Informație

În ce tipuri de lumină nu poate fotosinteza o plantă?


Am o plantă pe birou și m-a făcut să mă întreb: Poate planta mea să folosească lumina de pe monitoarele mele pentru a fotosinteza? Dacă da, ce lumină (în afară de lumina verde, într-o anumită măsură) nu pot folosi plantele pentru a efectua fotosinteza?

Știu că plantele au pigmenți fotosintetici pentru a absorbi multe lungimi de undă diferite ale luminii (în principal roșu și albastru), dar ar exista anumite tipuri de lumină pe care nu le poate folosi?

(Apropo, planta specifică este Schlumbergera truncata)


Clorofila poate folosi o gamă destul de largă de lumină pentru fotosinteză, singurul interval în care nu funcționează este de aproximativ 500 și 620 nm. Vedeți acest spectru de adsorbție a clorofilei (din articolul Wikipedia despre clorofilă):

Lipsa clorofilei de a absorbi lumina între 500 și 620nm (aproximativ) are ca rezultat culoarea verde a frunzelor, deoarece această lumină este reflectată. Pe lângă lungimea de undă, energia luminii este importantă, astfel încât plantele vor crește mai bine în lumina soarelui decât în ​​lumina monitorului. Este interesant și acest link despre eficacitatea maximă a fotosintezei.


7.2: Reacțiile dependente de lumină ale fotosintezei

  • Contribuit de OpenStax
  • Conceptele de biologie la OpenStax CNX

Cum se poate folosi lumina pentru a face mâncare? Este ușor să ne gândim la lumină ca la ceva care există și permite organismelor vii, precum oamenii, să vadă, dar lumina este o formă de energie. La fel ca toată energia, lumina poate călători, schimba forma și poate fi valorificată pentru a face treabă. În cazul fotosintezei, energia luminii este transformată în energie chimică, pe care autotrofii o folosesc pentru a construi molecule de carbohidrați. Cu toate acestea, autotrofele folosesc doar o componentă specifică a soarelui (Figura 5.2.1).

Figura 5.2.1: Autotrofii pot captura energia luminii din soare, transformând-o în energie chimică utilizată pentru a construi molecule alimentare. (credit: modificare a lucrării de către Gerry Atwell, S.U.A. Fish and Wildlife Service)

Vizitați acest site și faceți clic prin animație pentru a vizualiza procesul de fotosinteză într-o frunză.


Ce, există trei tipuri diferite de fotosinteză?

Ca și cum fotosinteza nu ar fi fost suficient de complicată, există de fapt diferite variații ale modului în care plantele convertesc CO2 (Dioxid de carbon) la C6H12O6 (Carbohidrați). Plantele au diverse fiziologii pentru a se adapta la diferite medii de pe pământ. Lucerna, de exemplu, poate rămâne persistentă și prolifică în anumite episoade de secetă datorită rădăcinii sale profunde care poate ajuta planta să utilizeze surse de apă adâncă. Pe termen scurt, acest lucru face ca leguminoasa de lucernă să fie sensibilă la solurile slab drenate, care nu sunt foarte permeabile la apa de suprafață. Deci întrebarea pe care cineva ar putea să o pună este dacă toate plantele deșertului au rădăcini lungi? Răspunsul este nu, dar modul în care plantele deșertului conservă apa și cresc într-un climat cald și arid este prin modul în care fotosintetizează.

Cele trei tipuri principale de fotosinteză sunt C3, C4, și CAM (metabolismul acidului crassulaceu). În facultate a trebuit să memorez unele dintre căile și mecanismele lor, dar voi evidenția ceea ce oferă un avantaj față de altul și ce tipuri de culturi, furaje și buruieni au C specializate3 și C4 fotosinteză. Acest lucru ne va spune de ce se pot descurca bine în anumite clime și perioade ale anului și când ne putem aștepta ca anumite plante să fie mai abundente.

Rubisco este numele enzimei (proteinei) care „apucă” CO2 moleculă și o introduce în linia de asamblare care va crea carbohidrații. Este cunoscută ca fiind cea mai abundentă proteină din lume. Când examinăm calitatea furajelor din furajele noastre, rubisco este cel care reprezintă cea mai mare parte a valorii proteinelor din analiza furajelor. Acesta este unul dintre motivele principale pentru care frunzele sunt dorite peste tulpini în fân.

C3 fotosinteza este modul predominant în care plantele vor lua dioxid de carbon și vor produce carbohidrați. În C3 fotosinteza Rubisco ia CO2 și este redus în carbohidrați, în același loc și timp. Prin aceasta, mă refer la aceeași celulă cloroplast și în timpul zilei (soare) când stomatele sunt deschise și CO2 intră în celulă și apa iese prin aceeași deschidere. Problema cu aceasta este că are cea mai mare pierdere de apă și în perioadele fotosintetice foarte ridicate (iulie) devine stresantă pentru plantă. O altă problemă este că oxigenul este generat în timpul fotosintezei, iar oxigenul va inhiba rubisco și va încetini fotosinteza atunci când sistemul funcționează foarte repede. Pare contraintuitiv, dar încetinirea permite plantei să facă față unei cantități prea mari de lumină care ar putea provoca daune. Ai observat vreodată că ierburile din sezonul rece nu cresc prea repede în iulie și august? Ierburile de sezon rece au C3 mecanismul fotosintezei.

Acum să trecem la o parte din C4 ierburi, cunoscute și sub numele de „ierburi de sezon cald”, cum ar fi porumbul, sorgul, iarba de crab, trestia de zahăr, iarba de bermuda și coada de vulpe. Aceste plante au rubisco într-o singură celulă și au un mecanism de atragere a CO2 într-o celulă diferită care este conectată prin deschideri între celulele numite plasmodesme care leagă cele două celule între ele. Deci, ceea ce se întâmplă este că planta își poate concentra CO2 unde se află rubisco și preveniți inhibarea oxigenului cauzată în C3 mecanism. Aceste plante nu au lumina soarelui atât de mare, inhibiție din iulie. În plus, specializarea celulelor permite o utilizare cu 40% mai mică a apei pe greutate de CO2 reducere. Aceasta înseamnă doar că este cu 40% mai eficientă în utilizarea apei în medie. Există întotdeauna variații între specii. C4 plantele își pot închide parțial stomatele pentru a preveni pierderea apei și pentru că concentrează CO2 într-o zonă diferită, oxigenul nu va inhiba enzima rubisco. Acesta este unul dintre motivele majore pentru care padocurile de sezon cald sunt dorite într-o operație de pășunat prin rotație. Permite creșterea în perioada iulie și august, când este sezonul rece, C3 ierburile sunt inhibate și nu cresc în mod activ.

Iată ideea greșită că multe dicoturi (frunze late) sunt, de asemenea, C4 plante, nu sunt doar ierburile! Sedges și multe dintre speciile de Amaranthus sunt C4 plante, ele par a fi cele mai mari familii de plante din acest C4-categoria frunzei largi. Așadar, Palmer Amaranth și Spiny Amaranth, împreună cu răsadurile se descurcă excelent în iulie și august. Faptul că sunt C4 plantele ar putea contribui la acest fenomen. Știind acest lucru îi permite unui fermier să se lupte cu o buruiană înainte de a prelua un câmp atunci când o cultură dorită de sezon rece ar putea crește încet sau, probabil, latentă. Doar 1% din toate speciile de plante cunoscute au C4 metabolism și chiar mai puțin au metabolism CAM.

În cele din urmă, există fotosinteza CAM. CAM se găsește în plantele deșertice. Ce fac aceste plante este să-și deschidă stomatele noaptea pentru a permite CO2 pentru a minimiza pierderile de apă în zilele toride. CO2 se păstrează în planta vacuol sub formă de acid malic în timpul nopții. Când soarele din deșert iese, deschiderile stomatale sunt închise și CO2 este „îndepărtat & # 8221 din acidul malic pentru a fi apoi introdus în rubisco și pentru a face carbohidrați. Prin comparație, CAM este chiar mai eficient din punct de vedere al apei decât C4 este. Dacă C4 este cu 40% mai eficientă din punct de vedere al apei, CAM este cu 83% mai eficientă în comparație cu majoritatea C3 procese fotosintetice. Cactușii, multe plante suculente și ananasul au metabolism fotosintetic CAM.


