Процес фотосинтезу життя на Землі має непросто важливе значення, А, можна сказати, визначальне. Якби не було цього процесу, навряд чи б життя на Землі змогло еволюціонувати далі бактерій. Для здійснення будь-якого процесу у природі потрібна енергія. На землі вона береться від Сонця. Сонячне світло вловлюється рослинами і перетворюється на енергію хімічних зв'язків органічних сполук. Це перетворення є фотосинтез.
Решта організмів на Землі (за винятком деяких бактерій) використовують органічні речовини рослин, щоб отримати енергію для свого життя. Не означає, що це організми їдять рослини. Наприклад, хижаки їдять травоїдних тварин, а чи не рослини. Однак енергія, яка зберігається у травоїдних тваринах, отримана ними саме з рослин.
Крім запасу енергії та харчування майже всього живого на Землі, фотосинтез є важливим і з інших причин.
У процесі фотосинтезу виділяється кисень. Кисень необхідний процесу дихання. При диханні відбувається зворотний процес фотосинтезу. Органічні речовини окислюються, руйнуються і виділяється енергія, яку можна використовувати різні процеси життєдіяльності (ходити, думати, зростати тощо. буд.). Коли Землі ще було рослин, то повітря кисню майже було. Примітивні живі організми, які мешкали в ті часи, окислювали органічні речовини іншими способами, не за допомогою кисню. Це було неефективно. Завдяки кисневого дихання живий світ отримав можливість широкого та складного розвитку. А кисень в атмосфері з'явився завдяки рослинам та процесу фотосинтезу.
У стратосфері (це вище тропосфери - нижнього шару атмосфери) кисень під дією сонячного випромінювання перетворюється на озон. Озон захищає живе Землі від небезпечного ультрафіолетового сонячного випромінювання. Без озонового шару життя не могло б у процесі еволюції вийти із моря на сушу.
У процесі фотосинтезу із атмосфери поглинається вуглекислий газ. Вуглекислий газ виділяється у процесі дихання. Якби він не поглинався, то накопичувався в атмосфері і впливав поряд з іншими газами на збільшення так званого парникового ефекту. Парниковий ефектполягає у підвищенні температури у нижніх шарах атмосфери. При цьому може почати змінюватись клімат, почнуть танути льодовики, рівень океанів підніметься, внаслідок чого можуть бути затоплені прибережні землі та виникнуть інші негативні наслідки.
До всіх органічних речовин входить хімічний елементвуглець. Саме рослини пов'язують його в органічні речовини (глюкозу), отримуючи з неорганічних (вуглекислого газу). І роблять вони це у процесі фотосинтезу. Надалі, «подорожуючи» харчовими ланцюгами, вуглець переходить з одних органічних сполук до інших. Зрештою, при загибелі організмів та їх розкладанні, вуглець знову перетворюється на неорганічні речовини.
Для людства фотосинтез також має важливе значення. Вугілля, торф, нафта, природний газ - це залишки рослин та інших живих організмів, що накопичилися за сотні мільйонів років. Вони є джерелом додаткової енергії, що дозволяє цивілізації розвиватися.
Значення фотосинтезу у природі. Зазначимо наслідки фотосинтезу, важливі існування життя Землі й у людини: «консервування» сонячної енергії; освіту вільного кисню; утворення різноманітних органічних сполук; вилучення з атмосфери вуглекислого газу.
Сонячний промінь - «швидкісний гість нашої планети» (В. Л. Комаров) - робить якусь роботу тільки в момент падіння, потім розсіюється безслідно і марно для живих істот. Однак частина енергії сонячного променя, що впала на зелену рослину, засвоюється хлорофілом і використовується у процесі фотосинтезу. При цьому світлова енергія перетворюється на потенційну хімічну енергію. органічних речовин- Продуктів фотосинтезу. Така форма енергії є стійкою і відносно нерухомою. Вона зберігається досі розпаду органічних сполук, т. е. невизначено довго. При повному окисленні однієї грамолекули глюкози виділяється стільки ж енергії, скільки поглинається при її утворенні – 690 ккал. Таким чином, зелені рослини, використовуючи сонячну енергію в процесі фотосинтезу, запасають її «про запас». Сутність цього явища добре розкриває образний вираз К.А. Тімірязєва, який назвав рослини «консервами сонячних променів».
