5.2: Majibu ya Mwanga ya Mwanga ya Photosynthes

Je, mwanga unaweza kutumiwa kufanya chakula? Ni rahisi kufikiria mwanga kama kitu kilichopo na kuruhusu viumbe hai, kama vile binadamu, kuona, lakini mwanga ni aina ya nishati. Kama nishati zote, mwanga unaweza kusafiri, kubadilisha fomu, na kuunganishwa kufanya kazi. Katika kesi ya photosynthesis, nishati ya mwanga hubadilishwa kuwa nishati ya kemikali, ambayo autotrophs hutumia kujenga molekuli za kabohaidreti. Hata hivyo, autotrophs hutumia sehemu maalum ya jua (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)).

Kielelezo\(\PageIndex{1}\): Autotrophs inaweza kukamata nishati ya mwanga kutoka jua, na kuibadilisha kuwa nishati ya kemikali inayotumiwa kujenga molekuli za chakula. (mikopo: muundo wa kazi na Gerry Atwell, Marekani Samaki na Wanyamapori Huduma)

DHANA KATIKA HATUA

Tazama mchakato wa photosynthesis ndani ya jani katika video hii.

Nishati ya Mwanga ni nini?

Jua hutoa kiasi kikubwa cha mionzi ya umeme (nishati ya jua). Binadamu wanaweza kuona sehemu tu ya nishati hii, ambayo inajulikana kama “mwanga unaoonekana.” Njia ambayo nishati ya jua husafiri inaweza kuelezewa na kupimwa kama mawimbi. Wanasayansi wanaweza kuamua kiasi cha nishati ya wimbi kwa kupima wavelength yake, umbali kati ya mbili mfululizo, pointi sawa katika mfululizo wa mawimbi, kama vile kutoka kwa crest hadi crest au kupitia nyimbo kwa kupitia nyimbo (Kielelezo\(\PageIndex{2}\)).

Kielelezo\(\PageIndex{2}\): wavelength ya wimbi moja ni umbali kati ya pointi mbili mfululizo pamoja na wimbi.

Nuru inayoonekana ni moja tu ya aina nyingi za mionzi ya sumakuumeme iliyotolewa kutoka jua. Wigo wa umeme ni aina mbalimbali za wavelengths zote zinazowezekana za mionzi (Kielelezo\(\PageIndex{3}\)). Kila wavelength inalingana na kiasi tofauti cha nishati iliyobeba.

Kielelezo\(\PageIndex{3}\): Jua hutoa nishati kwa namna ya mionzi ya umeme. Mionzi hii ipo katika wavelengths tofauti, ambayo kila mmoja ina nishati yake ya tabia. Mwanga unaoonekana ni aina moja ya nishati iliyotokana na jua.

Kila aina ya mionzi ya umeme ina aina mbalimbali za wavelengths. Kwa muda mrefu wavelength (au zaidi imetambulishwa inaonekana), nishati ndogo hufanyika. Mifupi, mawimbi yenye nguvu hubeba nishati zaidi. Hii inaweza kuonekana kuwa halali, lakini fikiria kwa suala la kipande cha kamba ya kusonga. Inachukua jitihada kidogo na mtu kusonga kamba katika mawimbi marefu, pana. Ili kufanya kamba kusonga kwa mawimbi mafupi, yenye nguvu, mtu atahitaji kutumia nishati zaidi.

Jua hutoa (Kielelezo\(\PageIndex{3}\)) mionzi mbalimbali ya umeme, ikiwa ni pamoja na X-rays na mionzi ya ultraviolet (UV). Mawimbi ya juu-nishati ni hatari kwa vitu vilivyo hai; kwa mfano, X-rays na mionzi ya UV inaweza kuwa na madhara kwa wanadamu.

