Βιολογία (Γ΄ Γενικού Λυκείου - Θετικών Σπουδών & Σπουδών Υγείας ) - Τεύχος Α΄ Βιβλίου Μαθητή (Εμπλουτισμένο)
 

Κεφάλαιο 3

3.3 ΦΩΤΟΣΥΝΘΕΣΗ

Αυτότροφοι και ετερότροφοι οργανισμοί

Η ζωή στον πλανήτη μας, εδώ και δισεκατομμύρια χρόνια, στηρίζεται στην ενέργεια του Ήλιου. Από την ενέργεια αυτή, που εκπέμπεται υπό μορφή ακτινοβολίας, ένα πολύ μικρό μέρος παγιδεύεται από τους φωτοσυνθετικούς οργανισμούς. Η φωτεινή ενέργεια που παγιδεύεται μετατρέπεται σε χημική και αποθηκεύεται σε οργανικά μόρια, τα οποία παράγουν οι οργανισμοί αυτοί μέσα από μια διαδικασία που την ονομάζουμε φωτοσύνθεση.

Η φωτοσύνθεση αποτελεί ίσως την πιο σημαντική μεταβολική πορεία απ' όσες γίνονται στη βιόσφαιρα. Η δέσμευση της φωτεινής ενέργειας κατά τη φωτοσύνθεση γίνεται από τη χλωροφύλλη και τις άλλες φωτοσυνθετικές χρωστικές. Με τη βοήθειά τους οι φωτοσυνθετικοί οργανισμοί συνθέτουν υδατάνθρακες (γλυκόζη), χρησιμοποιώντας απλές ανόργανες ενώσεις, όπως το διοξείδιο του άνθρακα και το νερό, που βρίσκουν άφθονες στο περιβάλλον τους.

Οι φωτοσυνθετικοί οργανισμοί ανήκουν στους αυτότροφους οργανισμούς, επειδή παράγουν μόνοι τους όλες τις οργανικές ουσίες που τους είναι απαραίτητες χρησιμοποιώντας ως πρώτη ύλη το προϊόν της φωτοσύνθεσης. Χαρακτηρίζονται γι' αυτό και ως παραγωγοί. Οι οργανισμοί που δεν μπορούν να συνθέσουν μόνοι τους οργανικές ενώσεις από απλές ανόργανες, αλλά είναι υποχρεωμένοι να τις προμηθεύονται έτοιμες από το περιβάλλον τους, χαρακτηρίζονται ως ετερότροφοι. Τους χαρακτηρίζουμε επίσης και ως καταναλωτές, γιατί εξασφαλίζουν την τροφή τους τρώγοντας («καταναλώνοντας») άλλους οργανισμούς.

Ικανότητα φωτοσύνθεσης έχουν όλοι οι οργανισμοί που διαθέτουν φωτοσυνθετικές χρωστικές. Από τους ευκαρυωτικούς οργανισμούς φωτοσύνθεση γίνεται στα φυτά και στα φύκη, και από τους προκαρυωτικούς σε ορισμένα βακτήρια και στα κυανοφύκη (κυανοβακτήρια).

Είναι χαρακτηριστικό ότι οι φωτοσυνθετικοί οργανισμοί που ζουν στις θάλασσες παράγουν το 45 έως 60%, περίπου, της συνολικής παραγωγής οργανικής ύλης στον πλανήτη μας.

Σημασία της φωτοσύνθεσης

Όλοι σχεδόν οι οργανισμοί πάνω στον πλανήτη μας εξαρτώνται άμεσα ή έμμεσα από τη φωτοσύνθεση.

εικόνα

Η ΦΩΤΟΣΥΝΘΕΣΗ ΩΣ
«ΔΙΑΧΡΟΝΙΚΗ» ΠΗΓΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

Οι φωτοσυνθετικοί οργανισμοί αποτέλεσαν πάντα πηγή ζωής για τον πλανήτη μας, ακόμη και αυτοί που έζησαν σε άλλες εποχές, αφού μέχρι σήμερα χρησιμοποιούμε προϊόντα τους. Τα υλικά που χρησιμοποιεί ο άνθρωπος, για να εξασφαλίσει ενέργεια, προέρχονται κυρίως από φωτοσυνθετικές διαδικασίες, τωρινές ή παλιότερες. Το ξύλο, για παράδειγμα, είναι το πιο κοινό σπιτικό καύσιμο. Τα καύσιμα, όπως οι γαιάνθρακες, το φυσικό αέριο και το πετρέλαιο, προέρχονται από φυτά και άλλους φωτοσυνθετικούς οργανισμούς, που έζησαν σε παλαιότερες γεωλογικές εποχές. Σήμερα τα φυτά αποτελούν το κλειδί για την επίλυση του προβλήματος έλλειψης τροφής για τον ανθρώπινο πληθυσμό. Η επίλυση αυτού του οξέος προβλήματος θα εξαρτηθεί από τις δυνατότητές μας να αυξήσουμε την απόδοση των διάφορων ποικιλιών καλλιεργήσιμων φυτών.

Οι σύνθετες οργανικές ουσίες που παράγονται από τους φωτοσυνθετικούς οργανισμούς αποτελούν, μέσω των τροφικών αλυσίδων, πηγές θρεπτικών ουσιών για τους ετερότροφους οργανισμούς: άμεσα για τους καταναλωτές πρώτης τάξης (φυτοφάγους) και έμμεσα για τους καταναλωτές δεύτερης ή ανώτερης τάξης (σαρκοφάγους).

