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숲은 헛되지 않은 "지구의 녹색 폐"로 간주됩니다. 광합성이란 무엇이며이 과정이 어떻게 진행되는지 자세히 살펴 보겠습니다.
광합성이란?
광합성 -특수 식물 안료와 무기 물질 (이산화탄소, 물)에서 나오는 빛 에너지를 사용하여 유기물을 생성하는 생화학 적 과정. 이것은 대부분의 유기체가 나타나고 지구상에 계속 존재하는 가장 중요한 과정 중 하나입니다.
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흥미로운 사실: 녹조뿐만 아니라 육상 식물도 광합성을 할 수 있습니다. 이 경우 조류 (식물성 플랑크톤)는 80 %의 산소를 생성합니다.
지구상의 생명체에 대한 광합성의 중요성
광합성이 없으면 많은 생명체 대신 지구에 박테리아 만 존재할 것입니다. 박테리아가 진화 할 수있게 해주는 것은이 화학 공정의 결과로 얻은 에너지입니다.
모든 자연 과정에는 에너지가 필요합니다. 그녀는 태양에서 왔습니다. 그러나 햇빛은 식물에 의해 변형 된 후에 만 형성됩니다.
식물은 에너지의 일부만 사용하고 나머지는 스스로 축적합니다. 그들은 육식 동물을위한 음식 인 초식 동물을 먹는다. 체인 과정에서 각 링크는 필요한 귀중한 물질과 에너지를받습니다.
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반응하는 동안 생성 된 산소는 모든 생물이 호흡하는 데 필요합니다. 호흡은 광합성의 반대입니다. 이 경우 유기물은 산화되어 파괴됩니다. 결과 에너지는 유기체에서 다양한 중요한 작업을 수행하는 데 사용됩니다.
지구가 존재하는 동안 식물이 거의 없었을 때 산소는 거의 없었습니다. 원시 생활 양식은 다른 방식으로 최소한의 에너지를 받았다. 개발하기에는 너무 적었습니다. 따라서 산소로 인한 호흡이 더 많은 기회를 열어주었습니다.
광합성의 또 다른 기능은 유기체가 자외선에 노출되지 않도록 보호하는 것입니다. 우리는 성층권에 위치한 약 20-25km의 오존층에 대해 이야기하고 있습니다. 그것은 산소로 인해 형성되어 햇빛의 작용으로 오존으로 변합니다. 이러한 보호가 없다면 지구의 생명체는 수중 유기체로만 제한됩니다.
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호흡하는 동안 유기체는 이산화탄소를 방출합니다. 광합성의 필수 요소입니다. 그렇지 않으면 이산화탄소가 단순히 상부 대기에 축적되어 온실 효과를 크게 향상시킵니다.
이것은 심각한 환경 문제이며, 본질적으로 부정적인 결과로 대기 온도를 높이는 것입니다. 여기에는 기후 변화 (지구 온난화), 녹는 빙하, 해수면 상승 등이 포함됩니다.
광합성 기능 :
- 산소 발생;
- 에너지 형성;
- 영양 형성;
- 오존층의 생성.
광합성의 정의와 공식
"광합성"이라는 용어는 사진과 합성이라는 두 단어의 조합에서 비롯됩니다. 고대 그리스어에서 번역 된, 그들은 각각 "빛"과 "연결"을 의미합니다. 따라서 빛의 에너지는 유기 물질의 결합 에너지로 변환됩니다.
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계획:
이산화탄소 + 물 + 빛 = 탄수화물 + 산소.
광합성을위한 과학적 공식 :
6CO2 + 6 시간2O → C6엔12약6 + 6O2.
광합성이 일어나 물과 CO의 직접적인 접촉2 보이지 않습니다.
식물에 대한 광합성의 중요성
식물은 성장과 발전을 위해 유기물, 에너지를 필요로합니다. 광합성 덕분에 이러한 구성 요소를 스스로 제공합니다. 유기 물질의 생성은 식물에 대한 광합성의 주요 목표이며 산소의 방출은 부반응으로 간주됩니다.
