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Comment montrer que l'oxygène est un sous-produit de la photosynthèse

Regardez autour de vous! Dans chaque maison, il y a peut-être au moins une plante verte et, derrière la fenêtre, plusieurs arbres ou arbustes. Grâce au processus chimique complexe de la photosynthèse qui s'y produit, la naissance de la vie sur Terre et l'existence de l'homme sont devenues possibles. Nous analyserons l’histoire de sa découverte, l’essence même du processus et les réactions qui se produisent au cours des différentes phases.

L'histoire de la découverte de la photosynthèse

Actuellement, les élèves se familiarisent pour la première fois avec les processus complexes de la photosynthèse dès la 6e année.

Mais il y a 300 à 400 ans, la réponse à la question "Où les plantes obtiennent-elles des nutriments pour la construction de leurs cellules?" Occupait l'esprit des scientifiques du monde entier.

La première et évidente réponse était celle de la terre. Cependant, en 1600, le scientifique flamand Jan Baptiste van Helmont décida de tester l'effet du sol sur la croissance des plantes et mena une expérience unique dans sa simplicité. Le naturaliste a pris un brin de saule et un tonneau de terre. Auparavant les pesait. Et puis il a planté une pousse de saule dans un tonneau avec de la terre.

Pendant cinq longues années, van Helmont a arrosé le jeune arbre avec seulement de l'eau de pluie. Cinq ans plus tard, il a déterré un arbre et a de nouveau pesé séparément l'arbre et le sol séparément. Imaginez sa surprise lorsque la balance a montré que l’arbre avait grossi presque trente fois et ne ressemblait en rien au modeste rameau planté dans un bac. Et le poids du sol n'a diminué que de 56 grammes.

Le scientifique a conclu. que le sol ne donne pratiquement pas de matériau de construction aux plantes et que la plante reçoit toutes les substances nécessaires de l'eau.

Après van Helmont, divers scientifiques ont répété son expérience et la "théorie de l'eau sur la nutrition des plantes" s'est développée.

L'un de ceux qui ont essayé de s'opposer à cette théorie était M.V. Lomonosov. Et il a construit ses objections sur le fait que de grands arbres puissants poussent sur des terres vides et rares du Nord avec des pluies rares. Mikhail Vasilyevich a suggéré que certains des éléments nutritifs de la plante sont absorbés par les feuilles, mais il n'a pas pu prouver sa théorie de manière expérimentale.

Et comme souvent dans la science, Sa Majesté a aidé le hasard.

Une fois, une souris négligente, qui a décidé de tirer profit des fournitures de l'église, a accidentellement retourné la boîte et s'est retrouvée coincée. Et au bout d'un moment, elle mourut. Pour notre chance, Joseph Priestley, qui n'était pas seulement un prêtre, mais aussi un chimiste, a trouvé cette souris à la banque et était très intéressé par la chimie des gaz et les moyens de purifier le mauvais air. Et ici, les souris de l'église n'ont pas eu de chance. Ils sont devenus des participants à diverses expériences du scientifique anglais.

Joseph Priestley a placé une bougie allumée sous une boîte et une souris plantée dans une autre. La bougie était pourrie, le rongeur était en train de mourir.

À notre époque, il aurait été abattu par des défenseurs de zoos dans une banque, mais dans le lointain 1771, personne n'a embêté un scientifique pour qu'il continue ses expériences. Priestley mit la souris dans un bocal où la bougie s'était éteinte auparavant. L'animal est mort encore plus vite.

Et puis Priestley a conclu que puisque toute la vie sur Terre n’avait pas encore péri, Dieu (nous nous souvenons que Priestley était un prêtre) avait mis au point un certain processus pour que l’air redevienne propre à la vie. Et très probablement, le rôle principal dans ce produit appartient aux plantes.

Pour le prouver, le scientifique a pris l'air de la boîte de conserve où la souris est morte et l'a divisé en deux parties. Dans un pot, il mit la menthe dans une casserole. Et l'autre banque attendait dans les coulisses. Après 8 jours, non seulement la plante n'est pas morte, mais elle a même libéré plusieurs nouvelles pousses. Et il a de nouveau mis les rongeurs dans des bocaux. Dans celui où la menthe a grandi, la souris était vigoureuse et avait une morsure de feuilles. Et dans celui où il n'y avait pas de menthe - presque instantanément déposer une carcasse de souris morte.


