Шитьё 

Какие вещества используются в процессе фотосинтеза. Процесс фотосинтеза у растений. Схема ночной фазы

Что же такое - этот фотосинтез

Фотосинтез – это переработка неорганических веществ в органические при помощи специальных пигментов. Благодаря этому явлению растения питаются и снабжают планету кислородом. Проще всего понять, что такое фотосинтез , при помощи данной картинки:

  • Растения при помощи пигмента под названием хлорофилл поглощают воду и углекислый газ (неорганические вещества).
  • На растения оказывают воздействие лучи солнца.
  • Под воздействием этих лучей из воды и углекислого газа синтезируются кислород и глюкоза.
  • Кислородом дышат другие живые существа. Выделяют углекислый газ - и круг замыкается, все начинается снова.

Бывают ли растения без хлорофилла в листьях

Да, такое случается. Все организмы подвержены изменчивости . Это означает, что в них могут происходить мутации. Иногда они помогают растениям лучше выживать, но иногда все происходит наоборот.

Одна из таких мутаций у растений как раз и выражается в отсутствии хлорофилла в листьях. Поскольку именно данный пигмент отвечает за зеленый цвет листвы, у данных растений она будет белой.


Как растения-альбиносы питаются

Самостоятельно они питаться не могут, поэтому, в большинстве своем, они умирают. Но есть и исключения.

Одно из них – это секвоя-альбинос . Красивая, правда? Только вот некоторым растениям она не кажется такой уж привлекательной.


Ее можно назвать настоящим вампиром в мире растений : она имеет белый окрас, а питается за счет других растений, «присасываясь» своими корнями к корневой системе других растений, отнимая у них часть пищи.

Нет, фотосинтезировать могут водоросли, бактерии и даже животные.

Примером животного , которое способно к фотосинтезу, является морской слизень Elysia chlorotica.

Он забирает хлоропласты у водорослей , встраивая их в свою пищеварительную систему . Затем, в результате фотосинтеза, слизень производит сахар, которым впоследствии и питается. Он и внешне немного напоминает листочек растения - такой же зеленый.


Растения в доме

Если вы хотите, чтобы дома было больше кислорода – то они точно не повредят .

Вот пятерка комнатных цветов , которые лучше всего справятся с этой задачей:


Именно ее я купила на свой подоконник, теперь она радует глаза. Может, мне это только кажется, но дышится теперь и вправду легче.

Полезно9 9 Не очень

Друзья, вы часто спрашиваете, поэтому напоминаем! 😉

Авиабилеты - сравнить цены от всех авиакомпаний и агентств можно !

Отели - не забываем проверять цены от сайтов бронирования! Не переплачивайте. Это !

Аренда авто - тоже агрегация цен от всех прокатчиков, все в одном месте, идем !

Фотосинтез отложился у меня в голове основательно. Проходили мы его в шестом классе. Я, как физик и программист, отказывающийся учить биологию, просто спал на уроках. Учитель у меня была очень терпеливой дамой, но тогда ее терпение не выдержало. Она вызвала меня к доске и я под смех и улюлюканье класса пытался сообразить, что это за зверь такой "фотосинтез". Неприятный опыт отложился у меня в голове и теперь рассказать о нем я могу в любой момент, хоть среди ночи меня разбуди.


Что это за зверь такой - фотосинтез

Фотосинтез - процесс образования органических веществ из неорганических веществ растением или простейшим . Неорганические вещества: вода (HOH), углекислый газ (CO2); органические: глюкоза (C6H12O6) . Также в данном процессе образуется достаточно много энергии, которая потом тратится растением на продолжение жизни (на внутренние процессы и движение).

Механизм

Механизм фотосинтеза не очень сложен. Растение поглощает из атмосферы углекислый газ , затем использует воду , которую корни абсорбировали под землей и с помощью хлорофилла и света начинает реакцию, которая проходит в основной ткани. В ходе этой реакции шесть молекул углекислого газа объединяются с шестью молекулами воды и образуется шесть молекул глюкозы и столько же кислорода. Кислород позже выделяется устьицами листа в атмосферу. Важно учитывать, что катализатором в такой реакции должен служить солнечный свет (волны ультрафиолетового спектра).

Есть небольшой нюанс, у более простых организмов можно наблюдать фотосинтез без участия хлорофилла, это уже тема старшей школы/ВУЗ-а, поэтому не думаю, что стоит ее детально расписывать. Школьнику достаточно знать, что это дает большой проигрыш в эффективности, то есть, получается меньше энергии и органических веществ.


Те, кто фотосинтезирует

  • Все зеленые растения:
    • Высшие растения.
    • Различные зеленые водоросли.
  • Некоторые животные:
    • Эвглена зеленая (тут может быть ошибка, ибо даже когда я учился, велись споры по поводу того, к животным или растениям ее относить),
    • Восточная изумрудная элизия.

Полезно1 1 Не очень

Комментарии0

Однажды ко мне в комнату в общежитии подселили биолога, который был помешан на учебе. За неделю проживания в нашей комнате, он заложил весь подоконник растениями и без устали твердил, что растения нужны ему для дипломной работы. Он изучал, как комнатные растения перерабатывают энергию солнца. Как-то он спросил меня, знаю ли я, что такое фотосинтез, и я ответил то, что изучал в школе. На что он мне ответил, что химики ничего не знают, и мои знания приравниваются к знаниям грудного ребенка. Таким образом, с самого утра и до глубокой ночи, он постоянно рассказывал мне про растения и фотосинтез, поэтому я идеально запомнил весь этот процесс.

Фотосинтез - что это

Как я и ответил биологу, фотосинтез - это процесс превращения воды и углекислого газа в органические соединения под действием солнечного света . Фотосинтез - единственный в биосфере процесс, при помощи которого усваивается энергия солнца растениями и другими организмами. Общее уравнение фотосинтеза изображается как: 6СО2 + 6Н2О = С6Н12О6 + 6О2 - углекислый газ и вода под действием ультрафиолетового света превращаются в гексозу, также выделяется побочный продукт синтеза - кислород , который поддерживает всю жизнь на планете. Существует несколько типов фотосинтеза:

  1. Бесхлорофилльный фотосинтез - это, когда не происходит образования соединений необходимых для поглощения углекислого газа, а осуществляется исключительно запас солнечной энергии в форме АТФ.
  2. Хлорофилльный фотосинтез - отличается от бесхлорофилльного значительно большей эффективностью запаса энергии.