Cele două părți ale fotosintezei

Fotosinteza are loc în două etape secvențiale: reacțiile dependente de lumină și reacțiile independente de lumină. În reacții dependente de lumină, energia din lumina soarelui este absorbită de clorofilă și acea energie este transformată în energie chimică stocată. În reacții independente de lumină, energia chimică recoltată în timpul reacțiilor dependente de lumină determină asamblarea moleculelor de zahăr din dioxidul de carbon. Prin urmare, deși reacțiile independente de lumină nu folosesc lumina ca reactant, ele necesită ca produsele reacțiilor dependente de lumină să funcționeze. În plus, mai multe enzime ale reacțiilor independente de lumină sunt activate de lumină. Reacțiile dependente de lumină utilizează anumite molecule pentru a stoca temporar energia: acestea sunt denumite purtători de energie. Purtătorii de energie care mută energia de la reacții dependente de lumină la reacții independente de lumină pot fi considerați ca fiind # 8220 plin și # 8221 deoarece sunt bogate în energie. După eliberarea energiei, purtătorii de energie & # 8220 vid și # 8221 revin la reacția dependentă de lumină pentru a obține mai multă energie. Figura 6 ilustrează componentele din interiorul cloroplastului în care au loc reacțiile dependente de lumină și independente de lumină.

Figura 6. Fotosinteza are loc în două etape: reacții dependente de lumină și ciclul Calvin. Reacțiile dependente de lumină, care au loc în membrana tilacoidă, folosesc energia luminii pentru a produce ATP și NADPH. Ciclul Calvin, care are loc în stromă, folosește energia derivată din acești compuși pentru a produce GA3P din CO2.

Fotosinteza la magazinul alimentar

Figura 7. Alimentele pe care oamenii le consumă provin din fotosinteză. (credit: Associação Brasileira de Supermercados)

Marile magazine alimentare din Statele Unite sunt organizate în departamente, cum ar fi lactatele, carnea, produsele, pâinea, cerealele și așa mai departe. Fiecare culoar (Figura 7) conține sute, dacă nu chiar mii, de produse diferite pe care clienții le pot cumpăra și consuma.

Deși există o mare varietate, fiecare element se leagă înapoi la fotosinteză. Carnea și produsele lactate se leagă deoarece animalele au fost hrănite cu alimente pe bază de plante. Pâinea, cerealele și pastele provin în mare parte din boabe de amidon, care sunt semințele plantelor dependente de fotosinteză. Dar deserturile și băuturile? Toate aceste produse conțin zahăr - zaharoza este un produs vegetal, o dizaharidă, o moleculă de carbohidrați, care este construită direct din fotosinteză. Mai mult, multe articole sunt mai puțin evident derivate din plante: de exemplu, produsele din hârtie sunt în general produse vegetale și multe materiale plastice (abundente ca produse și ambalaje) pot fi derivate din alge sau din petrol, resturile fosilizate ale organismelor fotosintetice. Practic, fiecare condiment și aromă din culoarul condimentului a fost produs de o plantă sub formă de frunză, rădăcină, scoarță, floare, fruct sau tulpină. În cele din urmă, fotosinteza se conectează la fiecare masă și la fiecare aliment pe care îl consumă o persoană.

În rezumat: o prezentare generală a fotosintezei

Procesul fotosintezei a transformat viața pe Pământ. Prin valorificarea energiei din soare, fotosinteza a evoluat pentru a permite ființelor vii accesul la cantități enorme de energie. Datorită fotosintezei, ființele vii au obținut acces la suficientă energie care le-a permis să construiască noi structuri și să realizeze biodiversitatea evidentă astăzi.

Doar anumite organisme, numite fotoautotrofe, pot efectua fotosinteza, necesită prezența clorofilei, un pigment specializat care absoarbe anumite porțiuni din spectrul vizibil și poate captura energia din lumina soarelui. Fotosinteza folosește dioxid de carbon și apă pentru a asambla molecule de carbohidrați și a elibera oxigenul ca produs rezidual în atmosferă. Autotrofele eucariote, cum ar fi plantele și algele, au organite numite cloroplaste în care are loc fotosinteza, iar amidonul se acumulează. La procariote, cum ar fi cianobacteriile, procesul este mai puțin localizat și are loc în membranele pliate, în extensiile membranei plasmatice și în citoplasmă.


Reacțiile dependente de lumină ale fotosintezei

Scopul general al reacțiilor dependente de lumină este de a converti energia luminii în energie chimică. Această energie chimică va fi utilizată de ciclul Calvin pentru a alimenta asamblarea moleculelor de zahăr.

Reacțiile dependente de lumină încep într-o grupare de molecule de pigment și proteine ​​numite fotosistem. Fotosistemele există în membranele tilacoidelor. O moleculă de pigment din fotosistem absoarbe câte un foton, o cantitate sau „pachet” de energie luminoasă, la un moment dat.

Un foton de energie luminoasă se deplasează până ajunge la o moleculă de pigment, cum ar fi clorofila. Fotonul face ca un electron din clorofilă să devină „excitat”. Energia dată electronului se deplasează apoi de la o moleculă de pigment la alta până ajunge la o pereche de clorofilă A molecule numite centru de reacție. Această energie excită apoi un electron din centrul de reacție, determinându-l să se elibereze și să fie transmis către acceptorul primar de electroni. Prin urmare, se spune că centrul de reacție „donează” un electron către acceptorul primar de electroni (Figura 13).

Figura 13. Energia luminii este absorbită de o moleculă de clorofilă și fotonul este trecut de-a lungul unei căi către alte molecule de clorofilă. Energia culminează cu o moleculă de clorofilă găsită în centrul de reacție. Energia „excită” unul dintre electronii săi suficient pentru a părăsi molecula și a fi transferată către un acceptor primar de electroni din apropiere. O moleculă de apă se desparte pentru a elibera un electron, care este necesar pentru a-l înlocui pe cel donat. Ionii de oxigen și hidrogen se formează, de asemenea, din divizarea apei.

Pentru a înlocui electronul din centrul de reacție, o moleculă de apă este divizată. Această divizare eliberează un electron și are ca rezultat formarea oxigenului (O2) și ioni de hidrogen (H +) în spațiul tilacoid. Din punct de vedere tehnic, fiecare rupere a unei molecule de apă eliberează o pereche de electroni și, prin urmare, poate înlocui doi electroni donați.

Înlocuirea electronului permite centrului de reacție să răspundă la un alt foton. Moleculele de oxigen produse ca subproduse își găsesc drumul către mediul înconjurător. Ionii de hidrogen joacă roluri critice în restul reacțiilor dependente de lumină.

Rețineți că scopul reacțiilor dependente de lumină este de a converti energia solară în purtători chimici care vor fi folosiți în ciclul Calvin. În eucariote, există două fotosisteme, primul se numește fotosistemul II, care este numit mai degrabă pentru ordinea descoperirii sale decât pentru ordinea funcției.

După lovirea fotonului, fotosistemul II transferă electronul liber la primul dintr-o serie de proteine ​​din membrana tilacoidă numită lanț de transport al electronilor. Pe măsură ce electronul trece de-a lungul acestor proteine, energia din electroni alimentează pompele cu membrană care mută activ ionii de hidrogen împotriva gradientului lor de concentrație din stromă în spațiul tilacoid. Acest lucru este destul de analog procesului care are loc în mitocondrie în care un lanț de transport de electroni pompează ioni de hidrogen din stroma mitocondrială de-a lungul membranei interioare și în spațiul intermembranar, creând un gradient electrochimic. După ce energia este utilizată, electronul este acceptat de o moleculă de pigment în următorul fotosistem, care se numește fotosistem I (Figura 14).

Figura 14. Din fotosistemul II, electronul excitat se deplasează de-a lungul unei serii de proteine. Acest sistem de transport al electronilor folosește energia din electron pentru a pompa ioni de hidrogen în interiorul tilacoidului. O moleculă de pigment din fotosistem I acceptă electronul.

Generarea unui transportator de energie: ATP

În reacțiile dependente de lumină, energia absorbită de lumina soarelui este stocată de două tipuri de molecule purtătoare de energie: ATP și NADPH. Energia pe care o transportă aceste molecule este stocată într-o legătură care reține un singur atom de moleculă. Pentru ATP, este un atom de fosfat, iar pentru NADPH, este un atom de hidrogen. NADH va fi discutat în continuare în legătură cu respirația celulară, care are loc în mitocondrie, unde transportă energie din ciclul acidului citric către lanțul de transport al electronilor. Când aceste molecule eliberează energie în ciclul Calvin, fiecare își pierde atomii pentru a deveni moleculele cu energie inferioară ADP și NADP +.

Acumularea ionilor de hidrogen în spațiul tilacoid formează un gradient electrochimic din cauza diferenței de concentrație a protonilor (H +) și a diferenței de încărcare pe membrană pe care o creează. Această energie potențială este recoltată și stocată ca energie chimică în ATP prin chemiosmoză, mișcarea ionilor de hidrogen în josul gradientului lor electrochimic prin enzima transmembranară ATP sintază, la fel ca în mitocondrie.

