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森は無駄ではなく「惑星の緑の肺」と考えられています。光合成とはどのようなもので、どのようにしてこの過程が起こるのか、詳しく見ていきます。
光合成とは?
光合成 -特別な植物色素と無機物質(二酸化炭素、水)からの光エネルギーを使用して有機物が発生する生化学プロセス。これは、生物の大多数が地球上に出現し、存在し続けるための最も重要なプロセスの1つです。
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興味深い事実:陸生植物と緑藻は光合成が可能です。この場合、藻類(植物プランクトン)は80%の酸素を生成します。
地球上の生命にとっての光合成の重要性
光合成がなければ、多くの生物の代わりに、バクテリアだけが私たちの惑星に存在するでしょう。この化学プロセスの結果として得られたエネルギーが、細菌を進化させました。
自然のプロセスにはエネルギーが必要です。彼女は太陽から来ています。しかし、太陽光は植物によって変換された後にのみ形を作ります。
植物はエネルギーの一部のみを使用し、残りの部分は自身で蓄積します。彼らは捕食者のための食物である草食動物を食べます。チェーンの過程で、各リンクは必要な貴重な物質とエネルギーを受け取ります。
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反応中に生成される酸素は、すべての生き物が呼吸するために必要です。呼吸は光合成の逆です。この場合、有機物は酸化され、破壊されます。結果として得られるエネルギーは、生物によってさまざまな重要なタスクを実行するために使用されます。
惑星が存在する間、植物がほとんどなかったとき、酸素は実質的に存在しませんでした。原始的な生命体は他の方法で最小限のエネルギーを受けました。開発には少なすぎました。したがって、酸素による呼吸はより多くの機会を開いています。
光合成のもう一つの機能は、紫外線への暴露からの生物の保護です。高度約20-25 kmの成層圏にあるオゾン層について話している。酸素により生成され、太陽光の作用によりオゾンになります。この保護がなければ、地球上の生命は水中の生物にのみ限定されます。
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生物は呼吸中に二酸化炭素を放出します。それは光合成の不可欠な要素です。そうしないと、二酸化炭素が単に上層大気に蓄積し、温室効果が大幅に高まります。
これは深刻な環境問題であり、その本質は、大気の温度を上昇させて悪影響をもたらすことです。これらには、気候変動(地球温暖化)、氷河の融解、海面の上昇などが含まれます。
光合成機能:
- 酸素発生;
- エネルギー形成;
- 栄養素の形成;
- オゾン層の作成。
光合成の定義と式
「光合成」という用語は、写真と合成という2つの単語の組み合わせに由来します。古代ギリシャ語から翻訳されたものは、それぞれ「光」と「つながり」を意味します。これにより、光のエネルギーが有機物の結合のエネルギーに変換されます。
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スキーム:
二酸化炭素+水+光=炭水化物+酸素。
光合成の科学式:
6CO2 + 6H2O→C6N12約6 + 6O2.
光合成が起こるので、水とCOが直接接触する2 見えません。
植物にとっての光合成の重要性
植物は成長と発達のために有機物、エネルギーを必要とします。彼らは光合成のおかげで、これらのコンポーネントを提供しています。有機物質の作成は植物の光合成の主な目的であり、酸素の放出は副反応と考えられています。
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興味深い事実:植物は、エネルギーを得るために他の生物を必要としないため、ユニークです。したがって、それらは独立したグループ-独立栄養生物(古代ギリシャ語の「私は自分で食べる」から翻訳)を形成します。
光合成はどのように行われますか?