Органічні речовини зберігаються за деяких умов дуже довго, іноді багато мільйонів років. При їхньому окисленні виділяється і може бути використана енергія сонячних променів, що падали на Землю в ті далекі часи. Теплова енергія, що виділяється при згорянні нафти, вугілля, торфу, деревини - все це енергія сонця, засвоєна та перетворена зеленими рослинами.
Джерелом енергії в тваринному організмі є їжа, яка також містить у собі «консервовану» енергію Сонця. Життя Землі лише від Сонця. А рослини - це ті канали, по яких енергія Сонця вливається в органічний світЗемлі» (К. А, Тімірязєв).
У вивченні фотосинтезу, саме його енергетичної сторони, велику роль відіграв видатний російський учений К.А. Тимірязєв (1843-1920). Він першим показав, що збереження енергії має місце й у органічному світі. У ті часи це твердження мало величезне філософське та практичне значення. Тимірязєву належить найкращий у світовій літературі популярний виклад питання космічної ролі зелених рослин.
Один із продуктів фотосинтезу — вільний кисень, необхідний для дихання майже всіх живих істот. окислюється не остаточно. Тому зрозуміло, що кисневе (аеробне) дихання забезпечує вищий життєвий рівень, швидкий ріст, Інтенсивне розмноження, широке розселення виду, тобто всі ті явища, які характеризують біологічний прогрес.
Передбачається майже весь кисень в атмосфері біологічного походження. У ранні періодиІснування Землі атмосфера планети мала відновлений характер. Вона складалася з водню, сірководню, аміаку, метану. З появою рослин і, отже, кисню та кисневого дихання органічний світ піднявся на новий, більш високий щабель і його еволюція пішла набагато швидше. Отже, зелені рослини мають не лише миттєве значення: виділяючи кисень, підтримують життя. Вони певною мірою визначили характер еволюції органічного світу.
Важливим наслідком фотосинтезу є утворення органічних сполук. Рослини синтезують вуглеводи, білки, жири у величезній різноманітності видів. Ці речовини є їжею для людини і тварин і сировиною для промисловості. Рослини утворюють каучук, гуттаперчу, ефірні масла, смоли, дубильні речовини, алкалоїди і т. п. Продукти переробки рослинної сировини - це тканини, папір, барвники, лікарські та вибухові речовини, штучне волокно, будівельні матеріали та багато іншого.
Масштаб фотосинтезу величезний. Щорічно поглинається рослинами 15,6-10 10 тонн вуглекислого газу (1/16 частина світового запасу) та 220 млрд. тонн води. Кількість органічної речовини на Землі становить 1014 тонн, причому маса рослин відноситься до маси тварин як 2200:1. У цьому сенсі (як творці органічної речовини) мають значення і водні рослини, водорості, що населяють океан, органічна продукція яких у десятки разів перевищує продукцію наземних рослин.
Історія фотосинтезу.Протягом тисячоліть люди вважали, що харчується рослина виключно завдяки корінням, поглинаючи за допомогою всі необхідні речовини з грунту. Перевірити цю точку зору взявся в початку XIXв. голландський натураліст Ян Ван Гельмонт. Він зважив землю в горщику і посадив туди втечу верби. Протягом п'яти років він поливав деревце, а потім висушив землю і зважив її та рослину. Іва важила сімдесят п'ять кілограм, а вага землі змінилася лише на кілька сотень грамів. Висновок вченого був такий - рослини отримують поживні речовиниНасамперед, не з ґрунту, а з води.
На два століття у науці утвердилася теорія водного харчування рослин. Листя з цієї теорії лише допомагало рослині випаровувати зайву вологу.
До найнесподіванішого, але правильного припущення про повітряне харчування рослин вчені дійшли лише початку дев'ятнадцятого століття. Важливу роль розумінні цього процесу відіграло відкриття, досконале англійським хіміком Джозефом Прістлі в 1771 р. Він поставив досвід, у результаті зробив висновок: рослини очищають повітря і роблять його придатним дихання. Пізніше з'ясувалося: для того, щоб рослина очищала повітря, необхідне світло.
