Η εξίσωση της ζωής

Γράφει ο Λεωνίδας Νταλιάνης, Γεωπόνος – Εδαφολόγος ΓΠΑ

Η ζωή στον πλανήτη μας, εδώ και δισεκατομμύρια χρόνια, στηρίζεται στην ενέργεια του Ήλιου. Από την ενέργεια αυτή, που εκπέμπεται υπό μορφή ακτινοβολίας, ένα πολύ μικρό μέρος παγιδεύεται από τους φωτοσυνθετικούς οργανισμούς. Η φωτεινή ενέργεια που παγιδεύεται μετατρέπεται σε χημική και αποθηκεύεται σε οργανικά μόρια, τα οποία παράγουν οι οργανισμοί αυτοί μέσα από μια διαδικασία που την ονομάζουμε φωτοσύνθεση.

Η φωτοσύνθεση αποτελεί ίσως την πιο σημαντική μεταβολική πορεία απ’ όσες γίνονται στη βιόσφαιρα. Η δέσμευση της φωτεινής ενέργειας κατά τη φωτοσύνθεση γίνεται από τη χλωροφύλλη και τις άλλες φωτοσυνθετικές χρωστικές. Με τη βοήθειά τους οι φωτοσυνθετικοί οργανισμοί συνθέτουν υδατάνθρακες (γλυκόζη), χρησιμοποιώντας απλές ανόργανες ενώσεις, όπως το διοξείδιο του άνθρακα και το νερό, που βρίσκουν άφθονες στο περιβάλλον τους.

Το νερό διαλύει και μεταφέρει το CO2 μέχρι τα κύτταρα και τους χλωροπλάστες των φυτών. Εκεί με την ενέργεια του φωτός Hv που απορροφά η φωτοδεσμευτική ουσία συνήθως η χλωροφύλλη διασπάται το νερό στα στοιχεία του: H + 1/2 O2

Το οξυγόνο απελευθερώνεται στο περιβάλλον ενώ το ατομικό H δεσμεύεται από διάφορα ένζυμα (NADP). Με τη βοήθεια αυτών των ενζύμων το υδρογόνο οδηγείται στις αντιδράσεις με το CO2 (Κύκλος του Calvin) : CO2 + H2 -> CH2OH

Στο δεύτερο αυτό στάδιο αντιδράσεων δέν απαιτείται ηλιακή ενέργεια. Η βασική ουσία που παράγεται είναι η γλυκόζη C6H12O6. Για την δημιουργία ενός μορίου γλυκόζης απαιτούνται 6 μόρια CO2.

6CO2 + 12H2O -> C6H12O6 + 6O2 + 6H2O

Φωτοσύνθεση αναπνοή και διαπνοή - ΦΩΤΟΣΥΝΘΕΣΗ
Το φύλλο ως όργανο φωτοσύνθεσης των φυτών

Η φωτοσύνθεση γίνεται στα πράσινα μέρη των φυτών, που είναι κυρίως τα φύλλα και συχνά ο βλαστός τους. Η δομή του φύλλου είναι κατάλληλα προσαρμοσμένη, για να εξυπηρετεί τη λειτουργία της φωτοσύνθεσης. Σε εγκάρσια τομή του παρατηρούμε τις δύο επιδερμίδες, την πάνω και την κάτω, που καλύπτονται συνήθως από εφυμενίδα. Ανάμεσα στις δύο επιδερμίδες

Στόμα φυτού με τα καταφρακτικά κύτταρα.

βρίσκεται το μεσόφυλλο, που διασχίζεται από αγγεία.

Η κάτω επιδερμίδα έχει μικρά ανοίγματα, που λέγονται στόματα. Το καθένα απ’ αυτά περιβάλλεται από ένα ζευγάρι κυττάρων, τα καταφρακτικά κύτταρα. Τα κύτταρα του μεσόφυλλου, που είναι και ο θεμελιώδης ιστός του φύλλου, διαθέτουν πολλούς χλωροπλάστες.