Οι νεκροί οργανισμοί, τα απεκκρίματα των ζωικών και τα τμήματα των φυτικών που έχουν αποκοπεί (φύλλα, κλαδιά κ.ά.), διασπώνται από μια κατηγορία ετερότροφων οργανισμών, τους αποικοδομητές. Σ' αυτούς ανήκουν βακτήρια και μύκητες. Τα προϊόντα της αποικοδόμησης (π.χ. CΟ2, Η2Ο) μπορούν να ξαναχρησιμοποιηθούν από τα φυτά και από τους άλλους φωτοσυνθετικούς οργανισμούς για σύνθεση οργανικής ύλης. Η ύλη δηλαδή ακολουθεί κυκλική πορεία μέσα στα οικοσυστήματα.

 

 

 

 

 

 

 

Το φύλλο ως όργανο φωτοσύνθεσης των φυτών

Η φωτοσύνθεση γίνεται στα πράσινα μέρη των φυτών, που είναι κυρίως τα φύλλα και συχνά ο βλαστός τους. Η δομή του φύλλου είναι κατάλληλα προσαρμοσμένη, για να εξυπηρετεί τη λειτουργία της φωτοσύνθεσης. Σε εγκάρσια τομή του παρατηρούμε τις δύο επιδερμίδες, την πάνω και την κάτω, που καλύπτονται συνήθως από εφυμενίδα. Ανάμεσα στις δύο επιδερμίδες βρίσκεται το μεσόφυλλο, που διασχίζεται από αγγεία.

εικόνα

Στόμα φυτού με τα καταφρακτικά κύτταρα.




Η κάτω επιδερμίδα έχει μικρά ανοίγματα, που λέγονται στόματα. Το καθένα απ' αυτά περιβάλλεται από ένα ζευγάρι κυττάρων, τα καταφρακτικά κύτταρα. Τα κύτταρα του μεσόφυλλου, που είναι και ο θεμελιώδης ιστός του φύλλου, διαθέτουν πολλούς χλωροπλάστες. παρουσίαση

Η είσοδος του ατμοσφαιρικού διοξειδίου του άνθρακα γίνεται με διάχυση από τα στόματα προς τους μεσοκυττάριους χώρους των κυττάρων του μεσόφυλλου και τελικά φτάνει στους χλωροπλάστες. Το νερό εισέρχεται στις ρίζες από το έδαφος και μέσω των αγγείων φτάνει στα φύλλα. Μαζί με το νερό μεταφέρονται ιόντα, όπως νιτρικά, φωσφορικά, θειικά, μαγνησίου κ.ά., που χρησιμεύουν στη σύνθεση πρωτεϊνών και άλλων ουσιών.

Κατά τη φωτοσύνθεση, όπως θα δούμε, παράγεται οξυγόνο, το οποίο εξέρχεται από τα στόματα των φύλλων στην ατμόσφαιρα. Η άντληση του νερού από το έδαφος και η ροή του στα αγγεία διευκολύνεται με την εξάτμιση νερού από τα στόματα (διαπνοή). Το άνοιγμα και κλείσιμο των στομάτων επιτρέπει στο φυτό να ελέγχει το ρυθμό εξάτμισης του νερού, ανάλογα με τη διαθεσιμότητά του στο έδαφος. παρουσίαση

εικόνα

α) Η φωτοσύνθεση γίνεται στα πράσινα μέρη του φυτού, όπως είναι τα φύλλα, β) κάθετη τομή φύλλου στην οποία απεικονίζονται η πάνω και κάτω επιδερμίδα, το μεσόφυλλο και ένα στόμα, γ) κύτταρο μεσόφυλλου, δ) χλωροπλάστης, ε) ηλεκτρονική μικροφωτογραφία χλωροπλάστη και στ) ηλεκτρονική μικροφωτογραφία grana.

 

Η ΔΟΜΗ ΤΟΥ ΜΟΡΙΟΥ ΤΗΣ ΧΛΩΡΟΦΥΛΛΗΣ ΚΑΙ Ο ΡΟΛΟΣ ΤΗΣ ΣΤΗ ΦΩΤΟΣΥΝΘΕΣΗ

εικόναΤο μόριο της χλωροφύλλης, αποτελείται από μια υδρογονανθρακική «ουρά», η οποία συνδέεται με μια πολύπλοκη κυκλική δομή (δακτύλιο πορφυρίνης) που περιέχει στο κέντρο της ένα άτομο μαγνησίου. Τα υπόλοιπα άτομα που σχηματίζουν το δακτύλιο συνδέονται μεταξύ τους με απλούς και διπλούς δεσμούς. Οι δεσμοί αυτοί έχουν τη δυνατότητα να μετατρέπονται και αυτό επιτρέπει στο μόριο της χλωροφύλλης να δεσμεύει ισχυρά τη φωτεινή ακτινοβολία. Λίγα μόνο mgr χλωροφύλλης μέσα σε ένα λίτρο νερού μπορούν να απορροφήσουν όλη σχεδόν την ερυθρή και την μπλε ακτινοβολία που περνά από αυτό. Αυτή την ενέργεια «κλέβουν» τα ηλεκτρόνια που υπάρχουν στο δακτύλιο της πορφυρίνης, για να μεταπηδήσουν σε στιβάδες υψηλότερης ενέργειας, με αποτέλεσμα τη διέγερση του μορίου της χλωροφύλλης.