Les expériences de Priestley ont inspiré les scientifiques et, partout dans le monde, ont commencé à attraper de petits rongeurs et à tenter de répéter ses expériences.

Mais nous nous souvenons que Priestley était un prêtre et que toute la journée, il pouvait faire des recherches jusqu'au service du soir.

Et Karl Scheele, un pharmacien suisse, a expérimenté dans son laboratoire à la maison pendant son temps libre, c.-à-d. la nuit, et les souris sont mortes de lui indépendamment de la présence de menthe dans la banque. À la suite de ses expériences, il s’est avéré que les plantes n’améliorent pas l’air, mais le rendent impropre à la vie. Et Scheele a accusé Priestley de tromper la communauté scientifique. Priestley n'a pas cédé et, à la suite de la confrontation de scientifiques, il a été constaté que les plantes avaient besoin de la lumière du soleil pour rétablir l'air.

Ce sont ces expériences qui ont jeté les bases de l'étude la photosynthèse.

L'étude de la photosynthèse s'est rapidement poursuivie. Déjà en 1782, seulement 11 ans après les recherches de Priestley, le botaniste suisse Jean Senebier a prouvé que les organites végétales décomposent le dioxyde de carbone en présence de la lumière du soleil. Et des scientifiques de diverses spécialités ont eu besoin de près de cent années d'expériences infructueuses et fructueuses pour que le scientifique allemand Julius Sachs puisse prouver que les plantes consomment du dioxyde de carbone et émettent de l'oxygène dans un rapport de 1: 1.

L'importance de la photosynthèse pour la vie sur Terre

Et maintenant, l'importance du processus de la photosynthèse pour la vie sur Terre devient claire. Grâce à ce processus chimique complexe, la naissance de la vie sur terre et l'existence de l'homme sont devenues possibles.

Quelqu'un peut objecter qu'il y a des endroits sur la terre où ni arbres ni arbustes ne poussent, par exemple des déserts ou de la glace arctique. Les scientifiques ont prouvé que la proportion d'oxygène émise par la masse verte des forêts, des arbustes et des graminées, c'est-à-dire des plantes qui vivent à la surface du sol, ne représente qu'environ 20% des échanges gazeux et que 80% de l'oxygène est représenté par les plus petites algues et les algues océaniques, qui sont des flots d'air sont transportés sur toute la planète, permettant aux animaux de respirer à l'extrême, presque dépourvus de zones de végétation de notre incroyable planète.

Grâce à la photosynthèse, un écran d'ozone protecteur s'est formé autour de notre planète afin de protéger toute la vie sur terre du rayonnement cosmique et solaire, et les organismes vivants ont pu atterrir sur les terres depuis les profondeurs de l'océan.

Vous trouverez plus d’informations sur la «grande révolution de l’oxygène» dans le manuel «Biologie 10-11 grades» de A.A. Kamensky sur le portail LECTA.

Malheureusement, non seulement les êtres vivants consomment de l'oxygène, mais aussi l'industrie. Les forêts tropicales sont en train d'être détruites, les océans sont pollués, ce qui entraîne une diminution des échanges gazeux et une augmentation du déficit en oxygène.

Définition et formule de la photosynthèse

Définition et formule de la photosynthèse

Le mot la photosynthèse se compose de deux parties: photo - "lumière" et la synthèse - "connexion", "création". Si nous abordons la définition de manière simplifiée, la photosynthèse est la conversion de l'énergie lumineuse en énergie de liaisons chimiques complexes de substances organiques avec la participation de pigments photosynthétiques. Plantes vertes la photosynthèse se produit dans chloroplastes.

Schéma de la photosynthèseapparemment simple:

Eau + quantité de lumière + dioxyde de carbone → oxygène + glucides

ou (dans le langage des formules):

Si vous creusez un peu plus loin et regardez la feuille avec un microscope électronique, cela aura un effet surprenant: l'eau et le dioxyde de carbone n'interagissent pas directement entre eux dans aucune des parties structurelles de la feuille.

