Нарны энерги хэрхэн хувирдаг. Нарны энергийн хувирал ба түүнийг ашигладаг организмууд. Фотосинтезийн гэрлийн үе шатанд юу тохиолддог вэ?

бусад илтгэлүүдийн хураангуй

"Биологийн 2013 оны улсын нэгдсэн шалгалтын асуултууд" - Организмын генотип. Симбиотик харилцаа. Уургийн молекул. Үндсэн алдаанууд. Тамхины утаа. Мутацийн болон хослолын хувьсах байдлын ижил төстэй ба ялгаа. Нуклеотид. Мейозын үр дүнд хэдэн эс үүсдэг вэ? Уургийн молекулууд. Цусны бүлэг. Даун синдром. Гурвалсан нуклеотид. Эрчим хүчний солилцооны үе шатууд. Биологийн зөвлөгөө. тромбоцитууд. Хосолсон хувьсах чадвар. Хими-автотроф хоол тэжээлийн чадвар.

"Шээс ялгаруулах тогтолцооны өвчин" - Цистит. Уретрит. Чихрийн шижингийн нифропати. Нефроген цус багадалт. Urolithiasis өвчин. Пиелонефрит. Гидронефроз. Бөөрний поликист өвчин. Бөөрний колик. Бөөрний амилоидоз. Шээс ялгаруулах тогтолцооны цочмог өвчин. Простатит.

"Палеогенийн үе" - Уур амьсгал. Уур амьсгал нь бүр халуун орны уур амьсгалтай байсан. Кайнозойн эрин үе. Яслаг загас. Олигоцен. Палеогенийн эхлэл. Амьтны ертөнц. Диатримууд. Палеоген. Сэнс сүүлт шүдгүй шувууд. Дээд эоцен. Палеоген үе.

"Биологийн улсын нэгдсэн шалгалтын асуултууд" - Шувууны ангийн цэцэглэлт. Ямар төрлийн нөхөн үржихүйг бэлгийн бус гэж үздэг вэ? Ямар хлоропласт бүтэц нь фермент агуулдаг. Онцлог шинж чанар ба эрхтний хоорондох захидал харилцааг бий болгох. Соматик мутаци. Эд эсийн харагдах байдал. Цочролын тухай ойлголт. Сээр нуруутан амьтдын сонсголын эрхтэн хувьслын явцад өөрчлөгдсөн. Улсын нэгдсэн шалгалтын дүн шинжилгээ нь биологийн чиглэлээр гарсан. Плацентаци. Уушигны үүсэх. Нүдний бүтэц. Соматик эсийн цөмд хичнээн аутосом байдаг вэ?

"Эрүүл хооллолтын дүрэм" - Бүрэн хэмжээний хоолны газруудын зохион байгуулалт. Хөтөлбөрийн хэрэгжилт. Тахианы мах. Хөтөлбөрийн хэрэгжилтийн үр дүн. Уураг. Зөв зохистой хооллолт бол амьдралын хэв маяг юм. Эрүүл хооллолт. Зөв зохистой хооллолт. Хоол тэжээлийн онолууд. Сургуулийн хүүхдүүдэд зориулсан хоол. Тэнцвэртэй хоол тэжээлийн сонгодог онол. Сургуулийн хоол тэжээлийн тогтолцоог цогцоор нь өөрчлөх. Хоолны дэглэм. Хөтөлбөрийн зорилго, зорилтууд. Сургуулийн хоолны дэглэмийг боловсруулах 2 сонголт байдаг.

“Сүү, сүүн бүтээгдэхүүний үйлдвэрлэл” - Сүүний чанарын судалгаа. Барилга. Мал аж ахуйн үйлдвэрлэл. Аяллын тайлан. Сүү дэх нүүрс усыг тодорхойлох. Старицкийн цөцгий. Санал. Шүүмжлэгч, шинжээчдийн бүтээлүүд. Үйлдвэрлэсэн сүү. Их эрдэмтний оруулсан хувь нэмэр. Дмитрий Иванович Менделеевийн сүүний үйлдвэрийг хөгжүүлэхэд оруулсан хувь нэмэр. Жинхэнэ эрдэмтэн. Захиалга. Бяслаг үйлдвэрлэлийн хөгжил. Санаа. Өөх тосыг тодорхойлох. Сүүний бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн шинж чанар.

Бидний олонх нь нарны эсүүдтэй нэг талаараа тааралддаг. Хэн нэгэн нарны зайн хавтанг ахуйн хэрэгцээнд цахилгаан эрчим хүч үйлдвэрлэхэд ашиглаж байсан эсвэл ашиглаж байгаа, хэн нэгэн жижиг нарны зайг ашиглан өөрийн дуртай төхөөрөмжөө талбай дээр цэнэглэдэг, хэн нэгэн нь бичил тооцоолуур дээр жижиг нарны зайг харсан нь гарцаагүй. Зарим нь бүр азаар зочилжээ.

Гэхдээ нарны энергийг цахилгаан энерги болгон хувиргах үйл явц хэрхэн явагддаг талаар та бодож үзсэн үү? Эдгээр бүх нарны эсийн үйл ажиллагааны үндэс нь ямар физик үзэгдэл вэ? Физик рүү эргэж, үеийн процессыг нарийвчлан ойлгоцгооё.

Эндэхийн энергийн эх үүсвэр нь нарны гэрэл буюу шинжлэх ухааны хэллэгээр бол нарны цацрагийн фотонуудын ачаар олддог нь анхнаасаа илэрхий. Эдгээр фотонуудыг нарнаас тасралтгүй хөдөлж буй энгийн бөөмсийн урсгал гэж төсөөлж болно, тэдгээр нь тус бүр нь энергитэй байдаг тул гэрлийн урсгал бүхэлдээ ямар нэгэн энергийг авч явдаг.

Нарны гадаргын метр квадрат бүрээс 63 МВт энерги тасралтгүй цацраг хэлбэрээр ялгардаг! Энэ цацрагийн хамгийн их эрчим нь харагдах спектрийн мужид унадаг - .

Тиймээс эрдэмтэд нарнаас дэлхий хүртэлх 149,600,000 километр зайд нарны гэрлийн урсгалын энергийн нягт нь агаар мандлыг дайран өнгөрч, манай гаригийн гадаргуу дээр хүрэх үед нэг квадрат метр талбайд дунджаар 900 Вт байдаг болохыг тогтоожээ.

Энд та энэ энергийг хүлээн авч, түүнээс цахилгаан авахыг оролдож болно, өөрөөр хэлбэл нарны гэрлийн урсгалын энергийг хөдөлж буй цэнэгтэй бөөмсийн энерги болгон хувиргаж болно.

Гэрлийг цахилгаан болгон хувиргахын тулд бидэнд хэрэгтэй фотоэлектрик хувиргагч. Ийм хөрвүүлэгч нь маш түгээмэл байдаг бөгөөд тэдгээрийг үнэгүй зарах боломжтой бөгөөд эдгээр нь нарны эсүүд гэж нэрлэгддэг - цахиураар хайчилж авсан вафель хэлбэртэй фотоэлектрик хувиргагч юм.

Хамгийн сайн нь монокристал юм, тэдгээр нь ойролцоогоор 18% -ийн үр ашигтай байдаг, өөрөөр хэлбэл, нарнаас ирж буй фотоны урсгал нь 900 Вт / м2 эрчим хүчний нягттай бол нэг квадрат метр тутамд 160 Вт цахилгаан хүлээн авна гэдэгт найдаж болно. ийм эсүүдээс угсарсан зай.

Энд "фото эффект" гэж нэрлэгддэг үзэгдэл ажиллаж байна. Фотоэлектрик эффект эсвэл фотоэлектрик эффект- энэ нь гэрлийн болон бусад цахилгаан соронзон цацрагийн нөлөөн дор бодисоос электрон ялгарах үзэгдэл (бодисын атомаас электрон ялгарах үзэгдэл).

1900 онд квант физикийн эцэг Макс Планк гэрлийг тус тусад нь ялгаруулж, шингээдэг гэсэн санааг хожим, тухайлбал 1926 онд химич Гилберт Льюис "фотон" гэж нэрлэжээ.

Фотон бүр энергитэй бөгөөд үүнийг E = hv - Планкийн тогтмолыг цацрагийн давтамжаар үржүүлсэн томъёогоор тодорхойлж болно.

Макс Планкийн санаа бодлын дагуу 1887 онд Герц нээсэн, дараа нь Столетов 1888-1890 онд сайтар судалсан үзэгдлийг тайлбарлах боломжтой болсон. Александр Столетов фотоэлектрик эффектийг туршилтаар судалж, фотоэлектрик эффектийн гурван хуулийг (Столетовын хуулиуд) тогтоожээ.

Фотокатод дээр туссан цахилгаан соронзон цацрагийн тогтмол спектрийн найрлагатай бол ханасан фото гүйдэл нь катодын энергийн гэрэлтүүлэгтэй пропорциональ байна (өөрөөр хэлбэл: катодоос 1 секундын дотор тасарсан фотоэлектронуудын тоо цацрагийн эрчтэй шууд пропорциональ байна). .