Есть два типа хлорофилльного фотосинтеза: аноксигенный и оксигенный. Аноксигенный - это бескислородный фотосинтез, он происходит без выделения кислорода. Оксигенный - это кислородный фотосинтез, который сопровождается выделением кислорода в качестве побочного продукта.

Значение фотосинтеза

Именно благодаря фотосинтезу стала возможной эволюция бактерий в более сложные организмы , таким образом солнечная энергия стала одним из источников питания для бесчисленного количества организмов. Также, благодаря фотосинтезу, выделяется кислород и перерабатывается углекислый газ. С помощью фотосинтеза на ранних этапах существования Земли в атмосфере накопилось огромное количество кислорода, что в дальнейшем сыграло роль в образовании нашей атмосферы и жизни на планете.

Полезно1 1 Не очень

Комментарии0

Наверное каждый, кто хоть раз бывал на даче, сталкивался с тем, что, подняв оставленные с прошлого года коврик или доску во дворе, можно увидеть под ними совсем хилую траву почти белого цвета. И мой пятилетний племянник, увидевший такое в первый раз, учинил мне настоящий допрос.) Вот, что я ему рассказала.


Коротко о фотосинтезе

Растения являются обладателями зеленого цвета благодаря наличию вещества, которое называется хлорофилл. Оно содержится в органеллах (можно провести аналогию с человеческими органами), называющихся хлоропластами. Они устроены так, что при попадании солнечных лучей сразу же начинают их поглощать и перерабатывать в необходимую для жизни растения энергию. Это сложный химический процесс, в результате которого выделяется кислород. При этом остается неиспользованной зеленая часть цветового спектра солнечного луча. Поэтому листик или трава становятся зелеными. А все это вместе называется фотосинтезом.


Нужен ли хлорофилл человеку

Если провести параллель с человеческим организмом, то хлорофилл больше всего похож, как по выполняемым функциям, так и по химической формуле, на гемоглобин. Но ученые так и не сумели доказать, может ли он усваиваться людьми. Поэтому чаще всего хлорофилл используется в качестве натурального и безвредного пищевого красителя зеленого цвета.


Вот еще что интересного я нашла об этом процессе:

  • главным поставщиком кислорода в результате фотосинтеза является морской фитопланктон;
  • некоторые глубоководные бактерии настолько светочувствительны, что для запуска процесса фотосинтеза им достаточно света от горячих источников;
  • при чрезмерном солнечном освещении способность растительных клеток к фотосинтезу может уменьшаться;
  • листья фиолетового и красного цветов насыщены специальными пигментами, которые не позволяют подавить процесс фотосинтеза при избытке освещения;
  • некоторые виды бактерий не выделяют кислород при фотосинтезе.

А еще хлорофилл не является обязательным для фотосинтеза. В некоторых организмах его роль выполняет «родственник» витамина А, под названием ретиналь.

Полезно0 0 Не очень

Комментарии0

Когда я голоден, первым делом лезу в холодильник или же спускаюсь за продуктами в кладовую. Но что могут делать растения, когда они голодают? Со школьных времен я помню, как учительница на примере цветов, стоящих в классе, рассказывала нам, что растениям нужен солнечный свет, вода и почва, чтобы расти. Но как они получают свою пищу? Они делают это сами!


Ценность фотосинтеза

Невозможно переоценить важность фотосинтеза для поддержания жизни на Земле. Если бы он прекратился, то:

  • на Земле вскоре стало бы мало пищи или других органических веществ;
  • со временем атмосфера нашей планеты стала бы почти лишенной газообразного кислорода;
  • планету населяли бы только анаэробные бактерии, живущие в бескислородной среде.

Так же как люди питаются пищей, так и растения должны поглощать газы, чтобы жить. Многие люди считают, что они «кормят» растение, когда зарывают его в почву, поливают или выставляют на солнце, но ни один из этих источников не является пищей для них.


Благодаря поглощению световой энергии и преобразованию ее в кислород и минералы любое растение может существовать. Этот процесс называется фотосинтезом и выполняется всеми растениями, водорослями и даже некоторыми микроорганизмами.

Для фотосинтеза нашим «зеленым друзьям» необходимо три вещи:

  • углекислый газ;
  • вода;
  • солнечный свет.

Фотосинтез и экосистема

С помощью углекислого газа и воды, гороховый стручок использует энергию от солнечного света для создания молекул сахара. Когда кролик съел стручок гороха, он косвенно получил энергию от солнечного света, который хранился в молекулах сахара цветка.


Энергия, вырабатываемая в процессе фотосинтеза, отвечает за ископаемое топливо, питающее промышленность. В прошлые века зеленые растения и мелкие организмы росли быстрее, чем они потреблялись, сейчас ситуация в корне изменилась. К сожалению, современная цивилизация использует в течение нескольких столетий избыток фотосинтетического производства, накопленный за миллионы лет, и как следствие углекислый газ возобновляется особо большими темпами.

Полезно0 0 Не очень

Комментарии0

Энергия правит миром. Энергетическая ценность, килокалории - знакомые слова, да? Калории в нашем обществе, озабоченном похудением до несуществующего идеала, чаще ассоциируются с чем-то плохим. Вот мои подруги вечно ругают себя за то, что едят. И что-то там говорят мне про "плохую еду". Плохая еда - это та, которая испортилась или у вас нее аллергия. Всё.

Не буду вдаваться в подробности диетологии, но без калорий (или урезая их до абсолютного минимума) просто невозможно жить, ведь они дают нам энергию для работы всего организма. Нет еды - нет жизни.

Вот и у растений то же самое. Им для роста и жизнедеятельности тоже нужна энергия, только получают они ее не из борща и котлеток, а из почвы и солнечного света. "Питание светом" называется фотосинтезом.