光合成は植物の緑の部分で直接行われます- 葉緑体。それらは植物細胞の一部です。葉緑体には物質が含まれています- クロロフィル。これが全体の反応が起こるおかげで、これが主要な光合成色素です。さらに、クロロフィルは植物の緑色を決定します。
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この顔料は、光を吸収する能力が特徴です。そして、植物の細胞の中で、実際の生化学的な「実験室」が立ち上げられます。2 酸素、炭水化物に変わります。
水は植物の根系から入り、ガスは葉に直接浸透します。光はエネルギー源として機能します。軽い粒子がクロロフィル分子に作用すると、その活性化が起こります。水の分子H2O酸素(O)は未請求のままです。したがって、それは植物の副産物になりますが、私たちにとって反応生成物として非常に重要です。
光合成フェーズ
光合成は2つの段階に分けられます:明暗。それらは同時に発生しますが、葉緑体の異なる部分に発生します。各フェーズの名前はそれ自体が物語っています。光相または光依存相は、光粒子が関与する場合にのみ発生します。暗い段階または不揮発性段階では、光は必要ありません。
各フェーズを詳細に検討する前に、葉緑体の構造を理解することは価値があります。それは、ステージの本質と場所を決定するからです。葉緑体は色素体の一種で、他の成分とは別に細胞内にあります。種の形をしています。
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光合成に関与する葉緑体成分:
- 2つの膜;
- 間質(内部液);
- チラコイド;
- ルーメン(チラコイド内のギャップ)。
光合成の光相
それはチラコイド、より正確にはそれらの膜上を流れます。光が当たると、負に帯電した電子が放出されて蓄積されます。したがって、光合成色素はすべての電子を失い、その後水分子が崩壊する番です。
H2O→H + + OH-
この場合、形成された水素プロトンは正の電荷を持ち、チラコイド膜の内側に蓄積します。その結果、プラスの電荷を持つ陽子とマイナスの電荷を持つ電子は、膜によってのみ分離されます。
酸素は副産物として生成されます:
4OH→O2 + 2H2O
ある瞬間、電子の相と水素のプロトンが多すぎます。次に、酵素ATPシンターゼが作業に入ります。その役割は、チラコイド膜から葉緑体液体培地である間質に水素プロトンを移動させることです。
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この段階で、水素は別の担体-NADP(ニコチナミジンヌクレオチドリン酸の略)を自由に使用できます。また、細胞内の酸化反応を促進する酵素の一種です。この場合、彼の仕事は炭水化物反応で水素プロトンを輸送することです。
この段階で、光リン酸化のプロセスが発生し、その間に大量のエネルギーが生成されます。その源はATP-アデノシン三リン酸です。
簡単な概要:
- クロロフィルに対する光の量子のヒット。
- 電子の選択。
- 酸素の進化。
- NADPHオキシダーゼの形成。
- ATPエネルギー生産。
興味深い事実:大西洋のアフリカの海岸にVelvichiaと呼ばれる遺物が生えています。これは、光合成が可能な最小限の葉を持つ種類の唯一の代表です。しかし、ベルビッチの年齢は約2000年に達します。
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光合成の暗い段階
光に依存しない段階は、間質で直接発生します。それは一連の酵素反応を表しています。軽い段階で吸収された二酸化炭素は水に溶解し、この段階でグルコースに還元されます。複雑な有機物質も生成されます。
暗期の反応は3つの主要なタイプに分類され、光合成が行われる細胞内の植物のタイプ(より正確には、その代謝)に依存します。
- と3-植物;
- と4-植物;
- CAMプラント。
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K C3-植物には、温暖な気候で育つ農作物のほとんどが含まれます。光合成の間、二酸化炭素はホスホグリセリン酸になります。
亜熱帯および熱帯の種、主に雑草はC4植物に属します。それらは二酸化炭素のオキサロ酢酸への変換を特徴とする。 CAM植物は、水分が不足している植物のカテゴリです。それらは特別なタイプの光合成-CAMが異なります。
と3-光合成
最も一般的なのはC3-カルビンサイクルとも呼ばれる光合成-これらの反応の研究に多大な貢献をし、ノーベル賞を受賞したアメリカの科学者メルビンカルビンに敬意を表して。