Αν το μόριο της χλωροφύλλης βρίσκεται σε διάλυμα, μετά τη διέγερση τα ηλεκτρόνια συνήθως επιστρέφουν στην αρχική τους κατάσταση, αποδίδοντας ενέργεια με τη μορφή θερμότητας ή φθορισμού.

Αν όμως βρίσκονται κοντά κάποια μόρια - υποδοχείς, τα ηλεκτρόνια μπορούν να περάσουν από το μόριο της χλωροφύλλης σ' αυτά.

Η χλωροφύλλη δηλαδή έχει την ικανότητα να απορροφά φωτεινή ακτινοβολία και να διεγείρεται. Στη συνέχεια ιονίζεται δηλαδή χάνει ηλεκτρόνια, τα οποία δεσμεύονται από άλλα μόρια. Αυτό είναι και το μυστικό της φωτοσύνθεσης.

εικόνα

 

Ορατό φως - φωτοσυνθετικές χρωστικές

Το ορατό φως, που αποτελεί ένα μικρό μόνο μέρος της ηλιακής ακτινοβολίας, όταν περνά μέσα από ένα πρίσμα αναλύεται σε ακτινοβολίες διάφορων μηκών κύματος. Αυτές αντιστοιχούν στα χρώματα ιώδες, μπλε, πράσινο, κίτρινο, πορτοκαλί και κόκκινο. Η εικόνα αυτή είναι η εικόνα του φάσματος.

Στο κύτταρο η φωτεινή ακτινοβολία δεσμεύεται από τις φωτοσυνθετικές χρωστικές. Στα ανώτερα φυτά, οι χρωστικές αυτές, βρίσκονται μέσα στα grana των χλωροπλαστών και ανήκουν σε δυο κατηγορίες, τις

 

χλωροφύλλες και τα καροτενοειδή. Οι χλωροφύλλες είναι πολύπλοκες οργανικές ενώσεις, που φέρουν ένα κεντρικό άτομο μαγνησίου. Οι συνηθέστερες κατηγορίες χλωροφυλλών είναι οι χλωροφύλλες α και β. Η χλωροφύλλη α βρίσκεται σ' όλους τους φωτοσυνθετικούς οργανισμούς, με εξαίρεση τα φωτοσυνθετικά βακτήρια.

Οι χλωροφύλλες απορροφούν κυρίως την μπλε και την ερυθρή ακτινοβολία και ανακλούν την πράσινη, δίνοντας στα φυτά το χαρακτηριστικό πράσινο χρώμα. Τα καροτενοειδή απορροφούν κυρίως την μπλε ακτινοβολία.

 

 

 

 

εικόνα

Το ορατό φως αποτελεί ένα μικρό μόνο μέρος της ηλιακής ακτινοβολίας.

εικόνα

Το φθινόπωρο στα φυλλοβόλα φυτά οι χλωροφύλλες αποδομούνται και δεν ξανασχηματίζονται. Η απουσία χλωροφυλλών επιτρέπει σε άλλες χρωστικές, όπως τα καροτενοειδή, να εμφανίζονται. Αυτές οι χρωστικές ανακλούν ακτινοβολίες διαφορετικού μήκους κύματος, όπως το κίτρινο και το πορτοκαλί. Αποτέλεσμα αυτού είναι η ποικιλία των χρωμάτων που παρουσιάζουν

τα φύλλα διάφορων φυτών την εποχή αυτή. Η μεγάλη ποικιλία φωτοσυνθετικών χρωστικών βοηθά τους φωτοσυνθετικούς οργανισμούς να αξιοποιούν όσο γίνεται περισσότερες ακτινοβολίες του ορατού φωτός για την εξασφάλιση ενέργειας για τη φωτοσύνθεση.

εικόνα

Η ΤΥΧΗ ΤΗΣ ΗΛΙΑΚΗΣ
ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ...

Από την ηλιακή ακτινοβολία η οποία προσπίπτει πάνω σε ένα φύλλο το 80% περίπου απορροφάται. Από το υπόλοιπο 20% ένα μέρος αντανακλάται από την επιφάνεια του φύλλου και ένα μέρος το διαπερνά. Από την απορροφούμενη ενέργεια ένα μέρος μετατρέπεται σε θερμότητα και αυξάνει τη θερμοκρασία του φύλλου. Μόνο το 0,5 έως 3,5% όλης της φωτεινής ενέργειας, η οποία προσπίπτει στο φύλλο, χρησιμοποιείται για τη φωτοσύνθεση.

«...η χλωροφύλλη είναι ο Προμηθέας που κλέβει τη φωτιά από τους ουρανούς».

 

 

Πορεία της φωτοσύνθεσης

Στις αρχές του 20ού αιώνα οι βιολόγοι ερευνητές διαπίστωσαν ότι ή φωτοσύνθεση περιλαμβάνει δύο ομάδες αντιδράσεων. Τις αντιδράσεις που εξαρτώνται από το φως (φωτεινή φάση) και τις αντιδράσεις που είναι ανεξάρτητες από την ύπαρξη φωτός (σκοτεινή φάση). Κατά τις αντιδράσεις της φωτεινής φάσης, που γίνονται στα grana των χλωροπλαστών, η φωτεινή ενέργεια χρησιμοποιείται για τη σύνθεση μορίων ΑΤΡ και τη δημιουργία υδρογόνου (Η+ + e-).
Κατά τις αντιδράσεις της σκοτεινής φάσης, που γίνονται στο στρώμα των χλωροπλαστών, τα μόρια του ΑΤΡ και του υδρογόνου που παρήχθησαν κατά τη φωτεινή φάση χρησιμοποιούνται για τη μετατροπή του διοξειδίου του άνθρακα σε υδατάνθρακες (γλυκόζη).

