Что такое фотосинтез

Этот процесс имеет решающее значение для выживания растений и служит источником кислорода, которым мы дышим. В этой статье разбираем, что такое фотосинтез, как он устроен и работает, на какие фазы делится, и причем здесь осенние листопады.

1 737

С детства нас учат любить и беречь природу. И конечно же, упоминают о том значении флоры в обеспечении Земли кислородом, которым мы дышим. Деревья и травы поглощают углекислый газ и дают человечеству возможность дышать! Это напоминает магию, придумку умелого сказочника.

Так, наверное, и подумал бельгийский ученый Ян Ван Гельмонт в далеком 1600 году, когда проводил один эксперимент. Он поместил ветку ивы, вес которой предварительно измерил, в мешок с 80 кг почвы и поливал ее дождевой водой в течение пяти лет. По окончании эксперимента масса ивы увеличилась на 65 кг, а масса почвы уменьшилась всего на 50 г. Наблюдение Ван Хелмонда дало больше вопросов чем ответов, но все равно имело большое значение, поскольку свидетельствовало о том, что ива не набирает массу из почвы, в которой растет. Это действительно похоже на волшебство.

Однако куда больше поражает сознание то, что никакого чуда в этом нет - а лишь один примечательный биохимический процесс, который происходит буквально перед нами. Фотосинтез.

Определение и формула фотосинтеза

Фотосинтез представляет собой процесс, который позволяет растению, с помощью поглощения световой энергии полученной солнца, превратить воду и углекислый газ в кислород и глюкозу. Удивительно, но такое сложное и многоступенчатое явление можно сократить до одной небольшой схемы. 6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2. Эта формула показывает химическую реакцию, которая происходит во время процесса, когда шесть молекул углекислого газа и шесть молекул воды образуют одну молекулу глюкозы и шесть молекул кислорода. В этих значениях и раскрывается все действие.

В процессе фотосинтеза происходит выработка глюкозы, которая затем используется растениями в качестве источника необходимой энергии, а кислород попадает в атмосферу, служа ресурсом для дыхания многих существ. Именно благодаря этой изящной реакции жизнь на Земле и смогла развиться и эволюционировать до привычных нам видов и форм.

Главный актор фотосинтеза, без которого этот процесс невозможен - хлорофилл. Хлорофилл - это зеленый пигмент, содержащийся в хлоропластах растительных клеток. Он выполняет роль основного пигмента, отвечающего за усвоение фотонов в фотосинтезирующих органеллах растения.

Значение хлорофилла также состоит в переработке световой энергии в химическую, которая, в свою очередь, необходима для синтеза органических веществ. Он обладает способностью поглощать свет в определенных диапазонах длин волн, прежде всего в красной и синей областях спектра, а зеленый свет он отражает, что придает растениям зеленый цвет.

У хлорофилла в этой схеме есть две основные функции: поглощение и передача энергии. Большая часть - 90% - вещества в хлоропластах сосредоточена в светособирающих комплексах (ССК). Эти комплексы служат антенной, передающей энергию к реакционным центрам, где происходят фотосинтетические реакции. Каротиноиды и фикобилины - пигменты, помогающие хлорофиллу расширить спектр поглощаемых им световых волн, чтобы получать максимум энергии. Иногда хлорофилл и вовсе отходит на второй план в данном процессе и не имеет своего привычного значения. Например, на дне океана, где зеленое вещество беспомощно, фикобилин, который лучше всего работает с синим цветом, заведует процессом поглощения света, отчего многие глубоководные водоросли имеют характерный красноватый оттенок.

Интересный факт! Осенью, когда длительность дня сокращается, растение получает меньше световой энергии для фотосинтеза. Это приводит к снижению активности хлорофилла и уменьшению его концентрации в листьях. Кроме того, понижение температуры воздуха замедляет и газовый обмен в растении. При низких температурах происходит сужение сосудов, отвечающих за транспорт воды и питательных веществ в листьях. Это приводит к уменьшению подачи воды и питательных веществ в листья, из-за чего фотосинтез происходит все менее и менее активно. Именно поэтому осенью мы и можем наблюдать за пожелтением листвы.

Фазы фотосинтеза

Сам процесс фотосинтеза разделен на две фазы: световую и темновую. В ходе световой фазы солнечный свет поглощается хлоропластами в листьях растения, в которых и содержатся молекулы упомянутого выше хлорофилла, отвечающие за поглощение солнечного света. Энергия света идет на расщепление молекул воды и высвобождения кислорода с образованием протонов и электронов.

Электроны же используются для восстановления NADP+ (Никотинамидадениндинуклеотидфосфата - кофермента, принимающего на себя электроны и водород для последующей его передачи на другие вещества) до NADPH - химического вещества, которое впоследствии будет задействовано уже в следующей, темновой фазе, в ходе которой высвобождающаяся энергия способствует преобразованию воды и углекислого газа в глюкозу и кислород.

Световая фаза фотосинтеза

Световая фаза фотосинтеза - первая стадия процесса, которая “разворачивается” в хлоропласте.