植物はCと呼ばれています3 暗期の反応中に3-ホスホグリセリン酸の3-炭素分子-3-PGAが形成されるという事実のため様々な酵素が直接関与しています。
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完全なグルコース分子が形成されるためには、光に依存しない相の反応の6サイクルが経過する必要があります。炭水化物はカルビン回路の光合成の主な産物ですが、それに加えて、脂肪酸やアミノ酸、糖脂質も生産されます。 C3 植物の光合成は、葉肉細胞でのみ行われます。
Cの主な欠点3光合成
グループCプラント3重要な欠点が1つあります。環境の水分が不足している場合、光合成能力が大幅に低下します。これは光呼吸によるものです。
実際、葉緑体の二酸化炭素の濃度が低い場合(50未満:1 000 000)、炭素固定の代わりに酸素が固定されます。特別な酵素は著しく減速し、太陽エネルギーを浪費します。
同時に、植物は有機物を欠いているため、植物の成長と発達が遅くなります。また、大気中への酸素の放出はありません。
興味深い事実:Elysia chloroticaウミウシは植物のように光合成するユニークな動物です。それは藻類を食べ、その葉緑体は消化管の細胞に浸透し、そこで数ヶ月光合成します。生成された炭水化物は、ナメクジを餌として提供します。
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C4光合成
Cとは異なり3-合成、ここでは二酸化炭素固定の反応は様々な植物細胞で行われます。これらのタイプの植物は、光呼吸の問題に対処することができ、これを2段階のサイクルで行います。
一方では、高レベルの二酸化炭素が維持され、他方では、葉緑体の低レベルの酸素が制御されます。この戦術により、C4プラントは写真の呼吸や関連する困難を回避できます。このグループの植物の代表はサトウキビ、トウモロコシ、キビなどです。
植物Cと比較して3 彼らは、高温かつ水分不足の条件下で、より強力に光合成プロセスを実行することができます。最初の段階で、二酸化炭素は葉肉細胞に固定され、そこで4炭酸が形成されます。次に、酸はシェルに入り、そこで3炭素化合物と二酸化炭素に分解されます。
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第二段階で、得られた二酸化炭素はカルバンサイクルで機能し始めます。そこでは、エネルギー代謝に必要なグリセルアルデヒド-3-リン酸と炭水化物が生成されます。
C4植物では2段階の光合成が行われるため、ケルビンサイクルに十分な量の二酸化炭素が生成されます。したがって、酵素は全力で働き、エネルギーを無駄に消費しません。
しかし、このシステムには欠点があります。特に、より多くのATPエネルギーが消費されます。これは、4炭素酸を3炭素酸に、逆方向に変換するために必要です。だからC3-光合成は、適切な量の水と光があれば、C4よりも常に生産的です。
光合成の速度に影響を与えるものは何ですか?
光合成はさまざまな速度で発生する可能性があります。このプロセスは、環境条件によって異なります。
- 水;
- 光の波長;
- 二酸化炭素;
- 温度。
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水は基本的な要素なので、水が不足すると反応が遅くなります。光合成の場合、最も好ましいのは赤と青紫のスペクトルの波です。高度の照明も望ましいですが、一定の値に限られます-それに達すると、照明と反応速度の間の関係が消えます。
高濃度の二酸化炭素は速い光合成プロセスを提供し、逆もまた同様です。特定の温度は、反応を加速する酵素にとって重要です。それらの理想的な条件は約25-30℃です。
写真ブレス
すべての生物は呼吸を必要とし、植物も例外ではありません。ただし、このプロセスは人間や動物とは少し異なるため、光呼吸と呼ばれています。
一般的に、 呼吸 -生物とその環境がガスを交換する物理的プロセス。すべての生物と同様に、植物は呼吸するために酸素を必要とします。しかし、消費量は生産量よりもはるかに少なくなります。
日光の下でのみ起こる光合成の間、植物は自分たちのために食物を作ります。 24時間体制で行われる光呼吸中、これらの栄養素は細胞内で代謝をサポートするために吸収されます。
興味深い事実:晴れた日の間、1ヘクタールの森林区画は、120〜280 kgの二酸化炭素を消費し、180〜200 kgの酸素を排出します。