Ioniilor de hidrogen li se permite să treacă prin membrana tilacoidă printr-un complex proteic încorporat numit ATP sintază. Aceeași proteină a generat ATP din ADP în mitocondrie. Energia generată de fluxul de ioni de hidrogen permite ATP sintază să atașeze un al treilea fosfat la ADP, care formează o moleculă de ATP într-un proces numit fotofosforilare. Fluxul ionilor de hidrogen prin ATP sintază se numește chemiosmoză, deoarece ionii se deplasează dintr-o zonă de concentrație mare la scăzută printr-o structură semipermeabilă.

Generarea unui alt purtător de energie: NADPH

Funcția rămasă a reacției dependente de lumină este de a genera cealaltă moleculă purtătoare de energie, NADPH. Pe măsură ce electronul din lanțul de transport al electronilor ajunge la fotosistemul I, acesta este re-energizat cu un alt foton captat de clorofilă. Energia din acest electron conduce la formarea NADPH din NADP + și a unui ion hidrogen (H +). Acum, că energia solară este stocată în purtători de energie, poate fi utilizată pentru a produce o moleculă de zahăr.

În rezumat: Reacțiile dependente de lumină ale fotosintezei

În prima parte a fotosintezei, reacția dependentă de lumină, moleculele pigmentare absorb energia din lumina soarelui. Cel mai frecvent și mai abundent pigment este clorofila A. Un foton lovește fotosistemul II pentru a iniția fotosinteza. Energia se deplasează prin lanțul de transport al electronilor, care pompează ioni de hidrogen în spațiul tilacoid. Aceasta formează un gradient electrochimic. Ionii curg prin ATP sintază din spațiul tilacoid în stromă într-un proces numit chemiosmoza pentru a forma molecule de ATP, care sunt utilizate pentru formarea moleculelor de zahăr în a doua etapă a fotosintezei. Fotosistemul I absoarbe un al doilea foton, ceea ce duce la formarea unei molecule NADPH, un alt purtător de energie pentru reacțiile ciclului Calvin.

Întrebare practică

Descrieți calea energiei în reacțiile dependente de lumină.


Organismele fotosintetice precum plantele și algele folosesc radiații electromagnetice din spectrul vizibil pentru a conduce sinteza moleculelor de zahăr. Pigmenții speciali din cloroplastele celulelor vegetale absorb energia anumitor lungimi de undă ale luminii, provocând o reacție moleculară în lanț cunoscută sub numele de reacțiile fotosintezei dependente de lumină. Cele mai bune lungimi de undă ale luminii vizibile pentru fotosinteză se încadrează în intervalul albastru (425-450 nm) și roșu (600-700 nm). Prin urmare, cele mai bune surse de lumină pentru fotosinteză ar trebui să emită în mod ideal lumină în intervalele albastru și roșu. În acest studiu, am folosit un spectrofotometru Go Direct & reg SpectroVis & reg Plus cu o fibră optică Vernier Spectrophotometer și LabQuest 2 pentru a colecta spectre din patru surse de lumină diferite. Acest lucru ne-a permis să determinăm lungimile de undă emise de fiecare sursă și să ne facem o idee despre intensitățile lor relative.

Lungimile de undă ale luminii în afara domeniilor roșu și albastru nu sunt utilizate de majoritatea plantelor și pot contribui la acumularea de căldură în țesuturile plantelor. Această căldură poate deteriora plantele și chiar poate interfera cu fotosinteza. Pentru a identifica sursa de lumină ideală pentru studiile de fotosinteză, am comparat spectrul de ieșire sau emisie a patru becuri de tip E27 diferite în aceeași lampă de birou: a) bec incandescent de 60 W, b) bec halogen de 35 W, c) echivalent de 28 W „Bec de plante” cu LED (6-9 W) și d) Bec cu lumină fluorescentă compactă (CFL) de 13 W. Fiecare lumină a fost măsurată la o distanță standard de 50 cm.

Intensitatea relativă a luminii a patru becuri din spectrul vizibil

Pe baza rezultatelor noastre, cel mai bun bec pentru promovarea fotosintezei la plante a fost becul pentru plante LED. Acest bec produce o putere puternică atât în ​​lungimea de undă albastră, cât și în cea roșie, cu foarte puțină lumină suplimentară în alte regiuni pentru a provoca acumularea de căldură. Toate celelalte surse de lumină au avut o putere foarte mică în gama albastră. Becurile cu halogen și cu incandescență au o gamă extrem de largă de ieșire de la verde la adânc în porțiunea roșie a spectrului, dar cu puțin sau nimic în gama albastră. Cea mai puțin potrivită lampă pentru fotosinteză a fost becul CFL. Deși a emis o lumină atât în ​​intervalul albastru, cât și în cel roșu (cu mai multe vârfuri între ele), intensitatea acestui bec a fost cea mai slabă în comparație cu toate celelalte lămpi. Luminile LED pentru plante sunt disponibile de la o varietate de comercianți online și magazine de casă și grădină. Au devenit foarte accesibile și funcționează bine pentru experimente care investighează fotosinteza.

Despre noi
Conecteaza-te cu noi

Obțineți experimente gratuite, idei inovatoare de laborator, anunțuri despre produse, actualizări de software, evenimente viitoare și acordați resurse.

Prezentare generală a confidențialității

Acest site web folosește cookie-uri pentru a vă îmbunătăți experiența în timp ce navigați prin site. Dintre aceste cookie-uri, cookie-urile clasificate ca fiind necesare sunt stocate în browserul dvs., deoarece sunt esențiale pentru funcționarea funcționalităților de bază ale site-ului web. De asemenea, folosim cookie-uri terțe care ne ajută să analizăm și să înțelegem modul în care utilizați acest site web. Aceste cookie-uri vor fi stocate în browser-ul dvs. numai cu acordul dumneavoastră. De asemenea, aveți opțiunea de a renunța la aceste cookie-uri. Dar renunțarea la unele dintre aceste cookie-uri poate avea un efect asupra experienței dvs. de navigare.

CookieTipDuratăDescriere
Chatraterț1 săptămânăFolosit pentru widgetul de chat
CloudFlare (__cfduid)persistent1 lunăFolosit de serviciul CloudFlare pentru limitarea tarifelor
Consimțământul cookie-ului: necesarsesiune12 oreFolosit pentru a păstra răspunsul la consimțământul cookie-urilor pentru cookie-urile necesare
Consimțământul cookie-urilor: nu este necesarpersistent1 anFolosit pentru a păstra răspunsul la consimțământul cookie-urilor pentru cookie-urile care nu sunt necesare
Consimțământul cookie-urilor: Politica privind cookie-urile vizualizatăpersistent1 anFolosit pentru a vă aminti dacă utilizatorul a văzut politica privind cookie-urile
Facebook Pixelterț3 luniFolosit pentru a urmări clicurile și trimiterile care vin prin intermediul anunțurilor Facebook și Facebook.
Google Analytics (_ga)persistent2 aniFolosit pentru a distinge utilizatorii pentru Google Analytics
Google Analytics (_gat)persistent1 minutFolosit pentru a limita rata de solicitare a Google Analytics
Google Analytics (_gid)persistent24 de oreFolosit pentru a distinge utilizatorii pentru Google Analytics
Analize HubSpotterțVariazăFolosit pentru a urmări setările de consimțământ și confidențialitate legate de HubSpot.
Sesiune PHPsesiunesesiuneFolosit pentru a stoca rezultatele API pentru o performanță mai bună
WooCommerce: Coștemporarsesiune Ajută WooCommerce să stabilească când se modifică conținutul / datele coșului.
WooCommerce: articole din coșsesiunesesiune Ajută WooCommerce să stabilească când se modifică conținutul / datele coșului.
WooCommerce: sesiunepersistent2 zile Ajută WooCommerce prin crearea unui cod unic pentru fiecare client, astfel încât să știe unde să găsească datele despre coș în baza de date pentru fiecare client.
WordPress: sesiune de conectarepersistent, sesiuneSesiune sau 2 săptămâni (dacă clicurile utilizatorului amintește-mă)Folosit de WordPress pentru a indica faptul că un utilizator este conectat la site
WordPress: Detalii de cont securizatepersistent, sesiuneSesiune sau 2 săptămâni dacă utilizatorul a ales să-și amintească datele de conectareFolosit de WordPress pentru a stoca în siguranță detaliile contului
WordPress: Test CookiesesiuneSesiuneFolosit de WordPress pentru a verifica dacă browserul acceptă cookie-uri

Cookie-urile necesare sunt absolut esențiale pentru ca site-ul web să funcționeze corect. Această categorie include doar cookie-uri care asigură funcționalități de bază și caracteristici de securitate ale site-ului web. Aceste cookie-uri nu stochează nicio informație personală.

Orice cookie-uri care pot să nu fie deosebit de necesare pentru funcționarea site-ului web și sunt utilizate în mod special pentru a colecta date personale ale utilizatorilor prin analize, reclame, alte conținuturi încorporate sunt denumite cookie-uri ne-necesare.


