W naszych akwariach będziemy dążyć do stworzenia swoistego ekosystemu zamykającego wszystkie procesy zachodzące w zbiorniku. Utworzenie pełnej symbiozy bez ingerencji jest praktycznie nie możliwe. Będziemy zatem starać się być jak najbliżej ideałowi i odtwarzać wszystkie zjawiska zachodzące w przyrodzie w naszym podwodnych ekosystemach. Perfekcjonizm zapewni nam najlepsze efekty w hodowli.
Najważniejsze według nas to procesy fotosyntezy oraz cykle rozkładu związków chemicznych np. cykl azotowy. Wszystkie procesy jednostkowe powiązane są ze sobą. W poniższym artykule skupimy się na poznaniu fotosyntezy.
Historia
Prekursorem prac nad fotosyntezą uważa się angielskiego duchownego, filozofa i chemika Josepha Priestley. Na przełomach wieku XVIII i XIX świat nauki zaintrygowani był zdolnościami roślin do życia i wzrostu jedynie dzięki powietrzu, wodzie, prostym mikroelementom i światłu. W 1780 roku angielski chemik Joseph Priestley odkrył, że rośliny produkują tlen – składnik, który początkowo nazywał po prostu „powietrzem”. Odkrył, że otrzymane przez niego „powietrze” powoduje, że świece palą się wyjątkowo jasno. Eksperymentował również z myszami i odkrył, że mysz żyła dłużej zamknięta w otrzymanym przez niego gazie niż w tej samej objętości zwykłego powietrza. Zaledwie w kilka lat później francuski chemik Antoine Lavoisier sformułował koncepcję utleniania, zdążył to uczynić zanim został ścięty podczas rewolucji francuskiej. Rola światła w tym procesie została określona przez duńskiego fizyka Jana Ingenhousza, który kontynuował prace zainspirowany eksperymentami Priestlysa. Rola dwóch pozostałych składników fotosyntezy – dwutlenku węgla i wody – została odkryta przez dwóch chemików żyjących w Genewie, Jeana Senebiera i Theodora de Saussurea. Ustalono zatem:
6 CO2 + 6 H2O →C6H12O6 + 6 O2
Fotosynteza
„Natura postawiła sobie problem jak złapać w locie promienie światła docierające do ziemi i związać je gromadząc najbardziej nieuchwytną siłę ze wszystkich. Rośliny pobierają jedną formę energii – światło, a produkują inną energię – chemiczną różnorodność.”- Julius Mayer
Fotosyntezy opisana naukowo to synteza związków organicznych (glukozy) z prostych związków nieorganicznych (sole mineralne, woda) w obecności odpowiednich barwników i przy udziale energii świetlnej. W procesie tym powstają związki mniej utlenione, a co za tym idzie mające wyższą wartość energetyczną. Stanowią one źródło budulca dla autotrofów oraz są pokarmem dla heterotrofów. Dzięki wiązaniu CO2 i uwalnianiu tlenu, fotosynteza zapewnia również utrzymanie równowagi gazowej atmosfery. Jest to zatem podstawowy proces biologiczny warunkujący życie na Ziemi.
Fotosynteza zachodzi u roślin, bakterii i pierwotniaków i zlokalizowana jest w specjalnych obszarach komórki. U roślin są nimi chloroplasty, czyli organelle skupione w tkance miękiszowej liści.
Fotosynteza jest złożonym procesem, który zachodzi w dwóch fazach.
Faza jasna (świetlna)
To szereg reakcji fotochemicznych – wymagających światła do swojego przebiegu. Zachodzi w granach, gdzie zgromadzony jest chlorofil. Podstawową funkcją tej fazy jest przekształcenie energii świetlnej w energię wiązań chemicznych, produktami jest siła asymilacyjna w postaci NADPH2 i ATP oraz tlen jako produkt uboczny.
