Фотосинтездің жарық және қараңғы фазалары

Фотосинтезді зерттеу барысындағы ең басты мәселелердің бірі — осы процестің өсімдіктердің жасыл жапырақтарында жүзеге асуы құбылысын ашу. Бұл сұраққа нақты жауап берген неміс ғалымы Т.В.Энгельман болды. Ол фотосинтез процесінің хлоропластарда жүретінін дәлелдеу үшін жасушаның әр түрлі бөліктерін кішкене сәуле шоқтарымен жарықтандыруға болатын микроскоп құрастырды. Жасушаның жеке бөліктерін жарықтандыра отырып, оның қай бөлігінің фотосинтезге кабілетті екенін зерттеді. Сөйтіп, ол жасушаның қай бөлігі фотосинтез процесі үшін жарық қабылдағышы бола алатынын дәлелдеді. Фотосинтездік белсенділікке талдау жасау үшін ол тек анаэробты жағдайды ғана талдап алды. Ол үшін қозғала алатын және оттектің концентрациясы жоғары болатын аймақ бағытына қарай жылжитын бактерияларды қолданды. Сонда Т.В.Энгельман бактериялардың жасушаның жарық түскен хлоропластарына жылжитынын басқа жарық түскен органоидтеріне жылжымайтынын байқаған. Бұдан Энгельман: "Хлоропластар жасушалары оттек орталығы болып табылады және фотосинтез процесі нәтижесінде оттек бөлінеді" деген тұжырым жасаған. Сонымен фотосинтез процесі кезіндегі жарықтың сіңірілуі мен оттектің бөлінуі тек хлоропластарда жүретіні анықталды.

Өсімдік жапырағы

Жарық және қараңғы фазалары

Өсімдік жапырағындағы хлоропласттар

Фотосинтез процесі екі сатыға бөлінеді. Жарық және қараңғы фазалары. Жарық фазасының реакциялары хлоропластың бетіндегі мембраналық түзілім — ламеллада жүрсе, караңғы фазасының реакциялары хлоропласт денесінде немесе стромасында өтеді. Фотосинтездің жарық фазасы реакцияларының әлементарлық өлшем бірлігі — квантосомалар болып табылады. Оның құрамына хлорофилдің 230 молекуласы және электрон тізбегін тасымалдауға қатысатын нәруыздар — цитохром b, с және ферредоксин кіреді.

Жарық фазасы

Энергетикалық процестер тікелей жарық фазасында жүреді. Жарық кванты хлоропласта орналасқан хлорофилл пигменті арқылы қабылданады. Жарық кванты мен хлорофилдер әрекеттескенде, электрондар пайда болады. Олардың ежелгі және қазіргі өсімдік организміндегі жүру жолдары бірдей емес. Ежелгі фотосинтездеуші бактериялар мен төменгі сатылы балдырларда электрондар электронды тасымалдаушы тізбек арқылы тасымалданғанда, бейорганикалық фосфат пен аденозиндифосфаттан (АДФ) аденозинтрифосфат (АТФ) түзіледі. Бұл процесте электрондар хлорофилге қайтып оралатындықтан, циклдік фотофосфорлану деп аталады. Хлоропласт ламелласының квантосомаларында орналасқан циклді фотофосфорлану тек кана фотосинтездеуші микроорганизмдер мен төменгі сатыдағы балдырларда ғана емес, жасыл өсімдіктерде де жүреді. Циклді фотофосфорлану жүретін құрылым — I фотожүйе деп аталады. I фотожүйе құрамында хлорофилл a, с бар. Олар 700 нм-де жарық сіңіреді. Жасыл өсімдіктердің фотосинтезін зерттеуде Р.Хилл 1937 жылы үлкен үлес қосты. Ол алғаш рет судың фотолизі кезіндегі молекулалық оттектің бөлінуі фотосинтездің жарық фазасында жүретін реакция екендігін аныңтаған. Бұл реакция жүзеге асу үшін міндетті түрде электрондар акцепторы қатысуы қажет, мысалы, феррицианид немесе энергия жұмсау арқылы жинайды. Осы циклдік емес фотофосфорланудың пайда болуы нәтижесінде жоғары сатыдағы (жасыл) балдырлар мен жасыл өсімдіктер атмосфераға оттек бөле бастады. Ал олардың пайда болуына дейін атмосферада оттек болмаған. Жасыл өсімдіктердің арқасында аэробты тіршілік және аэробты организмдер эволюциясы пайда болды.

Қараңғы фазасы

Фотосинтездің II сатысы жарық квантын қажет етпегендіктен, фотосинтездің қараңғы сатысы деп аталған. Бұл сатыда С0₂-ні игеру және көмірсуларды синтездеу үшін АТФ пен НАДФН энергиялары жұмсалынады. Мұнда құрамында 3—7 көміртек атомдары болатын әр алуан көміртекті қосылыстардың айналымы сияқты күрделі процестер жүреді. Бұл процесте бейорганикалық С0₂-ні игеретін негізгі фермент — рибулозобифосфаткарбоксилаза. Оны қысқаша "рубиско" деп атайды. Мұндай көміртектің фотосинтездік ассимиляциялану жолын Кальвин жолы деп атайды. Фотосинтездік бұл реакциялар жиынтығы фотосинтездің жарықтағы және қараңғыдағы сатысын біріктіреді. Мұнда судың құрамындағы сутек атомы көміртек диоксидінің тотықсыздануына жұмсалады. Ал оттек молекула күйінде бөлініп шығады.