În ce tipuri de lumină nu poate fotosinteza o plantă? - Biologie

PARTEA II. PILOTE: CHIMIE, CELULE ȘI METABOLISM

7. Căi biochimice-fotosinteză

7.3. Căile metabolice ale fotosintezei

Este o idee bună să începeți cu cea mai simplă descriere și să adăugați straturi de înțelegere pe măsură ce mergeți la niveluri suplimentare. Prin urmare, această discuție despre fotosinteză este împărțită în două niveluri:

1. o descriere fundamentală și

Întrebați instructorul dvs. ce nivel este necesar pentru cursul de studiu.

Descriere fundamentală

Evenimente de captare a luminii

Energia luminii este utilizată pentru a conduce fotosinteza în timpul evenimentelor de captare a luminii. Lumina vizibilă este o combinație de multe lungimi de undă diferite ale luminii, văzute ca culori diferite. Unele dintre aceste culori apar atunci când lumina albă este separată în culorile sale pentru a forma un curcubeu. Culorile spectrului electromagnetic care furnizează energia pentru fotosinteză sunt corelate cu diferite tipuri de pigmenți care absorb absorbția de lumină. Clorofilele verzi sunt cele mai familiare și abundente. Există mai multe tipuri de pigment. Cele două tipuri cele mai comune sunt clorofila a și clorofila b. Ambele absorb puternic porțiunile roșii și albastre ale spectrului electromagnetic, deși în porțiuni ușor diferite ale spectrului (figura 7.4).

Clorofilele reflectă lumina verde. De aceea, vedem plantele care conțin clorofilă ca fiind predominant verzi. Alți pigmenți obișnuiți în plante se numesc pigmenți accesorii. Acestea includ carotenoizii (galben, roșu și portocaliu). Acestea absorb cea mai mare parte lumină albastră și albastru-verde în timp ce reflectă portocalele și galbenele. Prezența acestor pigmenți este în general mascată de prezența clorofilei, dar în toamnă, când clorofila se dezintegrează, roșii, portocalii și galbeni se manifestă. Pigmenții accesorii sunt, de asemenea, responsabili pentru culorile strălucitoare ale legumelor, cum ar fi morcovii, roșiile, vinetele și ardeii. Bacteriile fotosintetice și diferitele specii de alge au alte tipuri de pigmenți accesorii care nu se găsesc în plante. Având o combinație de diferiți pigmenți, fiecare dintre care absoarbe o porțiune din spectrul luminii care îl lovește, permite organismului să capteze o mare parte din lumina vizibilă care cade pe el.

FIGURA 7.4. Spectrul electromagnetic, lumina vizibilă și clorofila

Lumina este o formă de energie electromagnetică despre care se poate considera că apare în unde. Clorofila absoarbe lumina cel mai puternic în porțiunea albastră și roșie a spectrului electromagnetic, dar slab în porțiunile verzi. Cu cât lungimea de undă este mai mică, cu atât conține mai multă energie. Oamenii sunt capabili să vadă doar unde care au între 400 și 740 nanometri (nm) lungime.

Orice celulă cu cloroplaste poate continua fotosinteza. Cu toate acestea, în majoritatea plantelor, frunzele sunt specializate pentru fotosinteză și conțin celule care au un număr mare de cloroplaste (figura 7.5).

FIGURA 7.5. Fotosinteza și structura unei frunze de plante

Frunzele plantelor sunt compuse din straturi de celule care conțin cloroplaste, care conțin clorofilă.

Cloroplastele sunt organite închise cu membrană care conțin multe pungi subțiri, aplatizate, care conțin clorofilă. Aceste pungi care conțin clorofilă sunt numite tilacoide și un număr dintre aceste tilacoide stivuite împreună este cunoscut sub numele de granum. Pe lângă clorofilă, tilacoidele conțin pigmenți accesori, molecule de transport de electroni și enzime. Amintiți-vă că spațiile pline de lichid dintre grana sunt numite stroma cloroplastului. Structura cloroplastului este direct legată atât de captarea luminii, cât și de etapele de conversie a energiei din fotosinteză. În evenimentele de captare a luminii, pigmenții (de exemplu, clorofila), care sunt încorporați în membranele tilacoidelor, captează energia luminii și unii dintre electronii pigmenților devin excitați. Clorofilele și alți pigmenți implicați în captarea energiei solare și stocarea acesteia sunt aranjați în grupuri numite fotosisteme. Prin gruparea pigmenților, fotosistemele servesc drept mecanisme de colectare a energiei sau de concentrare energetică, care permit colectarea luminii mai eficientă și excită electronii la niveluri mai ridicate de energie.

Un rezumat fundamental al evenimentelor de captare a luminii

fotoni de energie luminoasă → electroni excitați din clorofilă

Reacții dependente de lumină

Reacțiile de fotosinteză dependente de lumină au loc și în membranele tilacoide din interiorul cloroplastului. Electronii excitați de la evenimentele de captare a luminii sunt transmise moleculelor de proteine ​​din membrana tilacoidă. Electronii sunt trecuți printr-o serie de etape de transport ale electronilor, care au ca rezultat pomparea protonilor în cavitatea tilacoidului. Când protonii trec înapoi prin membrană către exteriorul tilacoidului, se produce ATP. Acest lucru este foarte similar cu reacțiile care se întâmplă în sistemul de transport al electronilor (ETS) al respirației celulare aerobe. În plus, clorofila care tocmai și-a pierdut electronii din sistemul de transport al electronilor al cloroplastului recâștigă electronii din moleculele de apă. Acest lucru are ca rezultat producerea de ioni de hidrogen, electroni și oxigen gazos. Următorul eveniment de captare a luminii va excita acest nou electron și îl va trimite de-a lungul sistemului de transport al electronilor. Pe măsură ce electronii se mișcă prin sistemul de transport al electronilor, coenzima NADP + preia electronii și este redusă la NADPH. Ionii de hidrogen se atașează deoarece, atunci când NADP + acceptă electroni, acesta devine încărcat negativ (NADP -). H + încărcat pozitiv este atras de NADP încărcat negativ -. Oxigenul rămas din divizarea moleculelor de apă este eliberat în atmosferă sau poate fi utilizat de celulă în respirația celulară aerobă, care are loc în mitocondriile celulelor vegetale. Moleculele ATP și NADPH se deplasează de la grana, unde au loc reacțiile dependente de lumină, la stroma, unde au loc reacțiile independente de lumină.

Un rezumat fundamental a reacțiilor dependente de lumină

electroni excitați + H2O + ADP + NADP + → ATP + NADPH + O2

Reacții independente de lumină

ATP și NADPH furnizează energie, electroni și hidrogeni necesari pentru a construi molecule organice mari. Reacțiile independente de lumină sunt o serie de reacții de reducere a oxidării, care combină hidrogenul din apă (transportat de NADPH) cu dioxidul de carbon din atmosferă pentru a forma molecule organice simple, cum ar fi zahărul. Ca CO2 difuzează în cloroplaste, enzima Ribuloză-1,5-bisfosfat carboxilază oxigenază (RuBisCO) accelerează combinarea CO2 cu un zahăr de 5 carbon deja prezent, ribuloza. NADPH își donează apoi hidrogenii și electronii pentru a finaliza reducerea moleculei. Molecula 6-carbon rezultată este imediat împărțită în două molecule 3-carbon de gliceraldehidă-3-fosfat. Unele dintre moleculele de gliceraldehidă-3-fosfat sunt transformate printr-o altă serie de reacții în ribuloză. Astfel, aceste reacții constituie un ciclu, în care se adaugă dioxid de carbon și hidrogeni și se produc gliceraldehidă-3-fosfat și ribuloza originală cu 5 carbon. Planta poate folosi surplus de gliceraldehidă-3-fosfat pentru sinteza glucozei. Planta poate utiliza, de asemenea, gliceraldehidă-3-fosfat pentru a construi o mare varietate de alte molecule organice (de exemplu, proteine, acizi nucleici), cu condiția să existe câteva materii prime suplimentare, cum ar fi minerale și molecule care conțin azot (figura 7.6).

FIGURA 7.6. Fotosinteza: descriere fundamentală

Procesul de fotosinteză implică evenimente de captare a luminii de către clorofilă și alți pigmenți. Electronii excitați sunt utilizați în reacțiile dependente de lumină pentru a împărți apa, eliberând hidrogen și oxigen. Hidrogenii sunt preluați de NADP + pentru a forma NADPH și oxigenul este eliberat. Electronii excitați sunt, de asemenea, utilizați pentru a produce ATP. ATP și NADPH părăsesc tilacoidul și intră în stroma cloroplastului, unde sunt utilizate în reacțiile independente de lumină pentru a încorpora dioxidul de carbon în moleculele organice. În timpul reacțiilor independente de lumină, dioxidul de carbon este adăugat la o moleculă de ribuloză cu 5 carbon pentru a forma un compus cu 6 carbon, care se împarte în gliceraldehidă-3-fosfat. O parte din gliceraldehidă-3-fosfat este utilizată pentru regenerarea ribulozei, iar altele este folosită pentru a produce alte molecule organice. ADP și NADP + eliberate din stadiul reacțiilor independente de lumină revin la tilacoid pentru a fi utilizate din nou în sinteza ATP și NADPH. Prin urmare, fiecare etapă este dependentă de cealaltă.

