If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Ha webszűrőt használsz, győződj meg róla, hogy a *.kastatic.org és a *.kasandbox.org nincsenek blokkolva.

Fő tartalom

Bevezetés a fotoszintézisbe

A fényenergia átalakítása kémiai energiává. A fotoszintézis reakciói, helyszíne, és ökológiai szerepe.

Bevezetés

Megöleltél-e már valaha egy fát? Ha nem, akkor esetleg fontolóra vehetnéd, hiszen az emberiség léte (téged is beleértve) a növényeknek és más, fényt megkötő élőlényeknek köszönhető. A földi életet lényegében a Nap teszi lehetővé azzal, hogy állandó energiautánpótlást biztosít számára.
Az élőlények – köztük az ember is – energiát igényelnek a növekedés, fejlődés és szaporodás anyagcserefolyamataihoz. Ez viszont nem fedezhető közvetlenül fényenergiával. A fényenergiát előbb kémiai energiává kell átalakítani a fotoszintézis során.

Mi a fotoszintézis?

A fotoszintézis során a fényenergia kémiai energiává alakul át, ami cukrok formájában tárolódik. A folyamatban vízből és szén-dioxidból fényenergia révén glükózmolekulák (illetve egyéb cukrok) keletkeznek, melléktermékként pedig oxigén szabadul fel. A glükózmolekulák kétféle szempontból is létfontosságúak: egyrészt energiát szolgáltatnak az élőlényeknek, másrészt kötött, azaz szerves szénnel látják el őket.
  • Energia. A glükóz a sejtek üzemanyaga: a benne tárolt kémiai energia a sejtlégzés (biológiai oxidáció) vagy erjedés útján szabadítható fel. E folyamatok során ATP termelődik, amely a sejt energiaigényét közvetlenül kielégítő, kicsiny energiaszállító molekula.
  • Megkötött szén. A szén-dioxidban található (szervetlen) szén szerves vegyületekbe építhető be. Ez a folyamat a szén megkötése (fixációja), a szerves vegyületekbe került szénatomokat pedig kötött szénnek is nevezzük. A fotoszintézis során megkötött és cukrokba beépült szén a sejtek egyéb szerves molekuláinak készítéséhez is felhasználható.

A fotoszintézis ökológiai szerepe

A fotoszintetizáló élőlények – növények, algák és egyes baktériumok – kulcsfontosságú ökológiai szerepet töltenek be azáltal, hogy napfény segítségével cukrokat állítanak elő, így kémiai energiát és megkötött szenet biztosítanak az életközösségek számára. Mivel ezek az élőlények a fényenergia felhasználásával önmaguk készítik el a saját táplálékukat – vagyis maguk kötik meg a testükbe kerülő szenet – fotoautotróf élőlényeknek hívjuk őket (szó szerint: fény segítségével önmagukat tápláló élőlények).
Az ember és a többi olyan élőlény, amely önmagában nem képes létrehozni szerves vegyületeket szén-dioxidból, heterotróf (szó szerint: mások által táplált) lény. A heterotróf élőlények csak úgy juthatnak hozzá a megkötött szénhez, ha más élőlényeket vagy azok melléktermékeit fogyasztják el. Heterotrófok az állatok, a gombák, illetve sok prokarióta és egysejtű eukarióta.
A fotoszintézis nem csak megkötött szenet és energiát biztosít az élővilágnak, hanem a földi légkör összetételét is befolyásolja. A legtöbb fotoszintetizáló élőlény oxigént hoz létre melléktermékként. A fotoszintézis megjelenése – amely több mint 3 milliárd évvel ezelőtt történt a mai kékbaktériumokra hasonlító baktériumokban – örökre megváltoztatta a Föld élővilágát.1 Ezek a baktériumok fokozatosan oxigénnel dúsították a Föld oxigénszegény légkörét, az egyre emelkedő oxigénkoncentráció pedig minden bizonnyal elősegítette, hogy kifejlődjenek az aerob életformák – azok az élőlények, amelyek oxigént használnak a sejtlégzéshez. Ezek nélkül az ősi fotoszintetizáló élőlények nélkül sok más fajjal együtt mi sem lennénk jelen!
A fotoszintetizáló élőlények mindemellett nagy mennyiségű szén-dioxidot is eltávolítanak a légkörből, a szénatomokat pedig szerves vegyületekbe építik be. Ha a Földön élő sok-sok növény és alga nem kötné meg folyamatosan a szén-dioxidot, az felgyülemlene a légkörben. Bár az emberi tevékenység során keletkezett szén-dioxid egy részét a fotoszintetizáló élőlények kivonják az atmoszférából, a légkörben egyre nagyobb mennyiségben felgyülemlő szén-dioxid csapdába ejti a hőt, és ezzel a klíma megváltozásához vezet. Számos kutató szerint egyre fontosabb az erdők és egyéb növényközösségek védelme ahhoz, hogy féken tarthassuk az emelkedő szén-dioxid szintet.