Фотоэлектронуудын хамгийн их анхны хурд нь туссан гэрлийн эрчмээс хамаардаггүй бөгөөд зөвхөн түүний давтамжаар тодорхойлогддог.

Бодис бүрийн хувьд фотоэлектрик эффектийн улаан хязгаар, өөрөөр хэлбэл гэрлийн хамгийн бага давтамж (бодисын химийн шинж чанар, гадаргуугийн төлөв байдлаас хамаарч) байдаг бөгөөд үүнээс доош фотоэлектрик эффект үүсэх боломжгүй юм.

Хожим нь 1905 онд Эйнштейн фотоэлектрик эффектийн онолыг тодруулсан. Тэрээр гэрлийн квант онол, энергийн хадгалалт, хувирлын хууль юу болж, юу ажиглагдаж байгааг хэрхэн төгс тайлбарлаж байгааг харуулах болно. Эйнштейн 1921 онд Нобелийн шагнал хүртсэн фотоэлектрик эффектийн тэгшитгэлийг бичжээ.

Ажлын функц А нь бодисын атомыг орхиход электрон хийх ёстой хамгийн бага ажил юм. Хоёр дахь нэр томъёо нь гарсны дараа электроны кинетик энерги юм.

Өөрөөр хэлбэл, фотоныг атомын электрон шингээж авдаг бөгөөд үүний улмаас атом дахь электроны кинетик энерги нь шингэсэн фотоны энергийн хэмжээгээр нэмэгддэг.

Энэ энергийн нэг хэсэг нь электроныг атомаас гарахад зарцуулж, электрон атомыг орхиж, чөлөөтэй хөдөлж чаддаг. Мөн чиглэлтэй хөдөлж буй электронууд нь цахилгаан гүйдэл эсвэл фото гүйдэлээс өөр зүйл биш юм. Үүний үр дүнд бид фотоэлектрик эффектийн үр дүнд бодис дахь EMF үүсэх тухай ярьж болно.

Тэр бол, Нарны зай нь түүний дотор ажилладаг фотоэлектрик эффектийн ачаар ажилладаг.Гэхдээ фотоволтайк хөрвүүлэгчийн "хоосон" электронууд хаашаа явдаг вэ? Фотоэлектрик хувиргагч, нарны зай эсвэл фотоэлемент нь түүний доторх фотоэлектрик эффект нь ер бусын байдлаар явагддаг, энэ нь дотоод фотоэффект бөгөөд бүр "хавхлагын фотоэффект" гэсэн тусгай нэртэй байдаг.

Нарны гэрлийн нөлөөн дор хагас дамжуулагчийн p-n уулзварт фотоэлектрик эффект үүсч, эмф гарч ирдэг боловч электронууд фотоэлелээс гарахгүй, бүх зүйл блоклох давхаргад тохиолддог, электронууд биеийн нэг хэсгийг орхиж, нөгөө хэсэг рүү шилжих үед үүнээс.

Дэлхийн царцдас дахь цахиур нь түүний массын 30% -ийг эзэлдэг тул үүнийг хаа сайгүй ашигладаг. Хагас дамжуулагчийн онцлог шинж чанар нь тэдгээр нь дамжуулагч ч биш, диэлектрик ч биш бөгөөд тэдгээрийн дамжуулах чанар нь хольцын агууламж, температур, цацрагийн нөлөөллөөс хамаардаг.

Хагас дамжуулагч дахь зурвасын завсар нь хэд хэдэн электрон вольт бөгөөд энэ нь электронууд гадагшилдаг атомуудын валентын зурвасын дээд түвшин ба дамжуулах зурвасын доод түвшний хоорондох энергийн ялгаа юм. Цахиурын хувьд зурвасын зай нь 1.12 эВ-ийн өргөнтэй байдаг - нарны цацрагийг шингээхэд шаардлагатай зүйл юм.

Тиймээс p-n уулзвар. Фотоэлел дэх цахиурын нэмэлт давхарга нь p-n уулзвар үүсгэдэг. Энд электронуудад энергийн саад үүсдэг; тэд валентын зурвасыг орхиж, зөвхөн нэг чиглэлд хөдөлдөг; нүхнүүд эсрэг чиглэлд хөдөлдөг. Нарны зайд гүйдэл ингэж үүсдэг, өөрөөр хэлбэл нарны гэрлээс цахилгаан үүсдэг.

Фотонд өртсөн Pn уулзвар нь цэнэг тээвэрлэгч электрон ба нүхнүүд нэг чиглэлд шилжихийг зөвшөөрдөггүй бөгөөд тэдгээр нь тусгаарлагдаж, хаалтын эсрэг талд байрладаг. Дээд ба доод электродуудаар ачааллын хэлхээнд холбогдсон үед фотоэлектрик хувиргагч нь нарны гэрэлд өртөх үед гадаад хэлхээнд үүснэ.

Нар бол огторгуйн биет (од) бөгөөд нарны энерги нь үндсэндээ түүний амин чухал үйл ажиллагааны үр дүн юм. Үүн дээр болж буй үйл явц нь асар их энерги ялгаруулж, түүнийг манай гараг руу гайхалтай хурдтайгаар шиддэг. Нарны эрчим хүчийг ашиглаххүмүүст ухамсартай болон ухамсаргүйгээр тохиолддог. Нарны туяанд усанд орохдоо бид энэ одны энерги нь бидний биед хэд хэдэн чухал үйл явцыг өдөөдөг тухай боддоггүй (жишээлбэл, витамин D нь бидний арьсанд үүсдэг); үүний ачаар ургамалд фотосинтез үүсдэг; Байгаль дахь усны эргэлт нь бас "түүний ажил" юм. Бид үүнийг ердийн зүйл гэж үздэг. Гэхдээ энэ бол бидний амьдралд нарны энергийн үүргийн зөвхөн нэг хэсэг юм.

Нарны энергийн практик хэрэглээ

Хүн бүрт хамгийн энгийн бөгөөд хамгийн танил нарны эрчим хүчний хэрэглээний төрлүүд- орчин үеийн тооцоолуур (маш авсаархан нарны хавтан дээр) болон ахуйн хэрэгцээнд (хуурай жимс, тус улсын гадаа шүршүүрийн саванд ус халаах) ашиглах. Нарны илчээр халсан агаарын хөдөлгөөн нь агааржуулалтын систем, яндангийн ажиллагааг хангадаг. Далайн усыг давсгүйжүүлэхийн тулд нарны цацрагийг ууршуулагч болгон ашигладаг. Нар бол хиймэл дагуулын урт хугацааны үйл ажиллагааны эрчим хүчний гол эх үүсвэрийн нэг бөгөөд сансар огторгуйг судлахад ашигладаг төхөөрөмж юм. Цахилгаан эрчим хүчээр ажилладаг машинууд бидний амьдралд улам бүр нэвтэрч байна.

Нарны эрчим хүчийг хүлээн авах, хувиргах

Нарны энерги нь манай гаригт хэт ягаан, гэрэл, хэт улаан туяа гэсэн гурван төрлийн цацрагийн долгион хэлбэрээр тусдаг.

Нарны эрчим хүчийг ашиглахголчлон дулаан эсвэл цахилгаан эрчим хүч үйлдвэрлэх зорилготой. Эрдэмтдийн боловсруулсан тусгай гадаргуу дээр унадаг хэт улаан туяаны долгион нь бидэнд хэрэгтэй зүйл болж хувирдаг.

Тиймээс дулааныг гаргаж авахын тулд хэт улаан туяаны долгионыг шингээдэг коллектор, түүнийг хуримтлуулдаг хадгалах төхөөрөмж, халаалт явагддаг дулаан солилцогчийг ашигладаг.

Цахилгаан эрчим хүч үйлдвэрлэхдээ тусгай фотоэлелүүдийг ашигладаг. Тэд гэрлийн цацрагийг шингээдэг бөгөөд холбогдох суурилуулалт нь эдгээр цацрагийг цахилгаан болгон хувиргадаг.

Нарны эрчим хүчийг ашиглах арга замуудболовсруулах цахилгаан станцын төрлөөс хамааран хувааж болно. Тэдгээрийн нийт зургаа нь байна.

Эхний гурав:цамхаг (дотоод нь устай, эргэн тойронд нь толин тусгалтай хар цамхаг хэлбэртэй загвар), параболик (дотоод тольтой хиймэл дагуулын антеныг санагдуулам), таваг хэлбэртэй (толин тусгалаар хийсэн навчтай төмөр мод шиг харагдах). Тэдгээрийг нэгтгэж болно, учир нь тэдгээр нь ижил үйл ажиллагааны зарчимтай байдаг: тэд тодорхой хэмжээний гэрлийг барьж, шингэний усан сан руу чиглүүлж, халааж, уур гаргадаг бөгөөд энэ нь эргээд цахилгаан үйлдвэрлэхэд ашиглагддаг.