Фотосинтез: что он дает растениям

Самые известные "фотосинтезаторы" - это растения , поэтому речь я поведу о них, хотя той же способностью могут похвастаться и некоторые бактерии .

Наиболее распространенным является хлорофилльный фотосинтез . Именно хлорофилл помогает растениям "ловить" солнечные лучи. Он же окрашивает их листья в зеленый. Хлорофилл находится в хлоропластах - клеточных органеллах растений.

Интересно, что хлорофилл - это еще и пищевая добавка Е140 .


Энергия света нужна для того, чтобы растения могли преобразовать неорганические вещества в органические (которыми смогут питаться).

Помимо света для фотосинтеза растениям нужны вода и углекислый газ .

При такой сложной переработке растения получают необходимые для себя углеводы и аминокислоты.

Кислород - один из побочных продуктов фотосинтеза. Так растения "кормят" не только себя, но и атмосферу.

Альтернативные способы питания

Не заменяет, но дополняет фотосинтез почвенное питание . Корни растений "вытягивают" питательные вещества из почвы. Для этого, кстати, тоже необходима вода. Корни могут впитать только раствор , сухое вещество для них бесполезно.

У некоторых растений в ходе эволюции появился еще один способ питания. Довольно необычный. Эти растения насекомоядны.

Типичные представители:

  • росянка;
  • венерина мухоловка;
  • пузырчатка.

Но насекомые - не основа их питания. Они могут благополучно и мирно жить без животной пищи, но та все-таки служит важным дополнением к их рациону.

На безбелковой диете такие растения обычно растут несколько хуже.

Полезно0 0 Не очень

Комментарии0

Фотосинтез . Какое же это было тяжелое для меня слово в младшей школе. Хорошо хоть, нас не заставляли тогда учить не менее сложный процесс фотосинтеза. Я думал, что понять этот процесс нереально. Но чутка позже меня перевели в гимназию. Учительница биологии, работавшая там, была очень хорошим преподавателем. Она всегда могла найти подход к ребёнку и, используя навороченные схемы, видео и искусство ораторства, вбила в наши ещё неокрепшие головы основы фотосинтеза .


Немного о фотосинтезе

Это незаменимый в природе процесс , без которого мы не смогли бы нормально дышать , а растения вырабатывать себе пищу . При его помощи организмы способны потреблять солнечную энергию, углекислый газ и воду , а взамен вырабатывать углеводы и кислород . Почему я пишу организмы, а не растения? Да потому что фотосинтезировать могут :


Основы фотосинтеза

Я постараюсь рассказать вам об этом как можно более сжато . Ведь процесс настолько тяжёлый , что у неподготовленных просто взорвётся мозг от полученной информации. Предлагаю взглянуть на страницу моего старого конспекта по биологии.


Что вы из этого извлекли? Да, я украинец. Ну а по теме? Я уверен, что вы почти ничего не поняли. Поэтому объясняю вам с нуля .Полезно

Но благодаря ее подробным рассказам и знаниям, полученным в школе, теперь я имею полное представление об этом важном явлении.

Что такое фотосинтез

Не хочу грузить вас сложными терминами и определениями, поэтому сформулирую просто, фотосинтез - это выработка растениями глюкозы и главное кислорода под воздействием солнечного света, и переработки воды и углекислого газа.

У большинства растений во время фотосинтеза участвуют листья. Если рассмотреть листья под микроскопом, то мы увидим, что они состоят из зеленых продольных клеток, которые носят название хлоропласты, их наполняет зеленый пигмент хлорофилл. Это можно увидеть на картинке, где лист увеличен под микроскопом.


Но цвет листьев зеленый не из-за того, что хлорофилл имеет такой цвет. Дело в том, что клетки могут поглощат ь только лучи синего и красного спектра , а зеленый спектр отражают, поэтому в большинстве случаев мы видим листья зеленого цвета . Но бывают случаи, когда других пигментов больше, чем хлорофилла, тогда листья могут приобретать желтую, или даже красную расцветку.

Хлорофиллы впитывают в себя солнечный свет , после чего начинается процесс сложной химической реакции , в ходе которой вырабатываются:

  • сахар;
  • жиры;
  • углеводы;
  • белки;
  • и крахмал .

Но все-таки главной особенностью фотосинтеза является выработка кислорода , который позволяет благополучно жить людям и животным на Земле.

Две фазы фотосинтеза - световая и темновая

Для световой фазы важное значение имеют солнечный свет и пигменты .

Как я уже писала ранее про зеленую и другую окраску листьев, это связано с тем, что пигменты бывают у растений разные:

  • желтые;
  • зеленые;
  • синие;
  • красные.

В фотосинтезе участвуют хлорофиллы (зеленые пигменты). Все пигменты поглощают солнечный свет и передают его в хлорофиллы, так как только они могут его перерабатывать, после чего энергия света превращается в химическую энергию АТФ и восстановленного НАДФ*Н, в результате фоторазложения воды выделяется кислород .


В темной фазе в содержимом хлоропластов восстанавливается поглощенный углекислый газ , что вызывает образование органических веществ .

Полезно0 0 Не очень

А вы знаете, что каждый зеленый листик является миниатюрной «фабрикой» питательных веществ и кислорода, который нужен для нормальной жизнедеятельности не только животным, но и для человека. Фотосинтез – это процесс выработки из воды и углекислоты из атмосферы данных веществ. Это очень сложный химический процесс, происходящий с участием света. Бесспорно, всем интересно, как же происходит процесс фотосинтеза. Процесс состоит из двух этапов: первый этап – это поглощение квантов света, а второй этап – это использование в разных химических реакциях их энергии.

Как протекает процесс фотосинтеза?
С помощью зеленого вещества, которое называется хлорофилл, растение поглощает свет. Содержится хлорофилл в хлоропластах, которые находятся в плодах и стеблях. Но особенно их большое количество находится в листочках, потому что листочек из-за своей довольно простой структуры может притянуть большое количество света, соответственно, получить для процесса фотосинтеза намного больше энергии.
Хлорофилл, после поглощения, находится в возбужденном состоянии и энергию передает другим молекулам организма растения, особенно получают ее те, которые непосредственно принимают участие в фотосинтезе. Второй этап процесса фотосинтеза происходит без обязательного участия света и состоит в получении химической связи с участием углекислого газа, который получается из воды и воздуха. На этой стадии происходит синтезирование разных очень полезных веществ для жизнедеятельности, таких как глюкоза и крахмал.

