Bitkiler için karbon kaynakları. Fotosentez sırasında karbondioksit ve güneşten gelen radyant enerjinin asimilasyonu

Bitkilerin kimyasal bileşimi göz önüne alındığında karbonun kuru maddelerinin neredeyse yarısını oluşturduğuna dikkat çekildi. Karbon atomları tüm organik bileşiklerin iskeletini oluşturur ve bunların diğer elementlerle reaksiyona girme yetenekleri bu bileşiklerin büyük sayısını belirler.

Su bitkileri üzerinde yapılan deneyler, bitkilerin karbonun büyük çoğunluğunu topraktan almadığını büyük bir kesinlikle göstermiştir. Öte yandan, bitki karbondioksitten arındırılmış bir atmosfere, örneğin havanın yalnızca soda kireç tabakası yoluyla girdiği bir cam çanın altına yerleştirilirse, o zaman açlık belirtileri göstermeye başlayacaktır. Bu da bitkilerin karbon ihtiyacının büyük çoğunluğunun, toplam hava hacminin %0,03'ünü oluşturan atmosferik karbondioksit tarafından karşılandığını gösteriyor.

Bitkiler ihtiyaç duydukları havayı karbondioksitten elde ederler.
vücudunuzun karbonunu oluşturmak en önemli şeylerden biridir

Bitkilerin ve tüm organik dünyanın yaşamındaki süreçler. Hayvanlar ve insanlar
göz kapakları karbon dioksitten doğrudan karbon ememez ve
Beslenme için bitkinin halihazırda ürettiği organik bileşikleri kullanırlar.
birlik.

Beslenme için havadaki karbondioksiti kullanan organizmalara ototrofik denir. Havadaki karbondioksiti ememeyen ve diğer canlıların ürettiği organik maddelerle beslenen organizmalara heterotrof denir. Hayvanlara ek olarak bunlar arasında yeşil olmayan bitkiler de bulunur - mantarlar, bakteriler, bazı yüksek bitkiler vb.

Bir bitkinin havadaki karbondioksiti kullanabilmesi için çok özel koşullar gereklidir: ışık ve klorofil varlığı. Işıkta yeşil bitkilerde meydana gelen inorganik maddelerden (karbondioksit ve su) organik maddelerin oluşma sürecine fotosentez veya asimilasyon denir. Aşağıdaki şematik denklemle ifade edilebilir:

Fotosentez bir redoks işlemidir: bir su molekülünden hidrojen çıkarılır (oksidasyon), bu da bir CO2 molekülünü azaltır. Sovyet (A.N. Vinogradov, R.V. Teis) ve Amerikalı (S. Ruben, M. Kamen, vb.) bilim adamlarının çalışmaları, serbest oksijenin daha önce düşünüldüğü gibi bir karbondioksit molekülünden değil, bir su molekülünden salındığını gösterdi. Fotosentezin benzersizliği, diğer süreçlerin büyük çoğunluğundan farklı olarak sistemin serbest enerjisindeki artışla gerçekleşmesi gerçeğinde yatmaktadır. Pigmentler tarafından emilen güneş enerjisi boşa gitmez, ancak reaksiyon ürünlerinde potansiyel kimyasal enerji şeklinde birikir.

FOTOSENTEZ ORGANI OLARAK YAPRAK.

KLOROPLASTLAR

Karbondioksit hücrenin yeşil plastidleri olan kloroplastlarda emilir. Bu nedenle, karbonhidratların sentezinde malzeme görevi görmesi için karbondioksitin kloroplast içeren hücreler tarafından emilmesi gerekir. Bu tür hücreler yaprağın büyük kısmını oluşturur - mezofil. Yaprağın üst kısmı gazlara karşı biraz geçirgen olan epidermis ve kütikül ile kaplıdır. Karbondioksitin yaprağa nüfuz ettiği ana yol stomalardan geçer. Stoma açıklıklarının alanı, tamamen açık olsalar bile, tüm yaprak yüzeyinin önemsiz bir bölümünü (% 1'den fazla olmamak üzere) oluştursa da, fizik yasalarına uygun olarak gazın bunların içinden difüzyonu (Stefan's) kanun), yüksek hızda ilerler ve epidermis, karbondioksitin yaprağa nüfuz etmesine neredeyse hiçbir engel oluşturmaz. Yaprak mezofili genellikle palizat (sütunlu) ve süngerimsi parankimden oluşur. Palisade parankimi yaprağın üst kısmında yer alır ve birbirine sıkı sıkıya bitişik, yaprak yüzeyine dik olarak uzatılmış ve kloroplast bakımından zengin hücrelerden oluşur. Bu kumaş mükemmel bir asimilasyon olarak değerlendirilebilir. Çit hücrelerinin şekli, asimilasyon ürünlerinin dışarı akışını teşvik eder. Hücrelerin alt uçları, damar demetleri ile iletişim kuran özel toplayıcı hücrelere bitişiktir. Bu sayede yapraklardan bitkinin diğer organlarına sürekli bir asimilat akışı sağlanır. Süngerimsi parankim alt epidermise daha yakın bulunur. Hücreleri gevşek bir şekilde düzenlenmiştir ve önemli ölçüde daha az kloroplast içerir. Bu kumaşın çarşafın havalandırılmasını kolaylaştırdığına inanılmaktadır. Klorofil taşıyan hücrelerin yüzeyine ulaşan karbondioksit, duvarlarını her zaman doyuran suda çözünür. Daha sonra H2CO3 formunda duvardan geçerek sitoplazmaya nüfuz eder ve emilen yeşil plastidlere ulaşır.

Kloroplastların toplam yüzey alanı çok büyüktür. Böylece kayın yaprağında alanının yaklaşık 200 katı kadar olup yüz yıllık bir ağaçta 2 hektara ulaşır. Bu, bitkilerin havadan karbondioksiti çıkarmasını çok daha kolay hale getirir. Kloroplastlar, organik çözücüler tarafından kolaylıkla ekstrakte edilebilen protein-lipid stroma ve pigmentlerden oluşur. En önemli pigment klorofildir. Kloroplastlarda klorofilin yanı sıra sarı pigmentler de bulunur - karotenoidler (karoten ve ksantofil). Klorofil, ışık enerjisini absorbe etme ve onu karbondioksitin indirgenmesine aktarma işlevini yerine getirir ve ayrıca kimyasal olarak da bu sürece dahil olur. Ancak yalnızca stroma ile birlikte çalışır. Stroma, karmaşık fotosentetik reaksiyonlarda yer alan enzimlerin taşıyıcısıdır. Stromada nişasta (birincil veya asimilasyon), fotosentez ürünü olan şekerden üretilir. Sayfanın belirli alanlarını gölgelerseniz, açık renkli bir arka plan üzerinde koyu şekiller elde edersiniz (Sachs testi).

Rns. . Sachs testi kullanılarak birincil nişastanın tespiti. A-sayfa, kısmen gölgeli; B - alkol ve iyot ile tedaviden sonra sayfa

Kimyasal doğası gereği klorofil, dikarboksilik asit - klorofilin ve iki alkol - metil ve fitol r'nin bir esteridir. Klorofil, merkezi atomu Mg olan bir porfirin halkası oluşturan birbirine bağlı dört pirol kalıntısı içerir. Yapı olarak klorofil, kandaki renklendirici madde olan heme'ye çok yakındır. Aynı zamanda bir porfirin halkası içerir, ancak Fe atomu merkezde bulunur. Bu benzerlik C. V. Nenetsky ve Polonyalı bilim adamı L. Marchlewsky tarafından gösterildi. K. A. Timiryazev, bu benzerliğin kurulmasının klorofilin kimyasal çalışması alanındaki belki de en büyük keşif olduğunu düşünüyordu.

Yüksek bitkilerin çok çeşitli yüzlerce türü üzerinde yapılan bir araştırma, bunların klorofillerinin tamamen aynı olduğunu göstermiştir. Bitkilerdeki toplam klorofil miktarı kuru ağırlığın yaklaşık %1'i kadardır. Kloroplastlardaki klorofil serbest formda değildir, proteine ​​bağlanarak kloroglobin oluşturur.

Bitkilerde klorofil oluşumu için çok özel birkaç koşul gereklidir: yeşillenebilen proplastidlerin, hafif ve demir tuzlarının varlığı.

Karanlıkta büyüyen bitkiler sarıdır. Bunlara etiole denir. Onları ışığa maruz bırakırsanız hızla yeşile dönerler. Karanlıkta oluşan ve ışığın etkisi altında kolayca klorofil haline dönüşen protoklorofil adı verilen özel bir madde içerdiklerine inanılmaktadır.

Bitkiler demir tuzlarının tamamen yokluğunda yetiştirilirse, soluk sarı renkte olurlar ve yorgunluktan hızla ölürler. Bu olaya kloroz denir. Demir, klorofilin bir parçası olmadığından, yeşillendirmenin bazı hazırlık aşamalarının gerçekleşemeyeceği spesifik bir katalizör görevi gördüğüne inanılmaktadır. Kloroz, doğada özellikle kireççe zengin topraklarda yetişen bitkilerde sıklıkla görülür.

Ek olarak, bitkiler bazen albinizm olgusunu da yaşarlar - en uygun koşullar altında bile klorofil oluşturamama.

IŞIK EMİLİMİNE PİGMENTLERİN KATILIMI. K. A. TIMIRYAZEV'İN ESERLERİ

Klorofil, ışık enerjisinin seçici emilimine sahiptir. En yoğun absorpsiyon, spektrumun kırmızı ışınlarında (650 ila 680 mmk dalga boyu) ve mavi-mor (dalga boyu yaklaşık 470 mmk) ışınlarında meydana gelir. Yeşil ışınlar ve bazı kırmızı ışınlar emilmez ve klorofile zümrüt yeşili rengini verir. Sarı pigmentler (karoten ve ksantofil) spektrumun yeşil ve mavi kısımlarındaki ışığı emer.

Fotosentez sürecinin enerji tarafı, K. A. Timiryazev'in çalışmalarında derinlemesine ortaya çıkarılmış ve açıklanmıştır. Fotosentezin yalnızca klorofil tarafından emilen spektrumdaki ışınlarda meydana geldiğini gösterdi. Daha ileri araştırmalar bu konumu tamamen doğruladı. Fotosentez süreci spektrumun farklı kısımlarında farklı şekilde gerçekleşir. K. A. Timiryazev, maksimum asimilasyonun, maksimum enerjiyi taşıyan ve tamamen klorofil tarafından emilen kırmızı ışınlarda meydana geldiğini gösterdi. Mavi-mor ışınlar daha az enerji taşıdıkları için asimilasyon daha zayıftır. K. A. Timiryazev, spektrumun bireysel bölümlerinin fotosentezdeki önemi sorusuna büyük önem verdi. Ondan önce hakim görüş, ışığın yalnızca tahriş edici olduğu yönündeydi. Bu bakış açısı K. A. Timiryazev'in çağdaşları Alman bilim adamları J. Sachs ve W. Pfeffer tarafından da paylaşıldı. K.A. Timiryazev, ışığın bir enerji kaynağı olduğunu ve fotosentez için gerekli olduğunu gösterdi.

Bir klorofil molekülünü uyarmak için bir kuantum gereklidir, bu nedenle çok sayıda küçük kuantum taşıyan kırmızı ışınlarda, moleküllerinin daha büyük bir kısmı uyarılmış duruma geçecektir.

Işık enerjisinin seçici emilimine ek olarak, klorofil floresans özelliğine de sahiptir: emilen ışınları dalga boylarında bir değişiklikle yansıttığı için yansıyan ışıkta kan kırmızısı görünür. Bu, klorofilin önemli fotokimyasal aktivitesini gösterir. Fotosentezde emilen radyant enerjinin katsayısı son derece düşüktür - %1 - %5, nadiren %10'a kadar. Çoğu termal enerjiye dönüşür veya sıcaklığı arttırır ve çevredeki alana dağılır.

FOTOSENTEZ KİMYASI

Genel fotosentez denkleminin basitliğine rağmen bu süreç son derece karmaşıktır. Bunun nedeni, CO2 ve H20 gibi basit maddelerden hemen ortaya çıkamayan karbonhidrat molekülünün karmaşıklığıdır; bu güçlü bileşiklerin oksitlenmesinin ve indirgenmesinin zorluğu; ışık enerjisi reaksiyonlarına katılım. Araştırmalar, fotosentezin yalnızca birkaç fotokimyasal reaksiyonu değil aynı zamanda karanlık reaksiyonlar olarak adlandırılan bir dizi enzimatik reaksiyonu da içerdiğini göstermiştir.