Φωτεινή φάση

Κατά τη διάρκεια αυτής της φάσης της φωτοσύνθεσης συμβαίνουν σημαντικά γεγονότα. Μόρια χλωροφύλλης, τα οποία βρίσκονται κατά ομάδες στα grana των χλωροπλαστών, δεσμεύουν φωτεινή ενέργεια και διεγείρονται (κάποια από τα ηλεκτρόνιά τους αλλάζουν στιβάδα) και στη συνέχεια αποδιεγείρονται. Η ενέργεια που αποδίδεται κατά την αποδιέγερση των μορίων αυτών προκαλεί τον ιονισμό (απώλεια ηλεκτρονίων) άλλων μορίων χλωροφύλλης.
Μέρος της ενέργειας που παράγεται από τις διαδικασίες αυτές, ίσως όμως και ενέργεια προερχόμενη από άλλες πηγές, άγνωστες σε μεγάλο βαθμό, προκαλεί τη διάσπαση μορίων νερού σε υδρογόνο και οξυγόνο (φωτόλυση νερού). Παράλληλα, σχηματίζεται ΑΤΡ από ADP.
Το οξυγόνο που παράγεται από τη φωτόλυση του νερού ελευθερώνεται στην ατμόσφαιρα, ενώ το υδρογόνο δεσμεύεται από μόρια του συνενζύμου ΝΑDΡ, τα οποία μετατρέπονται σε NADPH. Το ΑΤΡ και το NADPH που παράγονται κατά τη φωτεινή φάση της φωτοσύνθεσης, χρησιμοποιούνται στις αντιδράσεις της σκοτεινής φάσης για το σχηματισμό των τελικών προϊόντων.

Σκοτεινή φάση

Το πρώτο βήμα των αντιδράσεων της σκοτεινής φάσης γίνεται με τη δέσμευση του διοξειδίου του άνθρακα από μια πεντόζη. Ακολουθεί μια σειρά αντιδράσεων κατά τις οποίες με τη βοήθεια των μορίων ΑΤΡ και του NADPH, που έχουν παραχθεί από τις αντιδράσεις της φωτεινής φάσης, παράγεται τελικά γλυκόζη και άλλες ουσίες. Στα προϊόντα αυτής της σειράς αντιδράσεων περιλαμβάνεται και νερό (Η2Ο).

Η γενική αντίδραση της φωτοσύνθεσης είναι:

εικόνα

Στα φυτά, μέρος της γλυκόζης, που σχηματίζεται κατά τη φωτοσύνθεση, αποθηκεύεται με τη μορφή αμύλου στους αμυλοπλάστες. Οι αμυλοπλάστες βρίσκονται στα φυτικά κύτταρα αλλά και σε ειδικά αποταμιευτικά μέρη των φυτών, όπως είναι οι κόνδυλοι της πατάτας.

εικόνα

Κατά τις ηλιόλουστες ημέρες το οξυγόνο το οποίο ελευθερώνεται από τα υδρόβια φυτά γίνεται αντιληπτό με τη μορφή φυσαλίδων μέσα στο νερό.

ΠΡΟΕΛΕΥΣΗ ΤΟΥ ΟΞΥΓΟΝΟΥ ΠΟΥ ΕΛΕΥΘΕΡΩΝΕΤΑΙ ΚΑΤΑ ΤΗ ΦΩΤΟΣΥΝΘΕΣΗ

Οι Σ. Ρούμπεν (S. Ruben) και Μ. Κάμεν (Μ. Kamen), το 1941, απέδειξαν ότι το οξυγόνο που ελευθερώνεται κατά τη φωτοσύνθεση προέρχεται από τη φωτόλυση του νερού και όχι από το διοξείδιο του άνθρακα. Για να το αποδείξουν, τοποθέτησαν το πράσινο μονοκύτταρο φύκος Χλωρέλλα (Chlorella) σε νερό που περιείχε το βαρύ ισότοπο του οξυγόνου (18Ο) αντί του κανονικού οξυγόνου. Διαπίστωσαν ότι το οξυγόνο που ελευθερωνόταν από τη φωτοσύνθεση ήταν το 18Ο.

 

 

 

 

 

 

 

 

εικόνα

ΤΟ ΠΕΙΡΑΜΑ TOY Τ. ΕΝΓΚΕΛΜΑΝ (T.W. ENGELMANN)

To 1881 ο Γερμανός βοτανικός επιστήμονας Τ. Ένγκελμαν διερεύνησε και τελικά προσδιόρισε ποιες είναι οι πιο αποτελεσματικές ακτινοβολίες για τη φωτοσύνθεση. Φώτισε διαδοχικά τμήματα νηματίου Σπιρογύρα (Spirogyra: φύκος που έχει σπειροειδείς χλωροπλάστες) με διαφορετικές ακτινοβολίες, τις οποίες έπαιρνε από την ανάλυση του ορατού φωτός μέσω ενός πρίσματος. Παρατήρησε ότι τα αερόβια βακτήρια που είχαν δυνατότητα κίνησης συγκεντρώνονταν σε εκείνη την περιοχή του νηματίου που φωτιζόταν από την ερυθρή ακτινοβολία. Διαπίστωσε στη συνέχεια ότι η συγκέντρωση του οξυγόνου σ' αυτή την περιοχή ήταν μεγαλύτερη. Από το γεγονός αυτό συμπέρανε ότι η ερυθρή ακτινοβολία ήταν πιο αποτελεσματική για τη φωτοσύνθεση. Ο αριθμός των βακτηρίων που συγκεντρώνονταν στην περιοχή που φωτιζόταν από την μπλε ακτινοβολία ήταν μικρός, παρά το ότι και η μπλε ακτινοβολία απορροφάται επίσης ισχυρά από τις χλωροφύλλες. Αυτό σημαίνει ότι δεν είναι τόσο αποτελεσματική για τη διεξαγωγή της φωτοσύνθεσης.

