Nuostabaus ir tokio gyvybiškai svarbaus reiškinio kaip fotosintezė atradimo istorija yra giliai įsišaknijusi praeityje. Daugiau nei prieš keturis šimtmečius, 1600 m., belgų mokslininkas Janas Van Helmontas atliko paprastą eksperimentą. Jis įdėjo gluosnio šaką į maišą, kuriame buvo 80 kg žemės. Mokslininkas užfiksavo pradinį gluosnio svorį, o po to penkerius metus augalą laistydavo tik lietaus vandeniu. Kuo nustebino Janas Vanas – Helmontas, kai jis iš naujo pasvėrė gluosnį. Augalo svoris padidėjo 65 kg, o žemės masė sumažėjo tik 50 gramų! Iš kur augalas gavo 64 kg 950 g maistinių medžiagų mokslininkui liko paslaptis!
Kitas reikšmingas eksperimentas kelyje į fotosintezės atradimą priklausė anglų chemikui Josephui Priestley. Mokslininkas po dangteliu pakišo pelę, o po penkių valandų graužikas mirė. Kai Priestley su pele padėjo mėtų šakelę ir taip pat uždengė graužiką kepurėle, pelė liko gyva. Šis eksperimentas paskatino mokslininką suprasti, kad yra procesas, priešingas kvėpavimui. Janas Ingenhausas 1779 m. nustatė faktą, kad tik žalios augalų dalys gali išskirti deguonį. Po trejų metų šveicarų mokslininkas Jeanas Senebier įrodė, kad anglies dioksidas, veikiamas saulės spindulių, suyra žaliose augalų organelėse. Vos po penkerių metų prancūzų mokslininkas Jacques'as Bussingault, atlikdamas laboratorinius tyrimus, atrado faktą, kad augalams vanduo pasisavinamas ir organinių medžiagų sintezės metu. Vokiečių botanikas Julius Sachsas 1864 m. padarė reikšmingą atradimą. Jis sugebėjo įrodyti, kad sunaudoto anglies dioksido tūris ir išleistas deguonis yra santykiu 1: 1.
Fotosintezė yra vienas iš svarbiausių biologinių procesų
Moksliniu požiūriu fotosintezė (iš senovės graikų φῶς – šviesa ir σύνθεσις – ryšys, surišimas) yra procesas, kurio metu iš anglies dvideginio ir vandens šviesoje susidaro organinės medžiagos. Pagrindinis vaidmuo šiame procese tenka fotosintezės segmentams.
Vaizdžiai tariant, augalo lapą galima palyginti su laboratorija, kurios langai atsukti į saulėtą pusę. Būtent jame susidaro organinės medžiagos. Šis procesas yra visos gyvybės Žemėje egzistavimo pagrindas.
Daugelis pagrįstai užduos klausimą: kuo kvėpuoja žmonės, gyvenantys mieste, kur ne tik medžiai, o dienos metu su ugnimi nerandate žolės stiebų. Atsakymas labai paprastas. Faktas yra tas, kad sausumos augalai sudaro tik 20% augalų išskiriamo deguonies. Dumbliai vaidina svarbų vaidmenį gaminant deguonį į atmosferą. Jie sudaro 80% pagaminamo deguonies. Kalbant skaičių kalba, tiek augalai, tiek dumbliai kasmet į atmosferą išskiria 145 milijardus tonų (!) deguonies! Nenuostabu, kad pasaulio vandenynai vadinami „planetos plaučiais“.
Bendra fotosintezės formulė yra tokia:
Vanduo + anglies dioksidas + šviesa → angliavandeniai + deguonis
Kodėl augalams reikalinga fotosintezė?
Kaip supratome, fotosintezė yra būtina žmogaus egzistavimo Žemėje sąlyga. Tačiau tai nėra vienintelė priežastis, kodėl fotosintetiniai organizmai aktyviai gamina deguonį į atmosferą. Faktas yra tas, kad tiek dumbliai, tiek augalai kasmet sudaro daugiau nei 100 milijardų organinių medžiagų (!), kurios yra jų gyvenimo veiklos pagrindas. Prisimindami Jano Van Helmonto eksperimentą, suprantame, kad fotosintezė yra augalų mitybos pagrindas. Moksliškai įrodyta, kad 95 % derliaus nulemia organinės medžiagos, kurias augalas gauna fotosintezės procese, o 5 % – tos mineralinės trąšos, kurias sodininkas įveda į dirvą.