Хлорофилл усваивает свет, возбуждается и выделяет электрон. Этот электрон передается среди особых белковых комплексов фотосистемами, которые заимствуют энергию, полученную от движения этого электрона для восстановления NADP до NADPH.

Во время передачи электронов, освобождается энергия, которая активизирует работу особого фермента АТФ-синтазы, который способствуют синтезу АТФ (аденозинтрифосфата) – самого главного источника энергии для клетки. АТФ используется для различных клеточных процессов, включая синтезирование молекул органики.

Одновременно с передачей электронов, в световой фазе протекает процесс фотолиза. Частицы воды распадаются на протоны водорода и кислород. Последнего оказывается очень много, и впоследствие он “уходит” в атмосферу, где уже служит источником нашего дыхания. Протоны водорода же накапливаются, чтобы принять участие в следующей стадии фотосинтеза.

Темновая фаза фотосинтеза

Темновая фаза, известная также как цикл Кальвина или фиксация углерода, происходит в строме - внутренней клетке хлоропласта. Несмотря на свое название этот этап может происходить как в темноте, так и на свету. Атмосферный углекислый газ, попав в растение вместе с другими неорганическими веществами, полученными растением от воды из корневой системы, проходит через межклеточное пространство и оказывается в клетках, где и фиксируется.

Далее происходит реакция при которой протоны и электроны используются в целях превращения углекислого газа в глюкозу. Энергия, полученная в световой фазе от молекул АТФ, вместе с NADP+ и протонами воды используется для переработки углекислого газа в глюкозу. Иногда ее получается даже больше необходимого, и тогда растение “откладывает” часть, синтезировав ее в другую органику, например белки или полисахариды. Вся эта цепочка реакций называется фиксацией углерода, поскольку углекислый газ, поглощенный растением из воздуха, перерабатывается в органические соединения.

Световая и темновая фазы взаимосвязаны и находятся в тесной зависимости друг от друга. Световая фаза вырабатывает энергию, которая необходима для проведения темновой фазы, а темновая фаза задействует ее для синтеза органических молекул. Обе фазы фотосинтеза являются равноценными, так как оба прямо работают на жизнеобеспечение растения и косвенно - на жизнь на планете, поскольку растения являются источником пищи для многих организмов и “производят” необходимый для их дыхания кислород.

Важность фотосинтеза

Наиболее емко описал важность и значение фотосинтеза академик К.А. Тимирязев. Говоря о роли этого процесса в природе, он сравнил хлорофилловое зерно с лабораторией, в которой запускаются все органические процессы. Именно растения с их способностью преобразовать неорганику в органику дали возможность развиться привычным нам формам жизни.

Кроме того, особое значение фотосинтеза происходит и от его роли в составлении пищевой цепочки Растения производят глюкозу, которая затем передается другим организмам через пищевую цепь. Животные и люди потребляют растительную пищу, получая энергию и питательные вещества, необходимые для поддержания жизни.

Без фотосинтеза на Земле не было бы достаточного количества кислорода для поддержания жизни. Кроме того, не было бы пищи для животных и людей. Фотосинтез играет ключевую роль в биологическом разнообразии и экосистемах, обеспечивая энергию и питание для всех живых организмов.

Однако есть у и фотосинтеза и “родственник” - хемосинтез. Этот процесс осуществляется некоторыми организмами, например археями и определенными видами бактерий, и так же как и фотосинтез дает им возможность вырабатывать органические вещества из неорганических с помощью химических реакций. Однако, в отличие от фотосинтеза, который происходит за счет свет в качестве источника энергии, хемосинтез основан на окислении неорганических соединений.

Хемосинтез имеет большое значение для экосистем, особенно в тех местах или условиях, где практически или вовсе отсутствует световая энергия. Организмы, способные к хемосинтезу, являются для таких экосистем основными производителями, обеспечивая органические вещества для других организмов, которые их самостоятельно синтезировать не могут. Кроме того, изучение хемосинтеза имеет особое значение для будущей науки. При изучении этого процесса ученые потенциально могут существенно расширить наши знания о возможности жизни в экстремальных условиях и поискать аналогию с другими планетами или способами существования во Вселенной.

Заключение

Фотосинтез обладает невероятным значением для всей жизни на Земле, он обеспечивает нас кислородом, необходимым для дыхания, и помогает поддерживать круговорот углерода. На примере этого процесса мы можем увидеть, как отлажено работает природа, как в одной цепочке задействуются абсолютно разные элементы и существа. Солнце, растения, кислород, животные, глюкоза, вода, люди - все мы части одной цепи. Убрав или ослабив одну переменную этого уравнения можно буквально уничтожить всю жизнь на нашей планете. Поэтому нам так и внушают с детства бережливое отношение к растениям. И поэтому так важно всегда помнить эти уроки и следовать им.

Биология может быть интересной! А подготовка к экзаменам увлекательной и веселой. Записывайся на бесплатный вводный урок, и мы расскажем, как подготовиться к биологии на нужные баллы с «Соткой».