A fotoszintézis mechanizmusa, biológiai jelentősége

A legalapvetőbb felépítő folyamat a fotoszintézis. E során a zöld növények megkötik és átalakítják a Nap fényenergiáját kémiai energiává. Ehhez a 400-800 nm hullámhosszúságú fény alkalmas. A fényenergia megkötésére a reagáló anyagokon és az enzimeken kívül szükség van pigmentekre (szerves, színes vegyületek), amelyek konjugált kettős kötéseket tartalmaznak – könnyen elmozduló elektronokat tartalmaznak, ezek képesek arra, hogy a beérkező fény energiáját átvegyék, gerjesztett állapotba kerüljenek. Ez csak rövid ideig tart, ha energiáját nem tudja továbbadni, akkor nem történik semmi. Ha igen, akkor a fényt megkötő molekula az elektronleadással oxidálódik, a felvevő pedig redukálódik. A fényenergia ilyen módon való megkötése tehát a fényelnyelő pigmentek kémiai szerkezetére vezethető vissza. A klorofill típusú vegyületek (vörös és kék színtartományban) molekuláiban egy magnéziumatomot négy pirolgyűrű vesz körül, oldalláncok. A magasabb rendű növényekben az a-klorofill (-CH3) és a b-klorofill (-CHO) is előfordul. Karotinoid típusú vegyületekben (kék színtartomány) szintén megvan a konjugált kettős kötés rendszer. Antocián – vörös káposzta, nem fotoszintetizáló pigment. Fikoeritrin – mélyvízi vörösmoszatokban, a kék fényt hasznosítja. Mivel a zöld fényt egyik pigment sem tudja hasznosítani, visszaverődik – zöldnek látjuk a növényeket. Az egymástól eltérő működésű pigmentek nagyobb egységekbe, kétféle pigmentrendszerekbe csoportosulnak. Az 1. pigmentrendszer: karotin, a-, b-klorofill; Max. fényelnyelés 700nm-nél. Viszont a 2. pigmentrendszer: xantofill, a-, b-klorofill; max. fényelnyelés 680 nm-nél. Mindkettőnek a fénygyűjtő része a beérkező foton energiáját a reakcióközpont felé irányítja (tömeg 1 %-a, a-klorofill alkotja). A fotoszintézisben a fényenergia átalakítása során az 1. pigmentrendszer központi a-klorofill-molekulája gerjesztett állapotba kerül, lead egy elektront. Ezt felveszi az elektronszállító rendszer (pld. citokrómok) egy tagja és a végső elektronfelvevőhöz, a NADP-molekulához szállítja – NADPH-vá redukálódik. A kilépett elektron a 2. pigmentrendszer által leadott elektronból pótlódik, ami ezzel egy alacsonyabb energiaszintre kerül – ATP-szintézis. A 2. pigmentrendszer elektronja a víz fotolíziséből pótlódik. A reakció során a víz felhasad és hidrogénion formájában protont ad át a NADP redukálásához, illetve mint végső elektronleadó a 2. pigmentrendszer felé ad le elektront. Így a vízmolekula oxidálódik, miközben molekuláris oxigén is felszabadul. Végtermékek: NADPH, ATP, oxigén. Hevesy György – radioaktív izotópos nyomjelzés. Melvin Calvin – fotoszintézis tanulmányozása, CO2 megkötése zöldmoszatoknál.

A fotoszintetizáló élőlények egy redukciós ciklus enzimreakciói során végzik a légköri CO2 megkötését és beépítését. A körfolyamat első szubsztrátja egy pentózdifoszfát, ez veszi fel közvetlenül a CO2-t. Átmeneti hatszénatomos molekula keletkezik, majd rövid időn belül két glicerinsav-foszfát, ekkor kapcsolódnak be a NADPH-molekulák és ATP felhasználásával glicerinaldehid-foszfáttá redukálják. Innen két út lehetséges. Az egyik során pentóz-foszfáttá, majd pentózdifoszfáttá alakul a glicerinaldehid-foszfát-molekula és kezdődhet a folyamat előlről. A másik lehetőség az, hogy hat szénatomos glükóz-foszfát keletkezik, amely a glükóz, keményítő, cellulóz kiindulási anyaga. Ehhez szükséges energiát az ATP- és NADPH-molekulák szolgáltatják. Az első szakasszal szemben ezek a reakciók sötétben is lejátszódnak.


