Фотосинтез признаки химических реакций. Как и где происходит процесс фотосинтеза у растений? Как проходит процесс
Благодаря фотосинтезу растения
суши образуют ок. 1,8·10 11 т сухой биомассы в год; примерно такое
же кол-во биомассы растений образуется ежегодно в Мировом океане. Тропич. лес
вносит до 29% в общую продукцию фотосинтеза суши, а вклад лесов всех типов составляет
68%. Фотосинтез высших растений и водорослей - единственный источник атм. O 2 .
Возникновение на Земле
ок. 2,8 млрд. лет назад механизма окисления воды с образованием O 2
представляет собой важнейшее событие в биол . эволюции , сделавшее свет Солнца
главным источником-своб. энергии биосферы , а воду - практически неограниченным
источником водорода для синтеза в-в в живых организмах . В результате образовалась
атмосфера совр. состава, O 2 стал доступным для окисления пищи (см.
Дыхание), а это обусловило возникновение высокоорганизов. гетеротрофных
организмов (применяют в качестве источника углерода экзогенные орг. в-ва).
Ок. 7% орг. продуктов фотосинтеза
человек использует в пищу, в качестве корма для животных, а также в виде топлива
и строит. материала. Ископаемое топливо - тоже продукт фотосинтеза. Его потребление в
кон. 20 в. примерно равно приросту биомассы.
Общее запасание энергии
солнечного излучения в виде продуктов фотосинтеза составляет ок. 1,6 · 10 21
кДж в год, что примерно в 10 раз превышает совр. энергетич. потребление человечества.
Примерно половина энергии солнечного излучения приходится на видимую область
спектра (длина волны l
от 400 до 700 нм), к-рая используется для фотосинтеза (физиологически
активная радиация, или ФАР). ИК излучение не пригодно для фотосинтеза кислородвыделяющих
организмов (высших растений и водорослей), но используется нек-рыми фотосинтезирующи-ми
бактериями.
В связи с тем, что углеводы
составляют осн. массу продуктов биосинтетич. деятельности растений, хим. ур-ние
фотосинтеза обычно записывают в виде:
Для этой р-ции
469,3 кДж/моль , понижение энтропии 30,3 Дж/(К·моль),
-479 кДж/моль . Квантовый расход фотосинтеза для одноклеточных водорослей в лаб. условиях
составляет 8-12 квантов на молекулу CO 2 . Утилизация при фотосинтезе энергии
солнечного излучения, достигающего земной пов-сти, составляет не более 0,1%
всей ФАР. Наиб. продуктивные растения (напр., сахарный тростник) в среднем за
год усваивают ок. 2% энергии падающего излучения, а зерновые культуры - до 1%.
Обычно суммарная продуктивность фотосинтеза ограничена содержанием CO 2 в атмосфере
(0,03-0,04% по объему), интенсивностью света и т-рой. Зрелые листья шпината
в атмосфере нормального состава при 25 0 C на свету насыщающей интенсивности
(при солнечном освещении) дают неск. литров O 2 в час на грамм хлорофилла
или на килограмм сухого веса . Для водорослей Chlorella pyrenoidosa при 35 0 C
повышение концентрации CO 2 от 0,03 до 3% позволяет повысить выход
O 2 в 5 раз, такая активация является предельной.
Бактериальный фотосинтез и общее
ур-ние фотосинтеза.
Наряду с фотосинтезом высших растений и водорослей, сопровождаемым выделением
O 2 , в природе осуществляется бактериальный фотосинтез, в к-ром окисляемым
субстратом является не вода , а др. соединения, обладающие более выраженными
восстановит. св-вами, напр. H 2 S, SO 2 . Кислород при бактериальном
фотосинтезе не выделяется, напр.:
Фотосинтезирующие бактерии
способны использовать не только видимое, но и ближнее ИК излучение (до 1000
нм) в соответствии со спектрами поглощения преобладающих в них пигментов - бактериохлорофиллов.
Бактериальный фотосинтез не имеет существенного значения в глобальном запасании солнечной
энергии, но важен для понимания общих механизмов фотосинтеза. Кроме того, локально бескислородный
фотосинтез может вносить существенный вклад в суммарную продуктивность планктона. Так,
в Черном море кол-во хлорофилла и бактериохлорофил-ла в столбе воды в ряде мест
приблизительно одинаково.
Учитывая данные о фотосинтезе высших
растений, водорослей и фотосинтезирующих бактерий, обобщенное ур-ние фотосинтеза можно
записать в виде:
Ф
отосинтез пространственно и во
времени разделяется на два сравнительно обособленных процесса: световую стадию
окисления воды и темновую стадию восстановления CO 2 (рис. 1). Обе
эти стадии осуществляются у высших растений и водорослей в специализир. органеллах
клетки - хлоропластах . Исключение - синезеленые водоросли (цианобактерии), у
к-рых нет аппарата фотосинтеза, обособленного от цитоплазматич. мембран .