Η είσοδος του ατμοσφαιρικού διοξειδίου του άνθρακα γίνεται με διάχυση από τα στόματα προς τους μεσοκυττάριους χώρους των κυττάρων του μεσόφυλλου και τελικά φτάνει στους χλωροπλάστες. Το νερό εισέρχεται στις ρίζες από το έδαφος και μέσω των αγγείων φτάνει στα φύλλα. Μαζί με το νερό μεταφέρονται ιόντα, όπως νιτρικά, φωσφορικά, θειικά, μαγνησίου κ.ά., που χρησιμεύουν στη σύνθεση πρωτεϊνών και άλλων ουσιών.

Κατά τη φωτοσύνθεση, όπως θα δούμε, παράγεται οξυγόνο, το οποίο εξέρχεται από τα στόματα των φύλλων στην ατμόσφαιρα. Η άντληση του νερού από το έδαφος και η ροή του στα αγγεία διευκολύνεται με την εξάτμιση νερού από τα στόματα (διαπνοή). Το άνοιγμα και κλείσιμο των στομάτων επιτρέπει στο φυτό να ελέγχει το ρυθμό εξάτμισης του νερού, ανάλογα με τη διαθεσιμότητά του στο έδαφος.

α) Η φωτοσύνθεση γίνεται στα πράσινα μέρη του φυτού, όπως είναι τα φύλλα, β) κάθετη τομή φύλλου στην οποία απεικονίζονται η πάνω και κάτω επιδερμίδα, το μεσόφυλλο και ένα στόμα, γ) κύτταρο μεσόφυλλου, δ) χλωροπλάστης, ε) ηλεκτρονική μικροφωτογραφία χλωροπλάστη και στ) ηλεκτρονική μικροφωτογραφία grana.

Η ΤΥΧΗ ΤΗΣ ΗΛΙΑΚΗΣ
ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ…

Από την ηλιακή ακτινοβολία η οποία προσπίπτει πάνω σε ένα φύλλο το 80% περίπου απορροφάται. Από το υπόλοιπο 20% ένα μέρος αντανακλάται από την επιφάνεια του φύλλου και ένα μέρος το διαπερνά. Από την απορροφούμενη ενέργεια ένα μέρος μετατρέπεται σε θερμότητα και αυξάνει τη θερμοκρασία του φύλλου. Μόνο το 0,5 έως 3,5% όλης της φωτεινής ενέργειας, η οποία προσπίπτει στο φύλλο, χρησιμοποιείται για τη φωτοσύνθεση.

«…η χλωροφύλλη είναι ο Προμηθέας που κλέβει τη φωτιά από τους ουρανούς».

Πορεία της φωτοσύνθεσης

Στις αρχές του 20ού αιώνα οι βιολόγοι ερευνητές διαπίστωσαν ότι ή φωτοσύνθεση περιλαμβάνει δύο ομάδες αντιδράσεων. Τις αντιδράσεις που εξαρτώνται από το φως (φωτεινή φάση) και τις αντιδράσεις που είναι ανεξάρτητες από την ύπαρξη φωτός (σκοτεινή φάση). Κατά τις αντιδράσεις της φωτεινής φάσης, που γίνονται στα grana των χλωροπλαστών, η φωτεινή ενέργεια χρησιμοποιείται για τη σύνθεση μορίων ΑΤΡ και τη δημιουργία υδρογόνου (Η+ + e-).
Κατά τις αντιδράσεις της σκοτεινής φάσης, που γίνονται στο στρώμα των χλωροπλαστών, τα μόρια του ΑΤΡ και του υδρογόνου που παρήχθησαν κατά τη φωτεινή φάση χρησιμοποιούνται για τη μετατροπή του διοξειδίου του άνθρακα σε υδατάνθρακες (γλυκόζη).