Сами растения используют эти органические вещества для питания разных его частей, а так же для того, чтобы поддержать нормальную жизнедеятельность. Помимо этого, эти вещества получают и животные, которые питаются растениями. Человек же получает эти вещества, употребляя в пищу продукты растительного и животного происхождения.

Условия фотосинтеза
Процесс фотосинтеза может происходить не только под действием искусственного света, но и солнечного. На природе, как правило, растения интенсивно осуществляют свою деятельность в весенне-летний период, то есть в то время, когда необходимо много солнечного света. Света в осенний период меньше, день укорачивается, листочки желтеют, а потом опадают. Но только появиться весеннее теплое солнышко, как зеленая листва просыпается и снова возобновляют свою работу зеленые «фабрики» для того, чтобы давать большое количество питательных веществ и кислорода, который так необходим для жизни.

Где происходит процесс фотосинтеза?
Фотосинтез, в основном, происходит, как мы уже говорили выше, если вы помните, в листьях растений, по той причине, что именно у них есть способность принимать на себя большое количество света, который так необходим для процесса фотосинтез.

В заключение можно подвести итоги и сказать то, что такой процесс, как фотосинтез – это неотъемлемая часть жизнедеятельности растений. Надеемся, что наша статья помогла понять многим, что же такое фотосинтез, и для чего он необходим.

Как понятно из названия, фотосинтез по своей сути являет собой природный синтез органических веществ, превращая СО2 из атмосферы и воду в глюкозу и свободный кислород.

При этом необходимо наличие энергии солнечного света.

Химическое уравнение процесса фотосинтеза в общем можно представить в следующем виде:

Фотосинтез имеет две фазы: темную и световую. Химические реакции темной фазы фотосинтеза существенно отличаются от реакций световой фазы, однако темная и световая фаза фотосинтеза зависят друг от друга.

Световая фаза может происходить в листьях растений исключительно при солнечном свете. Для темной же необходимо наличие углекислого газа, именно поэтому растение все время должно поглощать его из атмосферы. Все сравнительные характеристики темной и световой фаз фотосинтеза будут предоставлены ниже. Для этого была создана сравнительная таблица «Фазы фотосинтеза».

Световая фаза фотосинтеза

Основные процессы в световой фазе фотосинтеза происходят в мембранах тилакоидов. В ней участвуют хлорофилл, белки-переносчики электронов, АТФ-синтетаза (фермент, ускоряющий реацию) и солнечный свет.

Далее механизм реакции можно описать так: когда солнечный свет попадает на зеленые листья растений, в их структуре возбуждаются электроны хлорофилла (заряд отрицательный), которые перейдя в активное состояние, покидают молекулу пигмента и оказываются на внешней стороне тилакоида, мембрана которого заряжена также отрицательно. В то же время молекулы хлорофилла окисляются и уже окисленные они восстанавливаются, отбирая таким образом электроны у воды, которая находится в структуре листа.

Этот процесс приводит к тому, что молекулы воды распадаются, а созданные в результате фотолиза воды ионы, отдают свои электроны и превращаются в такие радикалы ОН, которые способны проводить дальнейшие реакции. Далее эти реакционноспособные радикалы ОН объединяются, создавая полноценные молекулы воды и кислород. При этом свободный кислород выходит во внешнюю среду.

В результате всех этих реакций и превращений, мембрана тилакоида листа с одной стороны заряжается положительно (за счет иона Н+), а с другой — отрицательно (за счет электронов). Когда разность между этими зарядами в двух сторонах мембраны достигает больше 200 мВ, протоны проходят через специальные каналы фермента АТФ-синтетазы и за счет этого происходит превращение АДФ до АТФ (в результате процесса фосфорилизации). А атомный водород, который освобождается из воды, восстанавливает специфический переносчик НАДФ+ до НАДФ·Н2. Как видим, в результате световой фазы фотосинтеза происходит три основных процесса:

  1. синтез АТФ;
  2. создание НАДФ·Н2;
  3. образование свободного кислорода.

Последний освобождается в атмосферу, а НАДФ·Н2 и АТФ берут участие в темной фазе фотосинтеза.

Темная фаза фотосинтеза

Темная и световая фазы фотосинтеза характеризуются большими затратами энергии со стороны растения, однако темная фаза протекает быстрее и требует меньше энергии. Для реакций темной фазы не нужен солнечный свет, поэтому они могут происходить и днем и ночью.

Все основные процессы этой фазы протекают в строме хлоропласта растения и являют собой своеобразную цепочку последовательных превращений углекислого газа из атмосферы. Первая реакция в такой цепи – фиксация углекислого газа. Чтобы она проходила более плавно и быстрее, природой был предусмотрен фермент РиБФ-карбоксилаза, который катализирует фиксацию СО2.

Далее происходит целый цикл реакций, завершением которого является преобразование фосфоглицериновой кислоты в глюкозу (природный сахар). Все эти реакции используют энергию АТФ и НАДФ Н2, которые были созданы в световой фазе фотосинтеза. Помимо глюкозы в результате фотосинтеза образуются также и другие вещества. Среди них разные аминокислоты, жирные кислоты, глицерин, а также нуклеотиды.

Фазы фотосинтеза: таблица сравнений

Критерии сравнения Световая фаза Темная фаза
Солнечный свет Обязателен Необязателен
Место протекание реакций Граны хлоропласта Строма хлоропласта
Зависимость от источника энергии Зависит от солнечного света Зависит от АТФ и НАДФ Н2, образованных в световой фазе и от количества СО2 из атмосферы
Исходные вещества Хлорофилл, белки-переносчики электронов, АТФ-синтетаза Углекислый газ
Суть фазы и что образуется Выделяется свободный О2, образуется АТФ и НАДФ Н2 Образование природного сахара (глюкозы) и поглощение СО2 из атмосферы

Фотосинтез — видео

Воду и минеральные вещества растения получают с помощью корней. Листья обеспечивают органическое питание растений. В отличие от корней они находятся не в почве, а в воздушной среде, поэтому осуществляют не почвенное, а воздушное питание.