В реакц. центре фотосинтеза, куда
почти со 100%-ной вероятностью переносится возбуждение, происходит первичная
р-ция между фотохимически активной молекулой хлорофилла а (у бактерий
- бактериохлорофилла) и первичным акцептором электрона (ПА). Дальнейшие р-ции
в тилакоидных мембранах происходят между молекулами в их осн. состояниях и не
требуют возбуждения светом. Эти р-ции организованы в электронтранспортную цепь
- последовательность фиксированных в мембране переносчиков электрона . В электронтранс-портной
цепи высших растений и водорослей содержится два фотохим. центра (фотосистемы),
действующих последовательно (рис. 2), в бактериальной электронтранспортной цепи
- один (рис. 3).
В фотосистеме II высших
растений и водорослей синглетно возбужденный хлорофилл а в центре Р680
(число 680 обозначает, что максимум спектральных изменений системы при возбуждении
светом находится вблизи 680 нм) отдает электрон через промежуточный акцептор
к феофитину (ФЕО, безмагниевый аналог хлорофилла), образуя катион-радикал
. Анион-радикал восстановленного феофитина служит далее донором электрона для
связанного пластохинона (ПХ*; отличается от убихинонов заместителями в хиноидном
кольце), координированного с ионом Fe 3+ (в бактериях имеется аналогичный
Fе 3+ -убихинонный комплекс). Далее электрон переносится по цепи, включающей
свободный пластохинон (ПХ), присутствующий в избытке по отношению к остальным
компонентам цепи, затем цитохромы (Ц) b 6 и f, образующие
комплекс с железо-серным центром, через медьсодержащий
белок
пластоцианин (ПЦ; мол. м. 10400) к реакционному центру фотосистемы I.
Центры
быстро восстанавливаются, принимая электрон через ряд промежут. переносчиков
от воды . Образование O 2 требует последоват. четырехкратного возбуждения
реакционного центра фотосистемы П и катализируется мембранным комплексом,
содержащим Mn.
Фотосистема I может действовать
автономно без контакта с системой II. В этом случае циклич. перенос электрона
(на схеме показан пунктиром) сопровождается синтезом АТФ , а не НАДФН. Образующиеся
в световой стадии кофермент
НАДФН и АТФ используются
в темновой стадии фотосинтеза, в ходе к-рой снова образуется НАДФ и АДФ .
Электронтранспортные цепи
фотосинтезирующих бактерий в основных своих чертах аналогичны отдельным фрагментам
таковых в хлорогшастах высших растений. На рис. 3 показана электронтранспортная
цепь пурпурных бактерий.
Темновая стадия фотосинтеза.
Все
фотосинтезирующие организмы , выделяющие O 2 , а также нек-рые фотосинтезирующие
бактерии сначала восстанавливают CO 2 до фосфатов Сахаров в т. наз.
цикле Калвина. У фотосинтезирующих бактерий встречаются, по-видимому, и др.
механизмы. Большинство ферментов цикла Калвина находится в растворимом состоянии
в строме хлоропластов .
Упрощенная схема цикла
показана на рис. 4. Первая стадия - карбоксилирование рибулозо-1,5-дифосфата
и гидро
лиз продукта
с ооразованием двух молекул 3-фосфоглицериновой к-ты. Эта С 3 -кислота
фосфорили-руется АТФ с образованием 3-фос-фоглицероилфосфата, к-рый затем восстанавливается
НАДФН до гли-церальдегид-3-фосфата. Полученный триозофосфат затем вступает в
ряд р-ций изомеризации , конденсации и перегруппировок, дающих 3 молекулы рибулозо-5-фосфата.
Последний фосфорилируется при участии АТФ с образованием риоу-лозо-1,5-дифосфата
и, т. обр., цикл замыкается. Одна из 6 образующихся молекул глицеральдегид-3-фос-фата
превращается в глюко-зо-6-фосфат и используется затем для синтеза крахмала либо
выделяется из хлоропласта в цитоплазму . Глицеральдегид-3-фосфат может также
превращаться в 3-глицеро-фосфат и затем в липиды . Триозо
фосфаты ,
поступающие из хлоропласта , превращаются в осн. в сахарозу , к-рая переносится
из листа в др. части растения.
В одном полном обороте
цикла Калвина расходуется 9 молекул АТФ и 6 молекул НАДФН для образования одной
молекулы 3-фосфоглицериновой к-ты. Энергетич. эффективность цикла (отношение
энергии фотонов, необходимых для фотосинтеза АТФ и НАДФН, к DG 0 образования
углевода из CO 2) с учетом действующих в строме хлоропласта концентраций
субстратов составляет 83%. В самом цикле Калвина нет фотохим. стадий, но световые
стадии могут косвенно влиять на него (в т. ч. и на р-ции, не требующие АТФ или
НАДФН) через изменения концентраций ионов Mg 2+ и H + , а
также уровня восстановленности ферредоксина .