Šiuolaikiniai vasaros gyventojai daugiausia dėmesio skiria augalų dirvožemio mitybai, pamiršdami apie jo maitinimą oru. Nežinia, kokį derlių galėtų gauti sodininkai, jei būtų dėmesingi fotosintezės procesui.
Tačiau nei augalai, nei dumbliai negalėtų taip aktyviai gaminti deguonies ir angliavandenių, jei neturėtų nuostabaus žalio pigmento – chlorofilo.
Žaliojo pigmento paslaptis
Pagrindinis skirtumas tarp augalų ląstelių ir kitų gyvų organizmų ląstelių yra chlorofilo buvimas. Beje, būtent jis kaltas dėl to, kad augalų lapai nuspalvinti būtent žaliai. Šis sudėtingas organinis junginys turi vieną nuostabią savybę: jis gali sugerti saulės šviesą! Chlorofilo dėka tampa įmanomas fotosintezės procesas.
Du fotosintezės etapai
Paprasčiau tariant, fotosintezė yra procesas, kurio metu augalo šviesoje su chlorofilu absorbuojamas vanduo ir anglies dioksidas sudaro cukrų ir deguonį. Taigi neorganinės medžiagos stebuklingai virsta organinėmis. Gautas cukrus yra augalų energijos šaltinis.
Fotosintezė turi du etapus: šviesią ir tamsiąją.
Šviesioji fotosintezės fazė
Atsiranda ant tilakoidinių membranų.
Tylakoidas yra struktūros, apribotos membrana. Jie yra chloroplasto stromoje.
Fotosintezės šviesos stadijos įvykių tvarka:
- Šviesa patenka į chlorofilo molekulę, kurią vėliau sugeria žalias pigmentas ir sužadina. Į molekulę įtrauktas elektronas pereina į aukštesnį lygį, dalyvauja sintezės procese.
- Vyksta vandens skilimas, kurio metu protonai, veikiami elektronų, virsta vandenilio atomais. Vėliau jie išleidžiami angliavandenių sintezei.
- Paskutiniame šviesos stadijos etape sintetinamas ATP (adenozino trifosfatas). Tai organinė medžiaga, atliekanti universalaus energijos kaupiklio vaidmenį biologinėse sistemose.
Tamsioji fotosintezės fazė
Tamsiosios fazės vieta yra chloroplastų stroma. Tamsiojoje fazėje išsiskiria deguonis ir sintetinama gliukozė. Daugelis manys, kad ši fazė gavo tokį pavadinimą, nes šiame etape vykstantys procesai vyksta tik naktį. Tiesą sakant, tai nėra visiškai tiesa. Gliukozės sintezė vyksta visą parą. Faktas yra tas, kad būtent šiame etape šviesos energija nebenaudojama, o tai reiškia, kad jos tiesiog nereikia.
Fotosintezės svarba augalams
Jau nustatėme faktą, kad augalams fotosintezė reikalinga ne mažiau nei mums. Labai lengva kalbėti apie fotosintezės mastą skaičių kalba. Mokslininkai apskaičiavo, kad tik sausumos augalai sukaupia tiek saulės energijos, kiek 100 megamiestų galėtų sunaudoti per 100 metų!
Augalų kvėpavimas yra fotosintezei priešingas procesas. Augalų kvėpavimo prasmė – fotosintezės procese išlaisvinti energiją ir nukreipti ją į augalų poreikius. Paprastai tariant, derlius yra skirtumas tarp fotosintezės ir kvėpavimo. Kuo daugiau fotosintezės ir mažesnis kvėpavimas, tuo didesnis derlius, ir atvirkščiai!
Fotosintezė yra nuostabus procesas, leidžiantis gyvybei Žemėje!