Η ιστορία της ανακάλυψης ενός εκπληκτικού και τόσο ζωτικής σημασίας φαινομένου όπως η φωτοσύνθεση έχει τις ρίζες του βαθιά στο παρελθόν. Πριν από περισσότερους από τέσσερις αιώνες, το 1600, ο Βέλγος επιστήμονας Jan Van - Helmont δημιούργησε ένα απλό πείραμα. Τοποθέτησε ένα κλαδί ιτιάς σε μια σακούλα που περιείχε 80 κιλά χώμα. Ο επιστήμονας κατέγραψε το αρχικό βάρος της ιτιάς και στη συνέχεια για πέντε χρόνια πότιζε το φυτό αποκλειστικά με νερό της βροχής. Ποια ήταν η έκπληξη του Jan Van - Helmont όταν ξαναζύγισε την ιτιά. Το βάρος του φυτού αυξήθηκε κατά 65 κιλά και η μάζα της γης μειώθηκε μόνο κατά 50 γραμμάρια! Από πού πήρε το φυτό 64 κιλά 950 γραμμάρια θρεπτικών συστατικών για τον επιστήμονα παρέμεινε μυστήριο!
Το επόμενο σημαντικό πείραμα στην πορεία προς την ανακάλυψη της φωτοσύνθεσης ανήκε στον Άγγλο χημικό Joseph Priestley. Ο επιστήμονας έβαλε ένα ποντίκι κάτω από το καπάκι και μετά από πέντε ώρες το τρωκτικό πέθανε. Όταν ο Priestley τοποθέτησε ένα κλαδάκι μέντας με το ποντίκι και επίσης κάλυψε το τρωκτικό με ένα καπάκι, το ποντίκι παρέμεινε ζωντανό. Αυτό το πείραμα οδήγησε τον επιστήμονα στην ιδέα ότι υπάρχει μια διαδικασία αντίθετη από την αναπνοή. Ο Jan Ingenhaus το 1779 καθιέρωσε το γεγονός ότι μόνο τα πράσινα μέρη των φυτών είναι ικανά να απελευθερώνουν οξυγόνο. Τρία χρόνια αργότερα, ο Ελβετός επιστήμονας Jean Senebier απέδειξε ότι το διοξείδιο του άνθρακα, υπό την επίδραση του ηλιακού φωτός, αποσυντίθεται στα πράσινα οργανίδια των φυτών. Μόλις πέντε χρόνια αργότερα, ο Γάλλος επιστήμονας Jacques Bussingault, πραγματοποιώντας εργαστηριακή έρευνα, ανακάλυψε το γεγονός ότι η απορρόφηση νερού από τα φυτά συμβαίνει και κατά τη σύνθεση οργανικών ουσιών. Μια ανακάλυψη ορόσημο το 1864 έγινε από τον Γερμανό βοτανολόγο Julius Sachs. Μπόρεσε να αποδείξει ότι ο όγκος του διοξειδίου του άνθρακα που καταναλώνεται και το οξυγόνο που απελευθερώνεται εμφανίζεται σε αναλογία 1:1.
Η φωτοσύνθεση είναι μια από τις πιο σημαντικές βιολογικές διεργασίες
Με επιστημονικούς όρους, η φωτοσύνθεση (από τα αρχαία ελληνικά φῶς - φως και σύνθεσις - σύνδεση, δέσμευση) είναι μια διαδικασία κατά την οποία σχηματίζονται οργανικές ουσίες από το διοξείδιο του άνθρακα και το νερό στο φως. Ο κύριος ρόλος σε αυτή τη διαδικασία ανήκει στα φωτοσυνθετικά τμήματα.
Μιλώντας μεταφορικά, το φύλλο ενός φυτού μπορεί να συγκριθεί με ένα εργαστήριο, τα παράθυρα του οποίου βλέπουν στην ηλιόλουστη πλευρά. Σε αυτό συμβαίνει ο σχηματισμός οργανικών ουσιών. Αυτή η διαδικασία είναι η βάση για την ύπαρξη όλης της ζωής στη Γη.