Kunywa kwa Mwanga

Nishati ya nuru huingia katika mchakato wa photosynthesis wakati rangi hupata mwanga. Katika mimea, molekuli za rangi hupata mwanga unaoonekana tu kwa photosynthesis. Nuru inayoonekana inayoonekana na binadamu kama nuru nyeupe kweli ipo katika upinde wa mvua wa rangi. Vitu fulani, kama vile mche au tone la maji, hueneza nuru nyeupe ili kufunua rangi hizi kwa jicho la mwanadamu. Sehemu inayoonekana ya mwanga wa wigo wa umeme inaonekana kwa jicho la mwanadamu kama upinde wa mvua wa rangi, na violet na bluu kuwa na wavelengths fupi na kwa hiyo, nishati ya juu. Kwa upande mwingine wa wigo kuelekea nyekundu, wavelengths ni ndefu na zina nishati ya chini.

Kuelewa Pigments

Aina tofauti za rangi zipo, na kila inachukua wavelengths fulani (rangi) za mwanga unaoonekana. Nguruwe zinaonyesha rangi ya wavelengths ambazo haziwezi kunyonya.

Viumbe vyote vya photosynthetic vina rangi inayoitwa chlorophyll a, ambayo wanadamu huiona kama rangi ya kawaida ya kijani inayohusishwa na mimea. Chlorophyll inachukua wavelengths kutoka mwisho wa wigo unaoonekana (bluu na nyekundu), lakini sio kutoka kijani. Kwa sababu kijani inaonekana, chlorophyll inaonekana kijani.

Aina nyingine za rangi ni pamoja na chlorophyll b (ambayo inachukua mwanga wa bluu na nyekundu-machungwa) na carotenoids. Kila aina ya rangi inaweza kutambuliwa na muundo maalum wa wavelengths inachukua kutoka mwanga unaoonekana, ambayo ni wigo wake wa kunyonya.

Viumbe vingi vya photosynthetic vina mchanganyiko wa rangi; kati yao, viumbe vinaweza kunyonya nishati kutoka kwa wavelengths mbalimbali inayoonekana. Sio viumbe vyote vya photosynthetic vina upatikanaji kamili wa jua. Viumbe vingine hukua chini ya maji ambapo kiwango cha mwanga hupungua kwa kina, na wavelengths fulani hufyonzwa na maji. Viumbe vingine hukua katika ushindani kwa mwanga. Mimea juu ya sakafu ya msitu wa mvua lazima kuwa na uwezo wa kunyonya kidogo yoyote ya mwanga kwamba huja kwa njia ya, kwa sababu miti mirefu kuzuia zaidi ya jua (Kielelezo\(\PageIndex{4}\)).

Kielelezo\(\PageIndex{4}\): Mimea ambayo hukua kwa kawaida katika kivuli hufaidika kutokana na kuwa na rangi mbalimbali za kunyonya mwanga. Kila rangi inaweza kunyonya wavelengths tofauti ya mwanga, ambayo inaruhusu mmea kunyonya mwanga wowote unaopita kupitia miti mirefu zaidi. (mikopo: Jason Hollinger)

Jinsi Kazi ya Tegemezi ya Mwanga

Madhumuni ya jumla ya athari za tegemezi ya mwanga ni kubadili nishati ya mwanga katika nishati ya kemikali. Nishati hii ya kemikali itatumiwa na mzunguko wa Calvin ili kuimarisha mkusanyiko wa molekuli za sukari.

Athari za kutegemea mwanga huanza katika kikundi cha molekuli za rangi na protini zinazoitwa photosystem. Photosystems zipo katika membrane ya thylakoids. Molekuli ya rangi katika photosystem inachukua photon moja, kiasi au “pakiti” ya nishati ya mwanga, kwa wakati mmoja.

Fotoni ya nishati ya mwanga husafiri hadi kufikia molekuli ya chlorophyll. Fotoni inasababisha elektroni katika klorofili kuwa “msisimko.” Nishati iliyotolewa kwa elektroni inaruhusu kuvunja huru kutoka atomu ya molekuli ya klorophyll. Kwa hiyo Chlorophyll inasemekana “kuchangia” elektroni (Kielelezo\(\PageIndex{5}\)).

