8.1: Maelezo ya jumla ya usanisinuru

Last updated
Save as PDF

Page ID: 175969

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

Ujuzi wa Kuendeleza

Eleza umuhimu wa photosynthesis kwa vitu vingine vilivyo hai
Eleza miundo kuu inayohusika katika photosynthesis
Tambua substrates na bidhaa za photosynthesis
Fupisha mchakato wa photosynthesis

Photosynthesis ni muhimu kwa maisha yote duniani; mimea na wanyama wote wanategemea. Ni mchakato pekee wa kibiolojia ambao unaweza kukamata nishati inayotokea katika anga la nje (jua) na kuibadilisha kuwa misombo ya kemikali (wanga) ambayo kila kiumbe hutumia kuimarisha kimetaboliki yake. Kwa kifupi, nishati ya jua inachukuliwa na kutumika kuimarisha elektroni, ambazo huhifadhiwa katika vifungo vya covalent vya molekuli za sukari. Muda gani kudumu na imara ni wale vifungo covalent? Nishati iliyotolewa leo kwa kuchomwa kwa makaa ya mawe na mafuta ya petroli inawakilisha nishati ya jua iliyotekwa na kuhifadhiwa na usanisinuru karibu miaka milioni 200 iliyopita.

Mimea, mwani, na kundi la bakteria linaloitwa cyanobacteria ni viumbe pekee vinavyoweza kufanya usanisinuru (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)). Kwa sababu hutumia mwanga kutengeneza chakula chao wenyewe, huitwa photoautotrophs (literally, “selfeeders kutumia mwanga”). Viumbe vingine, kama vile wanyama, fungi, na bakteria nyingine nyingi, huitwa heterotrofs (“feeders nyingine”), kwa sababu ni lazima wanategemea sukari zinazozalishwa na viumbe vya usanisinuru kwa mahitaji yao ya nishati. Kikundi cha tatu cha kuvutia sana cha bakteria huunganisha sukari, si kwa kutumia nishati ya jua, bali kwa kuchimba nishati kutoka kwa misombo ya kemikali isiyo ya kawaida; kwa hiyo, hujulikana kama chemoautotrophs.

Picha a inaonyesha jani la fern. Picha b inaonyesha mwani mwembamba, kijani unaokua juu ya maji. Micrograph c inaonyesha cyanobacteria, ambayo ni fimbo za kijani kuhusu microns 10 kwa muda mrefu. Picha D inaonyesha moshi mweusi ukimimina nje ya bahari ya kina iliyofunikwa na minyoo nyekundu. Micrograph E inaonyesha bakteria yenye umbo la fimbo kuhusu microns 1.5 kwa muda mrefu. — Kielelezo\(\PageIndex{1}\): Photoautotrophs ikiwa ni pamoja na (a) mimea, (b) mwani, na (c) cyanobacteria kuunganisha misombo yao ya kikaboni kupitia usanisinuru kwa kutumia jua kama chanzo cha nishati. Cyanobacteria na mwani wa planktonic wanaweza kukua juu ya maeneo makubwa katika maji, wakati mwingine hufunika kabisa uso. Katika vent (d) kina cha bahari, chemoautotrophs, kama vile hizi (e) bakteria ya thermophilic, huchukua nishati kutoka kwa misombo ya isokaboni ili kuzalisha misombo ya kikaboni. Mazingira yanayozunguka matundu yana aina mbalimbali za wanyama, kama vile minyoo, crustaceans, na pweza zinazopata nishati kutoka kwa bakteria. (mikopo a: mabadiliko ya kazi na Steve Hillebrand, US Samaki na Wanyamapori Huduma; mikopo b: mabadiliko ya kazi na “eutrophication&hypoxia” /Flickr; mikopo c: muundo wa kazi na NASA; mikopo d: Chuo Kikuu cha Washington, NOAA; mikopo e: muundo wa kazi na Mark Marekebisho, West Coast na Mikoa Polar Kituo cha Utafiti wa chini ya bahari, UAF, NOAA)