Un rezumat fundamental al reacțiilor independente de lumină

Evenimente de captare a luminii

Energia luminii vine în pachete discrete, numite fotoni. Fotonii de lumină având lungimi de undă diferite au cantități diferite de energie. Un foton de lumină roșie are o cantitate diferită de energie decât un foton de lumină albastră. Pigmenții de diferite tipuri sunt capabili să absoarbă fotonii de anumite lungimi de undă ale luminii. Clorofila absoarbe cel mai bine lumina roșie și albastră și reflectă lumina verde. Când o moleculă de clorofilă este lovită și absoarbe un foton cu lungimea de undă corectă, electronii săi sunt excitați la un nivel de energie mai mare. Acest electron este înlocuit atunci când clorofila ia un electron dintr-o moleculă de apă. Electronul excitat continuă să formeze ATP. Reacțiile care au ca rezultat producerea de ATP și divizarea apei au loc în tilacoidele cloroplastelor. Există multe molecule diferite implicate și majoritatea sunt încorporate în membrana tilacoidului. Diferitele molecule implicate în aceste reacții sunt denumite fotosisteme. Un fotosistem este compus din (1) un complex de antene, (2) un centru de reacție și (3) alte enzime necesare pentru a stoca energia luminii ca ATP și NADPH.

Complexul de antene este o rețea de sute de clorofilă și molecule de pigment accesorii, al căror rol este de a captura fotonii de energie luminoasă și de a transfera energia către o porțiune specializată a fotosistemului cunoscută sub numele de centrul de reacție. Când lumina strălucește pe complexul antenei și lovește o moleculă de clorofilă, un electron devine excitat. Energia electronului excitat este transmisă de la un pigment la altul prin rețeaua complexă de antene. Această serie de excitații continuă până când energiile combinate din mai multe excitații sunt transferate în centrul de reacție, care constă dintr-un complex de clorofilă a și molecule de proteine. Un electron este excitat și trecut la o moleculă primară de acceptori de electroni, oxidând clorofila și reducând acceptorul. În cele din urmă, clorofila oxidată are apoi electronul înlocuit cu un alt electron de la un alt donator de electroni. Exact de unde provine acest electron de înlocuire este baza pe care au fost identificate două fotosisteme diferite - fotosistemul I și fotosistemul II, care vor fi discutate în secțiunea următoare.

Rezumatul descrierii detaliate a reacțiilor de captare a luminii

1. Ele au loc în tilacoidele cloroplastului.

2. Clorofila și alți pigmenți ai complexului antenei captează energia luminii și produc electroni excitați.

3. Energia este transferată în centrul de reacție.

4. Electronii excitați din centrul de reacție sunt transferați către o moleculă primară de acceptori de electroni.

Reacții dependente de lumină

Ambele fotosisteme I și II au complexe de antene și centre de reacție și furnizează electroni excitați acceptorilor de electroni primari. Cu toate acestea, fiecare are enzime ușor diferite și alte proteine ​​asociate, deci fiecare face o treabă ușor diferită. În realitate, fotosistemul II apare mai întâi și își alimentează electronii excitați în fotosistemul I (figura 7.7). O caracteristică specială a fotosistemului II este că există o enzimă în membrana tilacoidă responsabilă pentru divizarea moleculelor de apă (H2O → 2H + O). Oxigenul este eliberat ca O2 iar electronii hidrogenilor sunt folosiți pentru a înlocui electronii care fuseseră pierduți de clorofilă. Restul de ioni de hidrogen (protoni) sunt eliberați pentru a participa la alte reacții. Astfel, într-un anumit sens, energia luminii prinse de complexul antenei este utilizată pentru a împărți apa în H și O. Electronii excitați din fotosistemul II sunt trimiși printr-o serie de reacții de transport de electroni, în care renunță la o parte din energia lor . Acest lucru este similar cu sistemul de transport al electronilor al respirației celulare aerobe. După trecerea prin sistemul de transport al electronilor, electronii sunt acceptați de moleculele de clorofilă din fotosistemul I. În timp ce se desfășoară activitatea de transport a electronilor, protonii sunt pompați din stromă în spațiul din interiorul tilacoidului. În cele din urmă, acești protoni se mișcă înapoi peste membrană. Când o fac, ATPaza este utilizată pentru a produce ATP (ADP este fosforilat pentru a produce ATP). Astfel, un al doilea rezultat al acestui proces este că energia luminii solare a fost utilizată pentru a produce ATP.

FIGURA 7.7. Photosystems II și I și modul în care interacționează: descriere detaliată

Deși energia luminii lovește și este absorbită atât de fotosistemul II, cât și de I, ce se întâmplă și cum se interconectează nu sunt aceleași. Observați că electronii eliberați din fotosistemul II ajung în moleculele de clorofilă ale fotosistemului I. Electronii care îi înlocuiesc pe cei „excitați” din centrul de reacție din fotosistemul II provin din apă.

Conexiunea dintre fotosistemul II și fotosistemul I implică transferul de electroni din fotosistemul II în fotosistemul I. Acești electroni sunt importanți deoarece fotonii (din lumina soarelui) sunt electroni excitați în centrul de reacție al fotosistemului I și electronii din fotosistemul II îi înlocuiesc pe cei pierduți din fotosistemul I.

În fotosistemul I, lumina este prinsă și energia este absorbită în același mod ca în fotosistemul II. Cu toate acestea, acest sistem nu are enzima implicată în divizarea apei, prin urmare, nu are O2este eliberat din fotosistemul I. Electronii cu energie ridicată care părăsesc centrul de reacție al fotosistemului I își fac drum printr-o serie diferită de reacții de reducere a oxidării. În timpul acestor reacții, electronii sunt preluați de NADP +, care este redus la NADPH (revedeți figura 7.7). Astfel, rezultatul principal al fotosistemului I este producția de NADPH.

Rezumatul descrierii detaliate a reacțiilor dependente de lumină ale fotosintezei

1. Ele au loc în tilacoidele cloroplastului.

2. Electronii excitați din fotosistemul II sunt trecuți printr-un lanț de transport al electronilor și intră în cele din urmă în fotosistemul I.

3. Sistemul de transport al electronilor este utilizat pentru a stabili un gradient de protoni, care produce ATP.

4. Electronii excitați din fotosistemul I sunt transferați la NADP + pentru a forma NADPH.

5. În fotosistemul II, o enzimă împarte apa în hidrogen și oxigen. Oxigenul este eliberat ca O2.

6. Electronii din hidrogenul apei înlocuiesc electronii pierduți de clorofilă în fotosistemul II.

Reacții independente de lumină

Reacțiile independente de lumină au loc în stroma cloroplastului. Materialele necesare reacțiilor independente de lumină sunt ATP, NADPH, CO2și o moleculă de pornire cu 5 carbon numită ribuloză. Primele două ingrediente (ATP și NADPH) sunt puse la dispoziție din reacțiile dependente de lumină, fotosistemele II și I. Moleculele de dioxid de carbon provin din atmosferă, iar molecula de pornire a ribulozei este deja prezentă în stroma cloroplastului din reacțiile anterioare. .

Se spune că dioxidul de carbon suferă fixarea carbonului prin ciclul Calvin (numit după descoperitorul său, Melvin Calvin). În ciclul Calvin, ATP și NADPH din reacțiile dependente de lumină sunt utilizate, împreună cu dioxidul de carbon, pentru a sintetiza molecule organice mai mari. As with most metabolic pathways, the synthesis of organic molecules during the light-independent reactions requires the activity of several enzymes to facilitate the many steps in the process. The fixation of carbon begins with carbon dioxide combining with the 5-carbon molecule ribulose to form an unstable 6-carbon molecule. This reaction is carried out by the enzyme Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase oxygenase (RuBisCO), reportedly the most abundant enzyme on the planet. The newly formed 6-carbon molecule immediately breaks down into two 3-carbon molecules, each of which then undergoes a series of reactions involving a transfer of energy from ATP and a transfer of hydrogen from NADPH. The result of this series of reactions is two glyceraldehyde-3-phosphate molecules. Because glyceraldehyde-3-phosphate contains 3 carbons and is formed as the first stable compound in this type of photosynthesis, this is sometimes referred to as the C3 photosynthetic pathway. Some of the glyceraldehyde-3-phosphate is used to synthesize glucose and other organic molecules, and some is used to regenerate the 5-carbon ribulose molecule, so this pathway is a cycle (figure 7.8). Outlooks 7.1 describes some other forms of photosynthesis that do not use the C3 pathway.