Нек-рые высшие растения,
приспособившиеся к высокой интенсивности света и к теплому климату (напр., сахарный
тростник, кукуруза), способны предварительно фиксировать CO 2 в дополнит.
С 4 -цикле. При этом CO 2 сначала включается в обмен четырехуглеродных
дикарбоновых к-т, к-рые затем декарбоксилируются там, где локализован цикл Калвина.
С 4 -Цикл характерен для растений с особым анатомич. строением листа
и разделением ф-ций между двумя типами, молочая и
др. засухоустойчивых растений характерно частичное разделение фиксации CO 2
и фотосинтеза во времени (САМ-обмен, или обмен по типу толстянковых; САМ сокр.
от англ. Crassulaceae acid metabolism). Днем устьица (каналы, через к-рые
осуществляется газообмен с закона сохранения
массы
электрона .
Тем самым были получены подтверждения представлений об образовании O 2
путем окисления воды . Окончательно это было доказано масс-спектрометрич. методом
(С. Рубен, M. Камен, а также А.П. Виноградов и Р.В. Тейс, 1941).
В 1935-41 К. Ван Ниль обобщил
данные по фотосинтезу высших растений и бактерий и предложил общее ур-ние, охватывающее
все типы фотосинтеза.
X. Гаффрон
и К. Воль, а также Л. Дёйсенс в 1936-52 на основе количеств. измерений выхода
продуктов фотосинтеза поглощенного света и содержания хлорофилла сформулировали представление
о "фотосинтетич. единице" - ансамбле молекул
650 нм к дальнему красному свету (эффект усиления, или второй эффект Эмерсона).
На этом основании в 60-х гг. сформулировано представление о последовательно
действую
щих фотосистемах
в электронтранспортной цепи фотосинтеза с максимумами в спектрах действия вблизи 680
и 700 HM.
Осн. закономерности образования
O 2 при окислении воды в фотосинтезе установлены в работах Б. Кока и П. Жолио
(1969-70). Близится к завершению выяснение мол. организации мембранного комплекса,
катализирующего этот процесс. В 80-х гг. методом рентгеновского структурного
анализа детально изучена структура отдельных компонентов фотосинтетич. аппарата,
включая реакционные центры и светособирающие комплексы (И. Дайзенхофер, X. Михель,
P. Хубер).
Лит.: Клейтон Р.,
Фотосинтеч. Физические механизмы и химические модели, пер. с англ., M., 1984;
"Ж. Всес. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева", 1986, т. 31, № 6; Фотосинтез,
под ред. Говинджи, пер. с англ., т. 1-2, M., 1987; Итоги науки и техники, сер .
Биофизика, т. 20-22, M., 1987. М.Г. Голъдфелъд.
Фотосинтез – это совокупность процессов синтеза органических соединений из неорганических благодаря преобразованию световой энергии в энергию химических связей. К фототрофным организмам принадлежат зеленые растения, некоторые прокариоты – цианобактерии, пурпурные и зеленые серобактерии, растительные жгутиковые.
Исследования процесса фотосинтеза начались во второй половине XVIII века. Важное открытие сделал выдающийся русский ученый К. А. Тимирязев, который обосновал учение о космической роли зеленых растений. Растения поглощают солнечные лучи и превращают световую энергию в энергию химических связей синтезированных ими органических соединений. Тем самым они обеспечивают сохранение и развитие жизни на Земле. Ученый также теоретически обосновал и экспериментально доказал роль хлорофилла в поглощении света в процессе фотосинтеза.
Хлорофиллы являются основными из фотосинтезирующих пигментов. По структуре они похожи на гем гемоглобина, но вместо железа содержат магний. Содержание железа необходимо для обеспечения синтеза молекул хлорофилла. Существует несколько хлорофиллов, которые отличаются своим химическим строением. Обязательным для всех фототрофов является хлорофилл а . Хлорофилл b встречается у зеленых растений, хлорофилл с – у диатомовых и бурых водорослей. Хлорофилл d характерен для красных водорослей.
Зеленые и пурпурные фотосинтезирующие бактерии имеют особые бактериохлорофиллы . Фотосинтез бактерий имеет много общего с фотосинтезом растений. Отличается он тем, что у бактерий донором водорода является сероводород, а у растений – вода. У зеленых и пурпурных бактерий нет фотосистемы II. Бактериальный фотосинтез не сопровождается выделением кислорода. Суммарное уравнение бактериального фотосинтеза:
6С0 2 + 12H 2 S → C 6 H 12 O 6 + 12S + 6Н 2 0.
В основе фотосинтеза лежит окислительно-восстановительный процесс. Он связан с перенесением электронов от соединений-поставщиков электронов-доноров к соединениям, которые их воспринимают – акцепторам. Световая энергия превращается в энергию синтезированных органических соединений (углеводов).
На мембранах хлоропластов есть особые структуры – реакционные центры , которые содержат хлорофилла. У зеленых растений и цианобактерий различают две фотосистемы – первую (I) и вторую (II) , которые имеют разные реакционные центры и связаны между собой через систему перенесения электронов.