Umuhimu wa usanisinuru sio tu kwamba unaweza kukamata nishati ya jua. Mjusi unaojitokeza kwenye siku ya baridi anaweza kutumia nishati ya jua kuwaka. Usanisinuru ni muhimu kwa sababu ilibadilika kama njia ya kuhifadhi nishati katika mionzi ya jua (sehemu ya “photo-”) kama elektroni za juu-nishati katika vifungo vya kaboni-kaboni ya molekuli za kaboni (sehemu ya “-synthesis”). Wale wanga ni chanzo cha nishati ambacho heterotrofi hutumia kwa nguvu ya awali ya ATP kupitia kupumua. Kwa hiyo, photosynthesis ina nguvu ya asilimia 99 ya mazingira ya dunia. Wakati mchungaji wa juu, kama vile mbwa mwitu, hupanda kulungu (Kielelezo\(\PageIndex{2}\)), mbwa mwitu ni mwisho wa njia ya nishati ambayo ilitoka athari za nyuklia juu ya uso wa jua, kwa mwanga, kwa usanisinuru, kwa mimea, kulungu, na hatimaye kwa mbwa mwitu.

Picha inaonyesha kulungu akipitia nyasi mirefu kando ya msitu. — Kielelezo\(\PageIndex{2}\): Nishati iliyohifadhiwa katika molekuli ya wanga kutoka photosynthesis hupita kupitia mlolongo wa Mchungaji anayekula kulungu hawa hupokea sehemu ya nishati iliyotokea katika uoto wa usanisinuru ambao kulungu hutumia. (mikopo: muundo wa kazi na Steve VanRiper, Marekani Samaki na Wanyamapori Huduma)

Miundo kuu na Muhtasari wa usanisinuru

Photosynthesis ni mchakato wa hatua mbalimbali ambao unahitaji jua, dioksidi kaboni (ambayo ni ya chini katika nishati), na maji kama substrates (Kielelezo\(\PageIndex{3}\)). Baada ya mchakato kukamilika, hutoa oksijeni na hutoa glyceraldehyde-3-phosphate (GA3P), molekuli rahisi ya carbohydrate (ambazo ni za juu katika nishati) ambazo zinaweza kubadilishwa kuwa glucose, sucrose, au yoyote ya kadhaa ya molekuli nyingine za sukari. Molekuli hizi za sukari zina nishati na kaboni yenye nguvu ambayo vitu vyote vilivyo hai vinahitaji kuishi.

Picha ya mti. Mishale inaonyesha kwamba mti hutumia dioksidi kaboni, maji, na jua kutengeneza sukari na oksijeni. — Kielelezo\(\PageIndex{3}\): Photosynthesis inatumia nishati ya jua, dioksidi kaboni, na maji kuzalisha wanga wa nishati. Oksijeni huzalishwa kama bidhaa taka ya photosynthesis.

Yafuatayo ni equation ya kemikali kwa photosynthesis (Kielelezo\(\PageIndex{4}\)):

Ulinganisho wa photosynthesis unaonyeshwa. Kulingana na usawa huu, dioksidi kaboni sita na molekuli sita za maji huzalisha molekuli moja ya sukari na molekuli sita za oksijeni. Molekuli ya sukari hufanywa kwa kaboni sita, hidrojeni kumi na mbili, na oksijeni sita. Jua hutumiwa kama chanzo cha nishati. — Kielelezo\(\PageIndex{4}\): equation ya msingi kwa photosynthesis ni rahisi kwa udanganyifu. Kwa kweli, mchakato unafanyika katika hatua nyingi zinazohusisha reactants kati na bidhaa. Glucose, chanzo cha msingi cha nishati katika seli, hufanywa kutoka kwa GA3ps mbili za kaboni tatu.

