Fotosintez va nafas olish

Fotosintez — yashil o‘simliklar, suvo‘tlar va sianobakteriyalarning yorug‘lik energiyasi hisobiga anorganik moddalardan (CO₂ va H₂O) organik moddalar hosil qilish jarayoni. U Yerdagi deyarli barcha organik modda va atmosferadagi kislorodning manbai: biz yeydigan non, meva, go‘sht, yoqiladigan ko‘mir va neft ham oxir-oqibat fotosintez mahsuli. Fotosintez plastik almashinuvning (assimilyatsiyaning) eng muhim turi, chunki u energiyani yorug‘likdan kimyoviy bog‘larga o‘tkazadi. Imtihonda bosqichlar, ularning joyi va mahsulotlari, kislorodning kelib chiqishi, omillar va xemosintez so‘raladi; hisob masalalari ham uchraydi.

§1. Umumiy tushuncha va tarix

Fotosintezning umumiy tenglamasi:

Bu jarayon energiya yutadi: hosil bo‘lgan glyukozada yorug‘lik energiyasi kimyoviy bog‘lar energiyasi sifatida to‘planadi.

Kashfiyot tarixi:

• Ya. van Gelmont (XVII asr) tol daraxtini tuvakda o‘stirib, uning massasi asosan tuproq hisobiga emas, suv hisobiga ortgan degan xulosaga kelgan.
• J. Pristli (1771) yopiq idishda yonayotgan sham yoki sichqon "buzgan" havoni yalpiz shoxchasi "tuzatishini" ko‘rsatgan — o‘simliklar kislorod ajratadi.
• Keyinchalik bu jarayon faqat yorug‘likda va faqat yashil qismlarda borishi aniqlangan.
• K. A. Timiryazev fotosintezning kosmik ahamiyatini asoslagan: o‘simlik Quyosh energiyasini tutib, Yerdagi hayotga uzatadi; u xlorofill asosan qizil nurlarni yutishini ham ko‘rsatgan.

§2. Xloroplast va pigmentlar

Fotosintez xloroplastlarda boradi. Xloroplast — ikki membranali organoid; ichki membranadan yassi xaltachalar — tilakoidlar hosil bo‘ladi, ular tangalar kabi taxlanib granalarni tashkil etadi. Granalar orasidagi suyuq modda — stroma; unda fermentlar, DNK va ribosomalar bor (xloroplast o‘z oqsillarining bir qismini o‘zi sintezlaydi).

Pigmentlar tilakoid membranalarida joylashgan:

• xlorofill a va xlorofill b — asosan qizil va ko‘k-binafsha nurlarni yutadi, yashil nurni qaytaradi (shuning uchun barg yashil ko‘rinadi); xlorofill molekulasi markazida magniy atomi bor;
• karotinoidlar (sariq va to‘q sariq) — qo‘shimcha nurlarni yutib, energiyani xlorofillga uzatadi va uni ortiqcha yorug‘likdan himoya qiladi. Kuzda xlorofill parchalanganda karotinoidlar ko‘rinib qoladi — barglar sarg‘ayadi.

Barg — fotosintez organi: ustunsimon parenximada xloroplastlar eng ko‘p, ustitsalar orqali CO₂ kiradi va O₂ chiqadi, tomirlar orqali suv keladi va hosil bo‘lgan shakar olib ketiladi.

§3. Yorug‘lik bosqichi

Joyi — tilakoid membranalari; faqat yorug‘likda boradi.

1. Xlorofill yorug‘lik kvantini yutadi, uning elektronlari qo‘zg‘aladi (yuqori energetik darajaga ko‘tariladi) va tashuvchilar zanjiriga uzatiladi.
2. Suv fotolizi — yorug‘lik ta’sirida suv parchalanadi: 2H₂O → 4H⁺ + 4e⁻ + O₂. Elektronlar xlorofilldagi "bo‘sh joy"ni to‘ldiradi, erkin kislorod esa qo‘shimcha mahsulot sifatida atmosferaga chiqadi.
3. Elektronlar tashuvchilar zanjiri bo‘ylab harakatlanganda ajralgan energiya hisobiga ADF va fosfatdan ATF sintezlanadi.
4. Elektronlar va vodorod ionlari NADF⁺ ga biriktirilib, NADF·H₂ (qaytarilgan tashuvchi) hosil bo‘ladi.

Mahsulotlari: O₂ (atmosferaga), ATF va NADF·H₂ (keyingi bosqich uchun energiya va vodorod manbai).

§4. Qorong‘ilik (yorug‘likka bog‘liq bo‘lmagan) bosqich

Joyi — xloroplast stromasi. Bu bosqichga yorug‘lik bevosita kerak emas, lekin yorug‘lik bosqichi mahsulotlari — ATF va NADF·H₂ — kerak. Shuning uchun u aslida kunduzi, yorug‘lik bosqichi bilan birga boradi; "qorong‘ilik" nomi faqat yorug‘likni bevosita talab qilmasligini bildiradi.

• Kalvin sikli: CO₂ fermentlar yordamida besh uglerodli birikmaga biriktiriladi; hosil bo‘lgan birikmalar ATF energiyasi va NADF·H₂ vodorodi hisobiga qaytariladi; natijada glyukoza hosil bo‘ladi, besh uglerodli birikma esa qayta tiklanadi va sikl davom etadi.
• Bitta glyukoza molekulasi uchun siklga 6 ta CO₂ molekulasi kiradi.
• Glyukozadan keyinchalik kraxmal (zaxira), saxaroza (floema orqali tashiladi), sellyuloza (hujayra devori), shuningdek mineral moddalar ishtirokida aminokislotalar, oqsillar va yog‘lar hosil bo‘ladi.