Etiketli atomların (izotoplar C, P, O, N) yöntemlerinin kullanılması, kağıt üzerinde ayırma kromatografisi, elektroforez, iyon değişimi

Pirinç. 134. Calvin'e göre karbonun fotosentetik dönüşüm döngüsü

saflaştırma ve ayırma ve diğerleri fotosentezin kimyasının ortaya çıkarılmasını mümkün kıldı.

Bir dizi çalışma, karbondioksit asimilasyonunun ilk aşamasının olduğunu ortaya koymuştur.
bazı alıcılara (algılayan madde) CO2 eklenmesidir.
başka bir maddenin alınması, eklenmesi), karboksillenmiş

RH + CO2 _→ R COOH.

Dolayısıyla fotosentetik indirgemeye uğrayan karbondioksitin karbonu değil, karboksil grubunun karbonudur. Birincil alıcıların doğasını ve karbonun fotosentetik dönüşümüne yönelik yolları açıklamaya yönelik kapsamlı araştırmalar, Amerikalı bilim adamı Calvin ve meslektaşları tarafından yürütüldü. Calvin'e göre karbonun fotosentetik dönüşümlerinin şeması Şekil 2'de sunulmaktadır. 134. Fotosentez sürecinin döngüsel ve dallanmış bir yapıya sahip olduğuna inanıyor: bu döngünün bir kolu, doğrudan stabil fotosentez ürünlerinin (karbonhidratlar) oluşumuna yol açar, diğeri ise döngüsel niteliktedir ve bir CO2 alıcısının oluşumuna yol açar. - giderek daha fazla yeni ve yeni CO2 molekülü içeren ribuloz difosfat.

Karbonun bu karmaşık dönüşümleriyle birlikte, enerji açısından zengin organik fosfor bileşikleri, c. özellikle adenozin trifosfat (ATP). Bu işleme fotosentetik fosforilasyon denir:

Adenozin trifosforik asit (ATP)

ATP'nin makroerjik (enerji açısından zengin, ~) fosfat bağlarının enerjisi indirgeme işlemlerine gider. Yüksek enerjili bağların hidrolizi sırasında, parçalanmış fosfatın gram molekülü başına 7000-16.000 cal açığa çıkar.

Fotosentezin ışık reaksiyonları şunları içerir:

1) suyun ayrışması (aktif klorofil + 2H2O-inaktive edilmiş klorofil + + 4H + 2O),

2) fotosentetik fosforilasyon,

3) amino asitlerin ve proteinlerin sentezi.

Fotosentezin hız reaksiyonları şunları içerir:

1) CO2 alıcısının sabitlenmesi,

2) aktif hidrojenin CO2 molekülünün sabitlendiği bileşiğe aktarılması,

3) CO2 alıcısının azaltılması,

4) şeker oluşumu.

Karbonun fotosentetik dönüşümünün yukarıdaki açıklaması bu sürecin karmaşıklığını kapsamaz. Özellikle sadece ribuloz difosfatın değil, aynı zamanda diğer bileşiklerin de bir C02 alıcısı olarak görev yapabileceğine inanılmaktadır.

BİTKİLERİN MİNERAL BESLENMESİ

BİTKİLER TARAFINDAN TOPRAKTAN ELDE EDİLEN MADDELER

Bitkilerde bulunmayan tek bir element bile yoktur. Bir element rastgele bir yabancı madde olabilir ve bitkilerde büyük miktarlarda birikebilir veya ihmal edilebilir miktarda mevcut olabilir, ancak kesinlikle gereklidir. Besin çözeltisinde yalnızca yedi elementin bulunması durumunda bir bitkinin başarılı bir şekilde gelişebileceği tespit edilmiştir: K, Ca, Mg, S, Fe, N ve P. Bu görüş bilimde 50 yılı aşkın süredir savunulmuştur, ancak diğer birçok unsurun bitki yaşamında önemli bir rol oynadığını buldu. Bitkilerin normal büyümesi ve gelişmesi için Mg, Zn, Cu, Al, I, Md vb.'nin ihmal edilebilir miktarlarda gerekli olduğu bulunmuştur.

Bitkiler tarafından topraktan elde edilen maddeler kimyasal yapılarına göre iki gruba ayrılabilir: metaloidler ve metaller.

Metaloidler bitkilere karşılık gelen tuzların anyonları formunda girer. Organik maddelerin oluşumu için gereklidirler. Metaller bitkilere katyonlar halinde girer. Hücrelerde serbest halde veya gevşek bir şekilde bağlı olarak bulunurlar ve yaşam süreçlerinin düzenleyicileri olarak görev yaparlar. Örneğin magnezyum, klorofil, demir ve bakır enzimlerinin vb. bir parçasıdır.

METALOIDLER

Azot. Bitkiye NO3 ve NO2 anyonları ve NH4 katyonu şeklinde girer. Bitki yaşamındaki önemi çok büyüktür.

Fosfor, bitkiler tarafından fosforik asit tuzları PO4'ün anyonları formunda algılanır ve protein moleküllerine aynı oksitlenmiş formda girer. Fosforik asit esterleri ve fosfatidler, proteinler gibi sitoplazmanın gerekli bir bileşeni olan bitkilerde oluşur. Fosfor hücrenin tüm enerji metabolizmasının merkezinde yer alır. Vitaminler ve bazı enzimler etkilerini ancak fosforik asitle kombinasyon halinde gösterirler.

Bitki artıkları ayrıştığında inorganik tuzlar halinde fosforik asit açığa çıkar ve bitkiler tarafından tekrar kullanılabilir.

Kükürt yalnızca sülfürik asit anyonu SO4 formunda emilir; kaynağı çözünebilir tuzlardır. Fotosentez ürünleri - karbonhidratlar nedeniyle protein sentezi için kullanılır, hardal ve sarımsak yağlarının bir parçasıdır ve solunum ve büyümede rol oynar.

Bitki kalıntıları çürüdüğünde, protein molekülünden kükürt, bitkiler tarafından emilmeyen ve kökler için çok toksik olan hidrojen sülfit formunda ayrılır. Hidrojen sülfit ve sülfürik asidi oksitleyen sülfür bakterileri tarafından uygun forma dönüştürülür.

Potasyum meristem hücrelerinde ve genç organlarda bulunur. Kök sebzelerde, yumrularda ve nişastalı tohumlarda bol miktarda potasyum bulunur. Potasyumun hareketliliği büyüktür. Eski, ölmekte olan organlardan bitkinin daha genç hayati kısımlarına geçer (yeniden kullanım). Potaslı gübrelerin hemen hemen her zaman mahsul verimi üzerinde faydalı bir etkisi vardır.

Sodyum genellikle bitki külünde büyük miktarlarda bulunur, ancak yaşam için özellikle önemli değildir ve besin çözeltisinin dışında tutulabilir. Yalnızca tuzlu topraklara özgü bitkiler olan holofitler, sodyum tuzlarının varlığında daha iyi büyür. Bu tür kültür bitkileri arasında yabani atası Akdeniz'in tuzlu topraklarında yetişen şeker pancarı da bulunmaktadır.

Magnezyum esas olarak genç organlarda ve tohumlarda bulunur (% 10-15'e kadar kül). Fizyolojik etkisi potasyumunkine yakındır. Magnezyum, başta klorofil olmak üzere bazı organometalik bileşiklerin bir parçasıdır ve belirli enzimlerin etkisini aktive edebilir. Magnezyumun etkisi toprağın bileşimine bağlıdır. Hafif kumlu ve kumlu tınlı topraklarda yetişen bitkiler, magnezyumlu gübrelerin uygulanmasına keskin tepki verir.

Genç dokuların büyümesi için kalsiyum gereklidir. Sitoplazmik yapıların ve çekirdeklerin bir parçasıdır. Pektin maddeleri içeren kalsiyum bileşikleri, hücre duvarlarını birbirine yapıştıran orta plakaların temelini oluşturur. Pek çok enzim yalnızca kalsiyum iyonlarının varlığında aktiftir. Sitoplazmanın viskozitesini arttırır ve maddelerin hücreye akışını etkiler. Kalsiyumun önemli işlevlerinden biri, metabolik bir yan ürün olarak oluşan oksalik asidi nötralize etmektir. Kalsiyum yokluğunda kök sisteminde keskin bir baskılanma olur, özellikle eski organlarda çok fazla kalsiyum bulunur.

MİKROELEMENTLER

Mikro elementlere bitkiler tarafından ihmal edilebilir miktarlarda ihtiyaç duyulur ve büyük dozlarda toksik hale gelir.

Demir, katalizör olarak klorofil oluşumunda rol oynar. Oksitlenmiş enzimlerin bir parçasıdır ve solunum sürecinde son derece önemli bir rol oynar. Belki de demir, hücredeki fotosentez ve redoks süreçlerinde bir elektron taşıyıcısı olarak yer almaktadır.

Çinko bazı enzimlerin yapısında bulunur. Çinko yokluğunda genç fidelerin büyümesinin engellenmesi ve narenciye ve tung meyvelerinde hastalıklar gözlenir.

Manganez birçok enzimin çalışmasını aktive eder, bitkideki nitratların azaltılmasında önemli bir rol oynar ve demir dönüşümünün redoks süreçlerini etkiler. Normal büyüme için bitkilerin ihmal edilebilir miktarda manganeze ihtiyacı vardır, bu nedenle manganezli gübrelerin uygulanması her zaman olumlu sonuç vermez. Şeker pancarı, pamuk, tütün ve diğer ürünler bu tür gübrelere duyarlıdır.

Bor eksikliğinde bitkilerin büyüme noktaları ölür, ksilem ve floem elemanlarının dizilimi bozulur ve iletkenlikleri tamamen kaybolur. Borun çiçeklenme ve meyve verme üzerinde olumlu etkisi vardır. Kireçli topraklarda borlu gübreler gereklidir. Şeker pancarı ve baklagiller bu gübrelere çok duyarlıdır. Yüksek konsantrasyonlarda bitkiler üzerinde engelleyici etkisi vardır.

Bakır redoks sistemini etkiler ve bir dizi enzim sisteminin bir parçasıdır.

Bir veya başka bir elementin eksikliği olduğunda bitkiler, hangi elementin eksik olduğunu belirleyebilecek belirli hasar belirtileri gösterir. Bu nedenle yaprak klorozu demir eksikliğini, köklerin ölümü kalsiyum eksikliğini ve büyüme noktalarının ölümü bor eksikliğini gösterir. Ancak bu tür teşhisler, gübre uygulanarak düzeltilemeyen ileri düzeydeki açlığı tespit ediyor.

BİTKİLERDE MADDELERİN HAREKETİ.

BİTKİLERİN SU REJİMİ. YÜKSEK VE DÜŞÜK SICAKLIKLARIN BİTKİLER ÜZERİNDEKİ ETKİSİ

TESİSDEKİ İKİ MADDE AKIMI

Bitki organizmasının bir bütün olarak var olması, farklı fiziki ortamlarda bulunan ve farklı görevleri yerine getiren tek tek organların fizyolojik ilişkileri, ancak mineral ve organik maddelerin hareket etmesiyle mümkündür.

Bir bitkideki maddelerin iki yönde hareketi gerçeği, 1679 yılında Malpighi tarafından çınlamayla tespit edilmiştir. Kökten halka şeklindeki kabuğun bir bölümünü çıkarırsanız, üzerindeki yapraklar canlı kalır ve herhangi bir solma belirtisi göstermez ve meyveler halkasız dallardan bile daha büyüktür. Bu da suyun ve minerallerin topraktan hareketinin ağaç (ksilem) aracılığıyla gerçekleştiğini göstermektedir. Bu madde akışına artan denirdi. Halka şeklindeki kesimin üst kenarında, besinlerin durgunluğu ve kabuk dokusunun büyümesi bir akış şeklinde meydana gelir. Akın, kabuğun çıkarılan kısmını eski haline getirmezse, kökler yorgunluktan ölür ve tüm bitki ölür. Bu, plastik maddelerin kabuk boyunca (esas olarak floem boyunca) yapraklardan köklere doğru hareket ettiği anlamına gelir. Bu madde akışına aşağı doğru adı verildi.