Ingawa equation inaonekana rahisi, hatua nyingi zinazofanyika wakati wa usanisinuru ni kweli ngumu kabisa. Kabla ya kujifunza maelezo ya jinsi photoautotrophs inavyogeuza jua kuwa chakula, ni muhimu kuwa na ujuzi na miundo inayohusika.

Katika mimea, photosynthesis kwa ujumla hufanyika katika majani, ambayo yanajumuisha tabaka kadhaa za seli. Mchakato wa usanisinuru hutokea kwenye safu ya kati inayoitwa mesophyll. Kubadilishana gesi ya dioksidi kaboni na oksijeni hutokea kupitia fursa ndogo, zinazodhibitiwa zinazoitwa stomata (umoja: stoma), ambazo pia hucheza majukumu katika udhibiti wa kubadilishana gesi na usawa wa maji. Stomata kawaida iko kwenye manyoya ya jani, ambayo husaidia kupunguza kupoteza maji. Kila stoma inazungukwa na seli za ulinzi zinazodhibiti ufunguzi na kufungwa kwa stomata kwa uvimbe au kushuka kwa kukabiliana na mabadiliko ya kiosmotiki.

Katika eukaryotes zote za autotrophic, photosynthesis hufanyika ndani ya organelle inayoitwa chloroplast. Kwa mimea, seli zenye chloroplast zipo katika mesophyll. Chloroplasts ina bahasha ya utando mara mbili (linajumuisha utando wa nje na utando wa ndani). Ndani ya chloroplast ni sifa, miundo ya disc-umbo inayoitwa thylakoids. Iliyoingizwa kwenye utando wa thylakoidi ni chlorophyll, rangi (molekuli inayochukua mwanga) inayohusika na mwingiliano wa awali kati ya nyenzo za mwanga na mimea, na protini nyingi zinazounda mnyororo wa usafiri wa elektroni. Mbinu ya thylakoid inafunga nafasi ya ndani inayoitwa lumen ya thylakoid. Kama inavyoonekana katika Kielelezo\(\PageIndex{5}\), stack ya thylakoids inaitwa granum, na nafasi iliyojaa kioevu inayozunguka granum inaitwa stroma au “kitanda” (sio kuchanganyikiwa na stoma au “kinywa”, ufunguzi kwenye epidermis ya jani).

Sanaa Connection

Mfano huu unaonyesha kloroplast, ambayo ina utando wa nje na utando wa ndani. Nafasi kati ya membrane ya nje na ya ndani inaitwa nafasi ya intermembrane. Ndani ya utando wa ndani ni bapa, miundo kama pancake inayoitwa thylakoids. Thylakoids huunda magunia inayoitwa grana. Kiowevu ndani ya utando wa ndani huitwa stroma, na nafasi ndani ya thylakoidi inaitwa lumen ya thylakoidi. — Kielelezo\(\PageIndex{5}\): Photosynthesis hufanyika katika chloroplasts, ambayo ina utando wa nje na utando wa ndani. Mifuko ya thylakoids inayoitwa grana huunda safu ya tatu ya membrane.

Siku ya moto, kavu, mimea hufunga stomata yao ili kuhifadhi maji. Hii itakuwa na athari gani juu ya photosynthesis?