Дөрөвдүгээрт- фотоэлемент бүхий тоног төхөөрөмж. Хамгийн алдартай төрөл, учир нь түүний хэмжээс нь хэрэгцээнээс хамаарч өөр өөр байж болно. Жижиг нарны хавтанг хувийн өрхийн хэрэгцээнд, том хэмжээтэй нь үйлдвэрлэлийн хэрэгцээнд ашигладаг. Үйл ажиллагааны зарчим нь фотоэлел доторх потенциалын зөрүүгээс болж шингэсэн нарны цацрагаас цахилгаан үүсгэх явдал юм.

Тавдугаарт- вакуум. Бүтцийн хувьд энэ нь дугуй шилэн дээвэрээр бүрхэгдсэн хэсэг газар бөгөөд түүний дотор сууринд турбин бүхий цамхаг байдаг. Үйл ажиллагааны зарчим нь энэ дээвэр дор газрыг халааж, температурын зөрүүгээс болж агаарын төслийг бий болгодог. Турбины ир нь эргэлдэж, энерги үүсгэдэг.

Фотосинтезийн судалгааны түүх нь 1771 оны 8-р сараас эхлэн Английн теологич, гүн ухаантан, сонирхогч байгаль судлаач Жозеф Пристли (1733-1804) ургамал нь шаталтын үр дүнд найрлага нь өөрчлөгддөг агаарын шинж чанарыг "засаж" чаддаг болохыг олж мэдсэнээр эхэлдэг. амьтны үйл ажиллагаа. Пристли ургамлын дэргэд "муудсан" агаар дахин шатаж, амьтдын амьдралыг дэмжихэд тохиромжтой болохыг харуулсан.

Ingenhaus, Senebier, Saussure, Boussingault болон бусад эрдэмтдийн цаашдын судалгааны явцад ургамал гэрэлтэх үед хүчилтөрөгч ялгаруулж, агаараас нүүрстөрөгчийн давхар ислийг шингээж авдаг болохыг тогтоожээ. Ургамал нь нүүрстөрөгчийн давхар исэл, уснаас органик бодисыг нэгтгэдэг. Энэ үйл явцыг фотосинтез гэж нэрлэдэг.

Эрчим хүч хадгалагдах хуулийг нээсэн Роберт Майер 1845 онд ургамал нарны гэрлийн энергийг фотосинтезийн явцад үүссэн химийн нэгдлүүдийн энерги болгон хувиргадаг гэж санал болгосон. Түүний хэлснээр, "сансарт тархаж буй нарны туяаг "барьж", шаардлагатай үед дараа нь ашиглах зорилгоор хадгалдаг." Дараа нь Оросын эрдэмтэн К.А. Ургамлын нарны гэрлийн энергийг ашиглахад хамгийн чухал үүрэг бол ногоон навчис дахь хлорофилл молекулууд гэдгийг Тимирязев баттай нотолсон.

Фотосинтезийн явцад үүссэн нүүрс ус (элсэн чихэр) нь ургамал, амьтны төрөл бүрийн органик нэгдлүүдийг нийлэгжүүлэхэд эрчим хүчний эх үүсвэр, барилгын материал болгон ашигладаг. Өндөр ургамалд фотосинтезийн үйл явц нь ургамлын эсийн тусгай энерги хувиргагч органелл болох хлоропласт явагддаг.

Хлоропластын бүдүүвч дүрслэлийг Зураг дээр үзүүлэв. 1.

Гадна болон дотоод мембранаас бүрдэх хлоропласт давхар бүрхүүлийн дор тилакоид гэж нэрлэгддэг хаалттай цэврүү үүсгэдэг өргөтгөсөн мембран бүтэц байдаг. Тилакоид мембран нь липидийн молекулуудын хоёр давхаргаас бүрддэг бөгөөд үүнд макромолекулын фотосинтезийн уургийн цогцолборууд багтдаг. Дээд зэрэглэлийн ургамлын хлоропластуудад тилакоидууд нь хавтгай хэлбэртэй, хоорондоо нягт дарагдсан диск хэлбэртэй тилакоидын овоолго бүхий гранад хуваагддаг. Мөхлөгийн бие даасан тилакоидын үргэлжлэл нь тэдгээрээс цухуйсан мөхлөг хоорондын тилакоидууд юм. Хлоропласт мембран ба тилакоидын хоорондох зайг стром гэж нэрлэдэг. Строма нь хлоропластын молекулууд РНХ, ДНХ, рибосом, цардуулын үр тариа, түүнчлэн олон тооны ферментүүд, түүний дотор ургамлаар СО2 шингээх чадвартай байдаг.

Уг нийтлэлийг Sushi E’xpress компанийн дэмжлэгтэйгээр гаргасан. "Sushi E'xpress" компани нь Новосибирск хотод суши хүргэх үйлчилгээ үзүүлдэг. Sushi E’xpress компанид суши захиалснаар та мэргэжлийн тогооч нарын дээд зэргийн шинэхэн орц найрлагаар хийсэн амттай, эрүүл хоолыг түргэн шуурхай хүлээн авах болно. Sushi E’xpress компанийн вэбсайтад зочилсноор та санал болгож буй ороомгийн үнэ, найрлагатай танилцах боломжтой бөгөөд энэ нь таваг сонгоход тань туслах болно. Сүши хүргэлтийн захиалга өгөхийг хүсвэл 239-55-87 утсаар холбогдоно уу

Фотосинтезийн гэрэл ба харанхуй үе шатууд

Орчин үеийн үзэл баримтлалын дагуу фотосинтез нь фотофизик ба биохимийн процессуудын цуврал бөгөөд үүний үр дүнд ургамал нарны гэрлийн энергийг ашиглан нүүрс ус (элсэн чихэр) нийлэгжүүлдэг. Фотосинтезийн олон үе шатыг ихэвчлэн хоёр том үйл явцын бүлэгт хуваадаг - гэрэл ба харанхуй үе.

Фотосинтезийн гэрлийн үе шатуудыг ихэвчлэн гэрлийн энергийн ачаар аденозин трифосфатын (ATP) молекулууд нийлэгжиж, багассан никотинамид аденин динуклеотид фосфат (NADP H) үүсэх процессын багц гэж нэрлэдэг. боломжийг бууруулах, тохиолддог. ATP молекулууд нь эсийн энергийн бүх нийтийн эх үүсвэр болдог. ATP молекулын макроэргик (өөрөөр хэлбэл эрчим хүчээр баялаг) фосфатын бондын энерги нь энерги зарцуулдаг ихэнх биохимийн процессуудад ашиглагддаг.

Фотосинтезийн хөнгөн үйл явц нь тилакоидуудад явагддаг бөгөөд тэдгээрийн мембран нь ургамлын фотосинтезийн аппаратын үндсэн бүрэлдэхүүн хэсэг болох гэрэл цуглуулдаг пигмент-уураг ба электрон тээвэрлэлтийн цогцолборууд, түүнчлэн аденозинаас ATP үүсэхийг хурдасгадаг ATP синтазын цогцолборыг агуулдаг. дифосфат (ADP) ба органик бус фосфат (P i) (ADP + Ф i → ATP + H 2 O). Тиймээс фотосинтезийн гэрлийн үе шатуудын үр дүнд ургамлын шингэсэн гэрлийн энерги нь нүүрс усны нийлэгжилтэнд ашиглагддаг ATP молекулууд болон хүчтэй бууруулагч NADP H-ийн өндөр энергитэй химийн холбоо хэлбэрээр хадгалагддаг. фотосинтезийн харанхуй үе гэж нэрлэгддэг.

Фотосинтезийн харанхуй үе шатуудыг ихэвчлэн биохимийн урвалын багц гэж нэрлэдэг бөгөөд үүний үр дүнд агаар мандлын нүүрстөрөгчийн давхар исэл (CO 2) ургамалд шингэж, нүүрс ус үүсдэг. CO 2 ба уснаас органик нэгдлүүдийг нийлэгжүүлэхэд хүргэдэг харанхуй биохимийн өөрчлөлтийн мөчлөгийг эдгээр үйл явцыг судлахад шийдвэрлэх хувь нэмэр оруулсан зохиолчдын нэрээр нэрлэсэн Калвин-Бенсоны мөчлөг гэж нэрлэдэг. Тилакоид мембранд байрладаг электрон тээвэрлэлт ба ATP синтазын цогцолборуудаас ялгаатай нь фотосинтезийн "харанхуй" урвалыг идэвхжүүлдэг ферментүүд нь стромд уусдаг. Хлоропласт мембраныг устгах үед эдгээр ферментүүд стромоос угааж, улмаар хлоропластууд нүүрстөрөгчийн давхар ислийг шингээх чадвараа алддаг.