Çok uzun bir süre bilim, floemde yalnızca organik maddelerin hareket ettiği ve ksilemde yalnızca su ve minerallerin hareket ettiği görüşünü savundu. Bununla birlikte, etiketli atom yöntemini kullanan son çalışmalar, sadece organik maddelerin değil, aynı zamanda mineral maddelerin de floemde hareket edebildiğini göstermiştir. Bu esas olarak potasyum, fosfor ve kısmen kalsiyumdur. Üstelik bu göç her yöne gerçekleşebilir. Kökte organik maddelerin de sentezlendiği kanıtlandıktan sonra, ksilem boyunca sadece minerallerin değil organik maddelerin de yukarı doğru hareket ettiği anlaşıldı. Ayrıca kökten gelen mineral ve organik maddelerin floemden yukarıya çıkabildiği tespit edilmiştir.

Organik maddelerin hareketini düzenleyen yasalar hâlâ tam olarak anlaşılamamıştır. Araştırmalar, organik maddelerin hareket hızının difüzyon hızından kat kat daha fazla olduğunu, damar demetlerinin çok yoğun solunumla ayırt edildiğini ve floem hücrelerinin yalnızca organik maddeleri iletmekle kalmayıp aynı zamanda onları çeşitli etkilere maruz bırakabildiğini göstermiştir. dönüşümler. Bu, organik bileşiklerin floem boyunca çözeltilerin pasif akışı veya difüzyonunun bir sonucu olarak değil, sitoplazma ile hareketli moleküller arasındaki elek tüplerinde sürekli olarak meydana gelen bazı değişim reaksiyonlarının bir sonucu olarak hareket ettiği varsayımını yapmamızı sağladı.

TESİS İÇİNDE SU HAREKETİ

Suyun bitkide izlediği yol iki kısma ayrılır: 1) kök kıllarından kökün merkezi silindirinin damarlarına kadar canlı hücreler boyunca ve yaprağın damarlarından suyu hücreler arası buharlaştıran mezofil hücrelerine kadar. boşluklar; 2) İletim sisteminin ölü hücreleri tarafından - damarlar ve tracheidler.

Suyun canlı hücrelerdeki yolu milimetre cinsinden ölçülür, ancak bu büyük zorluklar yaratır çünkü su bir hücreden diğerine geçerken önemli bir dirençle karşılaşır, dolayısıyla su bu şekilde uzun mesafelere iletilemez. Çoğu zaman su, ölü, boş, uzun hücrelerden (trakeidler) veya içi boş tüpler - damarlardan geçer.

Suyun emilmesi ve yukarı doğru hareketi, aşağıdaki faktörlerin birleşik etkisinin bir sonucu olarak gerçekleştirilir: kök basıncı (alt uç motor), terleme (üst uç motor), su moleküllerinin yapışma kuvvetleri.

Bitkiler ağladığında dışarı akan sıvıya özsuyu denir. Kimyasal bileşimi sabit değildir. İlkbaharda rezerv karbonhidratların hidrolizi gerçekleştiğinde şekerler, organik asitler açısından zengindir ve az miktarda mineral içerir. Damlacık-sıvı suyun salınması, yapraklardan, özel su stomaları - hidatodlar yoluyla da meydana gelebilir.Bu olaya guttasyon denir. Oluklanma, su buharıyla doyurulmuş orta derecede sıcak ve nemli bir atmosferde, suyun temini ile buharlaşması arasında bir orantısızlık meydana geldiğinde meydana gelir. Tropikal ve subtropikal bölgelerdeki bitkilerde en yaygın olanıdır ve bazen öyle bir kuvvetle meydana gelir ki yağmur izlenimi verir. Ilıman bölgedeki bitkiler arasında söğüt, patates, karabuğday vb. aktif olarak guttasyona uğrar.Bitkilerin ağlaması ve gutasyonu yalnızca ozmotik süreçler değildir, çünkü kökler solunumu engelleyen maddelere maruz kaldığında dururlar. Kök damarına girmeden önce kök kılları tarafından emilen suyun, kabuk parankimindeki canlı hücrelerden geçmesi gerekir. D. A. Sabinin'e göre suyun böyle tek yönlü akışı, ancak hücrenin farklı bölgelerindeki metabolizma farklılıkları varsa, hücrenin bir kutbunda diğerine göre daha fazla turgorojenik madde oluştuğunda ve sonuç olarak mümkün olabilir. daha yüksek ozmotik basınç ve daha büyük emme kuvveti ortaya çıkar. Suyun hücrelerden damarlara akışı, damarlardaki çözeltinin yakındaki hücrelere göre daha büyük emme kuvvetine sahip olması nedeniyle meydana gelir. Damarlar sitoplazması olmayan ölü hücrelerdir ve emme kuvvetleri çözeltinin ozmotik basıncının tüm değerine eşittir (S = P), canlı hücrelerde ise turgor basıncı vardır ve S = P-T. Damarlarda ve traheidlerde bulunan su, alt uçları kökün parankima hücrelerine dayanan ve üst uçları ile yaprağın buharlaşan hücrelerinden asılı gibi görünen ince iplikler biçimindedir. Suyun yukarı doğru hareket edebilmesi için, buharlaşan hücrelerin yeterli emme kuvvetine sahip olması gerekir; bu kuvvet, buharlaşma ne kadar güçlüyse o kadar büyüktür. Odunsu bitkilerin yapraklarının hücrelerinde 10-15 atm'ye ulaşır.

Ancak Rus bilim adamı E.F. Votchal'ın gösterdiği gibi, suyun gemiler aracılığıyla büyük bir yüksekliğe çıkarılması, ancak su moleküllerinin birbirine ve damarların duvarlarına yapışma kuvvetleriyle sağlanan sürekli su iplikleri olması durumunda mümkündür. Yapışma kuvveti 300-350 atm'ye ulaşır.

TERLEME

Suyun bir bitki tarafından buharlaşması sadece tamamen fiziksel değil aynı zamanda fizyolojik bir süreçtir çünkü bitkinin anatomik ve fizyolojik özelliklerinden büyük ölçüde etkilenir. Bu sürece trispirasyon denir.

Yapraktaki suyun buharlaşması mezofil hücrelerinin yüzeyinden meydana gelir.Terrell'in hesaplamalarına göre orta derecede nemli habitat bitkilerinde bu yüzey, yaprakların dış yüzeyinden 12-19 kat, kurak habitat bitkilerinde ise - 17-30 kat daha fazladır. zamanlar. Buharlı su hücreler arası boşluklara girer ve stoma yarıklarından dışarı yayılır. Bu tip terlemeye stoma denir. Stoma çatlaklarının alanı toplam yaprak alanının yaklaşık %1'idir. Bununla birlikte, fotosentez sırasında gaz difüzyonu ile ilgili olarak daha önce belirtildiği gibi, stomalardan buhar difüzyonu, epidermisin yokluğunda olduğu gibi aynı hızda meydana gelir. Stoma aparatının en önemli özelliklerinden biri stoma açıklıklarını açıp kapatabilme yeteneğidir. Koruma hücrelerinin duvarı eşit olmayan bir kalınlığa sahiptir: Duvarın boşluğa bitişik kısmı önemli ölçüde kalınlaşırken, duvarın geri kalanı ince kalır. Bu, su emildiğinde duvarın ince dış kısmının kalın olandan çok daha fazla gerilmesine, hücrelerin eğriliğinin artmasına ve boşluğun açılmasına neden olur. Koruma hücresinin hacmi azaldıkça ince duvar düzleşir ve boşluk kapanır. Bekçi hücrelerinde turgordaki değişikliği belirleyen sürecin temeli, enzimatik reaksiyonların seyrindeki bir değişiklikten kaynaklanan nişastanın şekere ve bunun tersinin dönüşümüdür. Stoma açılması üzerinde büyük etki

Pirinç. 143. Gün içerisinde temel meteorolojik göstergelerdeki değişikliklere bağlı olarak terlemedeki değişim:

/ - toplam güneş radyasyonu, 2 - doygunluk açığı, 3 - sıcaklık, 4 - yoğunluk

terleme

ışık sağlar. Işık altında stomalar ancak büyük zorluklarla kapanır. Stomaların bu fotoaktif açılması doğası gereği uyarlanabilir: karbondioksit stomalar yoluyla yaprağa nüfuz eder ve fotosentez işlemi için stomaların gündüz saatlerinde açık olması gerekir. Çeşitli yöntemler kullanarak stoma hareketlerinin gün içindeki seyrini izleyebilirsiniz. Açık, çok sıcak olmayan ve kuru havalarda, çoğu bitkinin stoma çatlakları şafakta açılır, sabahları en çok açıktır, öğlen saatlerinde gün batımından biraz daha erken daralmaya ve kapanmaya başlarlar. Kuru ve sıcak havalarda stoma çatlakları öğle saatlerinde tamamen kapanır, akşam saatlerinde tekrar açılır. Stomalar farklı bitkilerde farklı davranır. Bu nedenle patates, lahana ve diğer bazı bitkilerde stomalar genellikle günün her saati açıktır, tahıllarda ise stomalar geceleri kapalıdır. Bitkilerin çoğu bu bakımdan orta bir konumdadır. Stoma aparatının dış koşullara bağlı hareketi çok karmaşıktır ve her zaman dikkate alınamaz.

Stomaların yanı sıra yaprakların tüm yüzeyi de kütikül ile kaplı olmasına rağmen suyun buharlaşmasına katılır. Bu terleme şekline kütiküler denir. Yetişkin yapraklarda kütiküler terleme, stoma terlemesinden 10-20 kat daha zayıftır.

Terleme şu anlama gelir: 1) suyun sürekli akışını sağlar, 2) minerallerin kökten yapraklara hareketini kolaylaştırır, 3) yaprakları aşırı ısınmadan korur.

Bitkinin kendi içinden geçtiği su miktarı çok büyüktür. Bir ayçiçeği veya mısır bitkisi, büyüme mevsimi boyunca 200 kg'dan fazla suyu buharlaştırır.

Terleme meteorolojik koşullara bağlıdır: hava sıcaklığı, ışık, rüzgar, havanın su buharıyla doygunluğunun eksikliği ve ayrıca bitkideki su miktarı. Sonuç, doğadaki bu sürecin günlük seyrini karakterize eden karmaşık eğrilerdir (Şekil 143). Deneyler, bitkilerin normal gelişimi için doğal koşullar altında kaybettikleri büyük miktarda suya ihtiyaç duymadıklarını ve terlemenin çoğunlukla onların yararına azaltılabileceğini göstermiştir. Böylece bitkilerin en bereketli gelişimi, toprak ve hava neminin çok yüksek olduğu nemli tropik iklimde görülür. Nem mümkün olduğu kadar yüksek tutulursa bitkiler seralarda daha iyi büyür. Tarla bitkilerinde bile hava nemini artırmak ve terlemeyi azaltmak için serinletici yağmurlama sulama kullanılır.

BİTKİ SU DENGESİ

Karada yaşayan bitkiler, hücrelerinin sitoplazmasını suya yeterince doymuş bir durumda tutmalıdır. Bu nedenle yapılarında bir yandan kayıp su miktarının azaltılmasını sağlayan (tüm yer üstü kısımları kaplayan kütikül, balmumu kaplama, kıllar vb.) diğer yandan ise diğer yandan kayıp su miktarının azaltılmasını sağlayan bir takım özelliklere sahiptirler. , topraktan yapraklara hızlı su temini (güçlü kök sistemi, iyi gelişmiş iletken sistem vb.). Aynı zamanda fotosentez işleminin başarılı bir şekilde ilerlemesi için klorofil taşıyan hücrelerin çevredeki atmosferle yakın teması gereklidir. Bu, fotosentez için de gerekli olan güneş enerjisinin klorofil tarafından emilmesi nedeniyle yaprağın ısınmasıyla artan suyun hücreler tarafından sürekli buharlaşmasına yol açar. K. A. Timiryazev, karbon beslenmesi ile su rejimi arasındaki bu derin iç çelişkiyi "gerekli bir kötülük" olarak nitelendirdi çünkü kuraklık koşullarında bitkinin ölümüne yol açabilir. Bu çelişki, bitkilerin yapısında ve tüm yaşam aktivitelerinde derin bir iz bırakır.

Yüksek kara bitkilerinin normal işleyişi için en önemli koşullardan biri, su dengesinin, yani su girişi ve çıkışı arasındaki ilişkinin, uzun vadeli ve derin bir açık olmadan azaltılmasıdır. Orta derecede nemli ve çok sıcak olmayan günlerde bu durum korunur. Ancak açık yaz günlerinde öğle vakti terleme o kadar artar ki, yeterli toprak nemi ile% 5-10'a ulaşan ve topraktaki nem eksikliği ile% 25 veya daha fazlasına çıkan bir su açığı oluşur. Bu oldukça normaldir. Bitkilerin su kaybının etkisi altında terlemelerini oldukça geniş sınırlar içerisinde düzenleyebilme yetenekleri sayesinde su eksikliğinin daha da artması önlenir.