 

εικόνα

 

Παράγοντες που επηρεάζουν την απόδοση της φωτοσύνθεσης

Έχουμε σίγουρα παρατηρήσει όλοι μας ότι ο ρυθμός ανάπτυξης των φυτών κατά τη διάρκεια του έτους δεν είναι ο ίδιος. Αυτό σημαίνει ότι η απόδοση της φωτοσύνθεσης, που την υπολογίζουμε μετρώντας το οξυγόνο που παράγεται στη μονάδα του χρόνου, μεταβάλλεται. Πράγματι, η φωτοσύνθεση επηρεάζεται από περιβαλλοντικούς παράγοντες, που δε μένουν σταθεροί στη διάρκεια του έτους. Οι κυριότεροι από αυτούς είναι:

Η Θερμοκρασία: Η ταχύτητα της φωτοσύνθεσης επηρεάζεται από τη θερμοκρασία και αυτό είναι λογικό, γιατί η τελευταία επηρεάζει τη δράση των ενζύμων και φυσικά την ταχύτητα των ενζυμικών αντιδράσεων. Σε υψηλή και σταθερή ένταση φωτός, με την αύξηση της θερμοκρασίας, αυξάνεται και η απόδοση της φωτοσύνθεσης. Όταν η θερμοκρασία ξεπεράσει τους 30°C, τα ένζυμα καταστρέφονται και η απόδοση της φωτοσύνθεσης μειώνεται.

εικόνα

Επίδραση της θερμοκρασίας στην απόδοση της φωτοσύνθεσης για υψηλή ένταση φωτός.

Για τα περισσότερα φυτά η άριστη θερμοκρασία για τη φωτοσύνθεση είναι γύρω στους 30°C. Ωστόσο υπάρχουν φυτά, όπως αυτά των ψυχρών περιοχών, που φωτοσυνθέτουν σε πολύ χαμηλότερες θερμοκρασίες από αυτές στις οποίες φωτοσυνθέτουν τα φυτά των θερμών περιοχών. Ορισμένα είδη φυτών φωτοσυνθέτουν σε θερμοκρασίες κάτω από τους 0°C, ενώ τα κυανοφύκη (μονοκύτταροι προκαρυωτικοί φωτοσυνθετικοί οργανισμοί) των θερμών πηγών μπορούν να φωτοσυνθέσουν και σε θερμοκρασίες πάνω από 75°C.

 

To φως: Σε θερμοκρασία 20°C και κανονική συγκέντρωση διοξειδίου του άνθρακα (0,03% κατ' όγκο) στην ατμόσφαιρα η απόδοση της φωτοσύνθεσης αυξάνεται με την αύξηση της έντασης του φωτός. Αυτό γίνεται μέχρις ενός ορισμένου σημείου. Στη συνέχεια η απόδοση της φωτοσύνθεσης παραμένει σταθερή. βίντεο

εικόνα

Επίδραση της έντασης του φωτός στην απόδοση της φωτοσύνθεσης για δύο διαφορετικές συγκεντρώσεις CΟ2.

To διοξείδιο του άνθρακα: Η απόδοση της φωτοσύνθεσης εξαρτάται και από τη συγκέντρωση του διοξειδίου του άνθρακα. Αυτό είναι φυσικό, αφού το διοξείδιο του άνθρακα συμμετέχει στις αντιδράσεις της σκοτεινής φάσης. Σε υψηλή ένταση φωτός και σταθερή θερμοκρασία η απόδοση της φωτοσύνθεσης αυξάνεται με την αύξηση της συγκέντρωσης του διοξειδίου του άνθρακα του αέρα. Αυτό γίνεται μέχρις ενός σημείου και στη συνέχεια παραμένει σταθερή.

εικόνα

Επίδραση της συγκέντρωσης του CΟ2 στην απόδοση της φωτοσύνθεσης, για διαφορετικές τιμές στην ένταση του φωτός.

Το νερό: Είναι δύσκολο να εκτιμήσουμε τις επιπτώσεις από την έλλειψη του νερού στις διάφορες κυτταρικές λειτουργίες ενός φυτού. Σε ότι αφορά τη φωτοσύνθεση, η ελάττωση της απόδοσης που παρατηρείται σε συνθήκες ξηρασίας οφείλεται όχι μόνο στην έλλειψη του νερού που θα πάρει μέρος στις αντιδράσεις της φωτεινής φάσης αλλά και στο κλείσιμο των στομάτων. Το φυτό κλείνει τα στόματα, για να εμποδίσει την απώλεια νερού μέσω της διαπνοής. Ταυτόχρονα όμως κλείνει την είσοδο και για το διοξείδιο του άνθρακα, που είναι απαραίτητο για τη σύνθεση των υδατανθράκων κατά τη σκοτεινή φάση της φωτοσύνθεσης.