§5. Fotosintez omillari va o‘simlik nafasi

Fotosintez tezligiga ta’sir qiluvchi omillar:

• yorug‘lik intensivligi — ma’lum chegaragacha ortishi bilan tezlik ortadi;
• CO₂ konsentratsiyasi — havoda taxminan 0,03–0,04%; issiqxonalarda CO₂ ni oshirish hosilni ko‘paytiradi;
• harorat — fermentativ jarayon bo‘lgani uchun optimum taxminan 25–30 °C, juda yuqori haroratda fermentlar ishdan chiqadi;
• suv — suv yetishmasa ustitsalar yopiladi va CO₂ kirmaydi;
• mineral oziqlanish — magniy va azot xlorofill tarkibiga kiradi, ular yetishmasa barglar sarg‘ayadi.

Tezlikni eng kam miqdorda bo‘lgan omil cheklaydi (cheklovchi omil).

O‘simlik nafasi kechayu kunduz to‘xtovsiz boradi: O₂ yutiladi, organik moddalar oksidlanadi, CO₂ ajraladi. Kunduzi fotosintez nafasdan kuchliroq — o‘simlik umuman O₂ ajratadi; tunda faqat nafas boradi. Shuning uchun yotoqxonada kechasi ko‘p gul saqlash tavsiya etilmaydi.

§6. Xemosintez va fotosintezning ahamiyati

Xemosintez — ba’zi bakteriyalarning anorganik moddalarni oksidlashdan ajralgan energiya hisobiga organik moddalar sintez qilishi. Uni 1887-yilda S. N. Vinogradskiy kashf etgan. Yorug‘lik va xlorofill ishlatilmaydi.

• nitrifikatsiyalovchi bakteriyalar: NH₃ → HNO₂ → HNO₃ — tuproqda nitratlar to‘planadi;
• temir bakteriyalari: Fe²⁺ → Fe³⁺ — botqoq temir rudalari hosil bo‘lishida qatnashadi;
• oltingugurt bakteriyalari: H₂S → S → H₂SO₄.

Xemosintezlovchilar ham avtotroflar, ammo ularning global hissasi fotosintezga nisbatan juda kam.

Fotosintezning ahamiyati:

• Yerdagi organik moddaning asosiy manbai — barcha oziq zanjirlari o‘simliklardan boshlanadi;
• atmosferani kislorod bilan boyitadi va CO₂ miqdorini kamaytiradi;
• kisloroddan yuqori qatlamlarda ozon qatlami hosil bo‘lgan, u hayotni ultrabinafsha nurlardan himoya qiladi;
• qadimgi fotosintez mahsulotlari — ko‘mir, neft, torf — energiya manbalari.

Misol

O‘simlik 90 g glyukoza sintezladi. Necha mol CO₂ yutildi va qancha hajm (n. sh.) O₂ ajraldi? (M(C₆H₁₂O₆) = 180 g/mol)

1. Glyukoza miqdori: 90 / 180 = 0,5 mol.
2. Tenglama bo‘yicha 1 mol glyukozaga 6 mol CO₂ yutiladi va 6 mol O₂ ajraladi.
3. CO₂: 0,5 × 6 = 3 mol; O₂: 0,5 × 6 = 3 mol.
4. O₂ hajmi: 3 × 22,4 = 67,2 l.
5. Javob: 3 mol CO₂ yutildi, 67,2 l O₂ ajraldi.

Misol

Ajralgan kislorod suvdanmi yoki CO₂ danmi kelib chiqishi tajribada qanday aniqlangan?

1. O‘simlikka og‘ir kislorod izotopi (¹⁸O) bilan belgilangan suv berildi — ajralgan O₂ da ¹⁸O topildi.
2. Belgilangan kislorod CO₂ tarkibida berilganda ajralgan O₂ da ¹⁸O chiqmadi.
3. Javob: fotosintezda ajraladigan kislorod suvdan, ya’ni suv fotolizidan kelib chiqadi.

Misol

Fotosintezda 13,44 l (n. sh.) CO₂ yutildi. Necha gramm glyukoza hosil bo‘lgan?

1. CO₂ miqdori: 13,44 / 22,4 = 0,6 mol.
2. 6 mol CO₂ dan 1 mol glyukoza: 0,6 / 6 = 0,1 mol.
3. Massa: 0,1 × 180 = 18 g.
4. Javob: 18 g glyukoza.

O‘zingizni tekshiring

1. Suv fotolizi qaysi bosqichda va qayerda boradi?

2. Kalvin sikli qayerda boradi?

3. Qorong‘ilik bosqichi uchun yorug‘lik bosqichidan qaysi moddalar kerak?

4. Nitrifikatsiyalovchi bakteriyalar qanday oziqlanadi?

5. 180 g glyukoza sintezi uchun necha mol CO₂ kerak?

6. Tunda o‘simlik nima qiladi?

7. Xlorofill molekulasi markazida qaysi metall atomi bor?

8. 36 g glyukoza hosil bo‘lganda necha mol O₂ ajraladi?

Ko‘p uchraydigan xatolar

• O₂ CO₂ dan ajraladi deb hisoblash — u suvdan ajraladi.
• Qorong‘ilik bosqichi faqat tunda boradi deb o‘ylash.
• Bosqichlar joyini almashtirish — yorug‘lik bosqichi tilakoidda, qorong‘ilik bosqichi stromada.
• Xemosintezni fotosintezning bir turi deb yozish — unda yorug‘lik ishlatilmaydi.
• O‘simliklar faqat tunda nafas oladi deb aytish — nafas kechayu kunduz boradi.
• Xlorofill yashil nurni yutadi deb yozish — yashil nurni qaytaradi.