Калвин-Бенсоны мөчлөгт хэд хэдэн органик нэгдлүүдийг хувиргасны үр дүнд хлоропласт дахь CO 2 ба усны гурван молекулаас глицеральдегид-3-фосфатын молекул үүсдэг бөгөөд энэ нь CHO-CHOH-CH2 химийн томъёотой байдаг. O–PO 3 2-. Энэ тохиолдолд глицеральдегид-3-фосфат дахь CO 2-ийн нэг молекул тутамд гурван ATP молекул, NADP H хоёр молекул зарцуулагдана.

Калвин-Бенсоны мөчлөгт органик нэгдлүүдийг нийлэгжүүлэхэд ATP молекулуудын өндөр энергитэй фосфатын бондын гидролизийн урвалын үед ялгарах энерги (ATP + H 2 O → ADP + Ph i урвал) ба NADP H-ийн хүчтэй бууралтын потенциал. молекулуудыг ашигладаг.Хлоропластанд үүссэн молекулуудын үндсэн хэсэг глицеральдегид-3-фосфат нь ургамлын эсийн цитозолд орж, фруктоз-6-фосфат, глюкоз-6-фосфат болон хувирч, цаашдын хувирлын явцад элсэн чихэр үүсгэдэг. сахарозын урьдал бодис болох фосфат. Цардуул нь хлоропласт дахь глицеральдегид-3-фосфатын молекулуудаас нийлэгждэг.

Фотосинтезийн урвалын төвүүдэд энерги хувиргах

Ургамал, замаг, фотосинтезийн бактерийн фотосинтезийн энерги хувиргах цогцолборыг сайн судалсан. Эрчим хүч хувиргах уургийн цогцолборуудын химийн найрлага, орон зайн бүтцийг тогтоож, энерги хувиргах үйл явцын дарааллыг тодорхой болгосон. Фотосинтезийн аппаратын найрлага, молекулын бүтцийн ялгааг үл харгалзан бүх фотосинтезийн организмын фотореакцийн төвүүдэд энерги хувиргах үйл явцын ерөнхий зүй тогтол байдаг. Ургамал ба бактерийн гаралтай фотосинтезийн системд фотосинтезийн аппаратын нэг бүтэц, үйл ажиллагааны нэгж нь байдаг. фотосистем, үүнд гэрэл хураах антен, фотохимийн урвалын төв болон холбогдох молекулууд - электрон тээвэрлэгч орно.

Эхлээд бүх фотосинтезийн системүүдийн онцлог шинж чанартай нарны гэрлийн энергийг хувиргах ерөнхий зарчмуудыг авч үзье, дараа нь бид фотореакцийн төвүүдийн үйл ажиллагаа, өндөр ургамал дахь хлоропластын электрон тээвэрлэлтийн гинжин хэлхээний жишээн дээр илүү дэлгэрэнгүй авч үзэх болно.

Гэрэл цуглуулах антенн (гэрлийн шингээлт, энергийн урвалын төв рүү шилжих)

Фотосинтезийн хамгийн анхны энгийн үйлдэл бол гэрэл цуглуулах антенн гэж нэрлэгддэг тусгай пигмент-уургийн цогцолборын нэг хэсэг болох хлорофилл молекулууд эсвэл туслах пигментүүдээр гэрлийг шингээх явдал юм. Гэрэл хураах антенн нь гэрлийг үр дүнтэй барих зориулалттай макромолекулын цогцолбор юм. Хлоропластын хувьд антенны цогцолбор нь олон тооны (хэдэн зуу хүртэл) хлорофилл молекул, уурагтай нягт холбоотой тодорхой хэмжээний туслах пигмент (каротиноид) агуулдаг.

Нарны хурц гэрэлд хлорофилийн бие даасан молекул гэрлийн квантыг харьцангуй ховор, дунджаар секундэд 10-аас ихгүй удаа шингээдэг. Гэсэн хэдий ч, нэг фотореакцийн төвд (200-400) олон тооны хлорофилл молекулууд байдаг тул ургамлын сүүдэрлэх нөхцөлд навч дээр туссан гэрлийн эрч хүч харьцангуй сул байсан ч урвалын төв байнга идэвхждэг. Гэрлийг шингээдэг пигментүүдийн нэгдэл нь үндсэндээ антенны үүрэг гүйцэтгэдэг бөгөөд энэ нь нэлээд том хэмжээтэй тул нарны гэрлийг үр дүнтэй барьж, энергийг урвалын төв рүү чиглүүлдэг. Сүүдэрт дуртай ургамал нь дүрмээр бол өндөр гэрлийн нөхцөлд ургадаг ургамлуудтай харьцуулахад илүү том гэрэл хураах антентай байдаг.

Ургамлын хувьд гэрэл хураах гол пигментүүд нь хлорофилл молекулууд юм. аба хлорофилл б, λ ≤ 700–730 нм долгионы урттай харагдах гэрлийг шингээдэг. Тусгаарлагдсан хлорофилл молекулууд нь нарны спектрийн харьцангуй нарийхан хоёр зурваст гэрлийг шингээдэг: 660-680 нм (улаан гэрэл) ба 430-450 нм (цэнхэр ягаан туяа) долгионы урттай, энэ нь мэдээжийн хэрэг ашиглах үр ашгийг хязгаарладаг. ногоон навч дээр туссан нарны гэрлийн бүх спектр.

Гэсэн хэдий ч, гэрэл хураах антенны шингээсэн гэрлийн спектрийн найрлага нь үнэндээ хамаагүй өргөн юм. Үүнийг гэрлийн антенны нэг хэсэг болох хлорофилийн нэгтгэсэн хэлбэрийн шингээлтийн спектр нь урт долгионы урт руу шилждэгтэй холбон тайлбарлаж байна. Хлорофиллоос гадна гэрэл хураах антен нь туслах пигментүүдийг агуулдаг бөгөөд тэдгээр нь гэрлийн антенны гол пигмент болох хлорофилийн молекулууд шингэдэг спектрийн бүс нутагт гэрлийг шингээдэг тул үйл ажиллагааны үр ашгийг нэмэгдүүлдэг. харьцангуй сул гэрэл.

Ургамлын хувьд туслах пигментүүд нь λ ≈ 450-480 нм долгионы уртын бүсэд гэрлийг шингээдэг каротиноидууд; фотосинтезийн замагны эсүүдэд эдгээр нь улаан, цэнхэр өнгийн пигментүүд юм: улаан замаг дахь фикоэритрин (λ ≈ 495-565 нм), хөх-ногоон замаг дахь фикоцианин (λ ≈ 550-615 нм).

Хлорофилл (Chl) молекул эсвэл туслах пигментээр квант гэрлийг шингээх нь түүнийг өдөөхөд хүргэдэг (электрон нь илүү өндөр энергийн түвшинд шилждэг):

Chl + hν → Chl*.

Өдөөгдсөн хлорофилл молекулын Chl*-ийн энерги нь хөрш зэргэлдээ пигментүүдийн молекулуудад шилждэг бөгөөд энэ нь эргээд түүнийг гэрэл хураах антенны бусад молекулуудад шилжүүлж чаддаг.

Chl* + Chl → Chl + Chl*.

Ийнхүү өдөөх энерги нь пигмент матрицаар дамжин өдөөлт нь фотореакцийн P төвд хүрэх хүртэл шилжиж болно (энэ үйл явцын бүдүүвч дүрслэлийг 2-р зурагт үзүүлэв):

Chl* + P → Chl + P*.

Хлорофилл молекулууд болон бусад пигментүүдийн өдөөгдсөн төлөвт байх хугацаа маш богино, τ ≈ 10 – 10 – 10 – 9 секунд гэдгийг анхаарна уу. Тиймээс, P урвалын төв рүү явах замд пигментүүдийн богино хугацааны өдөөгдсөн төлөвийн энерги нь ашиггүй алдагдах - дулаанд тараагдах эсвэл гэрлийн квант хэлбэрээр ялгарах магадлал тодорхой байна (флюресценцийн үзэгдэл). Гэвч бодит байдал дээр фотосинтезийн урвалын төв рүү эрчим хүчний шилжилтийн үр ашиг маш өндөр байдаг. Урвалын төв идэвхтэй төлөвт байгаа тохиолдолд эрчим хүчний алдагдал нь дүрмээр бол 10-15% -иас ихгүй байна. Нарны энергийг ашиглах энэхүү өндөр үр ашиг нь гэрэл цуглуулах антенн нь пигментүүдийн бие биетэйгээ маш сайн харилцан үйлчлэлцдэг өндөр эмх цэгцтэй бүтэцтэй холбоотой юм. Үүний ачаар гэрлийг шингээдэг молекулуудаас өдөөх энергийг фотореакцийн төв рүү шилжүүлэх өндөр хурдтай байдаг. Нэг пигментээс нөгөөд өдөөх энергийн "үсрэх" дундаж хугацаа нь дүрмээр бол τ ≈ 10 -12 -10 -11 сек байна. Урвалын төв рүү өдөөх нийт хугацаа ихэвчлэн 10-10-10-9 секундээс хэтрэхгүй.