Τα ανόργανα άλατα: Τα φυτά δεν μπορούν να αναπτυχθούν χρησιμοποιώντας μόνο διοξείδιο του άνθρακα και νερό. Για να διατηρήσουν τη δομή και τη λειτουργικότητά τους, χρειάζονται και άλλα στοιχεία ή χημικές ενώσεις, που δεν παράγονται με τη φωτοσύνθεση. Για τη σύνθεση του μορίου της χλωροφύλλης, για παράδειγμα, είναι απαραίτητο το άζωτο και το μαγνήσιο. Όταν λοιπόν στο έδαφος στο οποίο αναπτύσσεται το φυτό υπάρχει έλλειψη αυτών των στοιχείων, τότε τα φύλλα του παραμένουν κίτρινα (χλώρωση), με συνέπεια η ταχύτητα της φωτοσύνθεσης να παραμένει χαμηλή. άσκηση πρακτικής και εξάσκησης

 

εικόνα

Η ΦΩΤΟΣΥΝΘΕΣΗ ΣΤΟΥΣ ΠΡΟΚΑΡΥΩΤΙΚΟΥΣ ΟΡΓΑΝΙΣΜΟΥΣ

Φωτοσύνθεση, όπως ήδη αναφέρθηκε, γίνεται τόσο σε ορισμένα είδη βακτηρίων όσο και στα κυανοφύκη. Τα φωτοσυνθετικό βακτήρια χρησιμοποιούν μια άλλη κατηγορία χρωστικών, τις βακτηριοχλωροφύλλες. Η πορεία της φωτοσύνθεσης σ' αυτούς τους οργανισμούς είναι πιο απλή από εκείνη των ανώτερων φυτών και φυκών και σ' αυτήν χρησιμοποιείται υδρόθειο αντί για νερό. Η γενική αντίδραση της φωτοσύνθεσης στους οργανισμούς αυτούς είναι:

εικόνα

Τα παραπάνω βακτήρια ζουν κυρίως στον πυθμένα λιμνών, γιατί εκεί υπάρχει άφθονο υδρόθειο, το οποίο σχηματίζεται από την αναερόβια αναπνοή άλλων βακτηρίων. Τα κυανοφύκη φωτοσυνθέτουν όπως και τα ανώτερα φυτά.

 

Κυανοβακτήρια (είδος Nostoc).

 

εικόναΜΗΠΩΣ ΑΠΟ ΚΑΤΙ ΑΝΑΛΟΓΟ
ΧΑΘΗΚΑΝ ΟΙ ΔΕΙΝΟΣΑΥΡΟΙ;

Μπορείς να φανταστείς πώς θα ήταν το περιβάλλον μας ύστερα από την έκρηξη ενός τεράστιου ηφαιστείου ή τη σύγκρουση της Γης με ένα μετεωρίτη ή μετά από ένα πυρηνικό ολοκαύτωμα; Ένα σκοτεινό πέπλο θα σκέπαζε τη Γη, αφού θα εμποδίζονταν οι ηλιακές ακτίνες να φτάσουν σ' αυτήν. Η συσκότιση θα μπορούσε να διαρκέσει για μεγάλο χρονικό διάστημα, πράγμα που θα εμπόδιζε τη ροή ενέργειας προς τους οργανισμούς, αφού θα αδρανοποιούσε τη βάση της διαδικασίας, τη δέσμευση δηλαδή της ηλιακής ενέργειας από τους φωτοσυνθετικούς οργανισμούς. Υπάρχει ήδη εμπειρία από μικρής έκτασης τέτοια φαινόμενα, που είτε είναι αποτέλεσμα ανθρώπινων παρεμβάσεων στο περιβάλλον είτε οφείλονται σε φυσικά φαινόμενα. Διαπιστώθηκε μάλιστα ότι είχαν σοβαρές συνέπειες και επηρέασαν άμεσα τη φυτική παραγωγή. Αυτό γίνεται περισσότερο κατανοητό, αν λάβουμε υπόψη ότι η μείωση, για παράδειγμα, της θερμοκρασίας του περιβάλλοντος κατά 2°C, στη διάρκεια της περιόδου ανάπτυξης των σιτηρών, μειώνει δραστικά την παραγωγή τους. Το ίδιο βέβαια συμβαίνει και σε φυτά που δεν ενδιαφέρουν άμεσα τον άνθρωπο, αποτελούν όμως τροφή για άλλους ζωικούς οργανισμούς. Αυτό σε πολλές περιπτώσεις οδηγεί στη διαταραχή των τροφικών σχέσεων στα διάφορα οικοσυστήματα και, αν η μείωση της θερμοκρασίας του περιβάλλοντος διαρκέσει μερικά χρόνια, η όποια βελτίωση, στη συνέχεια, των περιβαλλοντικών συνθηκών θα είναι μάλλον ανώφελη για τη ζωή στον πλανήτη μας. Οι διαδικασίες δηλαδή καταστροφής των τροφικών αλυσίδων στη φωτοσυνθετική βάση τους βρίσκονται ήδη σε εξέλιξη. Ελπίζουμε ότι θα σταματήσει εγκαίρως.

ΑΣ ΣΚΕΦΤΟΥΜΕ...

Η φωτοσύνθεση γίνεται σε φυτά, φύκη και κάποιους μικροοργανισμούς. Πώς αυτή η διαδικασία μπορεί να επηρεάζει ένα σαρκοφάγο ζώο;

ΑΣ ΣΚΕΦΤΟΥΜΕ...