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흥미로운 사실: 식물은 에너지를 얻기 위해 다른 유기체가 필요하지 않기 때문에 독특합니다.그러므로, 그들은 분리 된 그룹-독립 영양 체 (고대 그리스어“나를 먹는다”에서 번역됨)를 형성합니다.
광합성은 어떻게됩니까?
광합성은 식물의 녹색 부분에서 직접 발생합니다- 엽록체. 그들은 식물 세포의 일부입니다. 엽록체에는 물질이 포함되어 있습니다- 엽록소. 이것은 전체 광합성 안료이기 때문에 전체 반응이 발생합니다. 또한 엽록소는 식물의 녹색을 결정합니다.
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이 안료는 빛을 흡수하는 능력이 특징입니다. 그리고 식물의 세포에서 물과 CO가있는 실제 생화학“실험실”이 시작됩니다2 산소, 탄수화물로 변합니다.
물은 식물의 뿌리 시스템을 통해 들어가고 가스는 잎으로 직접 침투합니다. 빛은 에너지 원 역할을합니다. 가벼운 입자가 엽록소 분자에 작용하면 활성화됩니다. 물 분자 H에서2산소 (O)는 청구되지 않습니다. 따라서 그것은 식물의 부산물이되지만 반응 생성물 인 우리에게는 매우 중요합니다.
광합성 단계
광합성은 밝고 어두운 두 단계로 나뉩니다. 그들은 동시에 엽록체의 다른 부분에서 발생합니다. 각 단계의 이름은 그 자체를 말합니다. 빛 또는 빛 의존 단계는 빛 입자의 참여로만 발생합니다. 어두운 또는 비 휘발성 단계에서는 빛이 필요하지 않습니다.
각 단계를 더 자세히 검토하기 전에 엽록체의 구조를 이해하는 것이 좋습니다. 단계의 본질과 장소를 결정하기 때문입니다. 엽록체는 다양한 색소체이며 다른 성분과 별도로 세포 내부에 위치합니다. 씨앗 모양입니다.
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광합성에 관여하는 엽록체 성분 :
- 막 2 개;
- 간질 (내부 액);
- 틸라코이드;
- 루멘 (thylakoids 내부의 간격).
광합성의 빛 단계
그것은 틸라코이드, 더 정확하게는 막에 흐릅니다. 빛이 그들에게 닿으면 음전하를 띤 전자가 방출되어 축적됩니다. 따라서 광합성 안료는 모든 전자를 잃고 그 후에 물 분자가 붕괴됩니다.
H2O → H + + OH-
이 경우, 형성된 수소 양성자는 양전하를 가지며 내부 틸라코이드 막에 축적된다. 결과적으로, 전하 플러스를 갖는 양성자와 전하 마이너스를 갖는 전자는 막에 의해서만 분리된다.
산소는 부산물로 생산됩니다.
4OH → O2 + 하반기2영형
특정 순간에 전자와 수소의 상이 너무 많아집니다. 그런 다음 효소 ATP synthase가 작업에 들어갑니다. 그것의 임무는 thylakoid 막에서 엽록체 액체 매질 인 기질로 수소 양성자를 옮기는 것입니다.
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이 단계에서, 수소는 또 다른 담체-NADP (니코 티나 미딘 뉴클레오티드 포스페이트의 약자)의 처분에 배치된다. 또한 세포에서 산화 반응을 가속화시키는 효소의 한 유형입니다. 이 경우, 그의 임무는 탄수화물 반응에서 수소 양성자를 운반하는 것입니다.
이 단계에서 광 인산화 과정이 발생하여 엄청난 양의 에너지가 생성됩니다. 그 공급원은 ATP-아데노신 트리 인산입니다.
간단한 개요:
- 엽록소에 양자의 빛의 타격.
- 전자의 선택.
- 산소의 진화.
- NADPH 산화 효소의 형성.
- ATP 에너지 생산.