Фотохимийн урвалын төв (электрон дамжуулах, салангид цэнэгийг тогтворжуулах)

Урвалын төвийн бүтэц, фотосинтезийн анхдагч үе шатуудын механизмын талаархи орчин үеийн санааг А.А. Красновский электрон донор ба хүлээн авагчийн дэргэд гэрлээр өдөөгдсөн хлорофилл молекулууд урвуу бууралт (электроныг хүлээн авах), исэлдүүлэх (электрон өгөх) чадвартай болохыг олж мэдсэн. Дараа нь Кок, Витт, Дуйзен нар ургамал, замаг, фотосинтезийн бактериудад гэрлийн нөлөөн дор исэлдэж, фотосинтезийн явцад анхдагч электрон донор болдог урвалын төв гэж нэрлэгддэг хлорофилл шинж чанартай тусгай пигментүүдийг олж илрүүлжээ.

Фотохимийн урвалын төв P нь хлорофилл молекулуудын тусгай хос (димер) бөгөөд гэрэл цуглуулах антенны пигмент матрицаар тэнүүчлэх өдөөх энергийн урхи болдог (Зураг 2). Өргөн юүлүүрийн хананаас нарийн хүзүү рүү шингэн урсдагтай адил гэрэл цуглуулах антенны бүх пигментүүдэд шингэсэн гэрлийн энерги нь урвалын төв рүү чиглэнэ. Урвалын төвийн өдөөлт нь фотосинтезийн явцад гэрлийн энергийн цаашдын өөрчлөлтийн гинжин хэлхээг эхлүүлдэг.

P урвалын төвийн өдөөлтийн дараа үүсэх үйл явцын дараалал ба фотосистемийн энергийн харгалзах өөрчлөлтийн диаграммыг Зураг дээр схемийн дагуу дүрсэлсэн болно. 3.

Хлорофилл Р димерийн хамт фотосинтезийн цогцолбор нь анхдагч ба хоёрдогч электрон хүлээн авагчийн молекулуудыг агуулдаг бөгөөд үүнийг бид уламжлалт ёсоор А ба В гэж нэрлэх болно, мөн анхдагч электрон донор молекул D. Өдөөгдсөн урвалын төв P* нь бага байдаг. электронуудтай ойр дотно байдаг тул ойролцоох анхдагч электрон хүлээн авагч А-д амархан хандивладаг:

D(P*A)B → D(P + A –)B.

Ийнхүү P*-ээс А руу электрон маш хурдан (t ≈10-12 секунд) шилжсэний үр дүнд фотосинтезийн явцад нарны энергийг хувиргах хоёрдахь чухал үе шат болох урвалын төвд цэнэгийн хуваагдал явагдана. Энэ тохиолдолд хүчтэй бууруулагч бодис А – (электрон донор) ба хүчтэй исэлдүүлэгч P+ (электрон хүлээн авагч) үүсдэг.

P + ба А молекулууд нь мембранд тэгш хэмтэй бус байрладаг: хлоропластын хувьд P + урвалын төв нь тилакоидын дотор тал руу харсан мембраны гадаргуутай ойр, хүлээн авагч А нь гадна талд байрладаг. Тиймээс фотоиндукцлагдсан цэнэгийн салалтын үр дүнд мембран дээр цахилгаан потенциалын зөрүү үүсдэг. Урвалын төвд гэрлийн өдөөгдсөн цэнэгийн хуваагдал нь ердийн фотоэлемент дэх цахилгаан потенциалын зөрүү үүсэхтэй төстэй юм. Гэсэн хэдий ч технологид мэдэгдэж байгаа, өргөн хэрэглэгддэг энергийн фото хувиргагчаас ялгаатай нь фотосинтезийн урвалын төвүүдийн үйл ажиллагааны үр ашиг маш өндөр гэдгийг онцлон тэмдэглэх нь зүйтэй. Идэвхтэй фотосинтезийн урвалын төвүүдэд цэнэгийг ялгах үр ашиг нь дүрмээр бол 90-95% -иас давдаг (нарны эсийн хамгийн сайн жишээ нь 30% -иас ихгүй үр ашигтай байдаг).

Урвалын төвүүдэд энерги хувиргах ийм өндөр үр ашгийг ямар механизмаар хангадаг вэ? А хүлээн авагч руу шилжсэн электрон яагаад эерэг цэнэгтэй исэлдсэн P + төв рүү буцаж ирдэггүй вэ? Тусгаарлагдсан цэнэгийн тогтворжилт нь электроныг P*-ээс A руу шилжүүлсний дараах хоёрдогч электрон зөөвөрлөх үйл явцын үр дүнд бий болдог. Сэргээгдсэн анхдагч хүлээн авагч А-аас электрон маш хурдан (10-10-10-9 секунд) руу шилждэг. Хоёрдогч электрон хүлээн авагч B:

D(P + A –)B → D(P + A)B – .

Энэ тохиолдолд электрон эерэг цэнэгтэй урвалын төвөөс P + холдохоос гадна бүхэл системийн энерги мэдэгдэхүйц буурдаг (Зураг 3). Энэ нь электроныг эсрэг чиглэлд (шилжилт B – → A) шилжүүлэхийн тулд ΔE ≈ 0.3–0.4 эВ гэсэн нилээд өндөр энергийн саадыг даван туулах шаардлагатай гэсэн үг бөгөөд энд ΔE нь хоёр төлөвийн энергийн түвшний зөрүү юм. электрон нь А эсвэл В зөөгч дээр тус тус байрладаг систем. Ийм учраас электроныг бууруулсан В молекулаас исэлдсэн А молекул руу буцаахад А шууд шилжилтээс хамаагүй их цаг хугацаа шаардагдана. → B. Өөрөөр хэлбэл, урагшлах чиглэлд электрон урвуу чиглэлээс хамаагүй хурдан шилждэг. Тиймээс электроныг хоёрдогч хүлээн авагч В руу шилжүүлсний дараа түүний буцаж буцаж ирэх, эерэг цэнэгтэй "нүх" P + -тэй дахин нэгдэх магадлал мэдэгдэхүйц буурдаг.

Тусгаарлагдсан цэнэгийг тогтворжуулахад нөлөөлж буй хоёр дахь хүчин зүйл бол электрон донор D-ээс P + -д нийлүүлсэн электроны улмаас исэлдсэн фотореакцийн P + төвийг хурдан саармагжуулах явдал юм.

D(P + A)B – → D + (PA)B – .

Донорын D молекулаас электрон хүлээн авч, анхны бууруулсан P төлөв рүүгээ буцаж ирсний дараа урвалын төв нь буурсан хүлээн авагчаас электрон хүлээн авах боломжгүй болох боловч одоо дахин галлахад бэлэн байна. түүний хажууд байрлах исэлдсэн анхдагч хүлээн авагч А.Энэ нь бүх фотосинтезийн системийн фотореакцийн төвүүдэд тохиолддог үйл явдлын дараалал юм.

Хлоропласт электрон тээвэрлэх гинж

Дээд ургамлын хлоропластуудад уураг, пигмент, оптик шинж чанараараа ялгаатай фотосистем 1 (PS1) ба фотосистем 2 (PS2) гэсэн хоёр фотосистем байдаг. Гэрэл цуглуулах антенн FS1 нь λ ≤ 700–730 нм долгионы урттай гэрлийг, FS2 нь λ ≤ 680–700 нм долгионы урттай гэрлийг шингээдэг. PS1 ба PS2-ийн урвалын төвүүдийн гэрлийн өдөөгдсөн исэлдэлт нь тэдгээрийн цайралтыг дагалддаг бөгөөд энэ нь λ ≈ 700 ба 680 нм-ийн шингээлтийн спектрийн өөрчлөлтөөр тодорхойлогддог. Оптик шинж чанарын дагуу PS1 ба PS2-ийн урвалын төвүүдийг P 700 ба P 680 гэж нэрлэсэн.

Хоёр фотосистем нь электрон тээвэрлэгчдийн гинжин хэлхээгээр хоорондоо холбогддог (Зураг 4). PS2 нь PS1-ийн электроны эх үүсвэр юм. P 700 ба P 680 фотореакцийн төвүүдэд гэрлийн эхлүүлсэн цэнэгийг ялгах нь PS2-д задарсан уснаас электроныг эцсийн электрон хүлээн авагч болох NADP + молекул руу шилжүүлэхийг баталгаажуулдаг. Хоёр фотосистемийг холбосон электрон зөөвөрлөх гинжин хэлхээнд (ETC) пластокиноны молекулууд, тусдаа электрон зөөвөрлөх уургийн цогцолбор (b/f цогцолбор гэж нэрлэгддэг) ба усанд уусдаг пластоцианин (P c) уураг зэрэг электрон тээвэрлэгч орно. Тилакоид мембран дахь электрон зөөвөрлөх цогцолборуудын харьцангуй зохицуулалт, уснаас NADP + руу электрон шилжих замыг харуулсан диаграммыг Зураг дээр үзүүлэв. 4.