Ποια μπορεί να ήταν η πηγή CO2 για τους πρώτους φωτοσυνθετικούς οργανισμούς;

ΠΕΡΙΛΗΨΗ

Η φωτοσύνθεση είναι σημαντική μεταβολική διαδικασία, κατά την οποία η φωτεινή ενέργεια μετατρέπεται σε χημική.

Η φωτοσύνθεση στα φυτά γίνεται στα πράσινα μέρη τους, που είναι τα φύλλα και ο βλαστός. Στην κάτω επιδερμίδα των φύλλων βρίσκονται τα στόματα, διαμέσου των οποίων εισέρχεται το ατμοσφαιρικό CΟ2. Το Η2O εισέρχεται στις ρίζες και φτάνει στα φωτοσυνθετικά μέρη του φυτού μέσω των αγγείων.

Η δέσμευση της φωτεινής ενέργειας γίνεται από χρωστικές που βρίσκονται στα θυλακοειδή των χλωροπλαστών.

Η φωτοσύνθεση περιλαμβάνει δύο φάσεις, τη φωτεινή και τη σκοτεινή. Στη φωτεινή φάση, που γίνεται στα θυλακοειδή των χλωροπλαστών, φωτολύεται το Η2Ο και τα τελικά προϊόντα είναι NADPH, ΑΤΡ και οξυγόνο. Στη σκοτεινή φάση, που γίνεται στο στρώμα του χλωροπλάστη, δεσμεύεται το ατμοσφαιρικό CΟ2 και παράγονται τα σάκχαρα.

Διάφοροι παράγοντες, όπως η ποσότητα της χλωροφύλλης, η θερμοκρασία, το φως, το CΟ2, το Η2Ο και η συγκέντρωση ανόργανων αλάτων, επηρεάζουν την απόδοση της φωτοσύνθεσης.

Φωτοσύνθεση γίνεται και σε ορισμένα είδη βακτηρίων και στα κυανοφύκη.

ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ - ΑΣΚΗΣΕΙΣ - ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ

  1. Να σημειώσετε δίπλα από κάθε αριθμό της πρώτης στήλης, το γράμμα που αντιστοιχεί από τη δεύτερη στήλη:
    1….Καροτενοειδή        α. Παράγεται στα grana του χλωροπλάστη.
    2….Γλυκόζη               β. Απορροφά ισχυρά την πράσινη ακτινοβολία.
    3…Οξυγόνο                γ. Είναι μόριο χλωροφύλλης α.
                                      δ. Παράγεται κατά τη σκοτεινή φάση της φωτοσύνθεσης.
                                      ε. Απορροφά την μπλε ακτινοβολία ισχυρά.
  2. Ποιος είναι ο ρόλος του φωτός στη διαδικασία της φωτοσύνθεσης;
  3. Περιγράψτε τη διαδικασία της οποίας στοιχεία αναφέρονται στην εικόνα που ακολουθεί: α) σε επίπεδο οργανισμού και β) σε κυτταρικό επίπεδο

εικόνα

4. Τοποθετήστε τα στοιχεία που αναφέρονται στη συνέχεια πάνω στο διάγραμμα, ώστε να περιγράφεται σωστά η διαδικασία της φωτοσύνθεσης: CΟ2, Η2Ο, Ο2, C6H12Ο6, ΑΤΡ, ADP, NADP, NADPH.

εικόνα

  1. Πώς μπορούμε να μετρήσουμε την απόδοση της φωτοσύνθεσης; Πώς αυτή επηρεάζεται από τους παράγοντες του φυσικού περιβάλλοντος; Σχεδιάστε απλά πειράματα με τα οποία μπορούν να επιβεβαιωθούν όσα υποστηρίζετε.
  2. Σε δύο δοκιμαστικούς σωλήνες, που περιέχουν ίδια ποσότητα νερού, τοποθετούνται δύο ίδια φυτά, με τη ρίζα μέσα στο νερό. Στη συνέχεια το ένα φυτό εκτίθεται σε ερυθρό φως και το άλλο σε πράσινο. Τι θα συμβεί μετά την παρέλευση 24 ωρών; Δικαιολογήστε την απάντησή σας.

εικόνα7. Δίνεται το παρακάτω διάγραμμα. Κάθε καμπύλη από τις 1, 2, 3 παριστάνει τη συγκέντρωση σακχάρων σε ένα διαφορετικό φύλλο. Αφού το μελετήσετε προσεκτικά, απαντήστε στην ερώτηση: Ποιό από τα πράσινα φύλλα δε δεχόταν φως; Σημειώστε τη σωστή απάντηση βάζοντας σε κύκλο το γράμμα που αντιστοιχεί σ' αυτήν, α. 1, β. 2, γ. 3, δ. 1 και 2. Αιτιολογήστε την επιλογή σας.