A fény, mint környezeti tényező

A bioszféra számára egyedüli energiaforrás a Nap sugárzása, amely különböző hullámhosszúságú sugarak formájában éri el a Földet.

Ennek fele fénysugárzás, és kisebb része pedig hősugárzás. A földfelszínre jutó fény közvetlen fényből és visszavert szórt fényből áll. A közvetlen fényben sok a hosszúhullámú sugárzás, amelynek erőteljes a melegítő hatása. A szórt fény viszont több olyan energiát tartalmaz, amely a fotoszintézisre kedvezőbb hatású. Egy adott terület fényviszonyait a közvetlen és a szórt fény aránya, a megvilágítás erőssége és a megvilágítás időtartama jellemzi. Ez változik A földrajzi szélesség szerint. Az egyenlítő vidékén merőlegesen érik a felszínt, a sarkvidékek körül kis hajlásszögben. A földrajzi szélesség szerint változik a nappalok és az éjjelek hosszúsága is.

A bioszféra fényviszonyai a földfelszínen függőleges irányban is változhatnak. A 2000 méternél magasabb hegységekben a vékonyabb levegőréteg a napsugarak 75%-át átengedi. Ez az élővilág szempontjából a maximum körüli határértéket jelenti. A tengerszinten ez az érték 50%-ra csökken és a tengerek mélye felé haladva néhány száz méter után az összes fénysugár elnyelődik. A fényviszonyok azonos földrajzi területen is többfélék lehetnek. Ennek oka a terület felhősödési mértéke, a domborzati viszonyok és a területet borító növényzet mennyisége.

Az élőlények fénytűrőképessége alapvetően különböző az autotróf és a heterotróf szervezetek esetében. A fotoszintetizáló növények számára a fény alapvető energiaforrás. A fénykedvelő növényeknek sok napfény szükséges. A fény- és árnyéktűrő növényeknek a virágzáshoz szükséges. Az árnyéktűrő növényeknek káros a teljes megvilágítás. A heterotróf gombák nem igénylik a fényt. Az állatokra a fény hatása viselkedésükben és elterjedésükben nyilvánul meg. Megkülönböztetünk nappal, szürkületkör és éjjel aktív állatokat. Vannak viszont olyan állatok melyek egész életüket a sötétségben élik le.