Φωτεινή φάση
Κατά τη διάρκεια αυτής της φάσης της φωτοσύνθεσης συμβαίνουν σημαντικά γεγονότα. Μόρια χλωροφύλλης, τα οποία βρίσκονται κατά ομάδες στα grana των χλωροπλαστών, δεσμεύουν φωτεινή ενέργεια και διεγείρονται (κάποια από τα ηλεκτρόνιά τους αλλάζουν στιβάδα) και στη συνέχεια αποδιεγείρονται. Η ενέργεια που αποδίδεται κατά την αποδιέγερση των μορίων αυτών προκαλεί τον ιονισμό (απώλεια ηλεκτρονίων) άλλων μορίων χλωροφύλλης.
Μέρος της ενέργειας που παράγεται από τις διαδικασίες αυτές, ίσως όμως και ενέργεια προερχόμενη από άλλες πηγές, άγνωστες σε μεγάλο βαθμό, προκαλεί τη διάσπαση μορίων νερού σε υδρογόνο και οξυγόνο (φωτόλυση νερού). Παράλληλα, σχηματίζεται ΑΤΡ από ADP.
Το οξυγόνο που παράγεται από τη φωτόλυση του νερού ελευθερώνεται στην ατμόσφαιρα, ενώ το υδρογόνο δεσμεύεται από μόρια του συνενζύμου ΝΑDΡ, τα οποία μετατρέπονται σε NADPH. Το ΑΤΡ και το NADPH που παράγονται κατά τη φωτεινή φάση της φωτοσύνθεσης, χρησιμοποιούνται στις αντιδράσεις της σκοτεινής φάσης για το σχηματισμό των τελικών προϊόντων.

Σκοτεινή φάση
Το πρώτο βήμα των αντιδράσεων της σκοτεινής φάσης γίνεται με τη δέσμευση του διοξειδίου του άνθρακα από μια πεντόζη. Ακολουθεί μια σειρά αντιδράσεων κατά τις οποίες με τη βοήθεια των μορίων ΑΤΡ και του NADPH, που έχουν παραχθεί από τις αντιδράσεις της φωτεινής φάσης, παράγεται τελικά γλυκόζη και άλλες ουσίες. Στα προϊόντα αυτής της σειράς αντιδράσεων περιλαμβάνεται και νερό (Η2Ο).

To 1881 ο Γερμανός βοτανικός επιστήμονας Τ. Ένγκελμαν διερεύνησε και τελικά προσδιόρισε ποιες είναι οι πιο αποτελεσματικές ακτινοβολίες για τη φωτοσύνθεση. Φώτισε διαδοχικά τμήματα νηματίου Σπιρογύρα (Spirogyra: φύκος που έχει σπειροειδείς χλωροπλάστες) με διαφορετικές ακτινοβολίες, τις οποίες έπαιρνε από την ανάλυση του ορατού φωτός μέσω ενός πρίσματος. Παρατήρησε ότι τα αερόβια βακτήρια που είχαν δυνατότητα κίνησης συγκεντρώνονταν σε εκείνη την περιοχή του νηματίου που φωτιζόταν από την ερυθρή ακτινοβολία. Διαπίστωσε στη συνέχεια ότι η συγκέντρωση του οξυγόνου σ’ αυτή την περιοχή ήταν μεγαλύτερη. Από το γεγονός αυτό συμπέρανε ότι η ερυθρή ακτινοβολία ήταν πιο αποτελεσματική για τη φωτοσύνθεση. Ο αριθμός των βακτηρίων που συγκεντρώνονταν στην περιοχή που φωτιζόταν από την μπλε ακτινοβολία ήταν μικρός, παρά το ότι και η μπλε ακτινοβολία απορροφάται επίσης ισχυρά από τις χλωροφύλλες. Αυτό σημαίνει ότι δεν είναι τόσο αποτελεσματική για τη διεξαγωγή της φωτοσύνθεσης.

AgroPublic

Αγροτικά Νέα της Πελοποννήσου.

Αφήστε μια απάντηση

Η ηλ. διεύθυνση σας δεν δημοσιεύεται.

Αυτός ο ιστότοπος χρησιμοποιεί το Akismet για να μειώσει τα ανεπιθύμητα σχόλια. Μάθετε πώς υφίστανται επεξεργασία τα δεδομένα των σχολίων σας.