흥미로운 사실: 아프리카 대서양 연안에서 자라는 Velvichia라는 유물 식물이 있습니다. 이것은 광합성을 할 수있는 최소한의 잎을 가진 종류의 유일한 대표자입니다. 그러나 Velvich의 나이는 약 2000 년에 이릅니다.
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광합성의 어두운 단계
빛 독립적 단계는 기질에서 직접 발생합니다. 일련의 효소 반응을 나타냅니다. 물에 용해 된 가벼운 단계에서 흡수 된 이산화탄소는이 단계에서 포도당으로 감소합니다. 복잡한 유기 물질도 생산됩니다.
어두운 단계의 반응은 세 가지 주요 유형으로 나뉘며 광합성이 일어나는 세포의 식물 유형 (보다 정확하게는 신진 대사)에 따라 다릅니다.
- 와3-식물;
- 와4-식물;
- CAM 식물.
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K C3-식물은 온화한 기후에서 자라는 대부분의 농작물을 포함합니다. 광합성 과정에서 이산화탄소는 포스 포 글리세 산이됩니다.
아열대 및 열대 종, 주로 잡초는 C4 식물에 속합니다. 그들은 이산화탄소가 옥 살로 아세테이트로 변환되는 것이 특징입니다. CAM 식물은 수분이 부족한 식물의 범주입니다. 그들은 특별한 유형의 광합성-CAM이 다릅니다.
와3-광합성
가장 흔한 것은 C3-광합성 (캘빈 사이클이라고도 함) – 이러한 반응에 대한 연구에 큰 기여를 한 미국 과학자 멜빈 칼빈 (Melvin Calvin)을 기리기 위해 캘빈 사이클이라고도합니다.
식물을 C라고합니다3 암상의 반응 동안 3- 포스 포 글리세 산 -3-PGA의 3- 탄소 분자가 형성된다는 사실로 인해. 다양한 효소가 직접 관여합니다.
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완전한 포도당 분자가 형성 되려면, 빛에 독립적 인 단계의 6주기의 반응이 통과해야합니다. 탄수화물은 캘빈 사이클에서 광합성의 주요 산물이지만, 그 외에도 지방 및 아미노산뿐만 아니라 당지질이 생성됩니다. 씨3 식물 광합성은 중배엽 세포에서만 독점적으로 일어난다.
C의 주요 단점3광합성
C 조 식물3한 가지 중요한 단점이 있습니다. 환경에 수분이 충분하지 않으면 광합성 능력이 크게 감소합니다. 이것은 광호흡 때문입니다.
사실은 엽록체 (50 : 1000000 미만)에서 이산화탄소 농도가 낮 으면 탄소 고정 대신 산소가 고정된다는 것입니다. 특수 효소는 현저히 느려지고 태양 에너지를 낭비합니다.
동시에 식물의 성장과 발달은 유기 물질이 없기 때문에 느려집니다. 또한 대기로 산소가 방출되지 않습니다.
흥미로운 사실: Elysia chlorotica sea slug는 식물처럼 광합성을하는 독특한 동물입니다. 그것은 엽록체가 소화관의 세포에 침투하여 수개월 동안 광합성을하는 조류를 먹습니다. 생산 된 탄수화물은 슬러그를 음식으로 제공합니다.
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C4 광합성
C와 달리3합성, 여기서 이산화탄소 고정 반응은 다양한 식물 세포에서 수행됩니다. 이러한 유형의 식물은 광호흡 문제에 대처할 수 있으며 2 단계 주기로이를 수행합니다.
한편으로, 높은 수준의 이산화탄소가 유지되고, 다른 한편으로 엽록체에서 낮은 수준의 산소가 제어된다. 이 전술을 통해 C4 공장은 사진 호흡 및 이와 관련된 어려움을 피할 수 있습니다. 이 그룹의 식물 대표는 사탕 수수, 옥수수, 기장 등입니다.