Transportowany elektron stopniowo traci energię, która częściowo rozpuszcza się w postaci ciepła, a częściowo magazynowana jest w postaci ATP. Proces ten nazywa się fosforylacją fotosyntetyczną. Kationy wodoru łącza się z NADP tworząc NADPH2, który wraz z ATP stanowi siłę asymilacyjną wykorzystywaną następnie w fazie ciemnej. Elektrony pochodzące z cząsteczki wody wędrują na chlorofil wypełniając powstałe w nim luki. Natomiast tlen poprzez aparaty szparkowe wydostaje się do atmosfery.
Faza ciemna (cykl Calvina)
Jest to cykl redukcji CO2. Składa się z cyklu reakcji biochemicznych wykorzystujących energię powstałą kosztem światła. Zachodzi w stromie chloroplastów, gdzie zgromadzone są wszystkie potrzebne do jej przebiegu enzymy.
Wyróżnia się trzy główne etapy fazy ciemnej:
• karboksylację: pobrany z atmosfery CO2 przyłączany jest do uaktywnionego pięciowęglowego cukru – rybulozodifosforanu (RuDP) lub rybulozy (RDP). Po przyłączeniu związek ten, już jako sześciowęglowy rozpada się na dwie cząsteczki o 3 atomach węgla – kwasy fosfoglicerynowe (PGA);
• redukcję: dotyczy redukcji PGA do 6 cząsteczek aldehydu 3-fosfoglicerynowego (GAP). Reakcja odbywa się z udziałem siły asymilacyjnej w postaci NADPH2 i ATP;
• regenerację: podczas której pięć cząsteczek GAP wykorzystywanych jest do odbudowy (regeneracji) akceptora CO2 – RuDP (jednocześnie przyłączane są 3 cząsteczki CO2). Pozostała jedna cząsteczka stanowi produkt netto fotosyntezy i jest substratem służącym do wytwarzania bardziej złożonych związków organicznych.
Większość roślin asymiluje CO2 z atmosfery w sposób bezpośredni przez włączenie go w redukcyjny cykl Calvina.
Intensywność fotosyntezy zależy od wielu czynników.
Czynniki zewnętrzne:
• światło – limituje przebieg fazy jasnej fotosyntezy. Jest również głównym czynnikiem powodującym rozwój miękiszu zieleniowego liści, syntezę chlorofilu tworzenie się chloroplastów. Fotosynteza zachodzi zarówno przy oświetleniu naturalnym jak i elektrycznym. Jednak jedynie część energii padającej na liść ulega przetworzeniu w energię chemiczną asymilantów. Szybkość procesu zależy zarówno od barwy jak i intensywności światła oraz od typu rośliny. Cieniolubne, największą wydajność osiągają już przy 1/10 intensywności pełnego światła słonecznego. Rośliny światłolubne, rosną najlepiej przy intensywnym oświetleniu. Zbyt silne światło hamuje fotosyntezę powodując utlenienie i inaktywację cząsteczek chlorofilu. Wzrasta też nadmiernie transpiracja, komórki tracą turgor, przez co szparki zamykają się hamując dopływ CO2.
• dwutlenek węgla (CO2) – występujące stężenie nie jest optymalne dla roślin. Jego wzrost o wartości ok. 0,12% podnosi trzykrotnie intensywność fotosyntezy. Z tego stosuje się CO2. Gazowy CO2 przedostaje się przez szparki do systemu przestworów międzykomórkowych, skąd dyfunduje do komórek miękiszu zieleniowego. Rośliny wodne pobierają go postaci jonów HCO3-.
• sole mineralne – źródło substancji do syntez, aktywatory wielu przemian. Niedostatek tylko jednego czynnika odżywczego, nawet przy wystarczającym dopływie pozostałych, ogranicza fotosyntezę (prawo minimum). Np. W przypadku niedoboru soli azotu wstrzymana zastaje synteza chlorofilu i powstaje chloroza liści.