Bununla birlikte, bu düzenlemenin de sınırları vardır ve terlemede ve toprağın kurumasında önemli bir artışla birlikte, su dengesinde dışsal olarak solgunluk olarak ifade edilen keskin bir bozulma meydana gelir. Aynı zamanda hücreler turgorunu kaybeder, yapraklar ve genç sürgünler sarkar. Solgunluk bitkinin yaşamsal aktivitesini kaybettiği anlamına gelmez. Bitkiye zamanında su verilirse turgor yeniden sağlanır. Bitki solmasının iki türü vardır: geçici ve uzun süreli. Birincisi, topraktan gelen suyun atıklarını karşılayacak zamanı olmadığında terlemede güçlü bir artışla gözlenir. Aynı zamanda en çok su tüketen yapraklar turgorunu kaybederek solar, bitkinin geri kalan organlarında ise yeterli miktarda su kalır. Örneğin akşam saatlerinde terleme zayıfladığında, su açığı ortadan kalkar ve bitki, ilave toprak nemi olmadan kendini toparlar. Geçici solgunluk bitkilere çok fazla zarar vermez ancak yine de fotosentezi ve büyümeyi durdurduğu için verimi azaltır. Toprakta bitkiler için yeterli su bulunmadığında uzun süreli solma meydana gelir. Aynı zamanda su açığı bir gecede ve sabaha kadar kaybolmaz: bitkiler suya tamamen doyurulmamıştır ve normal şekilde çalışamazlar. Bu koşullar altında bitkinin tüm organlarında kök tüylerine kadar turgor giderek azalır, çünkü büyük emme gücüne sahip olan solmuş yapraklar onlardan su çeker. Kök kılları ölür, bu nedenle bol miktarda sulama yapılsa bile bitkiler ancak birkaç gün sonra yeni kök kılları oluştuğunda önceki su tedarik oranlarına geri döner. N. A. Maksimov, N. M. Sisakyan ve diğerlerinin çalışmaları, solgunluğun hücre biyokolloidlerinin durumu üzerinde derin bir etkiye neden olduğunu ve bunun da metabolik bozukluklara yol açtığını göstermiştir. Hidroliz işlemleri yoğunlaşır, sentetik işlemler gecikir. Bu, bitkinin tüm fizyolojik işlevlerini etkiler - fotosentez, solunum, maddelerin hareketi, büyüme vb. Hasat düşer, tahıl cılızlaşır. Uzun süreli solgunluk, geri dönüşü olmayan değişikliklere neden olur ve su kaynağı yeniden sağlandığında bile hücreler sonunda ölür. Aynı zamanda soldurma, bitki için en tehlikeli dönemlerde terlemeyi geciktirmenin çok etkili bir yoludur. Solmuş halde bitkinin su kaybı uygun bir döneme göre 5-10 kat daha azdır.

Farklı bitkilerde eşit olmayan miktarda su kaybolduğunda solgunluk meydana gelir. Böylece ayçiçeği ve patates %25-30 su kaybıyla solmaz, ancak diğer bitkiler, özellikle gölgeli olanlar %2-3 su kaybıyla solar. Su üretimi ve su tüketimi arasındaki ilişki birçok faktöre bağlıdır. Bu durum, su rejimine bağlı olarak karasal bitki türlerinin olağanüstü çeşitliliğine neden olur.

NEM EKSİKLİĞİNİN BİTKİLER ÜZERİNDEKİ ETKİSİ

VE YÜKSEK SICAKLIKLAR.

KURAKLIK VE ISIYA DAYANIKLILIK

Kuraklık, nem eksikliğinin keskin bir tezahürüdür ve bitkilerin su rejiminin bozulmasına yol açar. Kuraklık atmosferik veya toprak kaynaklı olabilir. Atmosferik kuraklık, yüksek sıcaklık ve düşük bağıl nem (%10-20) ile karakterize edilir. Bitkilerin solmasına yol açar. Atmosfer kuraklığına eşlik eden yüksek hava sıcaklığı, bitkilerin yoğun şekilde ısınmasına neden olur. Kuru rüzgarlar - çok kuru sıcak rüzgarlar - bitkilere büyük zarar verir. Aynı zamanda yaprakların önemli bir kısmı kurur ve ölür. Atmosferik kuraklık sırasında kök sistemi sağlam kalır. Uzun bir süre boyunca atmosferik kuraklık toprağın kurumasına - toprak kuraklığına neden olur. Uzun süreli solmaya yol açtığı için bitki için daha tehlikelidir. Bitki solmasının metabolizmayı bozduğu ve verimi önemli ölçüde azalttığı zaten belirtilmişti.

Bitkilerin farklı kısımları kuraklığa farklı tepki verir. Böylece yapraklardaki su miktarının azalması emme kuvvetlerinin artmasına neden olur ve yapraklar gövde, tomurcuk ve set meyvelerin büyüme kozalaklarından su emmeye başlarlar. Bu, çiçeklerin ölümüne veya kısırlığına, cılız taneciklerin oluşmasına - yakalanmasına neden olur. Kuraklık sırasında üst yapraklar, alt yapraklardan su çektikleri için yaşamsal aktivitelerini alt yapraklara göre daha uzun süre korurlar. Üst yaprakların bu özelliği, biraz zor su şartlarında olmaları ile açıklanmaktadır.

A. fotosentezin aydınlık ve karanlık reaksiyonlarının hızlanması

B. organik maddelerin sentezi için ışık enerjisinin kullanılması

B. Organik maddelerin inorganik maddelere ayrılması

D. ribozomlarda protein sentezi reaksiyonlarına katılım

Fotosentezin ışık evresinde aşağıdaki olaylardan hangisi gerçekleşir?

A. glikoz oluşumu B. ATP sentezi

B. CO2 emilimi D. yukarıdakilerin tümü

Kloroplastta fotosentezin karanlık faz reaksiyonlarının gerçekleştiği bölgeyi adlandırın

A. dış kabuk zarı B. iç kabuk zarının tamamı

B. grana D. stroma

30. Kalınlıklarına göre odunsu bitkilerin farklı yıllardaki yaşam koşullarını öğrenebilirsiniz.

A. Havlar B. Mantarlar

B. Sak lifleri D. Ağaç halkaları

31. Klorofil çözeltisi içeren bir test tüpünde fotosentez gerçekleşmez çünkü bu işlem, üzerinde bulunan bir dizi enzimi gerektirir.

A. Mitokondrinin Cristach'ı B. Kloroplastların Granach'ı

B. Endoplazmik retikulum D. Plazma zarı

Çiçekli bitkilerin yaprak ve köklerinde hangi tomurcuklar gelişir?

A. Aksesuar B. Apikal C. Aksiller D. Lateral

33. Bitkilerin fotosentez işleminde kullandıkları karbonun kaynağı moleküldür

A. Karbonik asit B. Hidrokarbon

B. Polisakkarit G. Karbon dioksit

Kültür bitkilerinin köklerinin solunumunu iyileştirmek için gereklidir.

A. Ayıklama

B. Bitkileri sistematik olarak sulayın

B. Bitkinin etrafındaki toprağı periyodik olarak gevşetin

D. Bitkileri periyodik olarak mineral gübrelerle besleyin

35. Bitkilerin suyun buharlaşmasını azaltacak şekilde uyarlanması - varlığı

A. Yaprağın üst kısmındaki stomalar

B. Çok sayıda yaprak ayası

B. Geniş yapraklı kanatlar

G. Yapraklarda mumsu kaplama

36. Kalınlaştırılmış bir gövdeye, tomurcuklara, maceraya dayalı köklere ve pul benzeri yapraklara sahip çok yıllık bitkilerden oluşan değiştirilmiş bir yeraltı çekimi

A. Ana kök B. Köksap

B. Yan kök D. Kök yumru

Yeraltı çekimi kökten farklıdır, çünkü

A. Bitkisel tomurcuklar

B. Etkinlik alanları

B. Emme bölgeleri

G. kök kılları

38. Hangi gübreler yeşil bitki kütlesinin büyümesini arttırır?

A. Organik B. Azot

B. Potas D. Fosfor

39. Bitki organlarının yer çekimi etkisi altında bükülme özelliğine denir

A. Hidrotropizm B. Fototropizm

B. Geotropizma D. Kemotropizma

40. Bitkilerde yaprak dökülmesinin başlangıcını uyaran harici bir sinyal

A. Ortam neminin artması

B. Gündüz saatlerinin uzunluğunun azaltılması

B. Ortam nemini azaltmak

D. Ortam sıcaklığında artış

41. İlkbaharın başlarında buğday tarlalarının eriyen suyla su basması bazen fidelerin ölümüne neden olur, çünkü bu durum süreci bozar.

A. Oksijen eksikliği nedeniyle fotosentez

B. Oksijen eksikliği nedeniyle nefes alma

B. Suyun topraktan emilmesi

D. Suyun buharlaşması

Bölüm B

S1(Altı cevaptan birkaç doğru cevabı seçin)

terlemenin anlamı

A. tabakanın içindeki gaz bileşimini düzenler

B. suyun hareketini teşvik eder

V. tozlaştırıcıların çekilmesini sağlar

G. karbonhidrat taşınmasını iyileştirir

D. yaprak sıcaklığını düzenler

E. yeşilliklerin özgül ağırlığını azaltır

S2(altı cevaptan birkaçını doğru cevaplayın)

Kök başlığı işlevleri yerine getirir

A. negatif jeotropizm sağlar

B. pozitif jeotropizm sağlar

V. köklerin toprağa nüfuz etmesini kolaylaştırır

G. besinleri depolar

D. aktif olarak bölünen hücreleri korur

E. maddelerin taşınmasına katılır

3'TE. Birden fazla doğru cevabı seçin

Fotosentezin önemi nedir?

A. Tüm canlılara organik maddeler sağlanmasında

B. biyopolimerlerin monomerlere parçalanmasında

B. organik maddelerin karbondioksit ve suya oksidasyonunda

G. tüm canlılara enerji sağlamada

D. atmosferi nefes almak için gerekli oksijenle zenginleştirmek

E. toprağın nitrojen tuzlarıyla zenginleştirilmesinde

4'te. Fotosentezin en önemli süreçleri ve aşamaları arasında bir yazışma kurmak

5'te. Fotosentez süreçlerinin doğru sırasını oluşturun

A. klorofilin uyarılması

B. glikoz sentezi

B. Elektronların NADP + ve H + ile bağlantısı

D. karbondioksit fiksasyonu

D. suyun fotolizi

6'DA. Birden fazla doğru cevabı seçin

Fotosentezin ışık aşamasında meydana gelen süreçleri seçin

A. suyun fotolizi B. karbonhidratların sentezi

B. karbondioksit fiksasyonu D. ATP sentezi

D. oksijenin salınması E. ATP'nin hidrolizi

7'DE. Birden fazla doğru cevabı seçin

Fotosentezin karanlık evresinde, aydınlık evreden farklı olarak,

A. suyun fotolizi

B. karbondioksitin glikoza indirgenmesi

B. Güneş ışığının enerjisini kullanarak ATP moleküllerinin sentezi

D. NADP + taşıyıcıyla hidrojen bağlantısı

D. ATP moleküllerinin enerjisinin karbonhidrat sentezi için kullanılması

E. glikozdan nişasta moleküllerinin oluşumu

8'DE. Birden fazla doğru cevabı seçin

En büyük ekosistem.

hidrosfer

atmosfer

biyosfer

Biyosfer- bu, Dünya'nın bir kısmını kapsayan jeolojik kabuğudur atmosfer, hidrosferin tamamı ve litosferin üst kısmı içinde yaşayan organizmalarla birlikte. Biyosfer, ekosistemlerin her birinden gelen bireysel madde döngülerini tek bir gezegen döngüsünde birleştiren en büyük ekosistemdir.

