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.
Процесс фотосинтеза является одним из важнейших биологических процессов, протекающих в природе, ведь именно благодаря ему происходит образование органических веществ из углекислого газа и воды под действием света, именно это явление и называют фотосинтезом. И что самое важное, в процессе фотосинтеза происходит выделение , жизненно необходимого для существования жизни на нашей удивительной планете.
История открытия фотосинтеза
История открытия явления фотосинтеза уходит своими корнями на четыре века в прошлое, когда в далеком 1600 году некий бельгийский ученый Ян Ван Гельмонт поставил не сложный эксперимент. Он поместил веточку ивы (предварительно записав ее начальный вес) в мешок, в котором также находилось 80 кг земли. А затем на протяжении пяти лет растение поливалось исключительно водой. Каким же было удивление ученого, когда по прошествии пяти лет вес растения увеличился на 60 кг, при том, что масса земли уменьшилась всего лишь на 50 грамм, откуда взялась столь внушительная прибавка в весе, так и оставалось для ученого загадкой.
Следующий важный и интересный эксперимент, ставший преддверием к открытию фотосинтеза, был поставлен английским ученым Джозефом Пристли в 1771 году (любопытно, что по роду своей профессии мистер Пристли был священником англиканской церкви, но в историю вошел именно как выдающийся ученый). Что же сделал мистер Пристли? Он поместил мышь под колпак и через пять дней та умерла. Затем он снова поместил еще одну мышь под колпак, но в этот раз вместе с мышкой под колпаком была веточка мяты и в результате мышь осталась живой. Полученный результат навел ученого на мысль, о том, что существует некий процесс, противоположный дыханию. Еще одним важным выводом этого эксперимента стало открытие кислорода, как жизненно необходимого всем живим существам (первая мышка умерла от его отсутствия, вторая же выжила, благодаря веточке мяты, которая в процессе фотосинтеза как раз создала кислород).
Так был установлен факт, что зеленые части растений способны выделять кислород. Затем уже в 1782 году швейцарский ученый Жан Сенебье доказал, что углекислый газ под воздействием света разлагается в зеленых растений – фактически была открыта еще одна сторона фотосинтеза. Затем еще через 5 лет французский ученый Жак Бусенго обнаружил, что поглощение растениями воды происходит и при синтезе органических веществ.
И финальным аккордом в череде научных открытий связанных с явлением фотосинтеза стало открытие немецкого ботаника Юлиуса Сакса, которому в 1864 году удалось доказать, что объем потребляемого углекислого газа и выделяемого кислорода происходит в пропорции 1:1.
Значение фотосинтеза в жизни человека
Если представить образно, то лист любого растения можно сравнить с маленькой лабораторией, окна которой выходят на солнечную сторону. В этой самой лаборатории идет образование органических веществ и кислорода, являющегося основой для существования органической жизни на Земле. Ведь без кислорода и фотосинтеза на Земле просто бы не существовало жизни.
Но если фотосинтез столь важен для жизни и выделения кислорода, то как живут люди (да и не только люди), например в пустыне, где минимум зеленых растений, или например, в индустриальном городе, где деревья редкость. Дело в том, что на долю наземных растений приходится всего 20% выделяемого в атмосферу кислорода, остальные же 80% выделяются морскими и океанскими водорослями, недаром ведь мировой океан порой называю «легкими нашей планеты».
Формула фотосинтеза
Общую формулу фотосинтеза можно записать следующим образом:
Вода + Углекислый газ + Свет > Углеводы + Кислород
А вот такой вид имеет формула химической реакции фотосинтеза
6СО 2 + 6Н 2 О = С6Н 12 О 6 + 6О 2
Значение фотосинтеза для растений
А теперь попробуем ответить на вопрос, для чего нужен фотосинтез растениям. В действительности обеспечение кислородом атмосферы нашей планеты, далеко не единственная причина протекания фотосинтеза, этот биологический процесс жизненно необходим не только людям и животным, но и самим растениям, ведь органические вещества, которые образуются в ходе фотосинтеза, составляют основу жизнедеятельности растений.
Как происходит фотосинтез
Главным двигателем фотосинтеза является хлорофилл – специальный пигмент, содержащийся в клетках растений, который помимо всего прочего отвечает за зеленую окрасу листьев деревьев и прочих растений. Хлорофилл представляет собой сложное органическое соединение, обладающее к тому же важным свойством – способностью к поглощению солнечного света. Поглощая его, именно хлорофилл приводит в действие ту маленькую биохимическую лабораторию, содержащуюся в каждом маленьком листочке, в каждой травине и каждой водоросли. Далее происходит фотосинтеза (формулу смотрите выше) в ходе которой и происходит преображение воды и углекислого газа в необходимые растениям углеводы и необходимый всему живому кислород. Механизмы фотосинтеза являются гениальным творением природы.
Фазы фотосинтеза
Также процесс фотосинтеза состоит из двух стадий: светлой и темновой. И ниже мы детально напишем о каждой из них.