Из истории изучения воздушного питания растений

Знания о питании растений накапливались постепенно. Около 350 лет назад голландский ученый Ян Гельмонт впервые поставил опыт по изучению питания растений. В глиняном горшке с почвой он выращивал иву, добавляя туда только воду. Опадавшие листья ученый тщательно взвешивал. Через пять лет масса ивы вместе с опавшими листьями увеличилась на 74,5 кг, а масса почвы уменьшилась всего на 57 г. На основании этого Гельмонт пришел к выводу, что все вещества в растении образуются не из почвы, а из воды. Мнение о том, что растение увеличивается в размерах только за счет воды, сохранялось до конца XVIII века.

В 1771 г. английский химик Джозеф Пристли изучал углекислый газ, или, как он его называл, «испорченный воздух» и сделал замечательное открытие. Если зажечь свечу и накрыть оо стеклянным колпаком, то, немного погорев, она погаснет. Мышь под таким колпаком начинает задыхаться. Однако если под колпак вместе с мышью поместить ветку мяты, то мышь не задыхается и продолжает жить. Значит, растения «исправляют» воздух, испорченный дыханием животных, то есть превращают углекислый газ в кислород.

В 1862 г. немецкий ботаник Юлиус Сакс с помощью опытов доказал, что зеленые растения не только выделяют кислород, но и создают органические вещества, служащие пищей всем другим организмам.

Фотосинтез

Главное отличие зеленых растений от других живых организмов - наличие в их клетках хлоропластов, содержащих хлорофилл. Хлорофилл обладает свойством улавливать солнечные лучи, энергия которых необходима для создания органических вещсств. Процесс образования органического вещества из углекислого газа и воды с помощью солнечной энергии называется фотосинтезом (греч. рЬо1оз свет). В процессе фотосинтеза образуются не только органические вещества - сахара, но и выделяется кислород.

Схематически процесс фотосинтеза можно изобразить так:

Вода поглощается корнями и по проводящей системе корней и стебля передвигается к листьям. Углекислый газ - составная часть воздуха. Он поступает в листья через открытые устьица. Поглощению углекислого газа способствует строение листа: плоская поверхность листовых пластинок, увеличивающая площадь соприкосновения с воздухом, и наличие большого числа устьиц в кожице.

Образующиеся в результате фотосинтеза сахара превращаются в крахмал. Крахмал это органическое вещество, которое не растворяется в воде. Кго легко обнаружить с помощью раствора йода.

Доказательства образования крахмала в листьях на свету

Докажем, что в зеленых листьях растений из углекислого газа и воды образуется крахмал. Для этого рассмотрим опыт, который в свое время был поставлен Юлиусом Саксом.

Комнатное растение (герань или примулу) выдерживают двое суток в темноте, чтобы весь крахмал израсходовался на процессы жизнедеятельности. Затем несколько листьев закрывают с двух сторон черной бумагой так, чтобы была прикрыта только их часть. Днем растение выставляют на свет, а ночью его дополнительно освещают с помощью настольной лампы.

Через сутки исследуемые листья срезают. Чтобы выяснить, в какой части листа образовался крахмал, листья кипятят в воле (чтобы набухли крахмальные зерна), а затем выдерживают в горячем спирте (хлорофилл при этом растворяется, и лист обесцвечивается). Затем листья промывают в воде и действуют на них слабым раствором йода. Тс участки листьев, которые были на свету, приобретают от действия йода синюю окраску. Это означает, что крахмал образовался в клетках освещенной части листа. Следовательно, фотосинтез происходит только на свету.

Доказательства необходимости углекислого газа для фотосинтеза

Чтобы доказать, что для образования крахмала в листьях необходим углекислый газ, комнатное растение также предварительно выдерживают в темноте. Затем один из листьев помещают в колбу с небольшим количеством известковой воды. Колбу закрывают ватным тампоном. Растение выставляют на свет. Углекислый газ поглощается известковой водой, поэтому его в колбе не будет. Лист срезается, и так же, как в предыдущем опыте, исследуется на наличие крахмала. Он выдерживается в горячей воде и спирте, обрабатывается раствором йода. Однако в этом случае результат опыта будет иным: лист не окрашивается в синий цвет, т.к. крахмал в нем не содержится. Следовательно, для образования крахмала, кроме света и воды, необходим углекислый газ.

Таким образом, мы ответили на вопрос, какую пищу получает растение из воздуха. Опыт показал, что это углекислый газ. Он необходим для образования органического вещества.

Организмы, самостоятельно создающие органические вещества для построения своего тела, называются автотрофамн (греч. autos - сам, trofe - пища).

Доказательства образования кислорода в процессе фотосинтеза

Чтобы доказать, что при фотосинтезе растения во внешнюю среду выделяют кислород, рассмотрим опыт с водным растением элодеей. Побеги элодеи опускают в сосуд с водой и сверху накрывают воронкой. На конец воронки надевают пробирку с водой. Растение выставляют на свет на двое-трое суток. На свету элодея выделяет пузырьки газа. Они скапливаются в верхней части пробирки, вытесняя воду. Для того чтобы выяснить, какой это газ, пробирку аккуратно снимают и вносят в нее тлеющую лучинку. Лучинка ярко вспыхивает. Это значит, что в колбе накопился газ, поддерживающий горение кислород.

Космическая роль растений

Растения, содержащие хлорофилл, способны усваивать солнечную энергию. Поэтому К.А. Тимирязев назвал их роль на Земле космической. Часть энергии Солнца, запасенная в органическом веществе, может долго сохраняться. Каменный уголь, торф, нефть образованы веществами, которые в далекие геологические времена были созданы зелеными растениями и вобрали в себя энергию Солнца. Сжигая природные горючие материалы, человек освобождает энергию, запасенную миллионы лет назад зелеными растениями.