FIGURE 7.8. The Calvin Cycle: Detailed Description

During the Calvin cycle, ATP and NADPH from the light-dependent reactions are used to attach CO2 to the 5-carbon ribulose molecule.

The 6-carbon molecule formed immediately breaks down into two 3-carbon molecules. Some of the glyceraldehyde-3-phosphate formed is used to produce glucose and other, more complex organic molecules. In order to accumulate enough carbon to make a new glucose molecule, the cycle must turn six times. The remaining glyceraldehyde-3-phosphate is used to regenerate the 5-carbon ribulose to start the process again.

Summary of Detailed Description of the Reactions of the Light-Independent Events

1. They take place in the stroma of chloroplasts:

2. ATP and NADPH from the light-dependent reactions leave the grana and enter the stroma.

3. The energy of ATP is used in the Calvin cycle to combine carbon dioxide to a 5-carbon starter molecule (ribulose) to form a 6-carbon molecule.

4. The 6-carbon molecule immediately divides into two 3-carbon molecules of glyceraldehyde-3-phosphate.

5. Hydrogens from NADPH are transferred to molecules in the Calvin cycle.

6. The 5-carbon ribulose is regenerated.

7. ADP and NADP + are returned to the light-dependent reactions.

The Evolution of Photosynthesis

It is amazing that the processes of photosynthesis in prokaryotes and eukaryotes are so similar. The evolution of photosynthesis goes back over 3 billion years, when all life on Earth was prokaryotic and occurred in organisms that were aquatic. (There were no terrestrial organisms at the time.) Today, some bacteria perform a kind of photosynthesis that does not result in the release of oxygen. In general, these bacteria produce ATP but do not break down water to produce oxygen. Perhaps these are the descendents of the first organisms to carry out a photosynthetic process, and oxygen-releasing photosynthesis developed from these earlier forms of photosynthesis.

Evidence from the fossil record shows that, beginning approximately 2.4 billion years ago, oxygen was present in the atmosphere. Eukaryotic organisms had not yet developed, so the organisms responsible for producing this oxygen would have been prokaryotic. Today, many kinds of cyanobacteria perform photosynthesis in essentially the same way as plants, although they use a somewhat different kind of chlorophyll. As a matter of fact, it is assumed that the chloroplasts of eukaryotes are evolved from photosynthetic bacteria. Initially, the first eukaryotes to perform photosynthesis would have been various kinds of algae. Today, certain kinds of algae (red algae, brown algae, green algae) have specific kinds of chlorophylls and other accessory pigments different from the others. Because the group known as the green algae has the same chlorophylls as plants, it is assumed that plants are derived from this aquatic group.

The evolution of photosynthesis did not stop once plants came on the scene, however. Most plants perform photosynthesis in the manner described in this chapter. Light energy is used to generate ATP and NADPH, which are used in the Calvin cycle to incorporate carbon dioxide into glyceraldehyde-3-phosphate. Because the primary product of this form of photosynthesis is a 3-carbon molecule of glyceraldehyde-3-phosphate, it is often called C3 photosynthesis. Among plants, there are two interesting variations of photosynthesis, which use the same basic process but add interesting twists.

C4 photosynthesis is common in plants like grasses, such as corn (maize), crabgrass, and sugarcane that are typically subjected to high light levels. In these plants, carbon dioxide does not directly enter the Calvin cycle. Instead, the fixation of carbon is carried out in two steps, and two kinds of cells participate. It appears that this adaptation allows plants to trap carbon dioxide more efficiently from the atmosphere under high light conditions. Specialized cells in the leaf capture carbon dioxide and convert a 3-carbon compound to a 4-carbon compound. This 4-carbon compound then releases the carbon dioxide to other cells, which use it in the normal Calvin cycle typical of the light-independent reactions. Because a 4-carbon molecule is formed to "store" carbon, this process is known as C4 photosynthesis.

Another variation of photosynthesis is known as Crassulacean acid metabolism (CAM), because this mechanism was first discovered in members of the plant family, Crassulaceae. (A common example, Crassula, is known as the jade plant.) CAM photosynthesis is a modification of the basic process of photosynthesis that allows photosynthesis to occur in arid environments while reducing the potential for water loss. In order for plants to take up carbon dioxide, small holes in the leaves (stomata) must be open to allow carbon dioxide to enter. However, relative humidity is low during the day and plants would tend to lose water if their stomates were open. CAM photosynthesis works as follows: During the night, the stomates open and carbon dioxide can enter the leaf. The chloroplasts trap the carbon dioxide by binding it to an organic molecule, similar to what happens in C4 plants. The next morning, when it is light (and drier), the stomates close. During the day, the chloroplasts can capture light and run the light-dependent reactions. They then use the carbon stored the previous night to do the light-independent reactions.

Glyceraldehyde-3-Phosphate: The Product of Photosynthesis

The 3-carbon glyceraldehyde-3-phosphate is the actual product of the process of photosynthesis. However, many textbooks show the generalized equation for photosynthesis as

making it appear as if a 6-carbon sugar (hexose) were the end product. The reason a hexose (C6H12O6) is usually listed as the end product is simply because, in the past, the simple sugars were easier to detect than was glyceraldehyde-3-phosphate.

Several things can happen to glyceraldehyde-3-phosphate. If a plant goes through photosynthesis and produces 12 glyceraldehyde-3-phosphates, 10 of the 12 are rearranged by a series of complex chemical reactions to regenerate the 5-carbon ribulose needed to operate the light-independent reactions stage. The other two glyceraldehyde-3-phosphates can be considered profit from the process. The excess glyceraldehyde-3-phosphate molecules are frequently changed into a hexose. So, the scientists who first examined photosynthesis chemically thought that sugar was the end product. It was only later that they realized that glyceraldehyde-3-phosphate is the true end product of photosynthesis.

Cells can do a number of things with glyceraldehyde-3-phosphate, in addition to manufacturing hexose (figure 7.9). Many other organic molecules can be constructed using glyceraldehyde-3-phosphate. Glyceraldehyde-3-phosphate can be converted to glucose molecules, which can be combined to form complex carbohydrates, such as starch for energy storage or cellulose for cell wall construction. In addition, other simple sugars can be used as building blocks for ATP, RNA, DNA, and other carbohydrate-containing materials.

FIGURE 7.9. Uses for Glyceraldehyde-3-Phosphate

The glyceraldehyde-3-phosphate that is produced as the end product of photosynthesis has a variety of uses. The plant cell can make simple sugars, complex carbohydrates, or even the original 5-carbon starter from it. The glyceraldehyde-3-phosphate can also serve as an ingredient of lipids and amino acids (proteins). In addition, it is a major source of metabolic energy provided from aerobic respiration in the mitochondria of plant cells.

The cell can also convert the glyceraldehyde-3- phosphate into lipids, such as oils for storage, phospholipids for cell membranes, or steroids for cell membranes. The glyceraldehyde-3-phosphate can serve as the carbon skeleton for the construction of the amino acids needed to form proteins. Almost any molecule that a green plant can manufacture begins with this glyceraldehyde-3-phosphate molecule. Finally, glyceraldehyde-3-phosphate can be broken down during cellular respiration. Cellular respiration releases the chemical-bond energy from glyceraldehyde-3-phosphate and other organic molecules and converts it into the energy of ATP. This conversion of chemical-bond energy enables the plant cell and the cells of all organisms to do things that require energy, such as grow and move materials (Outlooks 7.2).

Even More Ways to Photosynthesize

Having gone through the information on photosynthesis, you might have thought that this was the only way for this biochemical pathway to take place. However, there are many prokaryotes capable of carrying out photosynthesis using alternative pathways. These Bacteria and Archaea have light-capturing pigments, but they are not the same as plant chlorophylls or the accessory pigments. The range of light absorption differs, allowing many of these Bacteria and Archaea to live in places unfriendly to plants. Some forms of photosynthetic bacteria do not release oxygen, but rather release other by-products such as H2, H2S, S, or organic compounds. Table 7.1 compares some of the most important differences between eukaryotic and prokaryotic photosynthesis.


Choosing the right plant for your available light

Before getting a plant or starting seeds, determine the quality and hours of natural light in your space. Then choose plants with light requirements that match your indoor environment.

While a plant may tolerate lower light growing conditions, more light may be required to promote dense foliage and flowering.

Low light

(PPF: 50-150 umol m-2s-1 / 50-250 foot-candles / 10-15 watts)

  • A low-light plant would be suitable for a north window or a fairly dark corner.
  • Low-light plants require little to no direct light. In their native growing environments, these plants are “understory plants” meaning they grow underneath the branches of larger plants.
  • Low lighting is not sufficient for starting seeds indoors.
  • In environments with less light, plants grow more slowly and use less water. Avoid overwatering by feeling the soil.