Две фазы фотосинтеза
Состоит процесс фотосинтеза из двух фаз: световой и темновой.
Происходит лишь при наличии света на внутренних мембранах митохондрий в мембранах особых структур – тилакоидов . Фотосинтезирующие пигменты улавливают кванты света (фотоны). Это приводит к «возбуждению» одного из электронов молекулы хлорофилла. С помощью молекул-переносчиков электрон перемещается на внешнюю поверхность мембраны тилакоидов, приобретая определенную потенциальную энергию.
Этот электрон в фотосистеме I может возвратиться на свой энергетический уровень и восстанавливать ее. Может также передаваться НАДФ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат). Взаимодействуя с ионами водорода, электроны восстанавливают это соединение. Восстановленный НАДФ (НАДФ Н) поставляет водород для восстановления атмосферного С0 2 до глюкозы.
Подобные процессы происходят в фотосистеме II . Возбужденные электроны могут передаваться фотосистеме I и восстанавливать ее. Восстановление фотосистемы II происходит за счет электронов, которые поставляют молекулы воды. Молекулы воды расщепляются (фотолиз воды ) на протоны водорода и молекулярный кислород, который выделяется в атмосферу. Электроны используются для восстановления фотосистемы II. Уравнение фотолиза воды:
2Н 2 0 → 4Н + + 0 2 + 2е.
При возвращении электронов из внешней поверхности мембраны тилакоидов на предыдущий энергетический уровень выделяется энергия. Она запасается в виде химических связей молекул АТФ, которые синтезируются во время реакций в обеих фотосистемах. Процесс синтеза АТФ с АДФ и фосфорной кислотой называется фотофосфорилированием . Некоторая часть энергии используется для испарения воды.
Во время световой фазы фотосинтеза образуются богатые энергией соединения: АТФ и НАДФ Н. При распаде (фотолизе) молекулы воды в атмосферу выделяется молекулярный кислород.
Реакции протекают во внутренней среде хлоропластов. Могут происходить как при наличии света, так и без него. Синтезируются органические вещества (С0 2 восстанавливается до глюкозы) с использованием энергии, которая образовалась в световой фазе.
Процесс восстановления углекислого газа является циклическим и называется циклом Кальвина . Назван в честь американского исследователя М. Кальвина, который открыл этот циклический процесс.
Начинается цикл с реакции атмосферного углекислого газа с рибулезобифосфатом. Катализирует процесс фермент карбоксилаза . Рибулезобифосфат – это пятиуглеродный сахар, соединенный с двумя остатками фосфорной кислоты. Происходит целый ряд химических преобразований, каждое из которых катализирует свой специфический фермент. Как конечный продукт фотосинтеза образуется глюкоза , а также восстанавливается рибулезобифосфат.
Суммарное уравнение процесса фотосинтеза:
6С0 2 + 6Н 2 0 → С 6 Н 12 О 6 + 60 2
Благодаря процессу фотосинтеза поглощается световая энергия Солнца и происходит преобразование ее в энергию химических связей синтезированных углеводов. По цепям питания энергия передается гетеротрофным организмам. В процессе фотосинтеза поглощается углекислый газ и выделяется кислород. Весь атмосферный кислород имеет фотосинтетическое происхождение. Ежегодно выделяется свыше 200 млрд. тонн свободного кислорода. Кислород защищает жизнь на Земле от ультрафиолетового излучения, создавая озоновый экран атмосферы.
Процесс фотосинтеза малоэффективен, так как в синтезированное органическое вещество переводится лишь 1-2 % солнечной энергии. Связано это с тем, что растения недостаточно поглощают свет, часть его поглощается атмосферой и т. п. Большая часть солнечного света отражается от поверхности Земли назад в космос.
Фотосинтез - сложный процесс, включающий целую систему химических реакций. Он растянут во времени и состоит из двух фаз. Первая фаза проходит только на свету и называется световой. Вторая, темновая, фаза не зависит от световой энергии и осуществляется как на свету, так и в темноте.
На свету
Световая фаза начинается с попадания квантов света на молекулы хлорофилла, которые находятся внутри тилакоидов - плоских мембранных цистерн дисковидной формы.
Рис. 1. Строение хлоропласта.
При этом молекулы хлорофилла переходят в возбуждённое состояние и теряют электроны. Вместо утраченных электронов они присоединяют электроны молекул Н₂О или ионов ОН¯.
Происходит инициированное хлорофиллом разложение воды (фотолиз) и выделение газообразного кислорода. Одна молекула кислорода образуется из двух молекул воды.
2Н₂О → 4Н⁺ + 4е¯ + О₂
ТОП-4 статьи которые читают вместе с этой
Свободные электроны и водород проходят через сложную цепь веществ-переносчиков и фиксируются в молекулах НАДФН₂.
Рис. 2. Схема световой фазы фотосинтеза.
