Fizika fotosinteze

Fotosinteza je proces koji se dešava u biljkama u kojem se sintetiše niz organskih jedinjenja uz oslobađanje kiseonika koji ima veliki značaj za opstanak živog sveta na Zemlji. Ovaj proces se može objasniti i sa aspekta fizike.

Svetlosni efekti uredi

Da bi došlo do otpočinjanja ovog procesa potrebna je svetlost. Svetlost biva apsorbovana od pigmenata- raznih vidova hlorofila, karotenoida i fikobilina. Presudnu ulogu u ovom procesu igra hlorofil, koji je jedini sposoban da otpočne fotosintezu, dok ostali pigmenti samo doprinose njenoj efikasnosti.

Hlorofil je složen molekul koji ima takvu strukturu da se u njoj može uočiti porfirinski prsten sa atomom magnezijuma u središtu za koji su dalje vezani alkoholi i i neke druge organske supstance.

struktura molekula hlorofila a

Osobina koja omogućuje hlorofilu da apsorbuje svetlost jeste ta da je u njegovoj strukturi prisutan izvestan broj konjugovanih veza. To je specifičan oblik veze kada dva atomska jezgra dele jedan elektron. Što je broj tih veza veći, veća je i talasna dužina apsorbovane svetlosti. Da bi se svetlost iz vidljivog dela spektra mogla apsorbovati potrebno je da u molekulu koji tu apsorbciju vrši bude prisutno bar sedam takvih veza.

Vidljiva svetlost je deo elektromagnetnog zračenja. Svetlost ima korpuskularno-talasnu prirodu, odnosno ona je istovremeno i čestica i talas. Fotoni su čestice koje nose energiju svetlosti. Jedan foton nosi jedan kvant svetlosti, tačnije foton je kvant elektromagnetne interakcije. Svetlost je međutim i talas pa je možemo okarakterisati veličinama kao što su to energija, frekvencija i talasna dužina. Saglasno čuvenoj Plankovoj formuli između njih je uspostavljena sledeća relacija:

E=h\nu .\,

Takođe važi formula:

E={\frac {hc}{\lambda }},

Na taj način se dobija veza između energije kvanta svetlosti i talasne dužine iste. Može se primetiti da su one obrnuto srazmerne. To znači da što je veća talasna dužina svetlosti, to je manja vrednost svetlosne energije, i obrnuto, što je manja talasna dužina svetlosti to je veća energija koju ona nosi.

Kada molekul hlorofila apsorbuje kvant svetlosti on prelazi iz osnovnog u eksticirano stanje. Taj prelazak se zasniva na tome da on prima energiju koju sa sobom nosi kvant, biva pobuđen i prelazi na orbitalu veće energije. Osnovno stanje je ono koje je bilo uspostvljeno pre tog prelaska, a ekscitirano ono koje odgovara stanju više energije. To stanje međutim traje samo u toku jednog kratkog vremenskog intervala pa dolazi do deekscitacije, odnosno oslobađanja te energije. Ona se može osloboditi na više načina, između ostlog povratkom u eksctirano stanje(kao na slici). Kod fotosinteze se to dešava na drugi način: u blizini hlorofila koji je ekscitiran nalazi se jedinjenje koje će primiti taj elektron, što je znatno lakše ako je molekul pobuđen, jer on je tada u stanju više energije, dakle u nestabilnijem stanju, samim tim više podložan promeni svog trenutnog stanja. To se može objasniti i činjenicom da je elekron u osnovnom stanju bliži jezgru nego u pobuđenom, jer je orbitala koja odgovra ekscitiranom stanju, odnosno orbitala više energije, dalja od jezgra, koje je pozitivno i slabije privlači negativno naelektrisan elektron. Zato do fotosinteze ne bi moglo doći bez prisutstva svetlosti, koja je neophodna da bi se čitav taj proces koji se tokom nje odvija otpočeo.

Ipak neće svaki foton svetlosti prouzrokovati isti efekat. Jedan deo svetlosti biva propušten, jedan se odbija, a samo jedan bude apsorbovan. Kod molekula hlorofila bude apsorbovana plava i crvena svetlost. Zelena se odbija i propušta- stoga je lišće na biljkama (uglavnom) zeleno. U molekulu hlorofila postoje dve orbitale koje dogovaraju ekscitiranom stanju, u zavisnosti od toga da li se apsorbuje plava ili crvena svetlost. Koristeći se prethodno pomenutom relacijom može se opaziti da ekcitiranom stanju odgovarajuće orbitale takve da je od dve moguće ona sa višom energijom odgovara onom elektronu koji je apsorbovao svetlost manje talasne dužine, a ona sa nižom elektronu koji je apsorbovao svetlost sa većom talasnom dužinom. To znači da orbitala više energije odgovara plavoj svetlosti, a orbitala manje energije odgovara crvenoj, pošto je njena talasna dužina veća od talasne dužine plave svetlosti. Stoga je apsorbcioni maksimum u plavom i crvenom delu spektra.