Световая фаза фотосинтеза
Эта фаза осуществляется на тилакойдов. Что же такое эти тиалакойды? Тилакойды это структуры, находящиеся внутри хлоропластов и ограниченные мембраной.
Порядок процессов световой фазы фотосинтеза выглядит так:
- Свет попадает на молекулу хлорофилла, поглощается зеленым пигментом, чем приводит его в возбужденное состояние. Электрон, который входит в эту молекулу переходит на более высокий уровень и берет участие в процессе синтеза.
- Идет расщепление воды, во время которого протоны, под действием электронов преобразуются в атомы водорода, которые впоследствии расходуются на синтез углеводов.
- На последнем этапе световой фазы фотосинтеза происходит синтез АТФ (Аденозинтрифосфат). АТФ представляет собой органическое вещество, играющее роль своего рода аккумулятора энергии в биологических процессах.
Темновая фаза фотосинтеза
Эта фаза фотосинтеза протекает в стромах хлоропластов. Именно в ее ходе происходит выделение кислорода, а также синтез глюкозы. Можно подумать исходя из названия, что темновая фаза фотосинтеза происходит исключительно в темное время суток. На самом деле это не так, синтез глюкозы происходит круглосуточно, просто на этом этапе энергия света больше не расходуется и попросту она не нужна.
Фотосинтез, видео
И в завершение интересное образовательное видео про фотосинтез.
Фотосинтез - уникальный процесс создания органических веществ из неорганических. Это единственный на нашей планете процесс, связанный с превращением энергии солнечного света в энергию химических связей, заключённую в органических веществах. Таким способом поступившая из космоса энергия солнечных лучей, запасённая зелёными растениями в углеводах, жирах и белках, обеспечивает жизнедеятельность всего живого мира - от бактерий до человека.
Выдающийся русский учёный конца \(XIX\) - начала \(XX\) в. Климент Аркадьевич Тимирязев (\(1843\)– \(1920\)) роль зелёных растений на Земле назвал космической . Он писал:
Все органические вещества, как бы они ни были разнообразны, где бы они ни встречались, в растении ли, в животном или человеке, прошли через лист, произошли от веществ, выработанных листом. Вне листа или, вернее, вне хлорофиллового зерна в природе не существует лаборатории, где бы выделялось органическое вещество. Во всех других органах и организмах оно превращается, преобразуется, только здесь оно образуется вновь из вещества неорганического.
Накопление органической массы
Все живые организмы могут жить, лишь потребляя в виде пищи ту энергию, которую зелёные растения с помощью хлорофилла получили от Солнца и заключили в углеводах и других органических соединениях. Углеводы - важный продукт фотосинтеза.
Пример:
многие растения, такие как сахарный тростник, сахарная свёкла, лук, горох, кукуруза, виноград, финик, запасают сахара в стеблях, корнях, луковицах, плодах и семенах. Именно сахара служат главным источником энергии для всех живых существ, так как легко могут стать одним из наиболее активных соединений в любой живой клетке.
Накопление энергии
Постоянно поглощая энергию в виде солнечного излучения, растения её накапливают. Накопление энергии - очень важное для живой природы явление, обусловленное фотосинтезом зелёных растений.
Пример:
органические вещества - отличный энергоноситель. Человек широко пользуется газом, нефтью, углём, дровами - всё это органические вещества, которые выделяют при сгорании энергию, некогда занесённую в зелёных растениях.
Обеспечение постоянства содержания углекислого газа в атмосфере
В атмосфере Земли углекислый газ составляет \(0,03\) % от объёма воздуха. Эта величина удерживается на протяжении многих тысячелетий, несмотря на то, что великое множество живых организмов в процессе дыхания выделяет углекислый газ. Ещё больше его выделяется при гниении и разрушении мёртвых тел, при извержении вулканов, при пожарах, при сжигании топлива. Всё это огромное количество углекислого газа поглощают зелёные растения в процессе фотосинтеза, сохраняя более или менее постоянное содержание углекислого газа в атмосфере Земли и тем самым обеспечивая возможность жизни на нашей планете.
Накопление кислорода в атмосфере
В древние времена, когда на нашей планете ещё не было растений, не было и кислорода в атмосфере. В настоящее время кислород воздуха в атмосфере занимает \(21\) % его объёма. Современный газовый состав атмосферы сформировался благодаря процессу фотосинтеза. Благодаря этому все организмы на Земле - бактерии, грибы, животные, человек и сами растения - могут дышать и осуществлять процессы своей жизнедеятельности.
Из кислорода на высоте около \(20\) км над поверхностью Земли под действием солнечной радиации образуется озон. Он задерживает ту часть ультрафиолетовых лучей, которая губительно действует на живые организмы. Озоновый слой, окружающий Землю, создаёт возможность для жизни организмов.