Biyosferin yaşam ortamları.

su, toprak

yer havası ortamı

her iki cevap da doğru

Biyosferde dört ana yaşam alanı ayırt edilebilir. Bu su, yer-hava, toprakçevre ve oluşan yaşayan organizmaların kendileri tarafından. su birçok organizma için yaşam alanı görevi görür. Yaşam için gerekli tüm maddeleri sudan alırlar: yiyecek, su, gazlar. Bu nedenle, sudaki organizmalar ne kadar çeşitli olursa olsun, hepsinin su ortamındaki yaşamın temel özelliklerine uyum sağlaması gerekir. Bu özellikler suyun fiziksel ve kimyasal özellikleri tarafından belirlenir. Yer-hava ortamı Suda yaşayanlardan daha sonra evrim sürecinde ustalaşılan, daha karmaşık ve çeşitlidir ve daha yüksek düzeyde organize olmuş canlı organizmalar tarafından iskan edilir. Burada yaşayan canlıların yaşamındaki en önemli faktör, onları çevreleyen hava kütlelerinin özellikleri ve bileşimidir. Havanın yoğunluğu suyun yoğunluğundan çok daha düşüktür, bu nedenle karasal organizmalar oldukça gelişmiş destek dokularına (iç ve dış iskelet) sahiptir. Hareket biçimleri çok çeşitlidir: koşma, atlama, sürünme, uçma vb. Kuşlar ve bazı böcek türleri havada uçar. Hava akımları bitki tohumlarını, sporları ve mikroorganizmaları taşır. Toprak ömrü olağanüstü derecede zengin. Bazı organizmalar yaşamlarının tamamını toprakta geçirir, bazıları ise yaşamlarının bir kısmını. Topraktaki yaşam koşulları büyük ölçüde iklim faktörleri tarafından belirlenir ve bunlardan en önemlisi sıcaklıktır. Birçok organizmanın vücudu diğer organizmalar için yaşam ortamı görevi görür. Başka bir organizmanın içindeki yaşam koşulları, dış ortamın koşullarına kıyasla daha fazla sabitlik ile karakterize edilir. Duyu organları veya hareket organları geliştirmemişlerdir, ancak konağın vücudunda kalma ve etkili üreme için uyarlamalar geliştirirler.

Bir maddenin organizmalar ve çevre arasında tekrar tekrar dolaşarak kapalı döngülerde aktarıldığı bir olgu.

besin zinciri

maddelerin döngüsü

doğru cevap yok

Biyosfer döngü mutlaka canlı ve cansız bileşenleri içerir. Organik madde bitkiler tarafından ancak ayrıştırıcılar tarafından inorganik bileşenlere ayrıştırıldıktan sonra yeniden kullanılabilir. Biyosfer döngüsünde canlı ve cansız madde arasındaki bağlantı, hem organik hem de inorganik bileşiklerin parçası olan kimyasal elementlerin göçüyle gerçekleştirilir.

Biyosferdeki ana enerji kaynağıdır.

Güneş

petrol yatakları

üreticiler

Biyosferdeki yaşamı destekleyen ana enerji kaynağı Güneş'tir. Enerjisi, fototrofik organizmalarda meydana gelen fotosentetik işlemlerin bir sonucu olarak organik bileşiklerin enerjisine dönüştürülür. Enerji, otçullar ve etoburlar için besin görevi gören organik bileşiklerin kimyasal bağlarında birikir. Organik gıda maddeleri metabolizma sırasında parçalanarak vücuttan atılır. Atılan veya ölü kalıntılar bakteri, mantar ve diğer bazı organizmalar tarafından ayrıştırılır. Ortaya çıkan kimyasal bileşikler ve elementler, maddelerin döngüsüne dahil olur. Biyosferin sürekli bir dış enerji akışına ihtiyacı vardır, çünkü... tüm kimyasal enerji ısıya dönüşür. Bu nedenle güneş enerjisinin bitkiler tarafından organik madde içerisinde depolanması, canlı organizmaların dağılımında ve bolluğunda son derece önemli bir rol oynamaktadır.

Döngü sürecinde petrol, kömür ve turba yatakları oluştu:

nitrojen, hidrojen

oksijen

karbon

Paleozoik çağda, organik kökenli petrol ve gaz birikiminin ilk aşaması meydana gelir. karbon. Karbonifer döneminde, çoğunlukla eğrelti otları ve atkuyruklarından oluşan ormanlar karada yaygınlaştı. Suya düşen ve çürümeyen ağaç gövdelerinden büyük kömür rezervleri oluşuyor.

Üreyi amonyum iyonlarına ve karbondioksite parçalayan bakteriler döngüye katılır...

nitrojen ve karbon

fosfor ve kükürt

oksijen ve karbon

Ammonifikatörlerin özel gruplarından biri üreyi parçalayan bakterilerdir. Üre, insanlarda ve çoğu hayvanda idrarın ana bileşenidir. Bir kişi günde 30 ila 50 g üreyi parçalayan bakterileri salgılar. Bakterilerin etkisi altında üre ayrışır ve amonyum karbonat oluşur. İkincisi hızla suya ayrışır, amonyak ve karbondioksit .

Maddelerin döngüsü aşağıdaki gibi işlemlere dayanmaktadır:

tür dağılımı

fotosentez ve solunum

Doğal seçilim

Bitkiler tarafından organik maddenin sentezi için kullanılan doğal karbon kaynağı, atmosferin bir parçası olan veya suda çözünen karbondioksittir. Devam etmekte fotosentez Karbondioksit hayvanlar için besin görevi gören organik maddeye dönüştürülür. Nefes Yakıtın fermantasyonu ve yanması karbondioksitin atmosfere geri dönmesini sağlar.

Nodül bakterileri döngüye dahil olur...

karbon

fosfor

azot

Besinlerin dolaşımına genellikle kimyasal dönüşümleri eşlik eder. Nitrat azot Mikroorganizmaların etkisi altında proteine ​​dönüştürülebilir, daha sonra üreye dönüştürülebilir, amonyağa dönüştürülebilir ve tekrar nitrat formuna sentezlenebilir. Biyokimyasal nitrojen döngüsü hem biyolojik hem de kimyasal olmak üzere çeşitli mekanizmaları içerir.

Güneş enerjisi yakalanıyor...

üreticiler

ayrıştırıcılar

birinci dereceden tüketiciler

Sadece yeşil bitkiler ışık enerjisini yakalayabilir ve basit inorganik maddeleri beslenmede kullanabilir. Bu tür organizmalar ayrı bir gruba ayrılır ve denir. ototroflar, veya üreticiler- biyolojik madde üreticileri. Herhangi bir topluluğun en önemli parçasıdırlar çünkü neredeyse tüm diğer organizmalar doğrudan veya dolaylı olarak bitkiler tarafından depolanan madde ve enerjinin sağlanmasına bağlıdır. Ototroflar karada genellikle kökleri olan büyük bitkilerdir, su kütlelerinde ise rolleri su sütununda yaşayan mikroskobik algler (fitoplankton) tarafından üstlenilir.

Bilim adamlarına göre sera etkisinin güçlenmesine en büyük katkı:

ozon

karbon dioksit

nitrojen dioksit

Ozon kalkanını oluşturan ozon şu şekilde oluşur:

hidrosfer

Dünya'nın mantosu

atmosfer

İlk canlı organizmalar, onları ultraviyole ışınlara maruz kalmaktan koruyan suda gelişti. Üst katmanlarda fotosentez sırasında açığa çıkan oksijen atmosfer ultraviyole ışınlarının etkisi altında ozona dönüştü (molekülü üç oksijen atomu içerir - O3). Ozon biriktikçe, bir ekran gibi, Dünya yüzeyini canlı organizmalara zararlı ultraviyole güneş ışınımından güvenilir bir şekilde koruyan bir ozon tabakası oluştu. Bu, canlı organizmaların karaya ulaşmasını ve orada kolonileşmesini sağladı.

En fazla sayıda tür ekosistemlerde bulunur:

tropikal yağmur ormanı

tayga

ılıman yaprak döken ormanlar

Bugün Dünya'da yaklaşık 500 bin bitki türü biliniyor ve botanikçiler her yıl yenilerini keşfediyor. Bitki türlerinin çeşitliliği (floristik) gezegenin doğal bölgelerinde önemli ölçüde değişiklik gösterir. Açıkçası çöllerde ormanlara göre çok daha az tür var. Ancak bozkırlarda veya ormanlarda daha fazla türün nerede olduğunu nasıl belirleyebiliriz ve örneğin yaprak dökmeyen tropik ormanlarda neden geniş yapraklı ormanlardan daha fazla sayıda bulunduğunu nasıl belirleyebiliriz? Bu sorular, Dünya'daki biyolojik çeşitliliğin oluşumunun coğrafi kalıplarını inceleyen biyocoğrafya bilimi tarafından yanıtlanmaktadır. Hangi alanların tür açısından fakir, hangilerinin zengin olduğunu belirlemek için biyolojik çeşitlilik haritaları hazırlanmaktadır. Birim alanda farklı sayıda türün bulunduğu alanları farklı renklerde gösterirler.

Belirli (veya yerel) bir flora, yaklaşık 100 km2'lik bir alandaki yüksek damarlı bitkilerin sayısıdır. Alt kutup bölgesindeki Franz Josef Adaları'nda 50-100 türü geçmez, tundrada 200-300, taygada - 400-600, orman-bozkırda 900 türe, bozkırlarda - 900 türe ulaşır. -1000, tropik bölgelerde- 1000'den fazla.

Biyosferin istikrarındaki en önemli faktör olan biyolojik çeşitliliğin tükenmesinin en tehlikeli nedeni...

çevrenin kimyasal kirliliği

doğrudan imha

habitat tahribatı

Canlı maddenin özelliklerinden biri.

mevcut tüm alanı hızlı bir şekilde işgal etme yeteneği

üreme kapasitesi

fotosentez yeteneği

Canlı maddenin temel özellikleri şunlardır:

• Mevcut tüm alanı hızlı bir şekilde keşfetme yeteneği.
• Hareket sadece pasif değil aynı zamanda aktiftir.
• Yaşam boyunca stabilite ve ölümden sonra hızlı ayrışma.
• Çeşitli koşullara yüksek adaptasyon.
• Yüksek reaksiyon hızı.

Mikroorganizmalar için karbon, nitrojen ve diğer elementlerin kaynakları. Katabolizma (enerji üreten süreçler) ve biyosentez veya yapıcı metabolizma (enerji tüketen süreçler). Farklı mikroorganizmalardaki önemi ve ilişkileri

Mikroorganizmaların büyüme ve gelişme süreci gıdanın emilmesiyle başlar. Mikroorganizmaların yemek için özel organları yoktur, besinler hücrenin tüm yüzeyine nüfuz eder. Büyük moleküler ağırlığa sahip bileşikler, öncelikle mikroorganizmaların ekzoenzimleri tarafından parçalanır.

Mikroorganizmaların beslenme ihtiyaçları oldukça çeşitlidir. Çok çeşitli substratların asimilasyonu nedeniyle var olabilirler. Aynı bileşik, bazı türler için iyi bir gıda ürünü olabilir, ancak diğerleri için yalnızca mevcut değil, hatta zehirli olabilir. Örneğin, fenol, parafin, naftalin, karbon monoksit vb.'yi asimile eden mikroorganizmalar bilinmektedir. Konsantrasyona bağlı olarak bazı maddeler aynı mikroorganizma için ya değerli bir besin kaynağı ya da inhibitör bir madde olabilir. Bu nedenle, küçük konsantrasyonlardaki şekerler birçok mikroorganizma için kolayca asimile edilen bir üründür, yüksek şeker konsantrasyonları ise bunların büyümesini engeller.

Güç kaynakları, mikroorganizmalara, çeşitli hücresel yapıların sentezi için tüm elemanların yanı sıra, yalnızca biyosentetik işlemler için değil, aynı zamanda hem aktif hem de aktif aşamada bir mikrobiyal hücrenin karakteristiği olan diğer enerjiye bağımlı işlemler için gerekli olan enerji kaynaklarını sağlamalıdır. büyüme ve dinlenme aşamasındadır. Mikroorganizmalar da diğer organizmalar gibi makro ve mikro dozlarda suya, karbona, nitrojene, fosfora, kükürt ve diğer elementlere ihtiyaç duyarlar. Bazı mikroorganizmalar belirli organik bileşiklere ihtiyaç duyar.

Besinlerin, mikroorganizmaların vücudunu oluşturan kimyasal elementlere olan ihtiyacını karşılayacak maddeleri içermesi gerekir.

Mikroorganizmaların çok çeşitli besin türleri vardır. Yeşil bitkiler gibi bazıları mineral maddelerle beslenir ve bu basit maddelerden hücrenin tüm karmaşık bileşenlerini sentezler. Hayvan organizmaları gibi diğer mikroorganizmalar da organik bileşiklere ihtiyaç duyar.