Medium light

(PPF: 150-250 umol m-2s-1 / 250-1,000 foot-candles / 15-20 watts)

  • A medium-light plant would be suitable for east-facing windows or located near a west-facing window, but out of direct light.
  • You would need artificial lighting for starting seeds in medium light.
  • Like the low light plants, these plants will not dry out as quickly. Avoid overwatering by feeling the soil.

High light

(PPF: 250-450 umol m-2s-1 / more than 1,000 foot-candles, more than 20 watts)

  • A high-light plant would be suitable for brightly lit locations such as south- or southwest-facing windows.
  • You may be able to start seeds without artificial lighting, but seeds that need more time indoors, such as tomatoes and peppers, may become leggy without extra light.
  • High-light areas can be warm, making plants dry out faster. Check these plants more frequently and water when soil is dry.

Houseplants for different indoor light conditions

Just like choosing plants for sunny or shady areas of your outdoor garden, it’s important to choose plants that will grow in the existing light conditions indoors. And you may decide to add artificial grow lights to increase light energy to your plants.

The following houseplants are listed under the light conditions that provide the best indoor growing environment.

Low light is often loosely described as a light level "bright enough to read a newspaper." Most low-light plants are grown for their foliage, not flowers.

A low-light plant would be suitable for a north window or a fairly dark corner. In their native growing environments, these plants are "understory plants" meaning they grow underneath the branches of larger plants.

  • Chinese evergreen (Aglaonema)
  • Cast iron plant (Aspidistra)
  • Ponytail palm (Beaucarnea recurvata)
  • Parlor palm (Chamaedorea)
  • Dumb cane (Dieffenbachia)
  • Dracaena
  • English ivy (Hedera helix)
  • Sentry or kentia palm (HoweiA)
  • Homalomena
  • Pothos (Epipremnum)
  • Philodendron
  • Lady palm (Rhapis excelsa)
  • Snake plant (Dracaena trifasciata formerly Sansevieria trifasciata)
  • Peace lily (Spathiphyllum)
  • Arrowhead plant (Syngonium)
  • Zee zee plant (Zamioculcas)

These plants grow well indoors in areas that are well-lit such as in east-facing windows or near a west-facing window, but out of direct sunlight. You’ll often find medium-light plants in spaces where fluorescent lights are on all day such as an office building.

    (Hippeastrum)
  • Elephant ear (Alocasia)
  • Norfolk Island pine (Araucaria)
  • Asparagus fern (Sparanghel)
  • Rubber plant (Ficus elastica)
  • Fiddleleaf fig and weeping fig (Ficus)
  • Begonias (Begonia)
  • Spider plant (Chlorophytum)
  • Grape ivy (Cissus)
  • Aucuba leaf (Aucuba Japonica)
  • Croton (Codiaeum)
  • Jade plant (Crassula)
  • Flame violet (Episcia)
  • Schefflera (Schefflera)
  • Wax plant and Hindu rope plant (Hoya)
  • Peperomia (Peperomia)

High light areas are brightly lit locations such as south- or southwest-facing windows. As a rule of thumb, most plants grown for their flowers require high-light growing conditions.

Adding artificial lighting

Artificial lighting can be added to make up for the lack of natural sunlight. Once you have an idea of the available light in your space and the plants you’d like to grow, you may decide to add supplemental lighting.

The most common types of lighting include LED and fluorescent bulbs, but you may see incandescent and high-pressure sodium bulbs when shopping around. There are pros and cons to using each type, and all can be found at local hardware stores or online.

LED (light emitting diode)

  • Very energy efficient
  • Long-lasting
  • Wide spectrum of light
  • Do not produce too much heat
  • Wide variety of styles and sizes

Fluorescent

  • Moderately energy efficient
  • Cheaper up-front cost
  • Some only produce light in the blue-green spectrum, but others have a wider spectrum that includes red light check the label

Incandescent

  • Energy inefficient
  • Create heat
  • Do not last as long (in some cases)
  • High far red light causes plants to stretch

High-pressure sodium and metal halide

  • Emit substantial light over a wide surface area
  • Most commonly used commercial light source
  • Better for large-scale systems due to large size need to be hung at tall heights
  • Older technology
  • Release a lot of heat
  • Not all of the light is usable to plants

Factors to consider when you evaluate light

Light intensity

Light intensity is the brightness of light. The amount of light produced by a bulb is measured in a variety of ways and, unfortunately, two different bulbs may report their light output using different measurements, making it hard to compare. The distance between a light source and a plant impacts the light intensity.

While there are many ways to measure light, a few common measurements you are likely to see include:

  • PPF (photosynthetic photon flux) is a measure of how much plant-usable light is released by a bulb per second and is measured in micromoles of light per meter per second (umol m-2s-1). You may also see PPFD (photosynthetic photon flux density), which is a measure of PPF as it reaches a surface like a plant leaf. PPFD goes down as your plants get further away from the light source.
  • Foot-candle is the amount of light received by a 1-square-foot surface located one foot away from a light source equal to one candle. It’s not used as frequently though you may find this measure in older reference books.
  • Lumens are less relevant when considering lighting for plants. Lumens measure how bright the light is to the human eye, and do not measure some of the important wavelengths that plants need to grow.
  • Watts are a measure of the amount of energy needed to produce light, rather than a measure of the actual intensity of the light. Light bulbs should report both watts and another measure of light intensity such as PPF, lumens or foot candles. A more efficient lightbulb will produce more light with fewer watts of energy.
Distance from light source

Keeping sufficient distance between plants and a light source is especially important when using bulbs that produce a lot of heat, like incandescent and high-pressure sodium. But even with LED and fluorescent lights, maintaining a proper distance helps to ensure healthy plant growth.

  • Seedlings: 4-6 inches (move your light up regularly as they grow)
  • Hydroponic lettuce and herbs: 6-12 inches
  • Foliage houseplants: 12-24 inches
  • Flowering houseplants: 6-12 inches

Light quality

Light quality refers to the wavelength or color of light. The light spectrum is composed of red, orange, yellow, green, blue, indigo and violet light. Sunlight provides all colors of light.

The part of the light spectrum that plants use is called Photosynthetically Active Radiation, which is composed of primarily red and blue light.

As lighting technologies have become more efficient, grow lights that only emit light from the red and blue wavelengths of the light spectrum have become more common.

Check the packaging to see what type of light is emitted by a grow light before buying it grow lights tend to be labeled as blue, red, or white/balanced light.

  • Blue light or mixed light bulbs are suitable for starting seeds and leafy greens, as well as non-flowering house plants.
  • Red light or mixed light bulbs are suitable for promoting bud formation in flowering plants as well as keeping the plants shorter.
  • White lights or mixed/balanced light bulbs are suitable for most plants at any stage of growth.

Light duration

Light duration (photoperiod) is the number of hours of light a plant needs per 24-hour period. Plants are classified by photoperiod into three categories for flowering response: short day, long day, or day-neutral.

  • Short day indoor plants, such as chrysanthemum, Thanksgiving and Christmas cacti and poinsettia, require short days to flower. You cannot reflower them indoors unless they are grown in short days.
  • Long day plants, such as African violets, gloxinia and tuberous begonias, flower when the daylight exceeds the hours of the night period.
  • Day-neutral plants are insensitive to day length differences for flowering and include indoor plants such as flowering maple (Abutilon), Crossandra, and gerbera daisies.

Use a timer to provide supplemental light if growing in a location with less natural light. Set your timer so that plants receive the following total light hours.

  • Seedlings: 16-18 hours per day
  • Hydroponic lettuce and herbs: 12-14 hours per day
  • Foliage houseplants: 12-14 hours
  • Flowering houseplants: 14-16 hours

Authors: Julie Weisenhorn and Natalie Hoidal, Extension horticulture educators


Spectrums of Light

Cum se poate folosi lumina pentru a face mâncare? Când o persoană aprinde o lampă, energia electrică devine energie luminoasă. La fel ca toate celelalte forme de energie cinetică, lumina poate călători, schimba forma și poate fi valorificată pentru a lucra. In the case of photosynthesis, light energy is converted into chemical energy, which photoautotrophs use to build carbohydrate molecules. Cu toate acestea, autotrofele folosesc doar câteva componente specifice ale soarelui.

Ce este energia luminii?

Soarele emite o cantitate enormă de radiație electromagnetică (energie solară). Humans can see only a fraction of this energy, which portion is therefore referred to as “visible light.” The manner in which solar energy travels is described as waves. Scientists can determine the amount of energy of a wave by measuring its wavelength, the distance between consecutive points of a wave. A single wave is measured from two consecutive points, such as from crest to crest or from trough to trough (Figure 8).

Figure 8. The wavelength of a single wave is the distance between two consecutive points of similar position (two crests or two troughs) along the wave.