За счёт энергии возбуждённых электронов также происходит синтез молекул АТФ из АДФ и фосфорной кислоты.
Если кислород считается побочным продуктом световой фазы, то АТФ может считаться основным, т. к. его энергия будет затрачена на образование органических веществ из СО₂ в темновой фазе.
Таким образом, энергия света становится энергией химических связей АТФ.
На свету и в темноте
Реакции темновой фазы протекают за пределами тилакоидов, в строме хлоропласта, являющейся по своим свойствам биоколлоидом.
Суть процессов этой фазы - в превращении атмосферного углекислого газа в различные органические вещества.
С₃ и С₄ растения
Существует два пути фотосинтеза, характерные для разных видов растений. Большинство видов относится к С₃ – растениям. Это значит, что у них на первом этапе темновой фазы образуются трёхатомные углеводороды:
СО₂ + рибулозодифосфат (РДФ) + Н₂О → 2 молекулы фосфоглицериновой кислоты (ФГК).
РДФ: 5 атомов С. ФГК: 3 атома С.
Органические вещества образуются не путём сложения молекул СО₂, а при присоединении СО₂ к уже имеющимся углеводам.
Таким образом, СО₂ как бы вовлекается во внутриклеточный обмен веществ растения.
У С₄ – растений происходит образование четырёхатомных кислот:
- яблочной;
- щавелеуксусной;
- аспарагиновой.
С₄ – растения имеют тропическое происхождение и очень светолюбивы. Это сорго, просо, кукуруза, сахарный тростник и др.
Продукты первого этапа проходят цикл реакций, образуя множество веществ, используемых клеткой.
У всех растений темновая фаза заканчивается образованием глюкозы, фруктозы и других шестиатомных углеводов.
Доказано, что при фотосинтезе также синтезируются белки и другие продукты.
Рис. 3. Схема темновой фазы фотосинтеза.
Признаки фаз фотосинтеза, а также результаты процессов, идущих в обеих фазах, представим в таблице:
Что мы узнали?
Проведя сравнительную характеристику двух фаз фотосинтеза, мы определили, что световая фаза является подготовительной. В ходе световой фазы: образуется кислород, запасается энергия в виде АТФ, накапливается водород. Темновая фаза использует ресурсы, полученные в ходе световой фазы и заканчивается образованием разнообразных органических соединений.
Тест по теме
Оценка доклада
Средняя оценка: 4.6 . Всего получено оценок: 195.
Фотосинтез является очень сложным биологическим процессом. Его изучает наука биология на протяжении многих лет, но, как показывает история изучения фотосинтеза, некоторые этапы до сих пор непонятны. В научных справочниках последовательное описание этого процесса занимает несколько страниц. Цель этой статьи - описать такое явление, как фотосинтез, кратко и понятно для детей, в виде схем и объяснения.
Научное определение
Для начала важно узнать, что такое фотосинтез. В биологии определение звучит так: это процесс образования органических веществ (пищи) из неорганических (из углекислого газа и воды) в хлоропластах с помощью энергии света.
Чтобы понять это определение, можно представить совершенную фабрику - это любое зеленое растение, которое является фотосинтетиком. «Топливом» для этой фабрики служит солнечный свет, растения используют воду, углекислый газ и минералы , чтобы производить пищу почти для всех форм жизни на земле. Эта «фабрика» совершенная, потому что она, в отличие от других заводов, не приносит вред, а, наоборот, по ходу производства выделяет в атмосферу кислород и поглощает углекислый газ. Как видно, для фотосинтеза необходимы определенные условия.
Этот уникальный процесс можно представить в виде формулы или уравнения:
солнце +вода+углекислый газ = глюкоза+вода+кислород
Строение листа растения
Для того чтобы охарактеризовать сущность процесса фотосинтеза, необходимо рассмотреть строение листа. Если рассмотреть под микроскопом, можно увидеть прозрачные клетки, в которых находятся от 50 до 100 зеленых пятнышек. Это хлоропласты, где находится хлорофилл - основной фотосинтетический пигмент, и в которых осуществляется фотосинтез.
Хлоропласт похож на маленькую сумочку, а внутри него - сумочки еще меньше. Они называются тилакоидами. Молекулы хлорофилла находятся на поверхности тилакоидов и расположены по группам, которые называются фотосистемами. У большинства растений существует два вида фотосистем (ФС): фотосистемаI и фотосистемаII. К фотосинтезу способны только клетки, имеющие хлоропласт.
Описание световой фазы
Какие реакции происходят во время световой фазы фотосинтеза? В группе ФСII энергия солнечного света предается электронам молекулы хлорофилла, вследствие чего электрон заряжается, то есть «возбуждается настолько», что выпрыгивает из группы фотосистемы и «подхватывается» молекулой-переносчиком в мембране тилакоида. Этот электрон переходит от переносчика к переносчику, пока не разрядится. После этого он может использоваться в другой группе ФСI для замены электрона.