Apsorbcioni maksimum za hlorofil je u plavom i crvenom delu spektra

Svetla faza fotosinteze uredi

Dalji proces fotosinteze zasniva se nizu oksido-redukcionih prelaza. Zajedno sa prethodno pomenutom apsorbcijom svetlosti on obrazuje fazu u fotosintezi koju nazivamo svetlom fazom. Molekul hlorofila otpušta elektron(dakle on je donor) i prosleđuje ga do drugog jedinjenja koje se redukuje(ono je akceptor). Pored tog jedinjenja postoji čitav niz jedinjenja koja se naizmenično oksiduju i redukuju vršeći pritom prenos elektrona. Taj niz jedinjenja se naziva oksido-redukcioni ili elektron-transportni lanac. Prethodno pomenuti učesnici fotosinteze zajedno čine jedan fotosistem.

Proces prenosa elektrona dešava se u membranama tilakoida hloroplasta. Kako pored elektrona u transportnom lancu bivaju prenošena i pozitivna naelektrisanja, odnosno joni vodonika javlja se razlika potencijala. Ta razlika potencijala je veoma važna za čitav proces, jer obezbeđuje energiju za sintezu moleklula ATP, koji imaju jako važnu energetsku funkciju za biljku. To se dešava u procesu fosforilacije koja može biti ciklična i neciklična.

Ciklična i neciklična fosforilacija

U procesu fotosinteze u celini gledano učestvuju dva fotosistema, koji se označavaju sa fotosistem I i fotosistem II. Fotosistemi su u stvari reakcioni centri organizovani oko molekula hlorofila. U prvom se sve odvija na već opisan način, elektron koji je otpustio hlorofil se usled niza uzastopnih oksidaciono-redukcionih reakcija prenosi niz taj lanac jedinjenja. Kao poslednja karika u tom lancu javlja se molekul $NAD$ ili $NADP$ koji prelazi u $NAD^{+}$ , odnosno u $NADP^{+}$ , uz oslobađanje jona vodonika. Molekul hlorofila koji je izgubio elektron ima višak pozitivnog naelektrisanja i koje biva neutralisano primanjem elektrona iz drugog elektron-transportnog lanca, tj. onog iz fotosistema II.

Hlorofil iz fotosistema II gubitak elektrona nadoknađuje vezivanjem elektrona koji nastaje u fotolizi vode.

Fotoliza vode uredi

Fotoliza generalno je reakcija razlaganja koja se dešava usled dejstva elektromagnetnog zračenja, između ostalog i svetlosti, kao što je to slučaj sa fotolizom koja se dešava u biljkama u procesu fotosinteze. Do fotolize dolazi kada je energija fotona veća od energije veze koju treba raskinuti kako bi došlo do razlaganja. Fotoni koji poseduju veću energiju u stanju su samostalno da raskinu vezu, dok oni niže to mogu samo ako učestvuju zajdenički, tj. u većem broju. Za fotolizu vode neophodno je osam fotona. Reakcija fotolize vode u fotosintezi je sledeća:

2H₂O + 2NADP⁺ + 8 fotona (svetlost) $\longrightarrow$ 2NADPH + 2H⁺ + O₂

Ceo fotosistem je specifično organizovan tako da je moguće toliki broj fotona okupiti na jednom mestu, što predstavlja svojevrsnu evolutivnu adaptaciju, kako bi se mogla iskoristiti i energija svetlosti većih talasnih dužina(odnosno manje energije).

Tamna faza fotosinteze uredi

Tamna faza fotosinteze je nastavak prethodno opisanog dela (koji obuhvata sve od apsorbcije kvanta svetlosti do nagradnje $NADPH$ , $ATP$ i $H^{+}$ ) koji predstavlja svetlu fazu. Prethodno pomenuta jedinjenjna i joni vodonika ulaze u tamnu fazu, odnosno Kalvinov ciklus tokom kojeg se od ugljen-dioksida koji biljka uzima iz spoljašnje sredine u nizu hemijskih reakcija obrazuju odgovarajući šećeri i skrob.

Vidi još uredi

Literatura uredi

Radomir Konjević. Gordana Cvijić. Jelena Đorđević. Nadežda Nedljković: „Biologija za III razred gimnazije prirodno-matematičkog smera“ Zavod za udžbenike. Beograd. 2008

Spoljašnje veze uredi

Fotoliza vode(jezik: engleski)
Kvantna tajna fotosinteze(jezik: engleski)