酸素(二酸化炭素のような)は、特別な開口部-気孔を通して植物細胞に浸透します。それらは葉の下部にあります。 1枚のシートに約1000個の気孔を配置できます。
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照明による植物のガス交換
異なる照明でのガス交換プロセスは、次のように示されます。
- 明るい光。二酸化炭素は光合成中に使用されます。植物は消費するよりも多くの酸素を生成します。その余剰分は大気に入る。二酸化炭素は、呼吸によって放出されるよりも速く消費されます。未使用の炭水化物は、将来の使用のために植物によって保管されます。
- 弱い光。植物が生成するすべての酸素を消費するため、環境とのガス交換は発生しません。
- 光の欠如。呼吸プロセスのみが発生します。二酸化炭素が放出され、酸素が消費されます。
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化学合成
一部の生物は、日光を必要としない一方で、水と二酸化炭素から一炭水化物を形成することもできます。これらにはバクテリアが含まれ、エネルギー変換のプロセスは化学合成と呼ばれます。
化学合成 ブドウ糖が合成されるプロセスですが、太陽エネルギーの代わりに化学物質が使用されます。それは、酵素の操作に適した十分に高い温度で、光がない状態で流れます。これらは、熱水泉、海底でのメタン漏れなどの近くの領域である可能性があります。
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光合成の発見の歴史
光合成の発見と研究の歴史は1600年にさかのぼります。そのとき、ヤンバプティストヴァンヘルモントはそのとき緊急の問題を理解することにしました。
当時、土壌は貴重な元素の源であると考えられていました。科学者は柳の小枝を土の入った容器に入れましたが、以前にその重量を測定しました。 5年間、彼は木の世話をし、水をやった後、再び測定手順を実行しました。
地球の重さが56g減ったことがわかりましたが、木は30倍重くなりました。この発見は、植物が土壌を食べ、新しい理論を生み出したという見解を覆しました-水栄養。
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将来的には、多くの科学者がそれを否定しようとしました。たとえば、ロモノソフは、部分的に構造的な要素が葉を通って植物に入ると信じていました。彼は乾燥した地域でうまく育つ植物によって導かれました。ただし、このバージョンを証明することはできませんでした。
実際の状況に最も近いのは、化学科学者で非常勤の司祭であるジョセフ・プリーストリーでした。彼がひっくり返った瓶で死んだネズミを発見し、この事件により彼は1770年代にげっ歯類、ろうそく、そして容器を使って一連の実験を行うことを余儀なくされました。
プリーストリーは、上に瓶をかぶせれば、ろうそくは常に素早く消えることを発見しました。また、生物は生き残ることができません。科学者は、空気を生命に適したものにする特定の力があるという結論に達し、この現象を植物と結びつけようとしました。
彼は実験を続けたが、今度はガラスの容器の下に成長するミントの鍋を配置しようとした。驚いたことに、植物は活発に発展し続けました。次に、Priestleyは1つの瓶の下に植物とマウスを置き、2番目の瓶の下には動物だけを置きました。結果は明白です-最初のタンクの下では、げっ歯類は無傷のままでした。
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化学者の業績は、世界中の他の科学者が実験を繰り返す動機となった。しかし問題は、司祭が昼間に実験を行ったことでした。そして、例えば、薬剤師カール・シェール-自由時間のあった夜。その結果、科学者は彼の実験対象が植物での実験に耐えることができなかったので、詐欺の司祭を非難しました。
化学者の間で真の科学的対立が発生しました。これは大きな利益をもたらし、植物が空気を回復する必要があり、太陽光が必要であるという別の発見を可能にすることを可能にしました。
もちろん、この現象を光合成と呼ぶ人は誰もいなかったし、まだ多くの疑問が残っていた。しかし、1782年、植物学者のJean Senebierは日光の存在下で植物が細胞レベルで二酸化炭素を分解できることを証明できました。そして1864年に、ついに植物が二酸化炭素を吸収して酸素を生成するという実験的証拠が現れました。これがドイツの科学者、ジュリアスザックスのメリットです。