Через десять років вчені зрозуміли, що рослина не просто перетворює вуглекислий газ на кисень. Вуглекислий газ необхідний рослинам для життя, він служить для них справжньою їжею (разом із водою та мінеральними солями).
Повітряне харчування рослин називається фотосинтезом. Кисень у процесі фотосинтезу виділяється як незвичайний продукт.
Мільярди років тому землі не було вільного кисню. Весь кисень, яким дихають майже всі живі істоти нашої планети, виділено рослинами у процесі фотосинтезу. Фотосинтез зумів змінити весь вигляд нашої планети.
Починаючи з 70-х років. минулого століття великі успіхи в галузі фотосинтезу були здобуті в Росії. Роботами російських вчених Пурієвича, Івановського, Ріктера, Іванова, Костичева були вивчені багато сторін цього процесу.
Значення фотосинтезу не усвідомлювалося до недавнього часу. Аристотель та інші вчені Греції, спостерігаючи, що життєві процеси тварин залежать від споживання їжі, вважали, що рослини добувають свою «їжу» із ґрунту.
Дещо більше трьохсот років тому в одному з перших ретельно продуманих біологічних експериментів голландський лікар Ян Ван Гельмонт представив докази того, що не один грунт годує рослину. Ван Гельмонт вирощував маленьке дерево верби у глиняному горщику, додаючи до нього лише воду.
Через п'ять років маса голок збільшилася на 74,4 кг, тоді як маса ґрунту зменшилася лише на 57 г.
Наприкінці XVIII століття англійський вчений Джозеф Прістлі повідомив, що він «випадково виявив метод виправлення повітря, який був зіпсований горінням свічок». 17 серпня 1771 р. Прістлі «… помістив живу гілочку м'яти в закриту посудину, в якій горіла воскова свічка», а 21 числа того ж місяця виявив, що «... інша свічка знову могла горіти в цій же посудині». "Виправляючим початком, яким для цих цілей користується природа, - вважав Прістлі, - була рослина". Він розширив свої спостереження і незабаром показав, що повітря, «виправлене» рослиною, не було «зовсім не підходящим для миші».
Досліди Прістлі вперше дозволили пояснити, чому повітря на Землі залишається «чистим» і може підтримувати життя, незважаючи на горіння незліченних вогнів та дихання безлічі живих організмів. Він говорив: «Завдяки цим відкриттям ми впевнені, що рослини виростають не дарма, а очищують і ушляхетнюють нашу атмосферу».
Пізніше голландський лікар Ян Інгенхауз (1730-1799) підтвердив роботу Прістлі і показав, що повітря «виправляється» тільки на сонячному світлі та лише зеленими частинами рослини. У 1796 р. Інгенхауз припустив, що вуглекислота розкладається при фотосинтезі С і Про 2 , а Про 2 виділяється як газу. Згодом було виявлено, що співвідношення атомів вуглецю, водню та кисню в цукрах та крохмалі таке, що один атом вуглецю припадає на одну молекулу води, на що вказує слово «вуглеводи». Вважалося загальноприйнятим, що вуглеводи утворюються з і Н 2 Про, а Про 2 виділяється з вуглекислоти. Це цілком розумна гіпотеза була широко визнана, але, як пізніше з'ясувалося, вона була зовсім невірною.
Дослідником, який спростував цю загальноприйняту теорію, був Корнеліус ван Ніль зі Стамфордського університету, коли він, будучи ще студентом-дипломником, досліджував метаболізм різних бактерій, що фотосинтезують. Одна група таких бактерій, а саме пурпурові сірчані бактерії, відновлює до вуглеводів, але не виділяє О 2 . Пурпурним сірчаним бактеріям для фотосинтезу необхідний сірководень. Внаслідок фотосинтезу всередині бактеріальних клітин накопичуються частинки сірки. Ван Ніль виявив, що для цих бактерій рівняння фотосинтезу може бути записане як:
З 2 + 2Н 2 S (CH 2 O) + Н 2 Про + 2S.