В группе фотосистемы II недостает электрона, и теперь она положительно заряженная
и требует новый электрон. Но где взять такой электрон? Область в группе, известная как комплекс выделения кислорода, поджидает беззаботно «прогуливающуюся» молекулу воды.
В молекулу воды входит один атом кислорода и два атома водорода . Комплекс выделения кислорода в ФСII имеет марганца четыре иона, которые забирают электроны у атомов водорода. В результате происходит расщепление молекулы воды на два положительных иона водорода, два электрона и один атом кислорода. Молекулы воды расщепляются , и атомы кислорода распределяются по парам, образуя при этом молекулы газа кислорода, который возвращает растение в воздух. Ионы водорода начинают собираться в сумочке тилакоида, отсюда растение сможет их использовать, а с помощью электронов решается проблема потери в комплексе ФС II, который готов повторить этот цикл много раз в секунду.
В тилакоидном мешочке происходит скопление ионов водорода, и они начинают искать выход. Два иона водорода, образующиеся всегда при распаде молекулы воды, это далеко не всё: проходя путь из комплекса ФС II в комплекс ФС I, электроны притягивают в мешочек и другие ионы водорода. Затем эти ионы скапливаются в тилакоиде. Как им оттуда выбраться?
Оказывается, у них имеется «турникет» с одним выходом - фермент, который используется при выработке клеточного «топлива», называемого АТФ (аденозинтрифосфат). Проходя через этот «турникет», ионы водорода предоставляют энергию, которая необходима для перезарядки уже используемых молекул АТФ. Молекулы АТФ - это клеточные «батареи». Они отдают энергию для реакций внутри клетки.
При сборе сахара нужна еще одна молекула. Она называется НАДФ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат). Молекулы НАДФ - это «грузовики», каждый из них доставляет по атому водорода к ферменту молекулы сахара. Образование НАДФ происходит в комплексе ФС I. Пока фотосистема (ФС II) расщепляет молекулы воды
и создает из них АТФ, фотосистема (ФС I) поглощает свет и выдает электроны, которые потом будут нужны при образовании НАДФ. Молекулы АТФ и НАДФ находятся на хранении в строме и потом будут использованы для образования сахара.
Продукты световой фазы фотосинтеза:
- кислород
- НАДФ*Н 2
Схема ночной фазы
После световой фазы протекает темновая стадия фотосинтеза. Впервые эту фазу открыл Кальвин. Впоследствии это открытие было названо с3 - фотосинтезом. У некоторых видов растений наблюдается вид фотосинтеза - с4.
В процессе фотосинтеза световой фазы сахар не производится. При свете образуется только АТФ и НАДФ. Ферменты используются в строме (пространстве вне тилакоида) для производства сахара. Хлоропласт можно сравнить с фабрикой, на которой бригады (ФС I и ФС II) внутри тилакоида производят грузовики и батареи (НАДФ и АТФ) для работы третьей бригады (особых ферментов) стромы.
Эта бригада образовывает сахар путем присоединения атомов водорода и молекулы углекислого газа благодаря химическим реакциям, используя при этом ферменты, находящиесяся в строме. Все три бригады работают днем, а «сахарная» и днем, и ночью, до того пока не израсходуется АТФ и НАДФ, которые остались после дневной смены.
В строме много атомов и молекул соединяются с помощью ферментов. Некоторые ферменты - это молекулы белка, имеющие особую форму, и это позволяет им брать те атомы или молекулы, которые нужны для определенной реакции. После того как произойдет соединение, фермент отпускает новообразованную молекулу, и такой процесс повторяется постоянно. В строме ферменты пускают по цепочке молекулы сахара, которые собрали, перестраивают их, заряжают с помощью АТФ, присоединяют углекислоту, добавляют водород, затем отправляют трехуглеродный сахар в другую часть клетки, где его преобразуют в глюкозу и множество других веществ.
Итак, темновая фаза характеризуется образованием молекул глюкозы. А из глюкозы синтезируются углеводы.
Фотосинтез световая и темновая фазы (таблица)
Роль в природе
Каково же значение фотосинтеза в природе? Можно смело сказать, что жизнь на Земле зависит от фотосинтеза.
- С его помощью растения вырабатывают кислород, который так необходим для дыхания.
- В процессе дыхания выделяется углекислый газ. Если бы его не поглощали растения, то в атмосфере бы возник парниковый эффект. С появлением парникового эффекта может меняться климат, таять ледники, в результате может затопить много земельных участков.
- Процесс фотосинтеза помогает питать все живые существа, а также осуществляет снабжение человечества топливом.
- Благодаря выделяемому с помощью фотосинтеза кислороду в виде кислородно-озонового экрана атмосферы происходит защита всего живого от ультрафиолетового излучения.
Фотосинтезом называют процесс, результатом которого является образование и выделение кислорода клетками растений и некоторыми видами бактерий.
