Vielmaiņa ir šūnas bioķīmisko reakciju kopums, kurā notiek gan vielu sintēzes, gan noārdīšanās reakcijas.
Vielmaiņas laikā novēro divu veidu procesus- plastisko un enerģētisko vielmaiņu.
Plastiskajā vielmaiņā (anabolismā, asimilācijā) no vienkāršākām vielām veidojas sarežģītas uzbūves organiskās vielas, un tiek patērēta enerģija, sintezētās vielas tiek izmantotas šūnu struktūru atjaunošanā utt., piemēram, fotosintēze, olbaltumvielu biosintēze u.c.
Enerģētiskajā vielmaiņā (katabolismā, disimilācijā) notiek vielu noārdīšanas reakcijas, kurās sarežģītas uzbūves savienojumi noārdās un atbrīvojas enerģija, kura tiek izmantota dzīvības procesiem, piemēram, anaerobā un aerobā šūnu elpošana.
Fotosintēze ir vielmaiņas process, kurā izmantojot gaismas enerģiju no neorganiskajām vielām- ūdens un ogļskābās gāzes tiek sintezēta organiskā viela- glikoze, un izdalās skābeklis.
Pirmais eksperiments augu fizioloģijā 1629.gadā, ko veica J. van Helmonts (Jan Baptist van Helmont), būtībā pamatojas uz fotosintēzes procesu.
J.van Helmonts audzēja koku podā 5 gadus. Pirms un pēc tam viņš nosvēra gan koku, gan augsni. Salīdzinot lielumus viņš konstatēja, ka augs palielina masu uzņemot ūdeni, jo augsnes masa nebija mainījusies tik būtiski kā bija mainījusies auga masa.
Fotosintēzes procesu pirmo reizi 1771.gadā novēroja angļu zinātnieks Dž.Prīstlijs (Joseph Priestley), kas konstatēja, ka augi izdala skābekli, kas nepieciešams, lai izdzīvotu dzīvnieks.
Fotosintēzes summāro vienādojumu 1804. gadā sastādīja N. Sosīrs (N. Saussure). To lieto arī mūsdienās, pievienojot indeksus. Tikai 1893. gadā Č. Barness (Charles Barnes) procesu nosauca par fotosintēzi.
Svarīgi!
Summārais fotosintēzes reakcijas vienādojums ir:
1930. gadā Stenforda Universitātes profesors Kornēlijs Bernards van Nīls (C. B. van Niel) pierādīja, ka fotosintēzē skābeklis izdalās no ūdens, nevis oglekļa dioksīda, kā tika uzskatīts iepriekš.
Fotosintēzei nepieciešamās vielas augi, aļģes un fotosintezējošās baktērijas uzņem no apkārtējās vides. Aļģes un baktērijas vielas uzņem caur šūnas plazmatisko membrānu, augi uzņem caur ķermeņa virsmu.
Augi fotosintēzei nepieciešamo ūdeni galvenokārt uzņem ar sakņu sistēmu. Saknei ir uzsūkšanas zona, kurā ir visvairāk spurgaliņu. Spurgaliņas ir sakņu epidermas šūnu izaugumi, kas palielina ūdens uzsūkšanas virsmu.
Lapas un citās auga zaļo daļu epidermā atrodas atvārsnītes, caur kurām notiek gāzu maiņa. Pateicoties atvārsnītes uzbūvei tiek regulēta ogļskābās gāzes un skābekļa plūsma uz to patēriņa vietu. Atvārsnītes slēdzējšūnās, atšķirībā no pārējām epidermas šūnām, atrodas hloroplasti, kas reaģē uz apkārtējās vides apgaismojuma intensitāti. Ja ir pietiekami daudz gaisma un ūdens, atvārsnītes ir atvērtas. Diennakts tumšajā laikā un apmākušā dienā atvārsnītes aizveras un fotosintēzes procesi palēninās.
Fotosintēze noris augu šūnu hloroplastos. Hloroplasti ir augu zaļās plastīdas, kas piešķir augiem zaļo krāsu, jo satur pigmentu - hlorofilu. Hlorofils izvietojies uz tilakoīdu membrānām. Ar membrānām atdalītie tilakoīdi veido kaudzītes jeb granas. Vienā granā var mainīties tilakoīdu skaits, parasti tas ir robežās no 3—20. Nelielas gaismas intensitātes gadījumā granās palielinās tilakoīdu skaits. Telpu starp granām, lamellām u.c. veidojumiem aizņem pusšķidra vide - stroma.
Aļģēs nav hloroplastu, hlorofils atrodas hloroplastos jeb hromatoforos, kam ir daudzveidīga forma - kausveida, lentveida, spirālveida u. c. Uzskata, ka 50% no fotosintēzē saražotā skābekļa saražo visas pasaules okeāna aļģes.
Svarīgi!
Fotosintēzē notiek divas savstarpēji saistītas reakcijas: gaismas fāze un tumsas fāze.
Fotosintēzes gaismas fāze notiek hloroplastu tilakoīdu membrānās. Tur esošais pigments hlorofils absorbē Saules enerģiju un tāpēc molekulās esošie elektroni tiek aktivēti. Tas izraisa daudzpakāpju reakcijas, kuru rezultātā veidojas:
1. Molekulārais skābeklis un ūdeņraža joni. Skābeklis tiek izmantots pašu augu elpošanas procesā vai izdalās atmosfērā.
2. Ūdeņraža joni tiek izmantoti ATF sintēzē.
3. NADP un ATF molekulas, un joni, kas tiek izmantoti tumsas fāzē.
Fotosintēzes tumsas fāze notiek hloroplastu stromā. Tās sauc par tumsas reakcijām, jo notiek gan gaismā, gan arī tumsā. Šajā fāzē no ogļskābās gāzes hloroplastā esošie enzīmi sintezē:
1. Glikozi, ko var izmantot cietes sintēzei vai arī transportēt uz citām šūnas daļām.
2. Aminoskābes vai lipīdus no sintezētās glikozes
Tumsas fāzi izpētījis zinātnieks M. Kalvins (M. Calvin), tāpēc tā ir nosaukta par Kalvina ciklu.
Fotosintēzi ietekmē vides apstākļi- ūdens daudzums augsnē un gaisā, vides temperatūra, gaismas intensitāte un gaismas viļņu garumi, vides pH, gāzu koncentrācija gaisā u.c.. Piemēram, optimālā temperatūra fotosintēzes procesam ir no +20 līdz +30.
Fotosintēze ir svarīgākais process dabā, jo gaismas enerģijas ietekmē no neorganiskajām vielām sintezējas organiskās vielas, ko paši augi un visi citi dzīvie organismi izmanto dzīvībai nepieciešamās enerģijas iegūšanai. Bez tam fotosintēzē izdalās skābeklis, ko visi aerobie organismi izmanto elpošanai. Fotosintēze nodrošina vielu apriti dabā un gāzu līdzsvaru atmosfērā.