A bioszféra

Környezet és tûrõképesség
Az élõvilág egyedei közösségekbe tömörülnek. A legegyszerûbb felépítésû közösségben azonos fajhoz tartozó egyedek élnek együtt, ezt nevezzük populációnak. A különbözõ fajok populációi nem elszigetelten, hanem összefüggõ közösségben, társulásban élnek. A földrajzi övekre jellemzõ éghajlatot együttesen alakítják ki a Föld felszínére jutó napenergia mennyisége, a sugárzást felfogó felszín sajátosságai és a helyi hatásokat módosító lég- és tengeráramlatok. A társulások az éghajlati övekhez igazodva nagy egységekben szintén övezetes módon helyezkednek el, ez a zonalitás. A társulások zonálisan elhelyezkedõ, egész kontinensekre kiterjedõ nagy egységei a biomok. Az élõvilág szervezõdésének ezt az egész földi életet átfogó, legmagasabb szintjét bioszférának nevezzük. Alexander Humboldt, Vaszilij Dokucsajev. Ezeket az egyre magasabbrendû szervezõdéseket közös néven egyed feletti szervezõdési szinteknek nevezzük.
Az élõlények az élõhelyen élnek. Az élõlények közösségeire az adott élõhelyen ható tényezõk összességét környezetnek nevezzük. A környezeti tényezõk jellemzõ tulajdonsága a folytonos változás. Változhatnak az idõ múlásával. A környezeti tényezõk térbeli változásai jól észlelhetõek – domborzat, földrajzi hely miatt.
Azt, hogy egy adott faj populációja hogyan tud alkalmazkodni a változó környezethez, milyen mértékben reagál a környezet hatásaira, azt a tûrõképesség mutatja meg. Maximum, minimum, optimum. Tág-, szûktûrésûek. Egy vagy több tényezõt tekintve.
A fény mint környezeti tényezõ
A bioszféra számára egyedüli jelentõs energiaforrás a Nap sugárzása, ez pedig különbözõ hullámhosszúságú sugarak formájában éri a Földet. Több mint fele a fénysugárzás, kisebb része hõsugárzás és néhány százaléka ultraibolya sugárzás. A földfelszínre jutó fény közvetlen és szórt fénybõl áll. A közvetlen fényben sok a hosszúhullámú sugárzás, amelynek erõteljes a melegítõ hatása. A szórt fény viszont több energiát tartalmaz, amely kedvezõbb a fotoszintézishez. A fénysugárzás nem egyenletes a bioszférában. Egy adott terület fényviszonyait a közvetlen és a szórt fény aránya, a megvilágítás erõssége és idõtartama jellemzi. Ez földrajzi szélesség szerint változik. Hosszúnappalos növények északról – rozs, búza. Rövidnappalos növények melegebb égtájakról – kukorica, szója. A bioszféra fényviszonyai függõleges irányban is váltakoznak. Tengerben – vörös, sárga, 100 m-ig kék és zöld, 200 m szürkületi derengés, 400 m sötét. A fényviszonyokat befolyásolja a terület feletti felhõsödés, a domborzati viszonyok, a növényzet. Élõlények fénytûrõképessége. Fénykedvelõ, fény-, árnyéktûrõ növények. Állatok.
A hõmérséklet mint környezeti tényezõ
A bioszférában uralkodó hõmérsékleti viszonyok a Nap sugárzásától, illetve a földfelszín és a légkör sajátságaitól függnek. Hõátadás, hõkisugárzás, üvegházhatás. A hõmérsékletet befolyásolja a földrajzi szélesség. A földfelszínen függõleges irányban is hasonlóan változik a hõm.. Domborzati viszonyok módosító hatása. Élõlények hõtûrõképessége: szûk vagy tág. Változó testhõmérsékletû állatok: sivatagi gyíkok, szender (izommunka). Állandó testhõmérsékletû állatok. Testfelszín és testnagyság viszonya – Bergmann szabály.
A levegõ hatása az élõlényekre
A levegõ fizikai tulajdonságai az összetételtõl függnek. (N, O, CO2, H, víz, nemesgázok, szennyezõk). CO2 hatása. A levegõ fizikai tulajdonságai közül legfontosabb hatású a levegõ áramlása, a szél. Párologtatásfokozó, beporzás, fakoronák alakítása, madaraknak energiaforrás is lehet.
A víz hatása az élõlényekre
A bioszférában a víz fontos környezeti tényezõ. Növények vízellátása három folyamattól függ: a víz felvétele, szállítása, leadása. A változó vízállapotú növények vízháztartása nagyban függ a környezettõl. Kiszáradástûrõk. Elsõsorban alacsonyabb rendû fajok: moszat, zuzmó, moha. Az állandó vízállapotú növények szabályozható párologtatása teszi lehetõvé az egyenletes vízháztartást. Fõleg hajtásos növények. Több típus: Vízinövények: lebegõ vagy aljzatba rögzültek, keveset párologtatnak, szárazságtûrésük minimális – átokhínár, békalencse. Mocsári növények: sok vizet vesznek fel, erõsen párologtatnak – több légzõnyílás. Mocsári gólyahír. Közepes vízellátottságú növények fõleg a zárt erdõkben. Viszonylag jól tûrik a szárazságot, de erõteljes párologtatásuk miatt jelentõs vízmennyiségre van szükségük. A szárazságtûrõ növények a sivatagok, füves puszták lakói. Kaktuszok. Föld feletti részeik vastagok, nedvdúsak, vagy kemény, száraz, merev tartásúak. Sok vizet képesek tárolni. Párologtatásuk minimális, lelassult fejlõdés, lassú növekedésûek. A víz az állatok szempontjából is meghatározó, elterjedésük lényeges feltétele. Van szélsõséges példa is.
A talaj
A talaj kialakulása a földkéreg felszíni rétegében történik, az éghajlati tényezõk és az élõlények együttes hatására. Fizikai aprózódás, kémiai mállás, biológiai mállás – humusz. A talaj kémiai tulajdonságait elsõsorban a talajrészecskék határozzák meg 1-500 nanométeres talajkolloidok. A kalciumionnal telített kolloidok a legmegfelelõbbek. Fontos a talaj kémhatása is – CO2, humuszsavak, stb. Kémiai tulajdonság a talaj tápanyagtartalma is. Kimosódás. A talaj fizikai tulajdonságai közül legjelentõsebb a talaj szerkezete – levegõ- és víztartalma ettõl függ. CO2, oxigéntartalom. Talajban élõ állatok.
Az anyagforgalom – A bioszférában az anyag állandó körforgást végez. Szén, nitrogén, víz, foszfor körforgása.
Az energiaáramlás
A bioszférában az élõ és az élettelen alkotók között a közvetlen táplálkozási kapcsolatot csak az autotróf élõlények képesek megvalósítani – többségük fotoszintetizáló zöld növény, termelõ. Fogyasztók. Lebontók. Tápláléklánc. A Napból kiinduló energiaáramlás útja a bioszférában több részre bontható. A napsugárzás elsõsorban fényenergia formájában hat a termelõi szint zöld növényeire, amelybõl 1% hasznosítódik és raktározódik el kémiai energia formájában. A táplálékláncon átáramló energia egy része hõenergiává alakul, amely az élõlények számára már nem hasznosítható és a külvilágba adják le. A bioszférában az anyagforgalom és az energiaáramlás egymással szoros összefüggésben zajlik le, de az energiaszállítás mindig egyirányú folyamat. A bioszférában végbemenõ szerves anyag termelési folyamatokat közös néven biológiai produkciónak nevezzük. A növények által fotoszintetizált szerves anyag elõállítási folyamata az elsõdleges produkció. A heterotróf fogyasztó és lebontó szervezetek szervesanyag-termelõ folyamatai képezik a másodlagos produkciót. A szerves anyag egy része felhasználódik, másik része felhalmozódik.  A termelt szerves anyag tömege mérhetõ, értékét általában területegységre, meghatározott idõre, és szárazanyagra vonatkoztatva adják meg. Egy adott helyen, idõben az ott található élõlények összes tömege a biomassza. A biomassza haladása a táplálkozási láncban hasonló, mint az energiáé. Ökológiai piramisok.