Πολλοί θα θέσουν εύλογα το ερώτημα: τι αναπνέουν οι άνθρωποι που ζουν στην πόλη, όπου όχι μόνο δέντρα, και δεν μπορείς να βρεις λεπίδες χόρτου τη μέρα με φωτιά. Η απάντηση είναι πολύ απλή. Το γεγονός είναι ότι τα φυτά της γης αντιπροσωπεύουν μόνο το 20% του οξυγόνου που απελευθερώνεται από τα φυτά. Τα φύκια παίζουν σημαντικό ρόλο στην παραγωγή οξυγόνου στην ατμόσφαιρα. Αντιπροσωπεύουν το 80% του παραγόμενου οξυγόνου. Στη γλώσσα των αριθμών, τόσο τα φυτά όσο και τα φύκια απελευθερώνουν 145 δισεκατομμύρια τόνους (!) οξυγόνου στην ατμόσφαιρα κάθε χρόνο! Δεν είναι περίεργο που οι ωκεανοί του κόσμου ονομάζονται «πνεύμονες του πλανήτη».
Ο γενικός τύπος για τη φωτοσύνθεση έχει ως εξής:
Νερό + Διοξείδιο του Άνθρακα + Φως → Υδατάνθρακες + Οξυγόνο
Γιατί τα φυτά χρειάζονται φωτοσύνθεση;
Όπως καταλάβαμε, η φωτοσύνθεση είναι απαραίτητη προϋπόθεση για την ύπαρξη του ανθρώπου στη Γη. Ωστόσο, αυτός δεν είναι ο μόνος λόγος για τον οποίο οι φωτοσυνθετικοί οργανισμοί παράγουν ενεργά οξυγόνο στην ατμόσφαιρα. Γεγονός είναι ότι τόσο τα φύκια όσο και τα φυτά σχηματίζουν ετησίως περισσότερες από 100 δισεκατομμύρια οργανικές ουσίες (!), οι οποίες αποτελούν τη βάση της δραστηριότητας της ζωής τους. Θυμόμαστε το πείραμα του Jan Van Helmont, καταλαβαίνουμε ότι η φωτοσύνθεση είναι η βάση της διατροφής των φυτών. Έχει αποδειχθεί επιστημονικά ότι το 95% της καλλιέργειας καθορίζεται από οργανικές ουσίες που λαμβάνονται από το φυτό κατά τη διαδικασία της φωτοσύνθεσης και το 5% - αυτά τα ορυκτά λιπάσματα που εισάγει ο κηπουρός στο έδαφος.
Οι σύγχρονοι καλοκαιρινοί κάτοικοι επικεντρώνονται στη διατροφή του εδάφους των φυτών, ξεχνώντας τη διατροφή του με τον αέρα. Δεν είναι γνωστό τι είδους συγκομιδή θα μπορούσαν να πάρουν οι κηπουροί αν ήταν προσεκτικοί στη διαδικασία της φωτοσύνθεσης.
Ωστόσο, ούτε τα φυτά ούτε τα φύκια θα μπορούσαν να παράγουν οξυγόνο και υδατάνθρακες τόσο ενεργά αν δεν είχαν μια καταπληκτική πράσινη χρωστική ουσία - τη χλωροφύλλη.
Το μυστικό της πράσινης χρωστικής
Η κύρια διαφορά μεταξύ των φυτικών κυττάρων και των κυττάρων άλλων ζωντανών οργανισμών είναι η παρουσία χλωροφύλλης. Παρεμπιπτόντως, είναι αυτός που είναι ο ένοχος του γεγονότος ότι τα φύλλα των φυτών είναι χρωματισμένα ακριβώς σε πράσινο. Αυτή η πολύπλοκη οργανική ένωση έχει μια εκπληκτική ιδιότητα: μπορεί να απορροφήσει το ηλιακό φως! Χάρη στη χλωροφύλλη, η διαδικασία της φωτοσύνθεσης καθίσταται δυνατή.