PS2-д P* 680-ийн өдөөгдсөн төвөөс эхлээд электрон анхдагч акцептор феофетин (Phe), дараа нь PS2 уургийн аль нэгтэй нягт холбогдсон пластокиноны Q A молекул руу шилждэг.

Y(P* 680 Phe)Q A Q B → Y(P + 680 Phe –)Q A Q B →Y(P + 680 Phe)Q A – Q B .

Дараа нь электрон хоёр дахь пластокиноны молекул QB руу шилжиж, P 680 нь анхдагч электрон донор Y-ээс электрон хүлээн авдаг.

Y(P + 680 Phe)Q A – Q B → Y + (P 680 Phe)Q A Q B – .

Пластокиноны молекул, түүний химийн томъёо, липидийн давхар мембран дахь байрлалыг Зураг дээр үзүүлэв. 5, хоёр электрон хүлээн авах чадвартай. PS2 урвалын төв хоёр удаа шатсаны дараа пластокинон Q B молекул хоёр электрон хүлээн авна.

Q B + 2е – → Q B 2– .

Сөрөг цэнэгтэй Q B 2- молекул нь устөрөгчийн ионуудтай өндөр холбоотой байдаг бөгөөд үүнийг стромын орон зайнаас авдаг. Багассан пластокинон Q B 2– (Q B 2– + 2H + → QH 2) протонжуулалтын дараа энэхүү QH 2 молекулын цахилгаан саармаг хэлбэр үүсдэг бөгөөд үүнийг пластокинол гэж нэрлэдэг (Зураг 5). Пластокинол нь хоёр электрон, хоёр протоны зөөвөрлөгчийн үүрэг гүйцэтгэдэг: PS2-ээс гарсны дараа QH 2 молекул нь тилакоид мембран дотор амархан хөдөлж, PS2-ийг бусад электрон тээвэрлэх цогцолборуудтай холбож өгдөг.

Исэлдүүлсэн урвалын төв PS2 R 680 нь электроны онцгой өндөр харьцаатай, өөрөөр хэлбэл. маш хүчтэй исэлдүүлэгч бодис юм. Үүний улмаас PS2 нь химийн тогтвортой нэгдэл болох усыг задалдаг. PS2-ийн нэг хэсэг болох ус хуваах цогцолбор (WSC) нь идэвхтэй төвд P680-ийн электрон донорын үүрэг гүйцэтгэдэг манганы ионуудын бүлэг (Mn 2+) агуулдаг. Исэлдсэн урвалын төвд электрон өгснөөр манганы ионууд нь усны исэлдэлтийн урвалд шууд оролцдог эерэг цэнэгийн “аккумлятор” болдог. P 680 урвалын төвийг дараалан дөрөв дахин идэвхжүүлсний үр дүнд 4 хүчтэй исэлдэлтийн эквивалент (эсвэл дөрвөн "нүх") нь VRC-ийн Mn агуулсан идэвхтэй төвд исэлдсэн манганы ион (Mn 4+) хэлбэрээр хуримтлагддаг. , хоёр усны молекултай харилцан үйлчилж, задралын урвалын усыг катализатор:

2Mn 4+ + 2H 2 O → 2Mn 2+ + 4H + + O 2.

Ийнхүү VRC-ээс дөрвөн электроныг P 680 руу дараалан шилжүүлсний дараа хоёр усны молекулын синхрон задрал нэгэн зэрэг явагддаг бөгөөд нэг хүчилтөрөгчийн молекул, дөрвөн устөрөгчийн ион ялгарч, хлоропластын интратилакоид орон зайд ордог.

PS2-ийн үйл ажиллагааны явцад үүссэн QH 2 пластокинол молекул нь тилакоид мембраны липидийн давхар давхаргад тархаж, b/f цогцолбор руу шилждэг (Зураг 4, 5). Энэ нь b/f цогцолбортой тулгарах үед QH 2 молекул түүнтэй холбогдож, дараа нь хоёр электроныг шилжүүлдэг. Энэ тохиолдолд b/f цогцолбороор исэлдсэн пластокинол молекул бүрийн хувьд тилакоидын дотор хоёр устөрөгчийн ион ялгардаг. Хариуд нь b/f цогцолбор нь идэвхтэй төв нь зэсийн ион агуулсан харьцангуй жижиг усанд уусдаг уураг болох пластоцианин (P c) -ийн электрон донор болж үйлчилдэг (пласоцианиныг багасгах, исэлдүүлэх урвалууд нь валентийн өөрчлөлтүүд дагалддаг). зэсийн ион Cu 2+ + e – ↔ Cu+). Пластоцианин нь b/f комплекс ба PS1-ийн хоорондох холбоосын үүрэг гүйцэтгэдэг. Пластоцианин молекул нь thylakoid дотор хурдан хөдөлж, b/f цогцолбороос PS1 рүү электрон дамжуулалтыг хангадаг. Багассан пластоцианинаас электрон шууд PS1 - P 700 + исэлдсэн урвалын төвүүд рүү очдог (4-р зургийг үз). Ийнхүү PS1 ба PS2-ийн хосолсон үйл ажиллагааны үр дүнд PS2-д задарсан усны молекулын хоёр электрон эцэст нь электрон тээвэрлэх гинжин хэлхээгээр NADP + молекул руу шилжиж, хүчтэй бууруулагч NADP H үүсэхийг баталгаажуулдаг.

Хлоропласт яагаад хоёр фотосистем хэрэгтэй вэ? Исэлдсэн урвалын төвүүдийг сэргээхийн тулд электрон донор болгон янз бүрийн органик болон органик бус нэгдлүүдийг (жишээлбэл, H 2 S) ашигладаг фотосинтезийн бактериуд нэг фотосистемтэй амжилттай ажилладаг нь мэдэгдэж байна. Хоёр фотосистемийн харагдах байдал нь нэг квант үзэгдэх гэрлийн энерги нь усны задрал, электроныг уснаас NADP + хүртэл зөөвөрлөгч молекулуудын гинжин хэлхээний дагуу үр дүнтэй нэвтрүүлэхэд хангалтгүй байгаатай холбоотой юм. Одоогоос 3 тэрбум жилийн өмнө хөх-ногоон замаг буюу цианобактери дэлхий дээр гарч ирсэн бөгөөд энэ нь нүүрстөрөгчийн давхар ислийг багасгахын тулд усыг электроны эх үүсвэр болгон ашиглах чадварыг олж авсан юм. Одоогийн байдлаар PS1 нь ногоон бактериас, PS2 нь нил ягаан бактериас гаралтай гэж үздэг. Хувьслын процессын явцад PS2 нь PS1-тэй хамт нэг электрон дамжуулах гинжин хэлхээнд "хамаарагдсаны" дараа эрчим хүчний асуудлыг шийдвэрлэх боломжтой болсон - хүчилтөрөгч/усны хос ба NADP + / исэлдэх потенциалын нэлээд том ялгааг даван туулах. NADP H. Усыг исэлдүүлэх чадвартай фотосинтезийн организмууд үүссэн нь дэлхий дээрх амьд байгалийн хөгжлийн хамгийн чухал үе шатуудын нэг болсон. Нэгдүгээрт, замаг, ногоон ургамлууд усыг исэлдүүлж "сурсан" тул NADP + -ийг багасгах электронуудын шавхагдашгүй эх үүсвэрийг эзэмшсэн. Хоёрдугаарт, усыг задлах замаар тэд дэлхийн агаар мандлыг молекулын хүчилтөрөгчөөр дүүргэж, улмаар энерги нь аэробик амьсгалтай холбоотой организмын хувьслын хурдацтай хөгжих нөхцлийг бүрдүүлсэн.

Хлоропласт дахь протоны дамжуулалт ба ATP нийлэгжилттэй электрон зөөвөрлөх процессыг холбох

ETC-ээр дамжуулан электрон дамжуулах нь ихэвчлэн энергийн бууралт дагалддаг. Энэ үйл явцыг биеийн налуу хавтгай дагуу аяндаа хөдөлгөөнтэй адилтгаж болно. ETC-ийн дагуу электроны хөдөлгөөний үед түүний энергийн түвшин буурах нь электрон дамжуулалт нь үргэлж энергийн хувьд ашиггүй үйл явц гэсэн үг биш юм. Хлоропластын хэвийн үйл ажиллагааны нөхцөлд электрон тээвэрлэх явцад ялгардаг энергийн ихэнх хэсэг нь дэмий үрэгдэхгүй, харин ATP синтаза хэмээх тусгай энерги хувиргах цогцолборын үйл ажиллагаанд зарцуулагддаг. Энэхүү цогцолбор нь ADP ба органик бус фосфат P i (ADP + P i → ATP + H 2 O урвал) -аас ATP үүсэх энергийн тааламжгүй үйл явцыг хурдасгадаг. Үүнтэй холбогдуулан электрон тээвэрлэлтийн энерги өгөх үйл явц нь ATP синтезийн энерги хүлээн авах үйл явцтай холбоотой гэж хэлэх нь заншилтай байдаг.