Создание почвы на Земле
Органические вещества, образованные зелёными растениями, потребляются живыми существами суши. Отходы процессов жизнедеятельности организмов, продукты гниения и разложения мёртвых тел (растений, животных, грибов, бактерий) и их отдельных частей (опавшие листья, отмершие корни, корневые волоски, обильные корневые выделения), попадая в верхний слой земной поверхности, разлагаются там и принимают участие в создании уникального природного образования - почвы .
Фотосинтез - процесс жизнедеятельности зелёных растений, единственный в биосфере, связанный с накоплением энергии солнца. Его значение - в разностороннем обеспечении жизни на Земле.
Образование биомассы
Живые существа, - растения, грибы, бактерии и животные, состоят из органических веществ. Вся масса органики изначально образуется в процессе фотосинтеза, идущего в автотрофных организмах - растениях и некоторых бактериях.
Рис. 1. Авто- и гетеротрофные организмы.
Гетеротрофные организмы, потребляя в пищу растения, лишь видоизменяют органические вещества, не увеличивая общую биомассу планеты. Уникальность фотосинтеза в том, что при синтезе органических веществ происходит запасание в их химических связях энергии солнца. Фактически, фотосинтезирующие организмы «привязывают» солнечную энергию к Земле.
Поддержание жизни
Фотосинтез постоянно образует из углекислого газа и воды органические вещества, которые являются пищей и средой обитания для различных животных и человека.
Вся энергия, используемая в жизни живых организмов, изначально - солнечная. Фотосинтез фиксирует эту энергию на Земле и передаёт всем обитателям планеты.
Вещество и энергия, запасённые при фотосинтезе, широко используются человеком:
ТОП-3 статьи которые читают вместе с этой
- ископаемые энергоресурсы;
- древесина;
- дикорастущие растения как сырьё и эстетический ресурс;
- продукция пищевого и технического растениеводства.
1 гектар леса или парка поглощает летом за 1 час 8 кг углекислого газа. Такое количество выделяется за то же время двумястами человек.
Атмосфера
Состав атмосферы менялся именно благодаря процессу фотосинтеза. Количество кислорода постепенно росло, повышая возможности организмов к выживанию. Изначально первая роль в образовании кислорода принадлежала зелёным водорослям, а теперь лесам.
Рис. 2. График изменения содержания О₂ в атмосфере в процессе эволюции.
Одним из следствий повышения содержания кислорода в атмосфере является образование озонового слоя, защищающего живые организмы от вредного солнечного излучения.
Считается, что именно после образования слоя озона стала возможной жизнь на суше.
Фотосинтез является одновременно и первоисточником, и фактором развития жизни на Земле.
Значение фотосинтеза на современном этапе приобрело новый аспект. Фотосинтез сдерживает рост концентрации СО₂ в воздухе, идущий за счёт сжигания топлива на транспорте и в промышленности. Этим ослабляется парниковый эффект. Интенсивность фотосинтеза повышается с возрастанием концентрации СО₂ до определённого предела.
Рис. 3. График зависимости фотосинтеза от содержания СО₂ в воздухе.
В студенческие годы у меня ушло несколько часов на то, чтобы наизусть запомнить всю последовательность реакций, протекающих в ходе фотосинтеза. Но что, если оторваться от сложностей химии и взглянуть на этот процесс с более практической точки зрения, дабы разобраться, что даёт фотосинтез для природы, в чём его непосредственный смысл?
Немного химии
Для начала стоит всё-таки кратко описать протекающие процессы. Для полноценного фотосинтеза необходимы следующие важные элементы:
- хлорофилл;
- углекислый газ;
- солнечный свет;
- дополнительные элементы из почвы / окружающей среды.
Растение при помощи хлорофилла улавливает свет, после чего, используя минеральные вещества преобразует углекислый газ в кислород, попутно получая различные вещества, такие как глюкоза и крахмал. Именно получение этих веществ - конечная цель растений, а вот получение кислорода является скорее побочным эффектом.
Роль фотосинтеза для атмосферы
Хотя кислород лишь вторичный продукт, именно им дышим мы и большинство других живых существ на земле. Если бы не фотосинтез - эволюция не смогла бы зайти так далеко. Не стало бы таких сложных организмов, как человек. Если говорить максимально упрощённо - растения при помощи фотосинтеза создают пригодный для дыхания и жизни на Земле воздух.
Интересен тот факт, что растения тоже дышат, как и все организмы, и им также нужен создаваемый ими кислород!
Роль фотосинтеза в цепи питания
Только растения улавливают единственный доступный на нашей планете источник органической энергии - солнечный свет. При помощи фотосинтеза они создают упомянутые выше питательные вещества. Позже, по цепи питания, эти вещества распространяются дальше: от растений к травоядным, затем к хищникам, от них к падальщикам и бактериям, перерабатывающим останки.
В конце я вспомнил слова великого русского ученого, Климента Артемьевича Тимирязева:
Все органические вещества, где-бы они не встречались, произошли от веществ, выработанных листом.
Помимо этого, великий учёный называл фотосинтез по-настоящему космическим процессом, с чем трудно не согласиться.