Çeşitli mikroorganizmaların besinlere, özellikle de karbon ve nitrojen kaynaklarına yönelik gereksinimleri çok çeşitli ve spesifiktir.

Karbon beslenmesi. Karbon en önemli organojenlerden biridir ve belirtildiği gibi hücrenin kuru kütlesinin yaklaşık %50'sini oluşturur. Karbon beslenmesinin kaynağına bağlı olarak mikroorganizmalar iki gruba ayrılabilir: ototrofik ve heterotrofik.

Ototrofik (kendi kendini besleyen) mikroorganizmalar, vücuttaki organik maddelerin sentezi için tek karbon kaynağı olarak karbondioksit ve tuzlarını kullanma yeteneğine sahiptir.

Organik maddelerin mineral bileşiklerinden sentezi enerji gerektirir. Ototrofik mikroorganizmalar arasında, güneş enerjisini kullanarak yeşil bitkiler gibi karbondioksiti asimile eden türler vardır - bunlara fotosentetik denir. Organik bileşiklerin sentezi sürecindeki diğer ototrofik mikroorganizmalar, belirli minerallerin oksidasyonunun kimyasal reaksiyonlarının enerjisini kullanır. Bu tür mikroorganizmalara kemosentetik denir.

Fotosentetik mikroorganizmalar arasında klorofil içeren algler ve yeşil ve mor kükürt bakterileri gibi bazı pigment bakterileri bulunur. Mor bakterilerin hücreleri, yüksek bitkilerin klorofiline benzer şekilde yeşil bir pigment olan bakteriyoklorofil içerir. Yeşil bakteri hücreleri ayrıca az miktarda bakteriyoklorofil içerir, ancak kimyasal yapısı henüz belirlenmemiş başka bir fotosentetik pigment (klorobiyum - klorofil) de vardır.

Bakteriyel fotosenteze yeşil bitkilerde olduğu gibi oksijen salınımı eşlik etmez ve çoğu durumda suyun rolü (CO2'nin indirgenmesi için bir hidrojen kaynağı olarak) H2S tarafından gerçekleştirilir; Aynı zamanda hücrelerde kükürt birikir. Tüm fotosentetik bakteriler ayrıca karotenoidler (sarıdan kırmızıya) içerir. Pigmentlerin rolü, ışık enerjisini emen bitki klorofiline benzer.

Kemosentetik mikroorganizmalar, hidrojeni su oluşturmak üzere oksitleyen bakterileri (hidrojen bakterileri), amonyağı nitrik asite (nitrifikasyon bakterileri), hidrojen sülfürü sülfürik asite (renksiz kükürt bakterileri) ve demirli demiri okside (demir bakterileri) oksitleyen bakterileri içerir. Mikroorganizmalarda kemosentez süreci S.N. Vinogradsky.

Heterotrofik (başkalarından beslenen) mikroorganizmalar, organik bileşikleri karbon kaynağı olarak kullanır ve bunları hücrelerindeki maddelere dönüştürür. Bu organizmalar çok sayıda bakteri, mantar ve maya içerir.

Heterotrofik mikroorganizmaların çoğu, hayvan ve bitki kökenli çeşitli substratların organik maddelerini kullanarak yaşar. Bu tür organizmalara saprofit denir. Bunlar, doğadaki (toprakta, suda) çeşitli organik maddeleri ayrıştıran, gıda ürünlerinin bozulmasına neden olan veya bitkisel ve hayvansal hammaddelerin işlenmesinde kullanılan tüm mikroorganizmaları içerir.

Ancak heterotrofların bu alt grupları arasında keskin bir çizgi her zaman kurulamaz. Bazı patojen mikrop türleri dış ortamda saprofit olarak bulunabilir ve bunun tersine bazı saprofitler belirli koşullar altında insanlarda, hayvanlarda ve bitkilerde hastalıklara neden olur.

Pek çok saprofit "omnivordur", yani karbon kaynağı olarak çeşitli organik bileşikleri (karbonhidratlar, alkoller, organik asitler, proteinler vb.) kullanma yeteneğine sahiptirler. Bazıları, karbon kaynağına ilişkin belirgin bir özgüllük (seçicilik) sergiler ve yalnızca belirli maddeleri kullanır. hatta onlardan biri. Bu tür mikroorganizmalara “substrata özgü” denir. Örnekler arasında tek karbon kaynağının lif olduğu selülozik bakteriler ve hidrokarbonları kullanan hidrokarbon bakterileri yer alır. Mayalarda şekerler için benzer seçicilik gözlenir.

Spesifikliğin bir örneği, mikroorganizmaların izomerik bileşiklere karşı farklı tutumları da olabilir. Bu nedenle, Oidium latcis mantarı izobütil alkolü asimile eder ve normal bütil alkolü asimile etmez. İkincisi, Aspergillis piger mantarı için iyi bir karbon kaynağıdır ve bu mantar izobütil alkol tüketmez. Gördüğünüz gibi molekülün yapısı bile önemli. Bazıları için iyi bir karbon kaynağı olan maddeler, bazıları için uygun olmayabilir, hatta toksik olabilir.

Heterotroflar, organik bileşiklerle birlikte CO2'yi de kullanır ve metabolizmaya dahil olur. Karbondioksit, vücut maddelerinin biyosentezi için ek bir karbon kaynağı görevi görür.

Mikroorganizmaların karbonlu gıda kaynağıyla ilişkisinin özgüllüğü doğadaki karbon döngüsünü belirler. Heterotrofların bu özelliği, birçok gıda ürününün bozulması sırasında, bir formun gelişmesinin diğerine değişmesiyle de kendini gösterir.

Azot beslenmesi. Mikroorganizmalarda proteinlerin, nükleik asitlerin ve hücrenin diğer nitrojen içeren maddelerinin sentezi için gerekli bir element olan nitrojen kaynakları da çok çeşitli olabilir.

Vücut proteinlerini basit nitrojen içeren bileşiklerden sentezleyemeyen saprofitler (laktik asit ve bazı çürütücü bakteriler) de vardır. Gelişimleri yalnızca karmaşık organik nitrojen formlarının (peptonlar, peptidler) veya hücrelerinin proteinlerini oluşturan eksiksiz bir amino asit setinin ortamında varlığında mümkündür.

Diğer saprofitler, yalnızca bazı amino asitleri, hatta bunlardan bir veya ikisini içeren substratlarda gelişebilir ve geri kalan her şeyi kendileri sentezleyebilir. Alınan amino asitleri deamine ederler ve ortaya çıkan amonyak, hidroksi asitlerin veya daha sıklıkla keto asitlerin aminasyon reaksiyonlarında kullanılır, örneğin:

NH3 + CH2OHNONCOOH CH2OHCHNNH2COON + H20;

gliserik asit

NH3 + H2 + NOOCCH2COCOON NOOCCH2CHNNH2COON + H2O.

Oksalik asetik asit

Yeni amino asitlerin sentezi, substrattan alınan amino asitlerin deaminasyonu olmadan (ara amonyak oluşumu olmadan), yeniden düzenlenerek (transaminasyon) gerçekleşebilir - bir amino grubunun, aminotransferaz enzimlerinin katılımıyla bir amino asitten bir keto aside aktarılması. :

R1CHNH2COOH + R2COCOON R1COCOOH + R2CHNNH2COOH.

Aspartik asit

Pek çok saprofit (bakteri, mantar, maya), en iyileri amonyum bileşikleri olan mineral nitrojen bileşiklerinden memnun olduğundan hazır amino asitlere ihtiyaç duymaz.

Birçok mikroorganizma (esas olarak mantarlar, aktinomisetler ve daha az yaygın olarak bakteriler) nitrojen kaynağı olarak nitratları ve daha az yaygın olarak nitritleri kullanır. Bu oksitlenmiş nitrojen formları ilk önce amonyak oluşturacak şekilde indirgenir.

Serbest atmosferik nitrojeni kullanabilen bakteri ve mantarlar (basidiomycetes sınıfından) vardır. Amino asitlerin sentezi için kullanılan amonyağa indirgeyerek onu bağlı bir duruma aktarırlar. Bu mikroorganizmalara nitrojen sabitleyicileri veya nitrojen toplayıcıları denir. Örnekler arasında baklagillerin köklerinde yaşayan nodül bakterileri ve toprakta serbestçe yaşayan nitrojen sabitleyici bakteriler yer alır. Amonyak bu nedenle çeşitli nitrojen kaynaklarının asimilasyonunun bir ara ürünüdür.

Kül elementlerinin asimilasyonu. Hücresel maddelerin sentezi için çeşitli kül elementlerine ihtiyaç vardır: kükürt, fosfor, potasyum, kalsiyum, magnezyum, demir. Bunlara olan ihtiyaç önemsiz olsa da besin ortamında bu elementlerden birinin bile eksikliği durumunda mikroorganizmalar gelişemez ve ölebilir.

Çoğu mikroorganizma kül elementlerini mineral tuzlardan emebilir.

Mikroorganizmaların büyümesi için gerekli olan mikro elementler mineral tuzları şeklinde de kullanılabilir.

Oksijen ve hidrojenin kaynağı su ve diğer çeşitli maddelerdir.

Besin, bir mikroorganizmanın hücresine girdiğinde birçok farklı kimyasal reaksiyona katılır. Bu reaksiyonlar ve mikroorganizmaların hayati aktivitesinin diğer tüm kimyasal belirtileri topluca metabolizma (metabolizma) olarak adlandırılır. Metabolizma iki grup hayati süreci içerir - katabolizma ve biyosentez.

Katabolizma (enerji metabolizması), esas olarak oksidasyon reaksiyonları nedeniyle ortaya çıkan ve enerjinin salınmasına neden olan besinlerin (karbonhidratlar, yağlar ve proteinler) parçalanma sürecidir. Mikroorganizmalarda iki ana katabolizma şekli vardır: aerobik solunum ve fermantasyon. Aerobik solunum sırasında, büyük miktarda enerjinin açığa çıkması ve enerji açısından fakir son ürünlerin (CO2 ve H2O) oluşmasıyla organik maddelerin tamamen yok edilmesi meydana gelir. Fermantasyon sırasında, az miktarda enerjinin açığa çıkması ve enerji açısından zengin son ürünlerin (etil alkol, laktik, bütirik ve diğer asitler) birikmesiyle organik maddelerin eksik ayrışması meydana gelir. Organik maddelerin katabolizması sırasında açığa çıkan serbest enerji, adenozin trifosfatın (ATP) fosfat bağlarından enerji şeklinde birikir.

Biyosentez (yapıcı metabolizma), hücre makromoleküllerinin (nükleik asitler, proteinler, polisakkaritler vb.) ortamda bulunan daha basit bileşiklerden sentez süreçlerini birleştirir. Biyosentetik süreçler, aerobik solunum veya fermantasyon (fotosentez veya kemosentez) yoluyla üretilen ve ATP formunda sağlanan serbest enerjinin tüketimini içerir. Katabolizma ve biyosentez aynı anda meydana gelir; birçok reaksiyon ve ara ürün bunlarda ortaktır.

Organik madde %45 oranında karbondan oluşur. Bu nedenle organizmalar için karbon beslenmesinin kaynağı sorunu son derece önemlidir. Tüm organizmalar ototrofik ve heterotrofik olarak ikiye ayrılır. Ototrofik organizmalar, mineral formlarını bir karbon kaynağı olarak kullanma, yani inorganik bileşiklerden organik madde sentezleme yeteneği ile karakterize edilir. Heterotrofik organizmalar vücutlarının organik maddesini halihazırda mevcut hazır organik bileşiklerden oluştururlar, yani organik bileşikleri karbon kaynağı olarak kullanırlar. Organik maddenin sentezini gerçekleştirmek için enerjiye ihtiyaç vardır. Kullanılan bileşiğe ve enerji kaynaklarına bağlı olarak aşağıdaki ana karbon beslenme türleri ve organik maddelerin yapısı ayırt edilir.