Основное понятие
Фотосинтез - это не что иное, как цепочка уникальных физико-химических реакций. В чем же он заключается? Зеленые растения, а также некоторые бактерии поглощают солнечные лучи и преобразовывают их в электромагнитную энергию. Конечным результатом фотосинтеза является энергия химических связей разнообразных органических соединений.
В растении, которое осветили солнечные лучи, в определенной последовательности происходят окислительно-восстановительные реакции. Вода и водород, представляющие собой доноров-восстановителей, перемещаются в виде электронов к акцептору-окислителю (углекислому газу и ацетату). В результате образуются восстановленные соединения углеводов, а также кислород, который и выделяют растения.
История изучения фотосинтеза
На протяжении многих тысячелетий человек был убежден в том, что питание растения происходит по его корневой системе через почву. В начале шестнадцатого века голландским натуралистом Яном Ван Гельмонтом был проведен эксперимент с выращиванием растения в горшке. После взвешивания почвы до посадки и после того как растение достигло определенных размеров, им был сделан вывод о том, что все представители флоры получают питательные вещества в основном из воды. Этой теории придерживались ученые в течение двух последующих столетий.
Неожиданное для всех, но правильное предположение о питании растений было сделано в 1771 г. химиком из Англии Джозефом Пристли. Поставленные им опыты убедительно доказали, что растения способны очистить воздух, который ранее был не пригоден для дыхания человека. Несколько позже был сделан вывод о том, данные процессы невозможны без участия солнечного света. Ученые выяснили, что зеленые листочки растений не просто превращают полученный ими углекислый газ в кислород. Без этого процесса невозможна их жизнь. В совокупности с водой и минеральными солями углекислый газ служит пищей растениям. В этом заключено основное значение фотосинтеза для всех представителей флоры.
Роль кислорода для жизни на Земле
Опыты, которые были проведены английским химиком Пристли, помогли человечеству объяснить, почему воздух на нашей планете остается пригодным для дыхания. Ведь жизнь поддерживается, несмотря на существование огромного количества живых организмов и горение бесчисленного количества огней.
Возникновение жизни на Земле миллиарды лет назад было попросту невозможно. Атмосфера нашей планеты не содержала в себе свободного кислорода. Все изменилось с появлением растений. Весь находящийся сегодня в атмосфере кислород - это результат фотосинтеза, происходящего в зеленых листьях. Данный процесс изменил облик Земли и дал толчок к развитию жизни. Это бесценное значение фотосинтеза было до конца осознано человечеством лишь в конце 18 века.
Не является преувеличением утверждение, что само существование людей на нашей планете зависит от того, каково состояние растительного мира. Значение фотосинтеза заключено в его ведущей роли для протекания различных биосферных процессов. В глобальных масштабах эта удивительная физико-химическая реакция приводит к образованию органических веществ из неорганических.
Классификация процессов фотосинтеза
В зеленом листе происходит три важных реакции. Они и представляют собой фотосинтез. Таблица, в которую заносят данные реакции, применяется при изучении биологии. В ее строки вносят:
Фотосинтез;
- газообмен;
- испарение воды.
Те физико-химические реакции, которые происходят в растении при свете дня, позволяют зеленым листикам выделять двуокись углерода и кислород. В темное время суток - только первый из этих двух компонентов.
Синтез хлорофилла в некоторых растениях происходит даже при слабом и рассеянном освещении.
Основные этапы
Различают две фазы фотосинтеза, которые тесно связаны между собой. На первом этапе энергия лучей света преобразуется в высокоэнергетические соединения АТФ и универсальные восстановители НАДФН. Эти два элемента являются первичными продуктами фотосинтеза.
На втором (темновом) этапе полученные АТФ и НАДФН используются для фиксации углекислоты вплоть до ее восстановления в углеводы. Две фазы фотосинтеза имеют различия не только во времени. Они происходят и в различном пространстве. Тому, кто изучает по биологии тему "фотосинтез", таблица с точным указанием характеристик двух фаз поможет в более точном понимании процесса.
Механизм выработки кислорода
После поглощения растениями углекислого газа в них происходит синтез питательных веществ. Данный процесс осуществляется в зеленых пигментах, называемых хлорофиллами, под воздействием солнечных лучей. Основными составляющими этой удивительной реакции являются:
Свет;
- хлоропласты;
- вода;
- углекислый газ;
- температура.
Последовательность фотосинтеза
Выработка растениями кислорода осуществляется поэтапно. Основными стадиями фотосинтеза являются следующие:
Поглощение света хлорофиллами;
- разделение хлоропластами (внутриклеточными органоидами зеленого пигмента) полученной из почвы воды на кислород и водород;
- перемещение одной части кислорода в атмосферу, а другой - для осуществления дыхательного процесса растениями;
- образование молекул сахара в белковых гранулах (пиреноидах) растений;
- производство крахмалов, витаминов, жиров и т.д. в результате смешивания сахара с азотом.
Несмотря на то, что для осуществления фотосинтеза необходим солнечный свет, данная реакция способна протекать и при искусственном освещении.
