같다. 피루브산- 엽육세포로 돌아가서 다시 PEP로 전환됩니다.

Hatch-Slack 주기는 광합성의 어두운 단계에 비해 더 많은 에너지를 소비하는 버전이지만 CO 2 및 PEP를 결합하는 효소는 RuBisCO보다 더 효과적인 촉매제입니다. 또한 산소와 반응하지 않습니다. 유기산의 도움으로 산소 흐름이 어려운 더 깊은 세포로 CO 2를 운반하면 여기에서 이산화탄소 농도가 증가하고 RuBisCO는 분자 산소 결합에 거의 소비되지 않습니다.