Бусад бүх энерги хувиргадаг органеллуудын нэгэн адил (митохондри, фотосинтезийн бактерийн хроматофорууд) тилакоид мембран дахь энергийн холболтыг хангахад протоны тээвэрлэлтийн процесс хамгийн чухал үүрэг гүйцэтгэдэг. ATP синтез нь гурван протоныг тилакоидуудаас (3H-д +) стром руу (3H-д +) шилжүүлэхтэй нягт холбоотой байдаг.

ADP + Ф i + 3H in + → ATP + H 2 O + 3H out + .

Мембран дахь тээвэрлэгчдийн тэгш бус зохион байгуулалтаас болж хлоропластын ETC-ийн үйл ажиллагаа нь тилакоидын дотор протоны илүүдэл хуримтлагдахад хүргэдэг тул энэ процесс боломжтой болно: устөрөгчийн ионууд NADP-ийн үе шатанд гаднаас шингэдэг. + бууруулах, пластокинол үүсэх ба усны задрал, пластокинол исэлдэлтийн үе шатанд thylakoids дотор ялгардаг (Зураг. 4). Хлоропластыг гэрэлтүүлэх нь тилакоидын доторх устөрөгчийн ионы концентрацийг мэдэгдэхүйц (100-1000 дахин) нэмэгдүүлэхэд хүргэдэг.

Тиймээс, бид нарны гэрлийн энерги нь өндөр энергитэй химийн нэгдлүүд болох ATP ба NADP H-ийн энерги хэлбэрээр хадгалагддаг үйл явдлын гинжин хэлхээг авч үзсэн. Фотосинтезийн гэрлийн үе шатны эдгээр бүтээгдэхүүнийг харанхуй үе шатанд ашигладаг. нүүрстөрөгчийн давхар исэл ба уснаас органик нэгдлүүд (нүүрс ус) үүсгэх. ATP ба NADP H үүсэхэд хүргэдэг энерги хувиргах үндсэн үе шатууд нь дараахь процессуудыг агуулдаг: 1) гэрлийн энергийг гэрэл хураах антенны пигментүүдээр шингээх; 2) өдөөх энергийг фотореакцийн төв рүү шилжүүлэх; 3) фотореакцийн төвийн исэлдэлт, тусгаарлагдсан цэнэгийг тогтворжуулах; 4) электрон тээвэрлэх гинжин хэлхээний дагуу электрон дамжуулалт, NADP H үүсэх; 5) устөрөгчийн ионуудын мембран дамжуулалт; 6) ATP синтез.

1. Альбертс Б., Брей Д., Льюис Ж., Робертс К., Ватсон Ж.Эсийн молекул биологи. T. 1. – М.: Мир, 1994. 2-р хэвлэл.
2. Кукушкин А.К., Тихонов А.Н.Ургамлын фотосинтезийн биофизикийн талаархи лекцүүд. - М .: Москвагийн Улсын Их Сургуулийн хэвлэлийн газар, 1988 он.
3. Николс Д.Д.Био энерги. Химиосмотик онолын танилцуулга. - М.: Мир, 1985.
4. Скулачев В.П.Биологийн мембраны энерги. - М.: Наука, 1989.

Өнөөдөр бид нарны энергийг амьдралдаа ашигладаг организмуудын талаар ярих болно. Үүний тулд биоэнерги гэх мэт шинжлэх ухааныг хөндөх хэрэгтэй. Тэрээр амьд организмын энергийг хувиргах, амьдралын үйл явцад ашиглах аргыг судалдаг. Био энерги нь термодинамик дээр суурилдаг. Энэ шинжлэх ухаан нь янз бүрийн төрлийн энергийг бие биедээ хувиргах механизмыг тодорхойлдог. Үүнд янз бүрийн организм нарны энергийг ашиглах, хувиргах. Термодинамикийн тусламжтайгаар бидний эргэн тойронд болж буй үйл явцын энергийн механизмыг бүрэн дүрслэх боломжтой. Гэхдээ термодинамикийн тусламжтайгаар тодорхой үйл явцын мөн чанарыг ойлгох боломжгүй юм. Энэ нийтлэлд бид нарны энергийг амьд организм ашиглах механизмыг тайлбарлахыг хичээх болно.

Манай гараг дээрх амьд организм эсвэл бусад объектын энергийн хувирлыг тайлбарлахын тулд тэдгээрийг термодинамикийн үүднээс авч үзэх хэрэгтэй. Энэ нь хүрээлэн буй орчин, объектуудтай энерги солилцдог систем юм. Тэдгээрийг дараахь системд хувааж болно.

• Хаалттай;
• Тусгаарлагдсан;
• Нээлттэй.

Энэ нийтлэлд авч үзсэн амьд организмууд нь нээлттэй системүүд юм. Тэд үйлдлийн систем болон хүрээлэн буй объектуудтай эрчим хүчний тасралтгүй солилцоо хийдэг.Ус, агаар, хоол хүнстэй зэрэгцэн бүх төрлийн химийн бодисууд бие махбодид ордог бөгөөд тэдгээр нь химийн найрлагаараа ялгаатай байдаг. Бие махбодид орсны дараа тэд гүн боловсруулалт хийдэг. Тэд хэд хэдэн өөрчлөлтийг туулж, биеийн химийн найрлагатай төстэй болдог. Үүний дараа тэд түр хугацаанд биеийн нэг хэсэг болдог.

Хэсэг хугацааны дараа эдгээр бодисууд устаж, биеийг эрчим хүчээр хангадаг. Тэдний задралын бүтээгдэхүүнийг биеэс зайлуулдаг. Тэдний бие дэх байрыг бусад молекулууд дүүргэдэг. Энэ тохиолдолд биеийн бүтцийн нэгдмэл байдал зөрчигддөггүй. Бие махбод дахь энергийг ийм байдлаар шингээж, боловсруулах нь бие махбодийг шинэчлэх боломжийг олгодог. Бүх амьд организм оршин тогтноход энергийн солилцоо зайлшгүй шаардлагатай. Бие дэх энерги хувиргах үйл явц зогсоход тэр үхдэг.

Нарны гэрэл бол дэлхий дээрх биологийн энергийн эх үүсвэр юм. Нарны цөмийн энерги нь цацрагийн энерги үүсгэдэг. Манай одны устөрөгчийн атомууд урвалын үр дүнд He атомууд болж хувирдаг. Урвалын явцад ялгарах энерги нь гамма цацраг хэлбэрээр ялгардаг. Хариулт нь өөрөө иймэрхүү харагдаж байна.

4 цаг? He4 + 2e + hv, хаана

v - гамма цацрагийн долгионы урт;

h нь Планкийн тогтмол.

Дараа нь гамма цацраг ба электронуудын харилцан үйлчлэлийн дараа энерги нь фотон хэлбэрээр ялгардаг. Энэ гэрлийн энерги нь селестиел биеэс ялгардаг.

Нарны энерги манай гаригийн гадаргад хүрэхэд ургамалд баригдаж хувирдаг. Тэдгээрийн дотор нарны энерги нь химийн энерги болж хувирдаг бөгөөд энэ нь химийн холбоо хэлбэрээр хадгалагддаг.Эдгээр нь молекул дахь атомуудыг холбодог холбоо юм. Үүний нэг жишээ бол ургамал дахь глюкозын нийлэгжилт юм. Энэхүү энергийн хувирлын эхний үе шат бол фотосинтез юм. Ургамал үүнийг хлорофиллоор хангадаг. Энэхүү пигмент нь цацрагийн энергийг химийн энерги болгон хувиргах боломжийг олгодог. Нүүрс ус нь H 2 O ба CO 2-аас нийлэгждэг. Энэ нь ургамлын өсөлт, эрчим хүчийг дараагийн шатанд шилжүүлэхийг баталгаажуулдаг.

Эрчим хүчний дараагийн үе шат нь ургамлаас амьтан эсвэл бактери руу дамждаг. Энэ үе шатанд ургамлын нүүрс усны энерги нь биологийн энерги болж хувирдаг. Энэ нь ургамлын молекулуудын исэлдэлтийн үед тохиолддог. Хүлээн авсан энергийн хэмжээ нь синтез хийхэд зарцуулсан хэмжээтэй тохирч байна. Энэ энергийн нэг хэсэг нь дулаан болж хувирдаг. Үүний үр дүнд энерги нь аденозин трифосфатын өндөр энергийн холбоонд хуримтлагддаг. Тиймээс нарны энерги нь хэд хэдэн өөрчлөлтийг туулж амьд организмд өөр хэлбэрээр гарч ирдэг.

Эндээс "Нарны гэрлийн энергийг аль органелл ашигладаг вэ?" Гэсэн асуултанд хариулах нь зүйтэй. Эдгээр нь фотосинтезийн үйл явцад оролцдог хлоропласт юм. Тэд үүнийг органик бус бодисоос органик бодисыг нэгтгэхэд ашигладаг.