Melyek a nagy mennyiségben szükséges elemei az élőlényeknek?

Az élőlények sejtjeinek felépítésében részt vevő kémiai elemek a biogén elemek (23). Ebből 16 minden élőlényben megvan. Szénatomok, hidrogén, oxigén, nitrogén. Nyomelemek: réz, mangán, cink. Ionok: kálium, Na, Ca, Mg, P, S, Fe. Szervetlen vegyület: a víz, poláros, könnyen hidrogénkötést létesít, az emberi test 62%-a víz. Az anyagszállítás közege is víz. Lipidek: apoláris oldószerben oldódnak, ezek a szervezet energia tartalékai (zsírok, olajok). Molekuláik hidrolízissel felbonthatók, feladatai: mechanikai védelem, hőszigetelés. Foszfatidok: glicerin, foszforsav, kettős jellegű molekula. Biológiai határhártyák kialakításához kellenek. Karotinoidok: a növényi festékanyag alkotói, fontos szerepük van a fotoszintézisben. Szénhidrátok: monoszacharidok: pentózok, hexózok. Poliszacharidok: tartalék szénhidrát, vagy növényi keményítő vagy állati glikogén. Fehérjék, nukleotidok, nukleinsavak.


Mi jellemző a színtestek működésére, szerkezetére?

A fényenergia megkötése, színanyagok segítségével, membrán szerkezetekben történik. Az eukarióta sejtek ilyen sejtalkotója a színtest. Ezt a sejtplazmától egy külső membrán választja el. A belső teret plazmaállomány tölti ki, ezt a belső membrán lemezei hálózzák be számos gránumot alkotva.

Működésük szerint: táplálék készítő – levelekben, fiatal hajtásokban. Raktározó – gumókban, magvakban, kiválasztó, szilárdító, víztartó (kaktusz), szellőztető (mocsári növények). A színtestekben játszódik le a fotoszintézis.


Ismertesse a fotoszintézis sötét szakaszát!

Ez a második szakasz: enzimek által katalizált reakciók sorozata, ez sötétben is lejátszódik. Ekkor történik a szén-dioxid megkötése és redukciója szerves molekulákká! A szükséges energiát az első szakaszban termelődött kémiai energia szolgáltatja.


Ismertesse a fotoszintézis fényszakaszát!

A fotoszintézist végző növények a fotoszintézisben kötik meg és alakítják át a Napfény energiáját, kémiai energiává. Első szakasz a fény szakasz, csak fény jelenlétében megy végbe, a vízből oxigén szabadul fel, és a szén-dioxid redukálásához szükséges NADP H. A fennmaradó energia az ATP előállítására fordítódik.

6 CO2 + 6 H2 O < C6 H12 + O2 + 6 O2 (glükóz)