Ili kuchukua nafasi ya elektroni katika chlorophyll, molekuli ya maji imegawanyika. Kugawanyika hii kunatoa elektroni na kusababisha kuundwa kwa oksijeni (O ₂) na ioni za hidrojeni (H ⁺) katika nafasi ya thylakoidi. Kitaalam, kila kuvunja kwa molekuli ya maji hutoa jozi ya elektroni, na kwa hiyo inaweza kuchukua nafasi ya elektroni mbili zilizotolewa.

Kielelezo\(\PageIndex{5}\): Nishati ya mwanga huingizwa na molekuli ya chlorophyll na hupitishwa kwenye njia ya molekuli nyingine za chlorophyll. Nishati inafikia kilele katika molekuli ya chlorophyll inayopatikana katika kituo cha majibu. Nishati “inasisimua” moja ya elektroni zake za kutosha kuondoka molekuli na kuhamishiwa kwenye kibali cha elektroni cha msingi cha karibu. Molekuli ya maji hugawanyika ili kutolewa elektroni, ambayo inahitajika kuchukua nafasi ya moja iliyotolewa. Ions ya oksijeni na hidrojeni pia hutengenezwa kutokana na kugawanyika kwa maji.

Kubadilishwa kwa elektroni huwezesha chlorophyll kujibu fotoni nyingine. Molekuli za oksijeni zinazozalishwa kama byproducts hupata njia yao kwenye mazingira ya jirani. Ions ya hidrojeni hufanya majukumu muhimu katika salio la athari za tegemezi za mwanga.

Kumbuka kwamba madhumuni ya athari za kutegemea mwanga ni kubadili nishati ya jua kuwa flygbolag za kemikali ambazo zitatumika katika mzunguko wa Calvin. Katika eukaryotes na baadhi ya prokaryotes, photosystems mbili zipo. Ya kwanza inaitwa photosystem II, ambayo ilikuwa jina kwa utaratibu wa ugunduzi wake badala ya utaratibu wa kazi.

Baada ya kupiga fotoni, photosystem II huhamisha elektroni huru hadi ya kwanza katika mfululizo wa protini ndani ya utando wa thylakoidi unaoitwa mnyororo wa usafiri wa elektroni. Kama elektroni inapita pamoja na protini hizi, nishati kutoka kwa mafuta ya elektroni pampu za utando ambazo huhamisha kikamilifu ions hidrojeni dhidi ya mkusanyiko wao wa gradient kutoka stroma kwenye nafasi ya thylakoid. Hii ni sawa kabisa na mchakato unaotokea katika mitochondrion ambapo mlolongo wa usafiri wa elektroni hupiga ions hidrojeni kutoka stroma ya mitochondrial kwenye utando wa ndani na ndani ya nafasi ya ndani, na kujenga gradient electrochemical. Baada ya nishati kutumika, elektroni inakubaliwa na molekuli ya rangi katika photosystem inayofuata, inayoitwa photosystem I (Kielelezo\(\PageIndex{6}\)).

Kielelezo\(\PageIndex{6}\): Kutoka photosystem II, elektroni husafiri pamoja na mfululizo wa protini. Mfumo huu wa usafiri wa elektroni hutumia nishati kutoka kwa elektroni kusumaa ioni hidrojeni ndani ya mambo ya ndani ya thylakoidi. Molekuli ya rangi katika photosystem mimi inakubali elektroni.

Kuzalisha Msaidizi wa Nishati: ATP

Katika athari za tegemezi za mwanga, nishati inayotumiwa na jua huhifadhiwa na aina mbili za molekuli za carrier wa nishati: ATP na NADPH. Nishati ambayo molekuli hizi hubeba huhifadhiwa katika dhamana ambayo inashikilia atomi moja kwa molekuli. Kwa ATP, ni atomi ya phosphate, na kwa NADPH, ni atomi ya hidrojeni. Kumbuka kwamba NADH ilikuwa molekuli sawa iliyobeba nishati katika mitochondrioni kutoka mzunguko wa asidi ya citric hadi mlolongo wa usafiri wa elektroni. Wakati molekuli hizi zikitoa nishati katika mzunguko wa Calvin, kila mmoja hupoteza atomi kuwa molekuli za nishati ya chini ADP na NADP ⁺.