Lumina vizibilă constituie doar unul dintre multele tipuri de radiații electromagnetice emise de soare și alte stele. Oamenii de știință diferențiază diferitele tipuri de energie radiantă de soare în spectrul electromagnetic. The electromagnetic spectrum is the range of all possible frequencies of radiation (Figure 9). Diferența dintre lungimile de undă se referă la cantitatea de energie transportată de acestea.

Figure 9. The sun emits energy in the form of electromagnetic radiation. Această radiație există la diferite lungimi de undă, fiecare dintre ele având propria energie caracteristică. Toată radiația electromagnetică, inclusiv lumina vizibilă, se caracterizează prin lungimea sa de undă.

Fiecare tip de radiație electromagnetică se deplasează la o anumită lungime de undă. Cu cât lungimea de undă este mai mare (sau cu cât apare mai mult întinsă în diagramă), cu atât este transportată mai puțină energie. Undele scurte și strânse transportă cea mai mare energie. Acest lucru poate părea ilogic, dar gândiți-vă la asta în ceea ce privește o bucată de mișcare a unei frânghii grele. Este nevoie de puțin efort de către o persoană pentru a muta o frânghie în valuri lungi și largi. Pentru a face o frânghie să se miște în valuri scurte și strânse, o persoană ar trebui să aplice mult mai multă energie.

The electromagnetic spectrum (Figure 9) shows several types of electromagnetic radiation originating from the sun, including X-rays and ultraviolet (UV) rays. Undele cu energie superioară pot pătrunde în țesuturi și pot deteriora celulele și ADN-ul, explicând de ce atât razele X, cât și razele UV pot fi dăunătoare organismelor vii.

Absorbția luminii

Energia luminii inițiază procesul de fotosinteză atunci când pigmenții absorb lumina. Pigmenții organici, fie în retina umană, fie în cloroplastul tilacoid, au o gamă îngustă de niveluri de energie pe care le pot absorbi. Nivelurile de energie mai mici decât cele reprezentate de lumina roșie sunt insuficiente pentru a ridica un electron orbital la o stare populabilă, excitată (cuantică). Nivelurile de energie mai mari decât cele cu lumină albastră vor rupe fizic moleculele, numite albire. So retinal pigments can only “see” (absorb) 700 nm to 400 nm light, which is therefore called visible light. Din aceleași motive, moleculele pigmentare ale plantelor absorb doar lumina în domeniul lungimii de undă de la 700 nm la 400 nm fiziologii plantelor se referă la acest domeniu pentru plante ca radiații fotosintetice active.

Lumina vizibilă văzută de oameni ca lumină albă există de fapt într-un curcubeu de culori. Anumite obiecte, cum ar fi o prismă sau o picătură de apă, dispersează lumina albă pentru a dezvălui culorile ochiului uman. Porțiunea de lumină vizibilă a spectrului electromagnetic arată curcubeul de culori, cu violet și albastru având lungimi de undă mai mici și, prin urmare, energie mai mare. At the other end of the spectrum toward red, the wavelengths are longer and have lower energy (Figure 10).

Figure 10. The colors of visible light do not carry the same amount of energy. Violetul are cea mai mică lungime de undă și, prin urmare, transportă cea mai mare energie, în timp ce roșul are cea mai mare lungime de undă și poartă cea mai mică cantitate de energie. (credit: modificarea lucrării de către NASA)

Înțelegerea pigmenților

Există diferite tipuri de pigmenți și fiecare a evoluat pentru a absorbi doar anumite lungimi de undă (culori) ale luminii vizibile. Pigmenții reflectă sau transmit lungimile de undă pe care nu le pot absorbi, făcându-i să apară în culoarea corespunzătoare.

Clorofilele și carotenoizii sunt cele două clase majore de pigmenți fotosintetici găsiți în plante și alge, fiecare clasă având mai multe tipuri de molecule de pigment. Există cinci clorofile majore: A, b, c și d și o moleculă înrudită găsită în procariote numită bacterioclorofilă. Clorofilă A și clorofilă b se găsesc în cloroplastele vegetale superioare și vor fi în centrul următoarei discuții.

Cu zeci de forme diferite, carotenoizii sunt un grup mult mai mare de pigmenți. Carotenoidele găsite în fructe - cum ar fi roșul roșiei (licopen), galbenul semințelor de porumb (zeaxantina) sau portocala unei coajă de portocală (β-caroten) - sunt folosite ca reclame pentru a atrage dispersorii de semințe. In photosynthesis,
carotenoizi function as photosynthetic pigments that are very efficient molecules for the disposal of excess energy. Atunci când o frunză este expusă la soare plin, reacțiile dependente de lumină sunt necesare pentru a procesa o cantitate enormă de energie dacă acea energie nu este manipulată corespunzător, poate provoca daune semnificative. Prin urmare, multe carotenoide locuiesc în membrana tilacoidă, absorb excesul de energie și disipează în siguranță acea energie sub formă de căldură.

Each type of pigment can be identified by the specific pattern of wavelengths it absorbs from visible light, which is the absorption spectrum. The graph in Figure 11 shows the absorption spectra for chlorophyll A, clorofila b, și un tip de pigment carotenoid numit β-caroten (care absoarbe lumina albastră și verde). Observați cum fiecare pigment are un set distinct de vârfuri și jgheaburi, dezvăluind un model foarte specific de absorbție. Clorofilă A absoarbe lungimile de undă de la fiecare capăt al spectrului vizibil (albastru și roșu), dar nu și verde. Deoarece verde este reflectat sau transmis, clorofila apare verde. Carotenoizii absorb în regiunea albastră cu lungime de undă scurtă și reflectă lungimile de undă galbene, roșii și portocalii mai lungi.

Figure 11. (a) Chlorophyll a, (b) chlorophyll b, and (c) β-carotene are hydrophobic organic pigments found in the thylakoid membrane. Chlorophyll a and b, which are identical except for the part indicated in the red box, are responsible for the green color of leaves. β-carotene is responsible for the orange color in carrots. Each pigment has (d) a unique absorbance spectrum.

Figure 12. Plants that commonly grow in the shade have adapted to low levels of light by changing the relative concentrations of their chlorophyll pigments. (credit: Jason Hollinger)

Multe organisme fotosintetice au un amestec de pigmenți care le folosesc, organismul poate absorbi energia dintr-o gamă mai largă de lungimi de undă. Nu toate organismele fotosintetice au acces deplin la lumina soarelui. Unele organisme cresc sub apă unde intensitatea și calitatea luminii scad și se schimbă odată cu adâncimea. Alte organisme cresc în competiție pentru lumină. Plants on the rainforest floor must be able to absorb any bit of light that comes through, because the taller trees absorb most of the sunlight and scatter the remaining solar radiation (Figure 12).

Când studiază un organism fotosintetic, oamenii de știință pot determina tipurile de pigmenți prezenți generând spectre de absorbție. Un instrument numit a spectrofotometru poate diferenția ce lungimi de undă de lumină poate absorbi o substanță. Spectrofotometrele măsoară lumina transmisă și calculează din ea absorbția. Prin extragerea pigmenților din frunze și plasarea acestor probe într-un spectrofotometru, oamenii de știință pot identifica ce lungimi de undă de lumină poate absorbi un organism. Metode suplimentare pentru identificarea pigmenților vegetali includ diferite tipuri de cromatografie care separă pigmenții prin afinitățile lor relative la fazele solide și mobile.


Photosynthetic Efficiency

The energy derived from light absorption is used in particular pathways to achieve the final result of synthesis of sugars. Since the pathways are known, a theoretical maximum efficiency can be calculated. It is known that a total of 8 photons of light must be absorbed to reduce two molecules of NADP + . Operating in the Calvin cycle, the resulting two molecules of NADPH can produce one hexose molecule. The photon energy of a median energy photon at 600nm is 2.07 eV, and for 8 moles of such photons the energy absorbed is

(8 moles)(6.022 x 10 23 /mole)(2.07 eV)(1.6x10 -19 J/eV)/(4184 J/Kcal) = 381 Kcal

It takes 114 Kcal to reduce one mole of CO2 to hexose, so the theoretical efficiency is 114/381 or 30%. Remarkably, Moore, et al. report that 25% has been achieved under laboratory conditions. The top efficiency they reported under natural growing conditions was the winter-evening primrose growing in Death Valley at 8% (if you can call Death Valley natural conditions!). Sugarcane has registered 7% , which is very important for a food crop. Sugarcane is a C4 plant, and under high sunlight conditions they will usually outperform C3 plants and others.

The intensively cultivated agricultural plants average about 3% in photosynthetic efficiency, and most crops range from 1-4%. This is also typical of algae.


Priveste filmarea: Comparação entre cultivo com Lâmpada e Sol - Hidroponia (Ianuarie 2022).