Sehemu mbili za usanisinuru

Photosynthesis hufanyika katika hatua mbili za usawa: athari za tegemezi za mwanga na athari za kujitegemea za mwanga. Katika athari za kutegemea mwanga, nishati kutoka jua huingizwa na chlorophyll na nishati hiyo inabadilishwa kuwa nishati ya kemikali iliyohifadhiwa. Katika athari za kujitegemea za mwanga, nishati ya kemikali iliyovunwa wakati wa athari za tegemezi ya mwanga huendesha mkusanyiko wa molekuli ya sukari kutoka kwa dioksidi kaboni. Kwa hiyo, ingawa athari za kujitegemea hazitumii mwanga kama reactant, zinahitaji bidhaa za athari za tegemezi za mwanga kufanya kazi. Aidha, enzymes kadhaa ya athari za kujitegemea za mwanga zinaanzishwa na mwanga. athari mwanga-tegemezi kutumia molekuli fulani kwa muda kuhifadhi nishati: Hizi ni inajulikana kama flygbolag nishati. Wafanyabiashara wa nishati ambao huhamisha nishati kutoka kwa athari za kutegemea mwanga kwa athari za kujitegemea zinaweza kufikiriwa kama “kamili” kwa sababu zina matajiri katika nishati. Baada ya nishati kutolewa, flygbolag za nishati “tupu” zinarudi kwenye majibu ya tegemezi ya mwanga ili kupata nishati zaidi. Kielelezo\(\PageIndex{6}\) unaeleza vipengele ndani ya chloroplast ambapo mwanga-tegemezi na mwanga-huru athari hufanyika.

Mfano huu unaonyesha kloroplast yenye utando wa nje, utando wa ndani, na mwingi wa utando ndani ya utando wa ndani unaoitwa thylakoidi. Stack nzima inaitwa granum. Katika athari za mwanga, nishati kutoka jua hubadilishwa kuwa nishati ya kemikali kwa namna ya ATP na NADPH. Katika mchakato, maji hutumiwa na oksijeni huzalishwa. Nishati kutoka ATP na NADPH hutumiwa kuimarisha mzunguko wa Calvin, ambayo hutoa GA3P kutoka dioksidi kaboni. ATP imevunjika hadi ADP na Pi, na NADPH imeoksidishwa kwa NADP+. Mzunguko umekamilika wakati athari za nuru zinabadilisha molekuli hizi tena kuwa ATP na NADPH. — Kielelezo\(\PageIndex{6}\): Photosynthesis hufanyika katika hatua mbili: athari za tegemezi za mwanga na mzunguko wa Calvin. Athari ya tegemezi ya mwanga, ambayo hufanyika kwenye membrane ya thylakoid, hutumia nishati ya mwanga kufanya ATP na NADPH. Mzunguko wa Calvin, unaofanyika katika stroma, hutumia nishati inayotokana na misombo hii kufanya GA3P kutoka CO ₂.

Unganisha na Kujifunza

Bofya kiungo ili ujifunze zaidi kuhusu usanisinuru.

Uunganisho wa kila siku: usanisinuru kwenye Duka la Vyakula

Picha inaonyesha watu wanunuzi katika duka la vyakula. — Kielelezo\(\PageIndex{7}\): Vyakula ambavyo wanadamu hutumia hutoka kwenye usanisinuru. (mikopo: Associação Brasileira de Supermercados)

Maduka makubwa ya vyakula nchini Marekani yanapangwa katika idara, kama vile maziwa, nyama, mazao, mkate, nafaka, na kadhalika. Kila aisle (Kielelezo\(\PageIndex{7}\)) ina mamia, ikiwa sio maelfu, ya bidhaa tofauti kwa wateja kununua na kula.

Ingawa kuna aina kubwa, kila kitu kinaunganisha kwenye usanisinuru. Nyama na maziwa kiungo, kwa sababu wanyama walikuwa kulishwa vyakula kupanda makao. Mikate, nafaka, na pastas huja kwa kiasi kikubwa kutokana na nafaka za wanga, ambazo ni mbegu za mimea inayotegemea photosynthesis. Nini kuhusu desserts na vinywaji? Bidhaa hizi zote zina sukari-sucrose ni bidhaa ya mimea, disaccharide, molekuli ya kabohaidreti, ambayo hujengwa moja kwa moja kutoka usanisinuru. Aidha, vitu vingi ni chini ya wazi inayotokana na mimea: Kwa mfano, bidhaa za karatasi kwa ujumla hupanda bidhaa, na plastiki nyingi (nyingi kama bidhaa na ufungaji) zinatokana na mwani. Karibu kila viungo na harufu katika aisle ya viungo vilizalishwa na mmea kama jani, mizizi, gome, maua, matunda, au shina. Hatimaye, photosynthesis huunganisha kila mlo na kila chakula ambacho mtu hutumia.