Kujengwa kwa ioni za hidrojeni katika nafasi ya thylakoid hufanya gradient ya electrochemical kwa sababu ya tofauti katika mkusanyiko wa protoni (H ⁺) na tofauti katika malipo katika utando ambao huunda. Nishati hii ya uwezo huvunwa na kuhifadhiwa kama nishati ya kemikali katika ATP kupitia chemiosmosis, harakati za ioni za hidrojeni chini ya gradient yao ya electrochemical kupitia enzyme ya transmembrane ATP synthase, kama vile katika mitochondrion.

Ioni za hidrojeni zinaruhusiwa kupita kwenye utando wa thylakoidi kupitia tata ya protini iliyoingia inayoitwa ATP synthase. Protini hiyo hiyo ilizalisha ATP kutoka ADP katika mitochondrion. Nishati inayozalishwa na mkondo wa ioni ya hidrojeni inaruhusu synthase ya ATP kuunganisha phosphate ya tatu kwa ADP, ambayo huunda molekuli ya ATP katika mchakato unaoitwa photophosphorylation. Mzunguko wa ioni za hidrojeni kupitia synthase ya ATP huitwa chemiosmosis, kwa sababu ions huhamia kutoka eneo la juu hadi chini kwa njia ya muundo wa nusu-permit.

Kuzalisha Mwingine wa Nishati: NADPH

Kazi iliyobaki ya mmenyuko wa tegemezi ya mwanga ni kuzalisha molekuli nyingine ya nishati ya carrier, NADPH. Kama elektroni kutoka mlolongo wa usafiri wa elektroni inapofika kwenye photosystem I, inarejeshwa tena na photon nyingine iliyochukuliwa na chlorophyll. Nishati kutoka kwa elektroni hii husababisha malezi ya NADPH kutoka NADP ⁺ na ion ya hidrojeni (H ⁺). Sasa kwamba nishati ya jua imehifadhiwa katika flygbolag za nishati, inaweza kutumika kufanya molekuli ya sukari.

Muhtasari

Katika sehemu ya kwanza ya photosynthesis, mmenyuko wa tegemezi wa mwanga, molekuli za rangi hupata nishati kutoka jua. Rangi ya kawaida na nyingi ni chlorophyll a. Photon inapiga photosystem II kuanzisha usanisinuru. Nishati husafiri kupitia mnyororo wa usafiri wa elektroni, ambayo hupiga ions hidrojeni kwenye nafasi ya thylakoid. Hii inaunda gradient electrochemical. Ioni hutiririka kupitia ATP synthase kutoka nafasi ya thylakoidi hadi stroma katika mchakato unaoitwa chemiosmosis kuunda molekuli za ATP, ambazo hutumika kwa kuundwa kwa molekuli za sukari katika hatua ya pili ya usanisinuru. Photosystem I inachukua photon ya pili, ambayo husababisha kuundwa kwa molekuli ya NADPH, carrier mwingine wa nishati kwa athari za mzunguko wa Calvin.

faharasa

wigo wa ngozi

mfano maalum wa ngozi kwa dutu kwamba inachukua mionzi ya umeme

chlorophyll a

aina ya chlorophyll ambayo inachukua violet-bluu na nyekundu mwanga

chlorophyll b

aina ya chlorophyll kwamba inachukua bluu na nyekundu-machungwa mwanga

wigo wa umeme

mbalimbali ya frequencies yote iwezekanavyo ya mionzi

fotoni

kiasi tofauti au “pakiti” ya nishati ya mwanga

photosystem

kikundi cha protini, chlorophyll, na rangi nyingine ambazo hutumiwa katika athari za tegemezi za mwanga za usanisinuru ili kunyonya nishati ya mwanga na kuibadilisha kuwa nishati ya kemikali

masafa

umbali kati ya pointi mfululizo wa wimbi

Wachangiaji na Majina

• Template:ContribOpenStaxConcepts