A fotoszintézis helyszíne a levél

A szárazföldön a növények a legelterjedtebb autotróf élőlények. Minden zöld növényi szövet képes fotoszintetizálni, a legtöbb növényben azonban a fotoszintézis zöme a levelekben megy végbe. A fotoszintézis fő színhelye a levél középső rétegének sejtjei, a fotoszintetizáló alapszövet (mezofillum).
A legtöbb növény leveleinek felszínét apró pórusok, gázcserenyílások borítják, amelyeken keresztül a szén-dioxid diffúzióval bejut a fotoszintetizáló alapszövetbe, a keletkező oxigén pedig távozik.
A módosított ábra forrása: A fotoszintézis áttekintése; 6. ábra OpenStax College, Concepts of Biology, CC BY 3.0
A fotoszintetizáló alapszövet sejtjeiben zöld színtesteknek nevezett sejtszervecskék találhatók, amelyekben a fotoszintézis végbemegy. Minden zöld színtestben korong alakú tilakoidok találhatóak, amelyek palacsintaként egymásra rétegződve alkotják a gránumokat. A tilakoidok membránja tartalmazza a fényelnyelő festékanyagot, a zöld színű klorofillt. A gránumokat körülvevő, folyadékkal telt tér a sztróma (alapállomány), a tilakoidok belsejében pedig a tilakoid üreg található. A különböző kémiai reakciók egymástól elkülönítve mennek végbe a zöld színtest különböző részeiben.

A fotoszintézis fényszakasza és a Calvin-ciklus

Bár a növények leveleiben végbemenő fotoszintézis sok lépésből áll, két nagy részre bontható: a fényszakaszra és a Calvin-ciklusra.
  • A fényszakasz a tilakoidmembránban megy végbe, és folyamatosan fényenergiával kell ellátni. A fény energiáját klorofill molekulák nyelik el, majd kémiai energia formájában két vegyület szállítja tovább: az ATP – egy energiatároló molekula – és a NADPH – egy redukált (elektronfelvétellel létrejött) elektronszállító vegyület. Mindeközben vízmolekulákból oxigéngáz is keletkezik – ezt az oxigént lélegezzük be mi is!
  • A Calvin-ciklus, más néven a fénytől független szakasz, a sztrómában megy végbe, és nem igényel közvetlenül fényt. A Calvin-ciklus a fényszakasz során keletkezett ATP és NADPH felhasználásával szén-dioxidot köt meg, és háromszénatomos cukor – glicerinaldehid-3-foszfát, rövidítve G3P – molekulák keletkeznek, amelyekből glükóz képződik.
A módosított ábra forrása: A fotoszintézis áttekintése; 6 ábra; OpenStax College, Biology, CC BY 3.0
A fényszakasz feladata tehát a fényenergia megkötése és kémiai energiaként való ideiglenes raktározása ATP és NADPH formájában. A későbbiekben az elbomló ATP energiát szabadít fel, a NADPH elektronjaival pedig a szén-dioxid alakul át cukorrá. A fény energiája tehát végül a cukormolekulák kötéseiben raktározódik el.

A fotoszintézis és a biológiai oxidáció (sejtlégzés)

Összességében a fotoszintézis és a biológiai oxidáció csaknem egymás ellentettjei. Amint az alábbi ábra mutatja, csak a felhasznált, illetve felszabaduló energia formájában különböznek.
Az egyedi lépések szintjén a fotoszintézis nem csupán fordított sejtlégzés. Amint a fejezet további részében látni fogjuk, a fotoszintézis egyedi reakciók sorozataként megy végbe. Mindemellett a fotoszintézis és a sejtlégzés közt valóban akad néhány figyelemreméltó hasonlóság.
A fotoszintézis és a sejtlégzés során egyaránt redoxi (elektronátadással járó) reakciók sorozata megy végbe. A sejtlégzés során a glükóz elektronjai az oxigénre jutnak, így víz keletkezik és energia szabadul fel. A fotoszintézis során az elektronok az ellenkező irányba haladva jutnak el a víztől a glükózig egy fényenergiát igénylő folyamatban. A sejtlégzéshez hasonlóan a fotoszintézisben is egy elektronszállító lánc alakítja ki a H+ koncentrációgrádienst, amely a kemiozmózis során végbemenő ATP-szintézis hajtóereje.
Ne aggódj, ha mindez még idegenül hangzik! Nem kell ismerni a sejtlégzést ahhoz, hogy megértsd a fotoszintézist. Olvass csak tovább, hogy megértsd a létezésünk alapját biztosító folyamat minden csínját-bínját.

Szeretnél részt venni a beszélgetésben?

Még nincs hozzászólás.
Tudsz angolul? Kattints ide, ha meg szeretnéd nézni, milyen beszélgetések folynak a Khan Academy angol nyelvű oldalán.