Цей факт не привертав уваги дослідників доти, доки ван Ніль не зробив сміливого повідомлення і не запропонував наступного сумарного рівняння фотосинтезу:
З 2 + 2Н 2 А (CH 2 O) + Н 2 О + 2А.
У цьому рівнянні Н 2 А являє собою або воду, або інша речовина, що окислюється, наприклад сірководень або вільний Н 2 . У зелених рослин і водоростей Н2А = Н2О. Тобто Ван Ніль припустив, що Н2О, а не вуглекислота розкладається при фотосинтезі. Ця блискуча ідея, висунута в тридцяті роки, експериментально була доведена пізніше, коли дослідники, використовуючи важкий ізотоп Про 2 (18 Про 2), простежили шлях кисню від води до газоподібного стану.
З 2 + 2Н 2 18 О 2 (CH 2 O) + Н 2 О + 18 О 2 .
Таким чином, для водоростей або зелених рослин, у яких вода служить донором електронів, сумарне рівняння фотосинтезу записується так:
6СО 2 + 12Н 2 О C 6 H 12 O 6 + 6О 2 + 6Н 2 О.
Процеси, що відбуваються у аркуші.Аркуш здійснює три важливі процеси – фотосинтез, випаровування води та газообмін. У процесі фотосинтезу в листі з води та двоокису вуглецю під дією сонячних променів синтезуються органічні речовини. Вдень в результаті фотосинтезу та дихання рослина виділяє кисень і двоокис вуглецю, а вночі – тільки двоокис вуглецю, що утворюється при диханні.
Більшість рослин здатні синтезувати хлорофіл при слабкому висвітленні. При прямому сонячному висвітленні хлорофіл синтезується швидше.
Необхідна для фотосинтезу світлова енергія у певних межах поглинається тим більше, що менше затемнений лист. Тому рослин у процесі еволюції виробилася здатність повертати пластину листа до світла те щоб на неї падало більше сонячних променів. Листя на рослині розташовується так, щоб не утискувати один одного.
Тімірязєв довів, що джерелом енергії для фотосинтезу є переважно червоні промені спектра. На це вказує спектр поглинання хлорофілу, де найінтенсивніша смуга поглинання спостерігається у червоній, і менш інтенсивна – у синьо-фіолетовій частині.
У хлоропластах разом із хлорофілом є пігменти каротин та ксантофіл. Обидва ці пігменти поглинають сині та частково зелені промені і пропускають червоні та жовті. Деякі вчені приписують каротину та ксантофілу роль екранів, що захищають хлорофіл від руйнівної дії синіх променів.
Процес фотосинтезу складається з низки послідовних реакцій, частина яких протікає з поглинанням світлової енергії, а частина – у темряві. Стійкими кінцевими продуктами фотосинтезу є вуглеводи (цукор, а потім крохмаль), органічні кислоти, амінокислоти, білки.
Фотосинтез за різних умов протікає з різною інтенсивністю.
Інтенсивність фотосинтезу залежить від фази розвитку рослини. Максимальна інтенсивність фотосинтезу спостерігається у фазі цвітіння.
Звичайне вміст вуглекислоти повітря становить 0,03 % за обсягом. Зменшення вмісту вуглекислоти у повітрі знижує інтенсивність фотосинтезу. Підвищення вмісту вуглекислоти до 0,5% збільшує інтенсивність фотосинтезу майже пропорційно. Однак при подальшому підвищенні вмісту вуглекислоти інтенсивність фотосинтезу не зростає, а при 1% рослина страждає.
Рослини випаровують, або трансперують, дуже багато води. Випаровування води є однією з причин висхідного струму. Внаслідок випаровування води рослиною в ньому накопичуються мінеральні речовини і відбувається корисне для рослини зниження температури під час сонячного нагріву. Іноді трансперація знижує температуру рослини на 6°С.
Рослина регулює процес випаровування води за допомогою роботи продихів. Відкладення кутикули, або воскового нальоту, на епідермі, утворення її волосків та інші пристрої спрямовані на скорочення нерегульованої трансперації.