Muhtasari

Mchakato wa photosynthesis ulibadilisha maisha duniani. Kwa kuunganisha nishati kutoka jua, usanisinuru ulibadilika ili kuruhusu vitu vilivyo hai kupata kiasi kikubwa cha nishati. Kwa sababu ya usanisinuru, vitu viishivyo vilipata upatikanaji wa nishati ya kutosha iliyowawezesha kujenga miundo mipya na kufikia viumbe hai vinavyoonekana leo.

Viumbe fulani tu, vinavyoitwa photoautotrophs, vinaweza kufanya usanisinuru; wanahitaji uwepo wa chlorophyll, rangi maalumu ambayo inachukua sehemu fulani za wigo inayoonekana na inaweza kukamata nishati kutoka jua. Usanisinuru hutumia dioksidi kaboni na maji kukusanyika molekuli za kaboni na kutolewa oksijeni kama bidhaa taka katika angahewa. Autotrophs ya Eukaryotic, kama mimea na mwani, ina organelles inayoitwa chloroplasts ambayo photosynthesis hufanyika, na wanga hujilimbikiza. Katika prokaryotes, kama vile cyanobacteria, mchakato huu hauwezi kuwekwa ndani na hutokea ndani ya membrane iliyopigwa, upanuzi wa membrane ya plasma, na katika cytoplasm.

Sanaa Connections

Kielelezo\(\PageIndex{5}\): Siku ya moto, kavu, mimea hufunga stomata yao ili kuhifadhi maji. Hii itakuwa na athari gani juu ya photosynthesis?

Jibu: Ngazi za dioksidi kaboni (substrate muhimu ya photosynthetic) itaanguka mara moja. Matokeo yake, kiwango cha photosynthesis kitazuiliwa.

faharasa

chemoautotroph: viumbe vinavyoweza kujenga molekuli za kikaboni kwa kutumia nishati inayotokana na kemikali isokaboni badala ya jua

kloroplast: organelle ambayo photosynthesis hufanyika

granum: stack ya thylakoids iko ndani ya chloroplast

heterotroph: viumbe kwamba hutumia vitu hai au viumbe vingine kwa ajili ya chakula

majibu ya tegemezi ya mwanga: hatua ya kwanza ya usanisinuru ambapo wavelengths fulani ya mwanga inayoonekana hufanywa ili kuunda molekuli mbili za kubeba nishati (ATP na NADPH)

majibu ya kujitegemea: hatua ya pili ya usanisinuru, ingawa ambayo dioksidi kaboni hutumiwa kujenga molekuli za kaboni kwa kutumia nishati kutoka ATP na NADPH

mesophyll: safu ya kati ya seli za chlorophyll-tajiri katika jani

photoautotroph: viumbe na uwezo wa kuzalisha misombo yake ya kikaboni kutoka jua

rangi: molekuli ambayo ina uwezo wa kunyonya wavelengths fulani ya mwanga na kuonyesha wengine (ambayo akaunti kwa rangi yake)

stoma: ufunguzi ambao unasimamia kubadilishana gesi na uvukizi wa maji kati ya majani na mazingira, kwa kawaida iko juu ya manyoya ya majani

stroma: nafasi iliyojaa maji inayozunguka grana ndani ya chloroplast ambapo athari za kujitegemea za photosynthesis hufanyika

thylakoid: muundo wa disc-umbo, membrane-amefungwa ndani ya chloroplast ambapo athari tegemezi mwanga wa photosynthesis hufanyika; magunia ya thylakoids huitwa grana

lumen ya thylakoid: nafasi yenye maji yenye maji yaliyofungwa na membrane ya thylakoid ambapo protoni hujilimbikiza wakati wa usafiri wa elektroni