У живых организмов обнаружено два типа пигментов, способных выполнять функцию фотосинтетических антенн. Эти пигменты поглощают кванты видимого света и обеспечивают дальнейшее запасание энергии излучения в виде энергии электрохимического градиента H + на биологических мембранах . У подавляющего большинства организмов роль антенн играют хлорофиллы ; менее распространен случай, при котором в качестве антенны служит производное витамина А , ретиналь . В соответствии с этим выделяют хлорофилльный и бесхлорофилльный фотосинтез.

Бесхлорофилльный фотосинтез

Система бесхлорофилльного фотосинтеза отличается значительной простотой организации, в связи с чем предполагается эволюционно первичным механизмом запасания энергии электромагнитного излучения. Эффективность бесхлорофилльного фотосинтеза как механизма преобразования энергии сравнительно низка (на один поглощённый квант переносится лишь один H +).

Открытие у галофильных архей

Dieter Oesterhelt и Walther Stoeckenius идентифицировали в «пурпурных мембранах» представителя галофильных архей Halobacterium salinarium (прежнее название Н. halobium ) белок, который позже был назван бактериородопсином . В скором времени были накоплены факты, указывающие на то, что бактериородопсин является светозависимым генератором протонного градиента . В частности, было продемонстрировано фотофосфорилирование на искусственных везикулах , содержащих бактериородопсин и митохондриальную АТФ-синтазу, фотофосфорилирование в интактных клетках H. salinarium , светоиндуцируемое падение pH среды и подавление дыхания, причем все эти эффекты коррелировали со спектром поглощения бактериородопсина. Таким образом, были получены неопровержимые доказательства существования бесхлорофилльного фотосинтеза.

Механизм

Фотосинтетический аппарат экстремальных галобактерий является наиболее примитивным из ныне известных; в нём отсутствует электронтранспортная цепь . Цитоплазматическая мембрана галобактерий является сопрягающей мембраной, содержащей два основных компонента: светозависимую протонную помпу (бактериородопсин) и АТФ-синтазу . Работа такого фотосинтетического аппарата основана на следующих трансформациях энергии:

  1. Хромофор бактериородопсина ретиналь поглощает кванты света, что приводит к конформационным изменениям в структуре бактериородопсина и транспорту протона из цитоплазмы в периплазматическое пространство. Кроме того, дополнительный вклад в электрическую составляющую градиента вносит активный светозависимый импорт хлорид-аниона, который обеспечивает галородопсин [ ] . Таким образом, в результате работы бактериородопсина энергия солнечного излучения трансформируется в энергию электрохимического градиента протонов на мембране.
  2. При работе АТФ-синтазы энергия трансмембранного градиента трансформируется в энергию химических связей АТФ. Таким образом, осуществляется хемиосмотическое сопряжение.

При бесхлорофилльном типе фотосинтеза (как и при реализации циклических потоков в электрон-транспортных цепях) не происходит образования восстановительных эквивалентов (восстановленного ферредоксина или НАД(Ф)Н), необходимых для ассимиляции углекислого газа. Поэтому при бесхлорофилльном фотосинтезе не происходит ассимиляции углекислого газа, а осуществляется исключительно запасание солнечной энергии в форме АТФ (фотофосфорилирование).

Значение

Основной путь получения энергии для галобактерий - аэробное окисление органических соединений (при культивировании используют углеводы и аминокислоты). При дефиците кислорода помимо бесхлорофилльного фотосинтеза источниками энергии для галобактерий может служить анаэробное нитратное дыхание или сбраживание аргинина и цитруллина . Однако в эксперименте было показано, что бесхлорофилльный фотосинтез может служить и единственным источником энергии в анаэробных условиях при подавлении анаэробного дыхания и брожения при обязательном условии, что в среду вносят ретиналь, для синтеза которого необходим кислород.

Хлорофилльный фотосинтез

Хлорофилльный фотосинтез отличается от бактериородопсинового значительно большей эффективностью запасания энергии. На каждый поглощённый квант излучения против градиента переносится не менее одного H + , и в некоторых случаях энергия запасается в форме восстановленных соединений (ферредоксин, НАДФ).

Аноксигенный

Аноксигенный (или бескислородный) фотосинтез протекает без выделения кислорода. К аноксигенному фотосинтезу способны пурпурные и зелёные бактерии , а также гелиобактерии .

При аноксигенном фотосинтезе возможно осуществление:

  1. Светозависимого циклического транспорта электронов, не сопровождающегося образованием восстановительных эквивалентов и приводящего исключительно к запасанию энергии света в форме АТФ . При циклическом светозависимом электронном транспорте необходимости в экзогенных донорах электронов не возникает. Потребность в восстановительных эквивалентах обеспечивается нефотохимическим путём, как правило, за счёт экзогенных органических соединений.
  2. Светозависимого нециклического транспорта электронов, сопровождающегося и образованием восстановительных эквивалентов, и синтезом АДФ. При этом возникает потребность в экзогенных донорах электронов , которые необходимы для заполнения электронной вакансии в реакционном центре. В качестве экзогенных доноров электронов могут использоваться как органические, так и неорганические восстановители. Среди неорганических соединений наиболее часто используются различные восстановленные формы серы (сероводород , молекулярная сера , сульфиты , тиосульфаты , тетратионаты , тиогликоляты), также возможно использование молекулярного водорода .

Оксигенный

Оксигенный (или кислородный) фотосинтез сопровождается выделением кислорода в качестве побочного продукта. При оксигенном фотосинтезе осуществляется нециклический электронный транспорт, хотя при определенных физиологических условиях осуществляется исключительно циклический электронный транспорт. В качестве донора электронов при нециклическом потоке используется крайне слабый донор электронов - вода .

Оксигенный фотосинтез распространён гораздо шире. Характерен для высших растений , водорослей , многих протистов и цианобактерий .

Этапы

Фотосинтез - процесс с крайне сложной пространственно-временной организацией.