Фотосинтез - органикалық заттарды жинақтаушы

Тек фотосинтез процесі ғана Жерде органикалық заттардың жиналуын қамтамасыз етеді. Барлық тірі организмдер үшін өмір сүруге қажетті жағдайлар осы процестің нәтижесінде жүзеге асады. Қазіргі уақытта адамдар маңызды энергия көзі ретінде ежелгі өсімдік организмдері әрекеттерінің нәтижесінде пайда болған — тас көмірді, мұнай мен газды пайдаланады. Осыдан жүздеген миллион жылдар бұрын ауадағы көмірқышқыл газының концентрациясы қазіргі уақыттағы концентрация мөлшерінен ондаған есе жоғары болып, соған байланысты булану эффектілері байқалған. Қазіргі кезге қарағанда сол уақытта Жер бетіндегі температура мен ылғалдылық мөлшері де жоғары болды. Жер беті тропиктік және субтропиктік климатта болып, фотосинтез нәтижесінде өсімдіктердің биомассалар қоры көп мөлшерде жинақталды. Осы кезеңдерде салмағы 100 т-ға жуық алып денелі, шөпкоректі динозаврлар тіршілік еткен. Барлық тас көмір кен орындары осы кезеңде пайда болған, соның ішіндегі ірі кен орындардың бірі — Қазақстандағы Екібастұз. Тас көмір кен орындары тіптен солтүстік полюске жақын жерде, мысалы, Шпицберген аралында да бар. Сол кезеңдермен салыстырғанда, қазіргі уақытта климат жағдайлары қатты өзгерді. Сөйте тұрса да, Жер бетінде өсімдіктердің биомассасы өте жоғары мөлшерде жинақталатын аймақтар бар. Бірақ ондай аймақтар көп емес. Сондай жердің бірі — Амазонка өзенінің бассейні. Ғалымдардың айтуынша, мұнда Жер шары жасыл өсімдіктерінен бөлінетін барлық оттек мөлшерінің төрттен бір бөлігі (1/4) түзіледі екен. Егер біз өсімдіктерді биологиялық өнімділігі жағынан жеке қарастыратын болсақ, онда ең жоғары үлес қант қамысына тиеді. Ол 1 га-дан 200 т өнім береді. Қант қамысының жоғары өнімділік көрсетуінің басты себебі, ол С4 — өсімдіктер тобына жатады. Олар көмірқышқыл газын байланыстырып, төрт атомды көміртек қосылысы оксалоацетат түзеді. Қарапайым өсімдіктермен салыстырғанда көмірқышқыл газын ассимиляциялаудың Бұл жолында энергия көп жұмсалады. Қарапайым өсімдіктерде бір молекула көмірқышқыл газын байланыстыру үшін үш молекула АТФ жұмсалса, С4—өсімдіктері үшін 5 молекула АТФ жұмсалады және Бұл процесс өте жоғары температура жағдайында жүреді. Сондықтан да температура 30—45°С аралығында көмірқышқыл газын көп сіңіретін ең жоғары фотосинтездік өнімділік қасиетін көрсетеді.

Фотосинтез бен тыныс алу

Ендігі кезекте фотосинтез бен тыныс алу процестерінің арасындағы байланысты қарастырайық. Барлық көп жасушалы организмдер сияқты өсімдік жасушаларының құрамында аэробты тыныс алудың жасуша орталығы — митохондрия бар. Сондықтан барлық өсімдік жасушалары тыныс алады және тыныс алу кезінде оттекті сіңіреді. Тыныс алу фотосинтезге қарама-қарсы процесс. Тыныс алу кезінде органикалық қосылыстар ауадағы оттектің көмегімен тотығып, энергия және көмірқышқыл газы бөлінеді. Тыныс алу жасушаның энергетикалық қажеттілігін өтеу үшін керек. Әсіресе ол өсімдіктің фотосинтезге қатыспайтын мүшелері — тамыр, сабақ және гүлдері үшін маңызды. Тыныс алу және фотосинтез процестерінің энергетикалық қарқындылығын салыстырамыз. Қалыпты күн жарығында өсімдіктер оттекті сіңіргеніне қарағанда 20—30 есе көп мөлшерде бөліп шығарады. Фотосинтез нәтижесінде бөлініп шығатын энергия мөлшері тыныс алу нәтижесінде бөлінетін энергиядан ондаған есе көп болады. Ал жарық жоқ кезде өсімдіктер оттекті көп сіңіреді. Сондықтан да дәрігерлер өсімдігі көп бөлмеде ұйықтауға болмайтындығын ескертеді.