식물 C와 비교3 고온 및 수분 부족 조건에서 광합성 공정을 훨씬 더 집중적으로 수행 할 수 있습니다. 첫 번째 단계에서, 이산화탄소는 중간 엽 세포에 고정되어 4- 탄산이 형성됩니다. 그런 다음 산이 껍질로 들어가 3 탄소 화합물과 이산화탄소로 분해됩니다.
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두 번째 단계에서, 얻어진 이산화탄소는 에너지 대사에 필요한 글리 세르 알데히드 -3- 포스페이트 및 탄수화물이 생성되는 캘빈 사이클에서 작동하기 시작한다.
C4 공장에서 2 단계 광합성으로 인해 켈빈 사이클에 충분한 양의 이산화탄소가 형성됩니다. 따라서 효소는 완전한 힘으로 작용하며 헛된 에너지를 낭비하지 않습니다.
그러나이 시스템에는 단점이 있습니다. 특히, 더 많은 양의 ATP 에너지가 소비된다-4- 탄산을 3- 탄산으로 그리고 반대 방향으로 변환하는데 필요하다. 그래서 C3-광합성은 항상 적절한 양의 물과 빛으로 C4보다 생산적입니다.
광합성의 비율에 영향을 미치는 것은 무엇입니까?
광합성은 다른 속도로 발생할 수 있습니다. 이 프로세스는 환경 조건에 따라 다릅니다.
- 물;
- 빛의 파장;
- 이산화탄소;
- 온도.
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물은 기본 요소이므로 물이 부족하면 반응 속도가 느려집니다. 광합성에있어서 가장 유리한 것은 적색 및 청색-보라색 스펙트럼의 파동이다. 높은 수준의 조명도 바람직하지만, 특정 값으로 만 도달하면 조명과 반응 속도 사이의 연결이 사라집니다.
높은 농도의 이산화탄소는 빠른 광합성 과정을 제공하며 그 반대도 마찬가지입니다. 특정 온도는 반응을 가속화하는 효소에 중요합니다. 그들에 대한 이상적인 조건은 약 25-30 ℃이다.
사진 호흡
모든 생명체는 호흡이 필요하며 식물도 예외는 아닙니다. 그러나이 과정은 인간과 동물과 약간 다르게 발생하므로 광호흡이라고합니다.
일반적으로, 숨 -살아있는 유기체와 그 환경이 가스를 교환하는 물리적 과정. 모든 생명체와 마찬가지로 식물은 호흡하기 위해 산소가 필요합니다. 그러나 그들은 생산하는 것보다 훨씬 덜 소비합니다.
햇빛에서만 발생하는 광합성 동안 식물은 스스로 음식을 만듭니다. 24 시간 내내 수행되는 광호흡 동안 세포 내에서 신진 대사를 지원하기 위해 이러한 영양소가 흡수됩니다.
흥미로운 사실: 화창한 날에는 1 헥타르의 산림이 120-280kg의 이산화탄소를 소비하고 180-200kg의 산소를 방출합니다.
산소 (이산화탄소와 같은)는 특수 구멍 (stomata)을 통해 식물 세포에 침투합니다. 그들은 잎의 바닥에 있습니다. 한 장에 약 1000 개의 스토 마타를 배치 할 수 있습니다.
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조명에 따른 식물의 가스 교환
다른 조명에서 가스 교환 과정은 다음과 같이 나타납니다.
- 밝은 등. 이산화탄소는 광합성에 사용됩니다. 식물은 소비하는 것보다 더 많은 산소를 생산합니다. 그것의 잉여는 대기로 들어갑니다. 호흡에 의해 방출되는 것보다 이산화탄소가 더 빨리 소비됩니다. 사용하지 않은 탄수화물은 나중에 사용하기 위해 공장에서 보관합니다.
- 저조도. 설비가 생산하는 모든 산소를 소비하기 때문에 환경과의 가스 교환이 발생하지 않습니다.
- 빛의 부족. 호흡 과정 만 발생합니다. 이산화탄소가 방출되고 산소가 소비됩니다.