Разброс характерных времен различных этапов фотосинтеза составляет 19 порядков: скорость процессов поглощения квантов света и миграции энергии измеряется в фемтосекундном интервале (10 −15 с), скорость электронного транспорта имеет характерные времена 10 −10 −10 −2 с, а процессы, связанные с ростом растений, измеряются днями (10 5 −10 7 с).

Также большой разброс размеров характерен для структур, обеспечивающих протекание фотосинтеза: от молекулярного уровня (10 −27 м 3) до уровня фитоценозов (10 5 м 3).

В фотосинтезе можно выделить отдельные этапы, различающиеся по природе и характерным скоростям процессов:

  • Фотофизический;
  • Фотохимический;
  • Химический:
    • Реакции транспорта электронов;
    • «Темновые» реакции или циклы углерода при фотосинтезе.

На первом этапе происходит поглощение квантов света пигментами , их переход в возбуждённое состояние и передача энергии к другим молекулам фотосистемы. На втором этапе происходит разделение зарядов в реакционном центре, перенос электронов по фотосинтетической электронотранспортной цепи, что заканчивается синтезом АТФ и НАДФН . Первые два этапа вместе называют светозависимой стадией фотосинтеза . Третий этап происходит уже без обязательного участия света и включает в себя биохимические реакции синтеза органических веществ с использованием энергии, накопленной на светозависимой стадии. Чаще всего в качестве таких реакций рассматривается цикл Кальвина и глюконеогенез , образование сахаров и крахмала из углекислого газа воздуха.

Пространственная локализация

Лист

Фотосинтез растений осуществляется в хлоропластах - полуавтономных двухмембранных органеллах , относящихся к классу пластид . Хлоропласты могут содержаться в клетках стеблей , плодов , чашелистиков , однако основным органом фотосинтеза является лист . Он анатомически приспособлен к поглощению энергии света и ассимиляции углекислоты . Плоская форма листа, обеспечивающая большое отношение поверхности к объёму, позволяет более полно использовать энергию солнечного света. Вода, необходимая для поддержания тургора и протекания фотосинтеза, доставляется к листьям из корневой системы по ксилеме - одной из проводящих тканей растения. Потеря воды в результате испарения через устьица и в меньшей степени через кутикулу (транспирация) служит движущей силой транспорта по сосудам. Однако избыточная транспирация является нежелательной, и у растений в ходе эволюции сформировались различные приспособления, направленные на снижение потерь воды. Отток ассимилятов , необходимый для функционирования цикла Кальвина , осуществляется по флоэме . При интенсивном фотосинтезе углеводы могут полимеризоваться, и при этом в хлоропластах формируются крахмальные зёрна. Газообмен (поступление углекислого газа и выделение кислорода) осуществляется путём диффузии через устьица (некоторая часть газов движется через кутикулу).

Поскольку дефицит углекислого газа значительно увеличивает потери ассимилятов при фотодыхании , необходимо поддерживать высокую концентрацию углекислоты в межклеточном пространстве, что возможно при открытых устьицах . Однако поддержание устьиц в открытом состоянии при высокой температуре приводит к усилению испарения воды, что приводит к водному дефициту и также снижает продуктивность фотосинтеза. Этот конфликт решается в соответствии с принципом адаптивного компромисса. Кроме того, первичное поглощения углекислого газа ночью, при низкой температуре, у растений с CAM-фотосинтезом позволяет избежать высоких транспирационных потерь воды.

Фотосинтез на тканевом уровне

На тканевом уровне фотосинтез у высших растений обеспечивается специализированной тканью - хлоренхимой . Она располагается близ поверхности тела растения, где получает достаточно световой энергии. Обычно хлоренхима находится непосредственно под эпидермой . У растений, растущих в условиях повышенной инсоляции, между эпидермой и хлоренхимой может располагаться один или два слоя прозрачных клеток (гиподерма), обеспечивающих рассеивание света. У некоторых тенелюбивых растений хлоропластами богата и эпидерма (например, кислица). Часто хлоренхима мезофилла листа дифференцирована на палисадную (столбчатую) и губчатую, но может состоять и из однородных клеток. В случае дифференцировки наиболее богата хлоропластами палисадная хлоренхима.

Хлоропласты

Внутреннее пространство хлоропласта заполнено бесцветным содержимым (стромой) и пронизано мембранами (ламеллами), которые, соединяясь друг с другом, образуют тилакоиды , которые, в свою очередь, группируются в стопки, называемые гранами . Внутритилакоидное пространство отделено и не сообщается с остальной стромой; предполагается также, что внутреннее пространство всех тилакоидов сообщается между собой. Световые стадии фотосинтеза приурочены к мембранам, автотрофная фиксация CO 2 происходит в строме.

В хлоропластах имеются свои ДНК , РНК , рибосомы (типа 70s), идёт синтез белка (хотя этот процесс и контролируется из ядра). Они не синтезируются вновь, а образуются путём деления предшествующих. Всё это позволило считать их потомками свободных цианобактерий, вошедших в состав эукариотической клетки в процессе симбиогенеза .

Фотосинтетические мембраны прокариот

Фотохимическая суть процесса

Фотосистема I

Светособирающий комплекс I содержит примерно 200 молекул хлорофилла.

В реакционном центре первой фотосистемы находится димер хлорофилла a с максимумом поглощения при 700 нм (П 700). После возбуждения квантом света он восстанавливает первичный акцептор - хлорофилл a, тот - вторичный (витамин K 1 или филлохинон), после чего электрон передаётся на ферредоксин , который и восстанавливает НАДФ с помощью фермента ферредоксин-НАДФ-редуктазы.

Белок пластоцианин, восстановленный в b 6 f-комплексе, транспортируется к реакционному центру первой фотосистемы со стороны внутритилакоидного пространства и передаёт электрон на окисленный П 700 .

Циклический и псевдоциклический транспорт электрона

Помимо полного нециклического пути электрона, описанного выше, обнаружены циклический и псевдоциклический.

Суть циклического пути заключается в том, что ферредоксин вместо НАДФ восстанавливает пластохинон, который переносит его назад на b 6 f-комплекс. В результате образуется больший протонный градиент и больше АТФ, но не возникает НАДФН.