Organizmaların karbon beslenmesi türleri

Listelenen tüm karbon beslenme türlerinden, organik bileşiklerin yapımının güneş ışığının enerjisini kullanarak basit inorganik maddeler (CO2 ve H2O) yoluyla gerçekleştiği yeşil bitkilerin fotosentezi çok özel bir yer tutar. Fotosentezin genel denklemi:

6CO2 + 12H2O = C6H12O6 + 6O2 + 6H2O

Fotosentez, güneş ışığından gelen enerjinin kimyasal enerjiye dönüştürüldüğü süreçtir. En genel haliyle bu şu şekilde temsil edilebilir: Bir ışık kuantumu (hv), molekülü uyarılmış bir duruma giren klorofil tarafından emilir ve elektron daha yüksek bir enerji seviyesine hareket eder. Fotoototrofik hücrelerde evrim sürecinde, ana enerji seviyesine dönen elektronun enerjisinin kimyasal enerjiye dönüştürüldüğü bir mekanizma geliştirilmiştir.

Fotosentez işlemi sırasında basit inorganik bileşiklerden (CO 2, H 2 O) çeşitli organik maddeler oluşturulur. Sonuç olarak, kimyasal bağların yeniden yapılandırılması meydana gelir: C–O ve H–O bağları yerine, elektronların daha yüksek bir enerji seviyesini işgal ettiği C–C ve C–H bağları ortaya çıkar. Böylece, hayvanların ve insanların beslendiği ve (solunum yoluyla) enerji aldığı, enerji açısından zengin organik maddeler ilk olarak yeşil yaprakta yaratılır. Dünya üzerindeki canlıların neredeyse tamamının fotosentetik aktivitenin sonucu olduğunu söyleyebiliriz.

Atmosferdeki oksijenin neredeyse tamamı fotosentetik kökenlidir. Solunum ve yanma süreçleri ancak fotosentez ortaya çıktıktan sonra mümkün oldu. Oksijeni emebilen aerobik organizmalar ortaya çıktı. Dünyanın yüzeyinde süreçler biyojeokimyasal bir nitelik kazandı; demir, kükürt ve manganez bileşiklerinin oksidasyonu meydana geldi. Atmosferin bileşimi değişti: CO2 ve amonyak içeriği azaldı, oksijen ve nitrojen arttı. Canlı organizmalar için tehlikeli olan ultraviyole radyasyonu engelleyen ozon perdesinin ortaya çıkması da oksijenin ortaya çıkmasının bir sonucudur.

Fotosentez işleminin normal şekilde ilerlemesi için CO2'nin kloroplastlara girmesi gerekir. Ana tedarikçi, CO2 miktarının %0,03 olduğu atmosferdir. 1 g şeker oluşturmak için 1,47 g CO2 gereklidir - bu miktar 2500 litre havada bulunur.

Karbondioksit stomalardan bitki yaprağına girer. CO2'nin bir kısmı doğrudan kütikülden girer. Stomalar kapatıldığında CO2'nin yaprağa difüzyonu keskin bir şekilde azalır.

Fotosentetik aparatın en ilkel organizasyonu yeşil bakterilerde ve siyanobakterilerde bulunur. Bu organizmalarda fotosentez işlevi intrasitoplazmik membranlar veya özel yapılar (klorosomlar, fikobilizomlar) tarafından gerçekleştirilir. Algler zaten pigmentlerin yoğunlaştığı organelleri (kromatoforlar) geliştirmiştir; şekilleri çeşitlidir (spiral, şerit benzeri, katmanlı, yıldız şeklinde). Daha yüksek bitkiler, disk veya bikonveks mercek şeklinde tamamen oluşturulmuş bir plastid türü ile karakterize edilir. Bir disk şeklini alan kloroplastlar evrensel bir fotosentetik aparat haline gelir. Fotosentez yeşil plastidlerde - kloroplastlarda meydana gelir. Lökoplastlarda nişasta sentezlenir ve depo olarak biriktirilirken, karotenoidler kromoplastlarda birikir.

Yüksek bitkilerin disk şeklindeki kloroplastlarının boyutu 4 ila 10 mikron arasında değişmektedir. Kloroplast sayısı genellikle hücre başına 20 ila 100 arasındadır. Kloroplastların kimyasal bileşimi oldukça karmaşıktır ve aşağıdaki ortalama verilerle (kuru ağırlığa göre %) karakterize edilebilir: protein - 35-55; lipitler – 20-30; karbonhidratlar – 10; RNA-2-3; DNA – 0,5'e kadar; klorofil – 9; karotenoidler – 4.5.

Kloroplastlar, fotosentez sürecinde yer alan enzimleri (redoks enzimleri, sentetazlar, hidrolazlar) içerir. Mitokondri gibi kloroplastların da kendi protein sentezleme sistemleri vardır. Kloroplastlarda lokalize olan enzimlerin çoğu iki bileşenlidir. Çoğu durumda, enzimlerin protez grubu çeşitli vitaminlerdir. Birçok vitamin ve türevleri (B, K, E, D vitaminleri) kloroplastlarda yoğunlaşmıştır. Kloroplastlar yapraktaki bu elementlerin toplam miktarının %80'ini Fe, %70'ini Zn ve yaklaşık %50'sini Cu içerir.

Kloroplastlar çift zarla çevrilidir. Her bir zarın kalınlığı 7,5-10 nm, aralarındaki mesafe 10-30 nm'dir. Kloroplastların iç alanı renksiz içeriklerle - stroma ile doldurulur ve zarlar tarafından nüfuz edilir. Birbirine bağlanan zarlar düz kapalı boşluklar (veziküller) - tilakoidler (Yunanca "thylakoides" - kese şeklinde) oluşturur. Kloroplastlar iki tip tilakoid içerir. Kısa tilakoidler paketler halinde toplanır ve bir madeni para yığınını andıracak şekilde üst üste dizilir. Bu yığınlara grana adı verilir ve onları oluşturan tilakoidlere grana tilakoidler denir. Grana arasında uzun tilakoidler yani stromal tilakoidler birbirine paralel olarak yerleşir. Grana yığınlarındaki bireysel tilakoidler arasında dar boşluklar vardır. Tilakoid membranlar fotosentezde rol oynayan çok sayıda protein içerir. İntegral membran proteinleri birçok hidrofobik amino asit içerir. Bu susuz bir ortam yaratır ve membranları daha stabil hale getirir.

Işık enerjisinin fotosentez sürecinde kullanılabilmesi için fotoreseptörler - pigmentler tarafından emilmesi gerekir. Fotosentetik pigmentler, belirli bir dalga boyundaki ışığı emen maddelerdir. Pigmentlerin rengini belirleyen güneş spektrumunun emilmeyen alanları yansıtılır. Böylece yeşil pigment klorofil kırmızı ve mavi ışınları emer, yeşil ışınlar ise çoğunlukla yansıtılır. Güneş spektrumunun görünür kısmı 400 ila 700 nm arasındaki dalga boylarını içerir.

Pigmentlerin bileşimi organizma grubunun sistematik konumuna bağlıdır. Fotosentetik bakteriler ve algler çeşitli pigment bileşimlerine sahiptir (klorofiller, bakteriyoklorofiller, bakteriorhodopsin, karotenoidler, fikobilinler). Kümeleri ve oranları farklı organizma gruplarına özeldir. Plastidlerde yoğunlaşan pigmentler üç gruba ayrılabilir: klorofiller, karotenoidler, fikobilinler.

Fotosentez sürecinde en önemli rol yeşil pigmentler - klorofiller tarafından oynanır. Fransız bilim adamları P.Zh. Pelletier ve J. Caventou (1818) yapraklardan yeşil bir madde izole ettiler ve buna klorofil adını verdiler (Yunanca "kloros" - yeşil ve "phyllon" - yapraktan). Şu anda yaklaşık on klorofil bilinmektedir. Organizma grupları arasında kimyasal yapı, renk ve dağılım bakımından farklılık gösterirler. Tüm yüksek bitkiler klorofil a ve b içerir. Klorofil diatomlarda, klorofil ise kırmızı alglerde bulunur. Ayrıca fotosentetik bakteri hücrelerinde bakteriyoklorofillerin (a, b, c, d) de bulunduğu bilinmektedir. Yeşil bakterilerin hücreleri bakteriyoklorofil kimliği içerir ve mor bakterilerin hücreleri bakteriyoklorofil aib içerir. Fotosentezin gerçekleşmediği ana pigmentler, yeşil yüksek bitkiler ve algler için klorofil ve bakteriler için bakteriyoklorofillerdir.

İlk kez, en büyük Rus botanikçi M.S.'nin çalışması sayesinde, yüksek bitkilerin yeşil yapraklarının pigmentleri hakkında doğru bir fikir elde edildi. Renkler (1872-1919). Maddeleri ayırmak için yeni bir kromatografik yöntem geliştirdi ve yaprak pigmentlerini saf haliyle izole etti. Yüksek bitkilerin yapraklarının klorofil a ve klorofil b'nin yanı sıra karotenoidler (karoten, ksantofil) içerdiği ortaya çıktı. Karotenoidler gibi klorofiller de suda çözünmez, ancak organik çözücülerde oldukça çözünür. Klorofilsaib'in rengi farklıdır: klorofilin mavi-yeşil bir tonu vardır, klorofilb sarı-yeşildir. Yapraktaki klorofil içeriği, klorofilb'ye kıyasla yaklaşık 3 kat daha fazladır. Kimyasal yapıya göre, klorofiller bir dikarboksilik organik asit - klorofilin ve iki alkol kalıntısı - fitol (C20H39OH) ve metil (CH3OH) esterleridir. Klorofilin ampirik formülü C55H72O5N4Mg( pirinç. 5.1).

Organik dikarboksilik asit klorofilin, magnezyum porfirinlerle ilgili nitrojen içeren bir organometalik bileşiktir: (COOH) 2 = C32H30ON4 Mg.

Klorofilde, karboksil gruplarının hidrojeninin yerini iki alkolün kalıntıları alır - metil CH3OH ve fitol C20H39OH, dolayısıyla klorofil bir esterdir.

Pirinç. 5.1. Klorofil a'nın yapısal formülü.

Klorofil, iki daha az hidrojen atomu ve bir oksijen atomu daha (CH3 grubu yerine CHO grubu) içermesiyle farklılık gösterir. Bu bakımdan klorofilin molekül ağırlığı 893, klorofilb'nin ise 907'dir.

Klorofil molekülünün merkezinde pirol gruplarının dört nitrojen atomuna bağlı bir magnezyum atomu bulunur. Klorofilin pirol grupları, alternatif çift ve tekli bağlardan oluşan bir sisteme sahiptir. Bu, güneş spektrumunun belirli ışınlarının emilimini ve rengini belirleyen klorofilin kromofor grubudur.

Ayrıca K.A. Timiryazev, iki önemli pigmentin kimyasal yapısının benzerliğine dikkat çekti: yeşil yaprak klorofili ve kırmızı kan hemini. Aslında, eğer klorofil magnezyum porfirinlere aitse, hemin de demir porfirinlere aittir. Bu benzerlik, tüm organik dünyanın birliğinin bir başka kanıtıdır.

Klorofil molekülü polardır, porfirin çekirdeği hidrofilik özelliklere sahiptir ve fitol ucu ise hidrofobik özelliklere sahiptir. Klorofil molekülünün bu özelliği, onun kloroplast zarlarındaki spesifik konumunu belirler. Molekülün porfirin kısmı protein ile ilişkilidir ve fitol zinciri lipit tabakasına daldırılmıştır.

Klorofil ışığı seçici olarak absorbe etme yeteneğine sahiptir. Absorbsiyon spektrumu, belirli bir dalga boyundaki (belirli bir renkteki) ışığı absorbe etme yeteneği ile belirlenir. Absorbsiyon spektrumunu elde etmek için K.A. Timiryazev bir ışık huzmesini bir klorofil çözeltisinden geçirdi. Yapraktaki ile aynı konsantrasyondaki klorofilin kırmızı ve mavi-mor ışınlarda iki ana soğurma çizgisine sahip olduğu gösterilmiştir. Bu durumda, çözeltideki klorofil a, 429 ve 660 nm'de maksimum absorpsiyona sahipken, klorofil b - 453 ve 642 nm'de maksimum absorpsiyona sahiptir. (Şekil 5.2).

Pirinç. 5.2. Klorofil a ve klorofil b'nin absorpsiyon spektrumları

Yeşil pigmentlerin yanı sıra kloroplastlar ve kromatoforlar karotenoid grubuna ait pigmentler içerir. Karotenoidler, izopren türevleri olan alifatik yapıya sahip sarı ve turuncu pigmentlerdir. Karotenoidler tüm yüksek bitkilerde ve birçok mikroorganizmada bulunur. Bunlar çeşitli işlevlere sahip en yaygın pigmentlerdir. Oksijen içeren karotenoidlere ksantofil denir. Yüksek bitkilerdeki karotenoidlerin ana temsilcileri iki pigmenttir - beta-karoten (turuncu) C 40 H 56 ve ksantofil (sarı) C 40 H 56 O 2. Karoten 8 izopren kalıntısından oluşur. Karbon zinciri ikiye bölünüp sonunda bir alkol grubu oluştuğunda karoten 2 molekül A vitaminine dönüşür.