  1. Το κυανό της βρομοθυμόλης είναι μια χρωστική που παίρνει κίτρινο χρώμα παρουσία CΟ2. Παίρνουμε δύο δοκιμαστικούς σωλήνες και βάζουμε και στους δύο διάλυμα χρωστικής. Τοποθετούμε στον καθέναν από τους σωλήνες από ένα υδρόβιο φυτό. Στη συνέχεια μεταφέρουμε τον ένα σωλήνα σε χώρο που φωτίζεται και τον άλλο σε χώρο σκοτεινό. Τι περιμένετε να συμβεί με την πάροδο του χρόνου; Αιτιολογήστε τη μεταβολή που περιμένετε να συμβεί.
  2. εικόναΤο διάγραμμα δείχνει το πώς επηρεάζεται η απόδοση της φωτοσύνθεσης από την ένταση του φωτός σε δυο διαφορετικές συγκεντρώσεις CΟ2. Η καμπύλη Α αντιστοιχεί στη χαμηλή συγκέντρωση CΟ2, ενώ η Β στην υψηλή συγκέντρωση:
    α. Ποιος παράγοντας επηρεάζει την απόδοση της φωτοσύνθεσης στις περιοχές 1, 2 και 3 του διαγράμματος;
    β. Ποιος παράγοντας θα μπορούσε να επηρεάσει την απόδοση της φωτοσύνθεσης στην περιοχή 4; Πώς θα μπορούσατε να διαπιστώσετε ότι η απάντησή σας είναι σωστή;
    γ. Σε ποια περίοδο της ημέρας θα περιμένατε η απόδοση της φωτοσύνθεσης να είναι μέγιστη;

 

  1. Στον παρακάτω πίνακα τα αποτελέσματα του πειράματος δείχνουν την επίδραση της έντασης του φωτός στο υδρόβιο φυτό Elodea (η θερμοκρασία του πειράματος διατηρούνταν σταθερή και ίση με 20°C):

    Ένταση φωτός (αυθαίρετες μονάδες) για κάθε 5 λεπτά)
    Απόδοση φωτοσύνθεσης (αριθμός φυσαλίδων οξυγόνου)
    0
    10
    20
    30
    40
    50
    60
    70
    0
    7
    14
    22
    29
    38
    43
    45

α. Να γίνει η γραφική παράσταση της απόδοσης της φωτοσύνθεσης σε συνάρτηση με την ένταση του φωτός.
β. Ποιος θα είναι ο αριθμός των φυσαλίδων για ένταση φωτός 25 μονάδων;
γ. Αν αυξηθεί η ένταση του φωτός πάνω από 75 μονάδες, τι νομίζετε ότι θα συμβεί στην απόδοση της φωτοσύνθεσης;
δ. Εξηγήστε τι θα συνέβαινε, αν επαναλαμβανόταν το πείραμα σε θερμοκρασία 30°C.
εικόναε. Ποια θεωρείτε ότι είναι η σημασία του υδρόβιου αυτού φυτού;

11. Δίνεται η παρακάτω γραφική παράσταση, η οποία δείχνει τις μεταβολές στη συγκέντρωση του CΟ2 σ' ένα χωράφι με γρασίδι κατά τη διάρκεια ενός θερμού καλοκαιρινού 24ώρου.

α. Πώς εξηγείται η ελάττωση στη συγκέντρωση του CΟ2 μεταξύ των ωρών 04:00 π.μ. και 12:00 το μεσημέρι;
β. Σε ποιο μέρος του χλωροπλάστη γίνεται η δέσμευση του CΟ2;

 

 

ΑΣ ΕΡΕΥΝΗΣΟΥΜΕ...

  1. Συλλέξτε δείγματα από μερικά είδη μικρών φυτών που φύονται σε φωτεινά μέρη και μερικά είδη που ζουν σε σκιώδεις περιοχές. Προσπαθήστε να προσδιορίσετε αν υπάρχει σημαντική διαφορά, σε ό,τι αφορά τον αριθμό των χλωροπλαστών ανά κύτταρο, στα φυτά των δύο ομάδων.
  2. Φανταστείτε ότι συμμετέχετε σε μια ερευνητική ομάδα που πρόκειται να εποικίσει έναν άγνωστο πλανήτη. Στις προθέσεις σας είναι να εγκαταστήσετε ένα ελεγχόμενο «κλειστό» οικοσύστημα (δηλαδή οικοσύστημα στο οποίο η ζωή στηρίζεται στα φυτά και στην αξιοποίηση του φωτός ως μόνης πηγής ενέργειας). Χρησιμοποιήστε τις γνώσεις σας σχετικά με τη φωτοσύνθεση, για να εξηγήσετε το πώς θα μπορούσε να λειτουργήσει αυτό το οικοσύστημα. Αναφερθείτε στο είδος των σχέσεων που θα αναπτυχθούν ανάμεσα στους οργανισμούς τους οποίους, προφανώς, θα μεταφέρετε από τη Γη στον άγνωστο πλανήτη. Ενημερώστε για όλα αυτά τους υπόλοιπους συμμαθητές σας, οι οποίοι δε θα έχουν την τύχη να «συμμετέχουν» σ' αυτή την αποστολή.
  3. Το χειμώνα, όταν αναπτύσσουμε λουλούδια και λαχανικά σε θερμοκήπια, παρατηρούμε ότι ο ρυθμός ανάπτυξής τους αυξάνεται, με την αύξηση των επιπέδων του CΟ2, κατά δύο ή τρεις φορές σε σχέση με αυτά του φυσικού περιβάλλοντος. Μπορείτε να προσδιορίσετε τη βιολογική βάση αυτού του φαινομένου και να περιγράψετε τον τρόπο λειτουργίας ενός θερμοκηπίου, με στόχο την πλήρη αξιοποίηση των δυνατοτήτων που παρέχει στον καλλιεργητή; Γράψτε μια έκθεση για την πορεία της εργασίας σας, στην οποία θα αναφέρεστε στα δεδομένα που είχατε, τις υποθέσεις που κάνατε, τα θέματα που ερευνήσατε και τον τρόπο με τον οποίο έγινε αυτό. Τέλος, καταγράψτε τα συμπεράσματά σας.