Δύο στάδια φωτοσύνθεσης
Με απλά λόγια, η φωτοσύνθεση είναι μια διαδικασία κατά την οποία το νερό και το διοξείδιο του άνθρακα που απορροφώνται από ένα φυτό στο φως με τη βοήθεια χλωροφύλλης σχηματίζουν ζάχαρη και οξυγόνο. Έτσι, οι ανόργανες ουσίες μετατρέπονται ως εκ θαύματος σε οργανικές. Η ζάχαρη που προκύπτει είναι η πηγή ενέργειας των φυτών.
Η φωτοσύνθεση έχει δύο στάδια: το φως και το σκοτεινό.
Η ελαφριά φάση της φωτοσύνθεσης
Εμφανίζεται στις θυλακοειδείς μεμβράνες.
Τα θυλακοειδή είναι δομές που οριοθετούνται από μια μεμβράνη. Βρίσκονται στο στρώμα του χλωροπλάστη.
Η σειρά των γεγονότων του φωτεινού σταδίου της φωτοσύνθεσης:
- Το φως χτυπά το μόριο της χλωροφύλλης, το οποίο στη συνέχεια απορροφάται από την πράσινη χρωστική ουσία και το φέρνει σε διεγερμένη κατάσταση. Το ηλεκτρόνιο που περιλαμβάνεται στο μόριο πηγαίνει σε υψηλότερο επίπεδο, συμμετέχει στη διαδικασία σύνθεσης.
- Υπάρχει μια διάσπαση του νερού, κατά την οποία τα πρωτόνια υπό την επίδραση ηλεκτρονίων μετατρέπονται σε άτομα υδρογόνου. Στη συνέχεια, δαπανώνται για τη σύνθεση υδατανθράκων.
- Στο τελικό στάδιο του ελαφρού σταδίου, συντίθεται ATP (τριφωσφορική αδενοσίνη). Αυτή είναι μια οργανική ουσία που παίζει το ρόλο ενός παγκόσμιου συσσωρευτή ενέργειας σε βιολογικά συστήματα.
Σκοτεινή φάση της φωτοσύνθεσης
Η θέση της σκοτεινής φάσης είναι το στρώμα των χλωροπλαστών. Κατά τη σκοτεινή φάση απελευθερώνεται οξυγόνο και συντίθεται γλυκόζη. Πολλοί θα σκεφτούν ότι αυτή η φάση πήρε τέτοιο όνομα επειδή οι διεργασίες που λαμβάνουν χώρα σε αυτό το στάδιο πραγματοποιούνται αποκλειστικά τη νύχτα. Στην πραγματικότητα, αυτό δεν είναι απολύτως αλήθεια. Η σύνθεση γλυκόζης γίνεται όλο το εικοσιτετράωρο. Το γεγονός είναι ότι σε αυτό το στάδιο η φωτεινή ενέργεια δεν καταναλώνεται πλέον, πράγμα που σημαίνει ότι απλά δεν χρειάζεται.
Η σημασία της φωτοσύνθεσης για τα φυτά
Έχουμε ήδη εντοπίσει το γεγονός ότι τα φυτά χρειάζονται φωτοσύνθεση όχι λιγότερο από εμάς. Είναι πολύ εύκολο να μιλήσουμε για την κλίμακα της φωτοσύνθεσης στη γλώσσα των αριθμών. Οι επιστήμονες έχουν υπολογίσει ότι μόνο τα χερσαία φυτά αποθηκεύουν τόση ηλιακή ενέργεια όση θα μπορούσαν να εξαντλήσουν 100 μεγαλουπόλεις μέσα σε 100 χρόνια!
Η αναπνοή των φυτών είναι μια διαδικασία αντίθετη από τη φωτοσύνθεση. Η έννοια της αναπνοής των φυτών είναι να απελευθερώνει ενέργεια στη διαδικασία της φωτοσύνθεσης και να την κατευθύνει στις ανάγκες των φυτών. Με απλά λόγια, η συγκομιδή είναι η διαφορά μεταξύ φωτοσύνθεσης και αναπνοής. Όσο περισσότερη φωτοσύνθεση και μικρότερη αναπνοή, τόσο μεγαλύτερη είναι η συγκομιδή και το αντίστροφο!
Η φωτοσύνθεση είναι η εκπληκτική διαδικασία που κάνει δυνατή τη ζωή στη Γη!