Beta-karoten, 482 ve 452 nm dalga boylarına karşılık gelen iki emilim maksimumuna sahiptir. Klorofillerin aksine karotenoidler kırmızı ışınları absorbe etmez ve floresans yaymaz. Klorofil gibi, kloroplastlardaki ve kromatoforlardaki karotenoidler de proteinlerle suda çözünmeyen kompleksler halinde bulunur. Karotenoidler kloroplastlarda her zaman bulunur, fotosentez sürecinde rol alırlar. Güneş spektrumunun belirli kısımlarındaki ışık enerjisini emerek, bu ışınların enerjisini klorofil moleküllerine aktarırlar. Böylece klorofil tarafından emilmeyen ışınların kullanılmasına katkıda bulunurlar. Karotenoidlerin fizyolojik rolü, enerjinin klorofil moleküllerine transferine katılımlarıyla sınırlı değildir. Karotenoidler, foto-oksidasyon işlemi sırasında klorofil moleküllerini ışıkta tahribattan koruyarak koruyucu bir işlev görür ( pirinç. 5.3).

Pirinç. 5.3. Beta karotenin yapısal formülü

Fikobilinler, siyanobakterilerde ve kırmızı alglerde bulunan kırmızı ve mavi pigmentlerdir. Fikobilinlerin kimyasal yapısı 4 pirol grubuna dayanmaktadır. Klorofilden farklı olarak fikobilinler açık zincir halinde düzenlenmiş pirol gruplarına sahiptir ( pirinç. 5.4).

Pirinç. 5.4. Fikoeritrinlerin kromofor grubunun yapısal formülü

Fikobilinler pigmentlerle temsil edilir: fikosiyanin, fikoeritrin ve allofikosiyanin. Fikoeritrin oksitlenmiş bir fikosiyanindir. Kırmızı algler esas olarak fikoeritrin içerir ve siyanobakteriler esas olarak fikosiyanin içerir. Fikobilinler proteinlerle (fikobilin proteinleri) güçlü bileşikler oluşturur. Membranlarda bulunan klorofil ve karotenoidlerin aksine, fikobilinler tilakoid membranlarla yakından ilişkili özel granüllerde (fikobilizomlar) yoğunlaşmıştır. Fikobilinler güneş spektrumunun yeşil ve sarı kısımlarındaki ışınları emer. Bu, spektrumun klorofilin iki ana soğurma çizgisi arasında kalan kısmıdır. Fikoeritrin, 495-565 nm dalga boyuna sahip ışınları ve fikosiyanin - 550-615 nm'yi emer. Fikobilinlerin absorpsiyon spektrumlarının, siyanobakterilerde ve kırmızı alglerde fotosentezin meydana geldiği ışığın spektral bileşimi ile karşılaştırılması, bunların çok yakın olduğunu göstermektedir. Bu, fikobilinlerin ışık enerjisini emdiğini ve karotenoidler gibi onu klorofil molekülüne aktardığını ve ardından fotosentez sürecinde kullanıldığını göstermektedir. Alglerde fikobilinlerin varlığı, evrim sürecindeki organizmaların deniz suyunun kalınlığına nüfuz eden güneş spektrumu alanlarının kullanımına (kromatik adaptasyon) adaptasyonunun bir örneğidir.

Fotosentez, karbondioksitin karbonhidratlara indirgendiği ve suyun oksijene oksitlendiği karmaşık, çok aşamalı bir redoks işlemidir. Fotosentez sürecinde sadece ışık enerjisini kullanan reaksiyonlar değil, aynı zamanda ışık enerjisinin doğrudan katılımını gerektirmeyen karanlık reaksiyonlar da meydana gelir. Fotosentez sürecinde karanlık reaksiyonların varlığına ilişkin şu kanıtlar verilebilir: Sıcaklık arttıkça fotosentez hızlanır. Buradan, bu sürecin bazı aşamalarının doğrudan ışık enerjisinin kullanımıyla ilgili olmadığı sonucu çıkar. Fotosentez süreci aşağıdaki aşamaları içerir: 1) fotofiziksel; 2) fotokimyasal (ışık); 3) enzimatik (koyu).

Fotokimya yasalarına göre, herhangi bir maddenin atomu veya molekülü tarafından bir kuantum ışık emildiğinde, elektron daha uzaktaki başka bir yörüngeye, yani daha yüksek bir enerji seviyesine hareket eder. (Şekil 5.5).

Pirinç. 5.5. Mavi ve kırmızı ışık kuantumlarının emilmesinden sonra uyarılmış klorofil durumları arasındaki geçişler

Atomun çekirdeğinden uzakta olan ve ondan yeterince uzak bir mesafede bulunan elektron en büyük enerjiye sahiptir. Her elektron, bir kuantum ışığın etkisi altında, eğer bu kuantumun enerjisi bu enerji seviyeleri arasındaki farka eşitse, daha yüksek bir enerji seviyesine hareket eder. Tüm fotosentetik organizmalar bir tür klorofil içerir. Klorofil molekülünde iki düzeyde uyarılma vardır. İşte tam da bu yüzden iki ana emilim hattına sahiptir. İlk uyarılma seviyesi, konjuge çift bağlar sistemindeki bir elektronun daha yüksek bir enerji seviyesine geçişinden kaynaklanmaktadır ve ikincisi, porfirin çekirdeğindeki eşleşmemiş nitrojen ve oksijen atomu elektronlarının uyarılmasından kaynaklanmaktadır. Işık emildiğinde elektronlar titreşim hareketine uğrar ve daha yüksek enerji seviyesine sahip bir sonraki yörüngeye geçer.

En yüksek enerji düzeyi ikinci singlet düzeyidir. Elektron, kuantumu daha fazla enerji içeren mavi-mor ışınların etkisi altında ona aktarılır.

Elektronlar, daha küçük miktardaki kırmızı ışığı emerek ilk uyarılmış duruma geçebilirler. İkinci seviyedeki ömür 10-12 saniyedir. Bu süre o kadar kısadır ki, süresi boyunca elektronik uyarma enerjisi kullanılamaz. Bu kısa sürenin ardından elektron (dönüş yönünü değiştirmeden) ilk singlet durumuna geri döner. İkinci singlet durumdan birinciye geçişe, ısı formunda bir miktar enerji kaybı (100 kJ) eşlik eder. İlk singlet durumdaki ömür biraz daha uzundur (10 -9 veya 10 -8 s). Üçlü durum en uzun ömre sahiptir (10 -2 s). Üçlü seviyeye geçiş elektronun spinindeki bir değişiklikle gerçekleşir.

Klorofil molekülü uyarılmış ilk tekli ve üçlü hallerden temel duruma da geçebilir. Bu durumda devre dışı bırakılması (enerji kaybı) meydana gelebilir:

1) ışık formunda (floresan ve fosforesans) veya ısı formunda enerji açığa çıkararak;

2) enerjiyi başka bir pigment molekülüne aktararak;

3) fotokimyasal işlemlere enerji harcayarak (bir elektronun kaybı ve bir alıcıya eklenmesi).

Bu durumların herhangi birinde pigment molekülü devre dışı bırakılır ve ana enerji seviyesine gider.

Klorofilin iki işlevi vardır: enerjinin emilmesi ve iletilmesi. Ayrıca, klorofil moleküllerinin ana kısmı - kloroplastların toplam klorofilinin% 90'ından fazlası, ışık toplama kompleksinin (LHC) bir parçasıdır. Işık toplayan kompleks, ışığı etkili bir şekilde emen ve uyarma enerjisini reaksiyon merkezine aktaran bir anten görevi görüyor. Çok sayıda (birkaç yüze kadar) klorofil molekülüne ek olarak SSC, karotenoidler ve bazı algler ve siyanobakterilerde ışık emiliminin verimliliğini artıran fikobilinler içerir.

Bitkiler evrim sürecinde yağmur damlaları gibi yaprağa düşen ışık kuantumlarından tam anlamıyla faydalanmalarını sağlayacak bir mekanizma geliştirmişlerdir. Bu mekanizma, ışık kuantumunun enerjisinin 200-400 molekül klorofil ve CCK karotenoidleri tarafından yakalanıp tek bir moleküle, reaksiyon merkezine aktarılmasıdır. Hesaplamalar, bir kloroplastta 1 milyara kadar klorofil molekülünün bulunduğunu göstermiştir. Gölgeye dayanıklı bitkiler, kural olarak, yüksek ışık koşullarında büyüyen bitkilere kıyasla daha büyük SSC boyutuna sahiptir. Reaksiyon merkezlerinde fotokimyasal reaksiyonlar sonucunda birincil indirgeyici maddeler ve oksitleyici maddeler oluşur. Daha sonra birbirini takip eden bir redoks reaksiyonları zincirini tetiklerler. Sonuç olarak enerji, fotosentetik fosforilasyon reaksiyonu yoluyla adenozin difosfat (ADP) ve inorganik fosforik asitten sentezlenen indirgenmiş nikotinamid adenin dinükleotid fosfat (NADP H+) ve adenozin trifosfat (ATP) formunda depolanır. Sonuç olarak NADP H+ ve ATP, fotosentezin ışık fazının ana ürünleridir. Bu nedenle, ışık kuantumunun klorofil molekülü tarafından emilmesiyle ilişkili fotosentezin birincil süreçlerinde, enerji transfer süreçleri önemli bir rol oynar. Fotosentezin fotofiziksel aşaması, ışık kuantumunun emilmesi ve pigment moleküllerinin uyarılmış bir duruma aktarılmasından oluşur. Bu enerji daha sonra birincil fotokimyasal reaksiyonları (yük ayrımı) gerçekleştiren reaksiyon merkezine aktarılır. Işık enerjisinin kimyasal enerjiye daha fazla dönüştürülmesi, klorofilin redoks dönüşümleriyle başlayan ve hem fotokimyasal (ışık) hem de enzimatik (karanlık) reaksiyonları içeren bir dizi aşamadan geçer.

Yani fotosentez, enerjinin dönüşümünü (ışık süreci adı verilen bir olgu) ve maddenin dönüşümünü (karanlık süreç) içerir. Işık süreci tilakoidlerde, karanlık süreç ise kloroplastların stromasında meydana gelir. Fotosentezin iki süreci ayrı denklemlerle ifade edilir:

12H 2 O = 12H 2 + 6O 2 + ATP enerjisi (ışık süreci).

Bu denklemden, fotosentez sırasında açığa çıkan oksijenin, su moleküllerinin ayrışması sırasında oluştuğu açıktır. Ayrıca fotofosforilasyon sırasında adenozin trifosforik asidin (ATP) sentezlenmesi için ışık enerjisi kullanılır.

6CO2 + 12H2 + ATP enerjisi = C6H12O6 + H2O (karanlık süreç)

Karanlık reaksiyonlar, aydınlık fazda biriken ürünleri kullanır. Karanlık reaksiyonların özü, CO2'nin sabitlenmesi ve şeker molekülüne dahil edilmesidir. Bu sürece, karanlık reaksiyonların sırasını ayrıntılı olarak inceleyen Amerikalı biyokimyacının anısına Calvin döngüsü adı verildi. Suyun organik moleküllerin sentezi için bir hidrojen kaynağı olarak kullanılması, her yerde bulunması nedeniyle bitkilere büyük bir evrimsel avantaj sağlamıştır (su, Dünya üzerinde en bol bulunan mineraldir).

Fotosentetik oksijenin tamamı sudan salındığı için ortaya çıkan denklem şu şekilde olur:

6CO 2 + 12H 2 O +hv= C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + 6H 2 O

Denklemin sağ tarafındaki su, oksijeni farklı bir kökene sahip olduğundan (CO2'den) indirgenemez. Bu nedenle fotosentez, suyun moleküler oksijene (O2) oksitlendiği ve karbondioksitin sudaki hidrojen tarafından karbonhidratlara indirgendiği bir redoks işlemidir.

Her döngünün sonunda nihai ürün oluşur: fotosentez sırasında oluşan birincil organik maddenin temelini oluşturan bir şeker molekülü.