Phases de la photosynthèse

Non seulement les plantes sont capables de la photosynthèse, mais également de nombreux animaux unicellulaires grâce à des organites spéciales appelées chloroplastes.

Les chloroplastes sont des plastides verts d'eucaryotes photosynthétiques. La composition des chloroplastes comprend:

  1. deux membranes
  2. piles de granules
  3. disques thylakoïdes,
  4. stroma - la substance interne du chloroplaste,
  5. lumen est une substance interne du thylakoïde.

Le processus complexe de la photosynthèse comprend deux phases: la lumière et l'obscurité. Comme son nom l'indique, la phase lumineuse (dépendant de la lumière) se produit avec la participation de quanta de lumière. Titre phase sombre ne signifie pas que le processus se déroule dans le noir. Une définition plus précise est lumière indépendante. I.e. pour les réactions se produisant dans cette phase, la lumière n'est pas nécessaire, mais elle coule simultanément avec la lumière, uniquement dans les autres parties du chloroplaste.

Beaucoup font l'erreur de dire que, dans le processus de la photosynthèse, les plantes produisent de l'oxygène si nécessaire à l'humanité. En fait la photosynthèse est la synthèse des glucides (par exemple glucose), et l'oxygène n'est qu'un sous-produit de la réaction.

Phase légère de la photosynthèse

La phase légère de la photosynthèse se produit sur les membranes des thylakoïdes. Un photon de lumière, incident sur la chlorophylle, l'excite, des électrons sont libérés et des électrons chargés négativement s'accumulent sur la membrane. Après que la chlorophylle a perdu tous ses électrons, un quantum de lumière continue à agir sur l'eau, provoquant la photolyse de H2O.

Des protons d'hydrogène chargés positivement s'accumulent sur la membrane thylacoïde interne.

Il en résulte un sandwich: d’une part, des électrons de chlorophylle chargés négativement, de l’autre - des protons d’hydrogène chargés positivement, et entre eux se trouve la membrane interne du thylacoïde.

Les ions hydroxyles vont à la production d'oxygène:

Lorsque le nombre de protons d'hydrogène et d'électrons atteint un maximum, un transporteur spécial est lancé - l'ATP synthase. L'ATP synthase pousse les protons d'hydrogène dans le stroma, où ils sont récupérés par un transporteur spécial nicotinamide dinucléotide phosphate ou abrégé NADF. Le NADP est un vecteur spécifique des protons de l’hydrogène dans les réactions glucidiques.

Le passage des protons de l'hydrogène à travers l'ATP synthase s'accompagne de la synthèse de molécules d'ATP à partir d'ADP et de phosphate ou de photophosphorylation, contrairement à la phosphorylation par oxydation.

À ce stade, la phase lumineuse de la photosynthèse se termine et le NADPH + et l'ATP entrent dans la phase sombre.

Répétons les processus clés de la phase lumineuse de la photosynthèse:

  1. Le photon entre dans la chlorophylle en libérant des électrons.
  2. Photolyse de l'eau.
  3. L'évolution de l'oxygène.
  4. L'accumulation de NADPH +.
  5. Accumulation d'ATP.

Chez certaines plantes, la photosynthèse suit une version simplifiée appelée «phosphorylation cyclique» et ce processus est analysé dans le manuel «Biologie 10-11 grades» publié par A. A. Kamensky sur le portail LECTA.

Transport d'électrons cyclique

Le soi-disant phase lumineuse non cyclique de la photosynthèse. Il y a encore transport d'électrons cyclique lorsque la récupération du NADP ne se produit pas. Dans ce cas, les électrons du photosystème I vont à la chaîne porteuse, où l’ATP est synthétisé. C'est-à-dire que cette chaîne de transport d'électrons reçoit des électrons du photosystème I et non II. Le premier système photos met en oeuvre un cycle: les électrons émis y reviennent. En chemin, ils consacrent une partie de leur énergie à la synthèse de l'ATP.