Эрчим хүчний тасралтгүй урсгал нь бүх амьд биетийн мөн чанар юм. Энэ нь эс, организмын хооронд байнга хөдөлдөг. Эсийн түвшинд эрчим хүчийг хувиргах үр ашигтай механизмууд байдаг. Эрчим хүчний хувиргалт явагддаг 2 үндсэн бүтэц байдаг.

• хлоропласт;
• Митохондри.

Хүн дэлхий дээрх бусад амьд организмын нэгэн адил эрчим хүчний нөөцөө хоол хүнсээр нөхдөг. Үүнээс гадна хэрэглэж буй бүтээгдэхүүний нэг хэсэг нь ургамлын гаралтай (алим, төмс, өргөст хэмх, улаан лооль), амьтны нэг хэсэг (мах, загас болон бусад далайн хоол) юм. Бидний иддэг амьтад ч гэсэн ургамлаас эрчим хүчээ авдаг. Тиймээс бидний биеийн бүх энерги ургамлаас хувирдаг. Мөн тэдний хувьд энэ нь нарны энергийг хувиргасны үр дүнд гарч ирдэг.

Эрчим хүчний үйлдвэрлэлийн төрлөөс хамааран бүх организмыг хоёр бүлэгт хувааж болно.

• Фототрофууд. Нарны гэрлээс эрчим хүч авах;
• Химиотрофууд. Тэд исэлдэлтийн урвалын үед энерги авдаг.

Өөрөөр хэлбэл, нарны энергийг ургамал хэрэглэдэг бөгөөд амьтан ургамал идэх үедээ органик молекулд агуулагдах энергийг авдаг.

Амьд организмд энерги хэрхэн хувирдаг вэ?

Организмын хувиргадаг эрчим хүчний 3 үндсэн төрөл байдаг.

• Цацрагийн энергийг хувиргах. Энэ төрлийн энерги нь нарны гэрлийг зөөдөг. Ургамлын хувьд цацрагийн энергийг пигмент хлорофилл барьж авдаг. Фотосинтезийн үр дүнд химийн энерги болж хувирдаг. Энэ нь эргээд хүчилтөрөгчийн нийлэгжилт болон бусад урвалын үйл явцад ашиглагддаг. Нарны гэрэл нь кинетик энергийг зөөдөг бөгөөд ургамалд энэ нь боломжит энерги болж хувирдаг. Үүссэн энергийн нөөц нь шим тэжээлд хадгалагддаг.Жишээлбэл, нүүрс ус;
• Химийн энергийн хувиргалт. Нүүрс ус болон бусад молекулуудаас өндөр энергитэй фосфатын бондын энерги болж хувирдаг. Эдгээр өөрчлөлтүүд нь митохондрид явагддаг.
• Өндөр энергитэй фосфатын бондын энергийг хувиргах. Үүнийг амьд организмын эсүүд янз бүрийн төрлийн ажил (механик, цахилгаан, осмотик гэх мэт) гүйцэтгэхэд хэрэглэдэг.

Эдгээр өөрчлөлтүүдийн үед эрчим хүчний нөөцийн нэг хэсэг нь дулааны хэлбэрээр алдагдаж, тархдаг.

Организмын хуримтлагдсан энергийн хэрэглээ

Бодисын солилцооны явцад бие нь биологийн ажлыг гүйцэтгэхэд зарцуулдаг эрчим хүчний нөөцийг авдаг. Энэ нь хөнгөн, механик, цахилгаан, химийн ажил байж болно. Мөн бие нь эрчим хүчнийхээ маш их хэсгийг дулаан хэлбэрээр зарцуулдаг.

Бие дэх энергийн үндсэн төрлүүдийг дор товч тайлбарлав.

• Механик. Макробиеийн хөдөлгөөн, түүнчлэн тэдгээрийн хөдөлгөөний механик ажлыг тодорхойлдог. Үүнийг кинетик ба потенциал гэж хувааж болно. Эхнийх нь макробиеийн хөдөлгөөний хурдаар, хоёр дахь нь бие биентэйгээ харьцах байршлаар тодорхойлогддог;
• Химийн. Молекул дахь атомуудын харилцан үйлчлэлээр тодорхойлогддог. Энэ нь молекул, атомын тойрог замд хөдөлдөг электронуудын энерги юм;
• Цахилгаан. Энэ нь цахилгаан талбарт шилжихэд хүргэдэг цэнэглэгдсэн хэсгүүдийн харилцан үйлчлэл юм;
• Осмотик. Бодисын молекулуудын концентрацийн градиентийн эсрэг хөдөлж байх үед хэрэглэдэг;
• Зохицуулалтын эрчим хүч.
• Дулааны. Атом, молекулуудын эмх замбараагүй хөдөлгөөнөөр тодорхойлогддог. Энэ хөдөлгөөний гол шинж чанар нь температур юм. Энэ төрлийн эрчим хүч нь дээр дурдсан бүхнээс хамгийн үнэ цэнээ алдсан нь юм.

Температур ба атомын кинетик энергийн хамаарлыг дараах томъёогоор тодорхойлж болно.

E h = 3/2rT, хаана

r нь Больцманы тогтмол (1.380*10 -16 эрг/град).

Шим тэжээлээс энерги хэрхэн ялгардаг вэ?

Шим тэжээлээс эрчим хүч гаргаж авах үйл явцад 3 уламжлалт үе шат байдаг;

• Бэлтгэл. Хүнсний эс дэх биополимеруудыг мономер болгон хувиргахад энэ алхам шаардлагатай. Энэ хэлбэр нь эрчим хүч гаргахад хамгийн тохиромжтой. Энэ процесс (гидролиз) нь гэдэс дотор эсвэл дотор нь тохиолддог. Гидролиз нь лизосом ба цитоплазмын ферментийн оролцоотойгоор явагддаг. Энэ үе шатны эрчим хүчний үнэ цэнэ тэг байна. Энэ үе шатанд субстратын энергийн үнэ цэнийн 1 хувь нь ялгарч, бүгд дулаан болж алдагддаг;
• Хоёр дахь шатанд мономерууд хэсэгчлэн задарч завсрын бүтээгдэхүүн үүсгэдэг. Кребс циклийн хүчил ба ацетил-КоА үүсдэг. Энэ үе шатанд анхдагч субстратын тоо гурав хүртэл буурч, субстратын эрчим хүчний нөөцийн 20 хүртэл хувь нь ялгардаг. Уг процесс нь агааргүй, өөрөөр хэлбэл хүчилтөрөгчийн хүртээмжгүй явагддаг. Эрчим хүч нь ATP-ийн фосфатын холбоонд хэсэгчлэн хадгалагдаж, үлдсэн хэсэг нь дулаан хэлбэрээр зарцуулагддаг. Мономеруудын задрал нь гиалоплазмд тохиолддог бөгөөд үлдсэн процессууд нь митохондрид тохиолддог;
• Эцсийн шатанд мономерууд хүчилтөрөгчтэй холбоотой урвалд H 2 O ба CO 2 болж задардаг. Биологийн исэлдэлт нь эрчим хүчний нөөцийг бүрэн чөлөөлөхөд тохиолддог. Өмнөх үе шатанд байсан 3 гурван метаболитоос зөвхөн H 2 үлдсэн. Энэ нь амьсгалын замын гинжин хэлхээний бүх нийтийн түлш юм. Энэ үе шатанд эрчим хүчний нөөцийн үлдсэн 80 хувь нь гарч байна. Эрчим хүчний зарим хэсэг нь дулаан хэлбэрээр гарч, үлдсэн хэсэг нь фосфатын холбоонд хадгалагддаг. Энэ үе шатанд бүх урвалууд митохондрид явагддаг.

Амьд эсэд энерги ялгарах нь аажмаар явагддаг.Ялгарлын бүх үе шатанд энэ нь бодисын эсэд тохиромжтой химийн хэлбэрээр хуримтлагдаж болно. Эсийн энергийн бүтцэд янз бүрийн процесс явагддаг 3 өөр функциональ блок орно.

• I-процессууд (эсийн исэлдэлтийн ферменттэй тохирох исэлдэлтийн субстрат үүсэх);
• Блок S-H 2 (исэлдэлтийн субстрат);
• Устөрөгч үүсгэх үйл явц. Гаралт нь KH 2 (коэнзимтэй устөрөгч).

Эдгээр олон үе шаттай нарийн төвөгтэй үйл явц нь ургамал, амьд организмд нарны энергийг хувиргах явцад тохиолддог.
Хэрэв та энэ нийтлэлийг хэрэгтэй гэж үзсэн бол линкийг нийгмийн сүлжээн дээр хуваалцана уу. Энэ нь сайтыг хөгжүүлэхэд тусална. Доорх санал асуулгад саналаа өгч, материалыг үнэлээрэй! Нийтлэлд оруулсан засвар, нэмэлтийг коммент хэсэгт үлдээнэ үү.

Нийтэлсэн