Фотосинтез процесінің нәтижесінде 1 м² жапырақта 1 сағ ішінде 1 г органикалық зат түзіледі. Жер бетінде бір жылдың ішінде 400 млрд т органикалық зат өндіріледі. Көмір, шымтезек (торф), мұнай фотосинтез процесінің нәтижесінде осыдан миллион жыл бұрын пайда болған. Біраз жыл өсіп түрған 10—12 ағаш, бір адамды жыл бойына оттекпен қамтамасыз ете алады екен.

Хемосинтез

Хемосинтез процесін 1887 жылы орыс ғалымы С.Н. Виноградский ашқан. Ол күн сәулесі қатыспаса да, көмір қышқыл газын ассимиляциялайтын хемосинтездеуші микроорганизмдерді тапқан.

Қазіргі кезде электрон донорлары ретінде H₂S сияқты заттарды және әр түрлі металл иондарын қолдана отырып, С09 ассимиляциясын жүзеге асыратын хемосинтездеуші микроорганизмдер табылған. Олардың барлығы энергияны әр түрлі бейорганикалық заттардың тотығу-тотықсыздану реакцияларынан алады. Осы микроорганизмдердің тіршілік әрекеті нәтижесінде күкірт және металл кен орындары пайда болды. Қазақстанда хемосинтездеуші микроорганизмдерді іздестіру жүргізілуде және оларды практикада су құрамында болатын улы, ауыр металдарды бейтараптандыруға қолданады. Сол сияқты алтын, т.б. бағалы металл кендерін байыту мақсатында қолдану сияқты ғылыми зерттеу жұмыстары да кеңінен жүргізілуде.

Хемосинтездеуші реакцияға мысал:

Хемосинтездеуші микроорганизмдер: H₂S+C0₂->(CH₂0)_n + S

Фотосинтезден басқа кейбір бактериялардың іс-әрекетіне байланысты жүретін синтез реакциялары болады. Ол хемосинтез (грекше, Сһеmlіа - химия, Synthesis - қосылу). Хемосинтездің фотосинтезден айырмашылығы, онда күн сәулесі энергиясы емес, бейорганикалық заттардың тотыға отырып ыдырауы кезіндегі энергияны пайдаланады. Хемосинтез де, фотосинтез сияқты энергияны затқа алмастырады. Яғни, хлорофилі жоқ бактериялар бейорганикалық заттардан органикалық заттарды синтездеуге қабілетті болады. Осындай хемосинтез әрекеттері жүретін бактериялар мыналар: күкірт, нитрит, нитрат, темір, марганец пен көмір оксидін пайдаланатын бактериялар. Мәселен хемосинтетиктердің ішіндегі құндысы азотфиксациялаушы және нитрификсациялаушы бактериялар болып табылады. Бұл бактериялардың бір тобы энергияны аммиактың азотты қышқылға тотығу реакциясынан алса, бактериялардың екінші тобы азотты қышқылдың азот қышқылына дейін тотығуы кезінде бөлініп шығатын энергияны пайдаланады.

2NH₃ + ЗО₂ → 2HNO₂ + 2Н₂О

2HNO₂ + О₂ → 2HNO₃

Темір бактериялары мен күкірт бактерияларының да алатын орны ерекше. Бұлардың біріншілері екі валентті темірді үш валентті темірге тотыктыру кезіндегі энергияны пайдаланса, 4ҒеО + О₂ → 2Ғе₂О₃ ал, екіншілері күкіртті сутекті күкірт қышкылына дейін тотыктыру кезіндегі энергияны пайдаланады.

H₂S + 2О₂ → H₂SO₄.

Көптеген хемосинтезді бактериялардың халық шаруашылығында маңызы зор. Мысалы, күкіртті бактериялар тоқтау суларда ондағы күкірт қосылыстарынан тазартады, нитритті және нитратты бактериялар топырақ шірігенде бөлінетін аммиактың азотын тұтып қалады; темірлі бактериялар теңізде кеңдердің қалыптасуына және жер бетінде темірдің пайда болуына катысады.

Қорытынды

1. Фотосинтез дегеніміз — жасыл жапырақ хлоропластары арқылы күн сәулесі энергиясының химиялық байланыс энергиясына айналу процесі.
2. Фотосинтездің жарық және қараңғы фазалы сатылары бар. Жарық фазасында ежелгі балдырларда циклді фотофосфорлану реакциясы жүреді.
3. Квант жарығының электрондарымен хлорофилдерден ығысып шықкан энергия АДФ мен фосфаттан АТФ-тың синтезделуіне жұмсалады.
4. Жоғары сатыдағы өсімдіктердің жарың фазасының негізін циклді емес фотофосфорлану құрайды.
5. Мұнда электрондар энергиясы АТФ-тың синтезделуіне, молекулалық оттектің бөлінуі арқылы судың ыдырауына (фотолиз) және НАДФН синтезіне жұмсалады.
6. Фотосинтездің қараңғы фазасында көмірқышқыл газын пайдалану және соның негізінде органикалық қосылыстарды синтездеу үшін АТФ және НАДФН энергиясы қолданылады. Хемосинтез — тотығу процесі нәтижесінде CO, газынан органикалық заттардың бейорганикалық заттардан (H₂S, әр түрлі металл иондары) түзілу процесі.