Photophosphorylation et phosphorylation oxydative

La phase légère de la photosynthèse peut être comparée au stade de la respiration cellulaire - la phosphorylation oxydative, qui se produit sur les crêtes mitochondriales. Là aussi, la synthèse de l'ATP est due au transfert d'électrons et de protons le long d'une chaîne de porteurs. Cependant, dans le cas de la photosynthèse, l'énergie est stockée dans l'ATP non pas pour les besoins de la cellule, mais principalement pour les besoins de la phase sombre de la photosynthèse. Et tandis que la matière organique est la source d'énergie initiale dans la respiration, dans la photosynthèse, c'est la lumière du soleil. La synthèse d'ATP dans la photosynthèse s'appelle photophosphorylationplutôt que la phosphorylation oxydative.

La phase sombre de la photosynthèse

Pour la première fois, la phase sombre de la photosynthèse a été étudiée en détail par Calvin, Benson, Bessem. Le cycle de réaction qu'ils ont découvert s'appelle plus tard le cycle de Calvin, ou C3-fotosynthèse. Dans certains groupes de plantes, on observe une voie de photosynthèse modifiée - C4, également appelé cycle Hatch-Slack.

Dans les réactions de photosynthèse sombres, le CO est fixé2. La phase sombre se produit dans le stroma du chloroplaste.

Récupération de CO2 se produit en raison de l'énergie ATP et de la force de restauration NADP · H2formé dans les réactions légères. Sans eux, la fixation du carbone ne se produit pas. Par conséquent, bien que la phase sombre ne dépende pas directement de la lumière, elle se produit généralement également à la lumière.

Cycle de calvin

La première réaction de la phase sombre est l’ajout de CO2 (carboxylatione) au 1,5-ribulose-bisphosphate (ribulose-1,5-diphosphate) – RiBF. Ce dernier est un ribose double phosphorylé. Cette réaction est catalysée par l’enzyme ribulose-1,5-diphosphate carboxylase, également appelée Rubisco.

À la suite de la carboxylation, il se forme un composé instable à six carbones qui, à la suite de l'hydrolyse, se décompose en deux molécules à trois carbones. acide phosphoglycérique (FGK) - le premier produit de la photosynthèse. FGK est également appelé phosphoglycerate.

FGK contient trois atomes de carbone, dont l'un fait partie du groupe carboxyle acide (-COOH):

Le sucre à trois carbones (phosphate de glycéraldéhyde) est formé à partir de FGC phosphate de triose (TF)y compris le groupe aldéhyde (-CHO):

FGK (acide 3) → TF (sucre 3)

L'énergie de l'ATP et la force réductrice du NADP · H sont dépensées pour cette réaction.2. TF est le premier glucide dans la photosynthèse.

Après cela, le triosophosphate est principalement utilisé pour la régénération du ribulose bisphosphate (RiBP), qui est à nouveau utilisé pour lier le CO2. La régénération comprend un certain nombre de réactions impliquant l’ATP à un coût, dans lesquelles interviennent des phosphates de sucre contenant de 3 à 7 atomes de carbone.

Ce cycle de RiBF est le cycle de Calvin.

Une plus petite partie de la TF formée quitte le cycle de Calvin. En termes de 6 molécules de dioxyde de carbone liées, le rendement est de 2 molécules de triosophosphate. La réaction totale du cycle avec les produits d'entrée et de sortie:

En même temps, 6 molécules RiBP participent à la liaison et 12 molécules FGC sont formées, lesquelles se transforment en 12 TF, dont 10 molécules restent dans le cycle et sont transformées en 6 molécules RiBP. Puisque TF est un sucre à trois carbones et RiBP à cinq carbones, nous avons par rapport aux atomes de carbone: 10 * 3 = 6 * 5. Le nombre d'atomes de carbone qui fournissent le cycle ne change pas, tout le RiBP nécessaire est régénéré. Et six molécules de dioxyde de carbone incluses dans le cycle servent à la formation de deux molécules de triosophosphate quittant le cycle.

Par cycle de Calvin par 6 molécules de CO liées2 il faut 18 molécules d'ATP et 12 molécules de NADP · H2qui ont été synthétisés dans les réactions de la phase légère de la photosynthèse.