Роль растительного мира для Земли
Основные процессы, происходящие в зеленом листе, уже достаточно полно изучила наука биология. Значение фотосинтеза для биосферы огромно. Это единственная реакция, приводящая к росту количества свободной энергии.
В процессе фотосинтеза каждый год происходит образование ста пятидесяти миллиардов тонн вещества органического типа. Кроме того, за указанный период растениями выделяется практически 200 млн. тонн кислорода. В связи с этим можно утверждать, что роль фотосинтеза огромна для всего человечества, так как данный процесс служит основным источником энергии на Земле.
В процессе уникальной физико-химической реакции происходит круговорот углерода, кислорода, а также многих других элементов. Из этого вытекает еще одно немаловажное значение фотосинтеза в природе. Данной реакцией поддерживается определенный состав атмосферы, при котором возможна жизнь на Земле.
Процесс, происходящий в растениях, ограничивает количество углекислого газа, не позволяя ему скапливаться в увеличенных концентрациях. Это также немаловажное значение фотосинтеза. На Земле благодаря зеленым растениям не создается так называемого парникового эффекта. Флора надежно защищает нашу планету от перегрева.
Растительный мир как основа питания
Немаловажна роль фотосинтеза для лесного и сельского хозяйства. Растительный мир является питательной базой для всех гетеротрофных организмов. Однако значение фотосинтеза кроется не только в поглощении зелеными листьями углекислого газа и получения такого готового продукта уникальной реакции, как сахар. Растения способны преобразовывать азотистые и серные соединения в вещества, из которых слагаются их тела.
Как же это происходит? Каково значение фотосинтеза в жизни растений? Данный процесс осуществляется посредством получения растением ионов нитратов. Эти элементы находятся в почвенной воде. В растение они попадают благодаря корневой системе. Клеточки зеленого организма перерабатывают ионы нитратов в аминокислоты, из которых слагаются белковые цепочки. В процессе фотосинтеза образуются и компоненты жиров. Они для растений являются важными запасными веществами. Так, в семенах многих плодов находится питательное масло. Этот продукт важен и для человека, так как находит применение в пищевой и сельскохозяйственной промышленности.
Роль фотосинтеза в получении урожая
В мировой практике работы сельскохозяйственных предприятий широко используются результаты изучения основных закономерностей развития и роста растений. Как известно, основой формирования урожая является фотосинтез. Его интенсивность, в свою очередь, зависит от водного режима культур, а также от их минерального питания. Каким же образом человек добивается увеличения плотности посевов и размеров листьев для того, чтобы растение максимально использовало энергию Солнца и забирало углекислый газ из атмосферы? Для этого оптимизируются условия минерального питания и водоснабжения сельскохозяйственных культур.
Научно доказано, что урожайность зависит от площади зеленых листьев, а также от интенсивности и длительности протекающих в них процессов. Но в то же время увеличение плотности посевов приводит к затенению листьев. К ним не может пробиться солнечный свет, и из-за ухудшения вентиляции воздушных масс в малых объемах поступает углекислый газ. В итоге происходит снижение активности процесса фотосинтеза и уменьшается продуктивность растений.
Роль фотосинтеза для биосферы
По самым приблизительным подсчетам, только автотрофные растения, обитающие в водах Мирового океана, ежегодно превращают от 20 до 155 млрд. тонн углерода в органическое вещество. И это при том, что энергия солнечных лучей используется ими лишь на 0,11%. Что касается наземных растений, то они ежегодно поглощают от 16 до 24 млрд. тонн углерода. Все эти данные убедительно говорят о том, насколько велико значение фотосинтеза в природе. Только в результате данной реакции атмосфера восполняется необходимым для жизни молекулярным кислородом, который необходим для горения, дыхания и разнообразной производственной деятельности. Некоторые ученые полагают, что в случае повышения содержания углекислого газа в атмосфере происходит увеличение скорости фотосинтеза. При этом атмосфера пополняется недостающим кислородом.
Космическая роль фотосинтеза
Зеленые растения являются посредниками между нашей планетой и Солнцем. Они улавливают энергию небесного светила и обеспечивают возможность существования жизни на нашей планете.
Фотосинтез представляет собой процесс, о котором можно говорить в космических масштабах, так как он в свое время способствовал преображению образа нашей планеты. Благодаря реакции, проходящей в зеленых листьях, энергия солнечных лучей не рассеивается в пространстве. Она переходит в химическую энергию вновь образованных органических веществ.
Человеческому обществу продукты фотосинтеза нужны не только для пищи, но и для осуществления хозяйственной деятельности.
Однако человечеству важны не только те лучи солнца, которые падают на нашу Землю в настоящее время. Крайне необходимы для жизни и осуществления производственной деятельности те продукты фотосинтеза, которые были получены миллионы лет назад. Они находятся в недрах планеты в виде пластов каменного угля, горючего газа и нефти, торфяных месторождений.