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화학 합성
일부 살아있는 유기체는 또한 물과 이산화탄소로부터 단당류를 형성 할 수 있지만 햇빛은 필요하지 않습니다. 여기에는 박테리아가 포함되며 에너지 변환 과정을 화학 합성이라고합니다.
화학 합성 포도당이 합성되는 과정이지만 태양 에너지 대신 화학 물질이 사용됩니다. 그것은 효소의 작동에 적합하고 빛이없는 충분히 높은 온도의 영역에서 흐릅니다. 이들은 수열 스프링 근처, 해수면에서의 메탄 누출 등일 수 있습니다.
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광합성의 발견의 역사
Jan Baptiste van Helmont는 당시의 시급한 질문을 이해하기로 결정했을 때 광합성의 발견과 연구의 역사는 1600 년으로 거슬러 올라갑니다. 식물은 무엇을 먹고 어디서 유용한 물질을 얻습니까?
당시 토양은 귀중한 요소의 원천으로 여겨졌습니다. 과학자는 버드 나무 나뭇 가지를 흙이 든 용기에 넣었지만 이전에는 무게를 측정했습니다. 5 년 동안, 그는 나무를 돌보고 물을 뿌린 후 다시 측정 절차를 수행했습니다.
지구의 무게는 56g 감소했지만 나무는 30 배 무거워졌습니다. 이 발견은 식물이 토양을 먹고 새로운 이론 인 물 영양을 일으킨다는 견해를 반박했습니다.
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미래에는 많은 과학자들이 그것을 반박하려고 노력했습니다.예를 들어 Lomonosov는 부분적으로 구조적인 구성 요소가 잎을 통해 식물에 들어갔다고 믿었습니다. 그는 건조한 지역에서 성공적으로 자라는 식물에 의해 인도되었습니다. 그러나이 버전을 증명할 수 없었습니다.
실제 상황에 가장 가까운 것은 화학 과학자이자 시간 제사장 인 Joseph Priestley였습니다. 거꾸로 된 병에서 죽은 생쥐를 발견 한 후이 사건으로 인해 1770 년대에 설치류, 양초 및 용기로 일련의 실험을 수행해야했습니다.
Priestley는 촛불을 항아리로 덮으면 촛불이 항상 빨리 나간다는 것을 발견했습니다. 또한 살아있는 유기체는 살아남을 수 없습니다. 과학자는 공기가 생명체에 적합하게 만드는 특정 힘이 있다고 결론을 내렸고이 현상을 식물과 연결하려고했습니다.
그는 계속 실험을했지만 이번에는 유리 용기 아래에 민트가 자라는 화분을 놓으려고했습니다. 놀랍게도, 공장은 지속적으로 활발하게 발전했습니다. 그런 다음 Priestley는 식물과 생쥐를 한 병 아래에 놓았고 두 번째 병은 동물 만 두었습니다. 결과는 명백합니다-첫 번째 탱크에서 설치류는 무사히 남아있었습니다.
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화학자의 업적은 전 세계의 다른 과학자들이 실험을 반복하도록 동기를 부여했습니다. 그러나 제사장은 낮에 실험을 수행했다. 예를 들어, 자유 시간이 있었을 때 약사 Karl Scheele는 밤에. 결과적으로 과학자는 Priestley의 속임수를 비난했습니다. 그의 실험 대상은 식물 실험을 할 수 없었기 때문입니다.
화학자들 사이에 진정한 과학적 대립이 일어 났는데, 이는 상당한 이점을 가져 왔고 식물이 공기를 회복하고 햇빛이 필요하다는 또 다른 발견을 가능하게했습니다.
물론, 아무도이 현상 광합성을 불렀으며 여전히 많은 질문이있었습니다. 그러나 1782 년, 식물 학자 장 세 네비 어는 햇빛이있을 때 식물이 세포 수준에서 이산화탄소를 분해 할 수 있음을 증명할 수있었습니다. 그리고 1864 년에 식물이 이산화탄소를 흡수하고 산소를 생성한다는 실험적인 증거가 나타났습니다. 이것이 독일 과학자 Julius Sachs의 장점입니다.