Le calcul est effectué sur deux molécules de triosophosphate sortant du cycle, car la molécule de glucose formée comprend ensuite 6 atomes de carbone.

Le phosphate de triose (TF) est le produit final du cycle de Calvin, mais il est difficile de l'appeler le produit final de la photosynthèse, car il ne s'accumule presque pas, mais lorsqu'il réagit avec d'autres substances, il se transforme en glucose, saccharose, amidon, graisses, acides gras, acides aminés. En plus de la TF, la FGC joue un rôle important. Cependant, de telles réactions ne se produisent pas uniquement chez les organismes photosynthétiques. En ce sens, la phase sombre de la photosynthèse est la même que celle du cycle de Calvin.

Le sucre à six carbones est formé à partir de FGC par catalyse enzymatique par étapes fructose-6-phosphatequi se transforme en glucose. Chez les plantes, le glucose peut polymériser en amidon et en cellulose. La synthèse des glucides est similaire au processus de glycolyse inverse.

Biochimie de la photosynthèse

Pour description processus de photosynthèse L'équation suivante est couramment utilisée:

Sous cette forme, l’équation est pratique à utiliser s’il est nécessaire de montrer la formation seule molécule de sucreCependant, il ne s'agit que d'un affichage sommaire de nombreux événements. Une forme d'écriture plus appropriée est l'équation:

Composés de CH2Oh n'existe pas dans la nature, c'est juste un symbole de tout glucide.

Source d'oxygène

En regardant le total équation de la photosynthèse, nous avons le droit de poser une question: quelle combinaison - dioxyde de carbone ou eau - sert de source d’oxygène? La réponse la plus évidente semble être que le dioxyde de carbone est une telle source. Ensuite, pour la formation de glucides, le carbone restant ne devrait rejoindre que l’eau. La réponse exacte a été obtenue au cours des années quarante du XXe siècle, lorsque les biologistes disposaient d’isotopes.

Isotope d'oxygène commun a un nombre de masse de 16 et est désigné par 16 O (8 protons, 8 neutrons). Il existe encore un isotope rare avec un nombre de masse de 18 (18 O). C'est un isotope stable, mais en raison de sa masse supérieure à 16 O, il peut être détecté à l'aide d'un spectromètre de masse, un instrument analytique permettant d'identifier les différences entre les atomes et les molécules en fonction de leurs valeurs de masse. En 1941, une expérience a été menée dont les résultats sont résumés dans l’équation suivante:

En d'autres termes source d'oxygène c'est de l'eau. En conséquence, l'équation équilibrée se présente comme suit:

C'est le plus précis. processus de photosynthèse, ce qui montre en outre clairement que l’eau n’est pas seulement utilisée dans la photosynthèse, mais qu’elle en est également l’un des produits. Cette expérience nous a permis d'approfondir la nature de la photosynthèse en montrant que celle-ci se déroule en deux étapes, la première consistant à former de l'hydrogène à la suite de la fusion de l'eau en hydrogène et en oxygène. Cela nécessite l'énergie que donne la lumière (le processus s'appelle donc photolyse: photos - lumière, lyse - scission). L'oxygène est libéré en tant que sous-produit. Dans la seconde étape, l'hydrogène interagit avec le dioxyde de carbone pour former du sucre. L'ajout d'hydrogène est un exemple de réaction de réduction chimique.

Fait qu'est-ce que la photosynthèse является двухстадийным процессом, был впервые установлен в двадцатых—тридцатых годах XX в. Реакции первой стадии нуждаются в свете, поэтому они называются световыми реакциями. Les réactions de la deuxième étape de la lumière ne nécessitent pas, par conséquent, elles sont appelées réactions sombres, bien qu'elles se produisent à la lumière! Il a été établi que des réactions claires se produisent sur les membranes des chloroplastes et des réactions sombres se produisent dans le stroma des chloroplastes.

Après avoir établi que réactions de photosynthèse sombres se produire après la lumière, dans les années 1950, il ne restait plus qu'à révéler la nature de ces réactions.