• temperatura – fotosynteza jest procesem enzymatycznym, którego optimum termiczne wynosi 20-30ºC. Po jej przekroczeniu obserwuje się szybki spadek intensywności zachodzących reakcji. Zakres tolerancji roślin waha się w dużym przedziale i zależy od ich gatunku i miejsca występowania. W większości przypadków przy temperaturze 40 ºC fotosynteza ustaje.
Czynniki wewnętrzne:
• budowa organów i tkanek biorących udział w fotosyntezie: liście, układ chlorenchymy, aparaty szparkowe (ilość i rozmieszczenie), tkanka magazynująca wodę, barwniki;
• fizjologiczne właściwości rośliny:
– o zdolność do manipulacji ułożeniem liści i chloroplastów;
– o sprawność systemu dostarczającego wodę i sole mineralne;
– o mechanizmy chroniące przed przegrzaniem i nadmierną transpiracją.
Fotoautotrofy wykorzystują energię promieniowania słonecznego o długości fali ok. 400 -700 nm, przy czym absorbują głównie fale o długości odpowiadającej barwie niebieskiej i czerwonej. Kluczową rolę podczas przebiegu tego procesu odgrywają barwne związki chemiczne zwane barwnikami fotosyntetycznymi (asymilacyjnymi). Występują one w większej ilości u roślin cieniolubnych niż u światłolubnych.
Wyróżnia się trzy główne grupy barwników:
Chlorofile – pochłaniają promienie o długości fali niebieskiej i czerwonej. Zielone barwniki rozpuszczają się w rozpuszczalnikach organicznych i tłuszczach, są jednak nierozpuszczalne w wodzie:
Cząsteczka każdego chlorofilu zbudowana jest z feoporofiryny, czyli pochodnej porfiryny. Centralne miejsce w zajmuje atom magnezu łączący się z atomami azotu każdego z pierścieni. Barwniki zielone pochłaniają światło widzialne w zakresie 370-760 nm, przy czym każdy z nich ma swoje charakterystyczne widmo absorpcyjne z dwoma szczytami – jednym w zakresie czerwieni, drugim z części niebiesko – fioletowej.
Karotenoidy (np. β-karoten) – to żółte lub pomarańczowe barwniki pomocnicze, występujące u wszystkich fotoautotrofów, Absorbują światło z niebiesko – fioletowej części widma, a następnie przekazują ją na cząsteczkę chlorofilu. Ponadto chronią one fotosystemy przed nadmiarem docierającej energii świetlnej, którą pochłaniają lub przekierowują na inne procesy fizjologiczne. Zabezpieczają również komórkę przed reaktywnymi formami tlenu (aktywność przeciwutleniająca). Karotenoidy należą do tetraterpenów (40-węglowych terpenoidów). Ich cechą jest fotolabilność, czyli uleganie przemianom w obecności światła. Występują w stężeniu mniejszym niż chlorofil.
Fikobiliny (np. fikocyjan, fikoerytryna) – barwniki pomocnicze występujące u krasnorostów i sinic. Jako jedyne spośród barwników fotosyntetycznych powiązane są z rozpuszczalnymi w wodzie białkami. Wychwytują energię świetlną w obszarze 450-600 nm, a następnie przekazują ją na chlorofil. Jest to forma przystosowania się do życia na dużych głębokościach.
ŹRÓDŁA:
- Claudia Girnth-Diamba i Bjørn Fahnøe; Obserwacja fotosyntezy u roślin wodnych
- Lubert Stryer „Biochemia”, przekład zbiorowy pod redakcją Jacka Augustyniaka i Jana Michejdy z czwartego wydania amerykańskiego;
- Ewa Pyłka-Gutowska „Biologia. Vademecum Maturzysty”; Wydawnictwo „Oświata”;
- Henryk Wiśniewski „Biologia dla klas III liceum ogólnokształcącego o profilu podstawowym i biologiczno-chemicznym”,
- Fotosynteza Adam Kuzdraliński