При псевдоциклическом пути ферредоксин восстанавливает кислород, который в дальнейшем превращается в воду и может быть использован в фотосистеме II. При этом также не образуется НАДФН.

Темновая фаза

В темновой стадии с участием АТФ и НАДФ происходит восстановление CO 2 до глюкозы (C 6 H 12 O 6). Хотя свет не требуется для осуществления данного процесса, он участвует в его регуляции.

С 3 -фотосинтез, цикл Кальвина

Во второй стадии ФГК в два этапа восстанавливается. Сначала она фосфорилируется АТФ под действием фосфороглицерокиназы с образованием 1,3-дифосфоглицериновой кислоты (ДФГК), затем при воздействии триозофосфатдегидрогеназы и НАДФН ацил-фосфатная группа ДФГК дефосфорилируется и восстанавливается до альдегидной и образуется глицеральдегид-3-фосфат - фосфорилированный углевод (ФГА).

В третьей стадии участвуют 5 молекул ФГА, которые через образование 4-, 5-, 6- и 7-углеродных соединений объединяются в 3 5-углеродных рибулозо-1,5-бифосфата, для чего необходимы 3АТФ.

Наконец, две ФГА необходимы для синтеза глюкозы . Для образования одной её молекулы требуется 6 оборотов цикла, 6 CO 2 , 12 НАДФН и 18 АТФ.

С 4 -фотосинтез

Отличие этого механизма фотосинтеза от обычного заключается в том, что фиксация углекислого газа и его использование разделены в пространстве, между различными клетками растения .

При низкой концентрации растворённого в строме CO 2 рибулозобифосфаткарбоксилаза катализирует реакцию окисления рибулозо-1,5-бифосфата и его распад на 3-фосфоглицериновую кислоту и фосфогликолевую кислоту, которая вынужденно используется в процессе фотодыхания .

Для увеличения концентрации CO 2 растения С 4 типа изменили анатомию листа. Цикл Кальвина у них локализуется в клетках обкладки проводящего пучка, в клетках мезофилла же под действием ФЕП-карбоксилазы фосфоенолпируват карбоксилируется с образованием щавелеуксусной кислоты , которая превращается в малат или аспартат и транспортируется в клетки обкладки, где декарбоксилируется с образованием пирувата , возвращаемого в клетки мезофилла.

С 4 -фотосинтез практически не сопровождается потерями рибулозо-1,5-бифосфата из цикла Кальвина, поэтому более эффективен. Однако он требует не 18, а 30 АТФ на синтез 1 молекулы глюкозы. Это оправдывает себя в тропиках, где жаркий климат требует держать устьица закрытыми, что препятствует поступлению CO 2 в лист, а также при рудеральной жизненной стратегии.

Фотосинтез по пути С4 проводят около 7600 видов растений. Все они относятся к цветковым : многие Злаковые (61 % видов, в том числе культурные - кукуруза, сахарный тростник и сорго и др. ), Гвоздичноцветные (наибольшая доля в семействах Маревые - 40 % видов, Амарантовые - 25 %), некоторые Осоковые , Астровые , Капустные , Молочайные .

CAM-фотосинтез

Возникновение на Земле более 3 млрд лет назад механизма расщепления молекулы воды квантами солнечного света с образованием O 2 представляет собой важнейшее событие в биологической эволюции, сделавшее свет Солнца главным источником энергии биосферы.

Энергия, получаемая человечеством при сжигании ископаемого топлива (уголь , нефть , природный газ , торф), также является запасённой в процессе фотосинтеза.

Фотосинтез служит главным входом неорганического углерода в биогеохимический цикл .

Фотосинтез является основой продуктивности сельско-хозяйственно важных растений.

Большая часть свободного кислорода атмосферы - биогенного происхождения и является побочным продуктом фотосинтеза. Формирование окислительной атмосферы (кислородная катастрофа) полностью изменило состояние земной поверхности, сделало возможным появление дыхания, а в дальнейшем, после образования озонового слоя , позволило жизни существовать на суше.

История изучения

Первые опыты по изучению фотосинтеза были проведены Джозефом Пристли в -1780-х годах, когда он обратил внимание на «порчу» воздуха в герметичном сосуде горящей свечой (воздух переставал поддерживать горение, а помещённые в него животные задыхались) и «исправление» его растениями. Пристли сделал вывод, что растения выделяют кислород, который необходим для дыхания и горения, однако не заметил, что для этого растениям нужен свет. Это показал вскоре Ян Ингенхауз .

Позже было установлено, что помимо выделения кислорода растения поглощают углекислый газ и при участии воды синтезируют на свету органическое вещество. В г. Роберт Майер на основании закона сохранения энергии постулировал, что растения преобразуют энергию солнечного света в энергию химических связей. В г. В. Пфеффер назвал этот процесс фотосинтезом.

Хлорофиллы были впервые выделены в г. П. Ж. Пельтье и Ж. Каванту . Разделить пигменты и изучить их по отдельности удалось М. С. Цвету с помощью созданного им метода хроматографии . Спектры поглощения хлорофилла были изучены К. А. Тимирязевым , он же, развивая положения Майера, показал, что именно поглощённые лучи позволяют повысить энергию системы, создав вместо слабых связей С-О и О-Н высокоэнергетические С-С (до этого считалось что в фотосинтезе используются жёлтые лучи, не поглощаемые пигментами листа). Сделано это было благодаря созданному им методу учёта фотосинтеза по поглощённому CO 2: в ходе экспериментов по освещению растения светом разных длин волн (разного цвета) оказалось, что интенсивность фотосинтеза совпадает со спектром поглощения хлорофилла.

Окислительно-восстановительную сущность фотосинтеза (как оксигенного, так и аноксигенного) постулировал Корнелис ван Ниль , он же в 1931 году доказал, что пурпурные бактерии и зелёные серобактерии осуществляют аноксигенный фотосинтез . Окислительно-восстановительный характер фотосинтеза означал, что кислород в оксигенном фотосинтезе образуется полностью из воды, что экспериментально подтвердил в г. А. П. Виноградов в опытах с изотопной меткой. В