Процес фотосинтезу і постійне дихання живих клітин листа вимагають газообміну між внутрішніми тканинами листа і атмосферою. У процесі фотосинтезу з атмосфери поглинається вуглекислий газ, що асимілюється, і повертається в атмосферу киснем.
Застосування ізотопного методу аналізу показало, що кисень, що повертається в атмосферу (16О), належить воді, а не вуглекислому газу повітря, в якому переважає інший його ізотоп - 15О. газу та води) необхідно надходження з атмосфери кисню та повернення вуглекислоти. Цей газообмін також здійснюється в основному через устьичний апарат.
Сучасні уявлення про фотосинтез.На даний час відомо, що фотосинтез проходить дві стадії, але тільки одна з них – на світлі. Докази двостадійності процесу вперше було отримано 1905 р. англійським фізіологом рослин Ф.Ф. Блекліном, який досліджував вплив освітленості та температури на об'єм фотосинтезу.
З експериментів Блеклін зробив такі висновки.
1. Є одна група світлозалежних реакцій, які залежить від температури. Обсяг цих реакцій у діапазоні низьких освітленостей міг зростати зі збільшенням освітленості, але з збільшенням температури.
2. Є друга група реакцій, залежних від температури, а чи не від світла. Виявилося, що обидві групи реакцій необхідні здійснення фотосинтезу. Збільшення обсягу лише однієї групи реакцій збільшує обсяг всього процесу, але тільки доти, поки друга група реакцій не почне утримувати першу. Після цього необхідно прискорити другу групу реакцій, щоб перші могли відбуватися без обмежень.
Таким чином, було показано, що обидві стадії світлозалежні: світлова і темнова. Важливо пам'ятати, що темнові реакції нормально проходять на світлі і потребують продукти світлової стадії. Вираз «темнові реакції» просто означає, що світло як таке в них не бере участі.
Об'єм темнових реакцій зростає зі збільшенням температури, але тільки до 30 про, а потім починає падати. З цього факту припустили, що темнові реакції каталізуються ферментами, оскільки обмін ферментативних реакцій, в такий спосіб, залежить від температури. Згодом виявилося, що цей висновок було зроблено неправильно.
На першій стадії фотосинтезу (світлові реакції) енергія світла використовується для утворення АТР (молекули аденозин-трифосфату) та високоенергетичних переносників електронів. На другій стадії фотосинтезу (темнові реакції) енергетичні продукти, що утворилися у світлових реакціях, використовуються для відновлення 2 до простого цукру (глюкози).
Процес фотосинтезу все більше привертає до себе увагу вчених. Наука близька до дозволу найважливішого питання– штучного створення за допомогою світлової енергії цінних органічних речовин із широко поширених неорганічних речовин. Проблема фотосинтезу посилено розробляється ботаніками, хіміками, фізиками та іншими фахівцями.
У Останнім часомвже вдалося штучно отримати синтез формальдегіду та цукристих речовин з водних розчинівкарбонатної кислоти; при цьому роль поглинача світлової енергії грали замість хлорофілу карбонати кобальту та нікелю. Нещодавно синтезовано молекулу хлорофілу.
Успіхи науки в галузі синтезу органічних речовин завдають нищівного удару по ідеалістичному вченню – Віталізму, який доводив, що для утворення органічних речовин з неорганічних необхідна особлива «життєва сила» і що людина не зможе синтезувати складні органічні речовини.
Фотосинтез у рослинах здійснюється у хлоропластах. Він включає: перетворення енергії (світловий процес), перетворення речовини (темновий процес). Світловий процес відбувається у гілакоїдах, темновий – у стромі хлоропластів. Узагальнене циркулювання фотосинтезу виглядає так:
6СО 2 + 12Н 2 О C 6 H 12 O 6 + 6Н 2 О + 6О 2 .
Два процеси фотосинтезу виражаються окремими рівняннями:
12Н 2 Про 12H 2 + 6О 2 + енергія АТР;
(Світловий процес)
12H 2 + 6О 2 + енергія АТР С 6 Н 12 О 6 + Н 2 О.
(Темновий процес)
Значення фотосинтезу у природі.Фотосинтез - єдиний процес у біосфері, що веде до збільшення її вільної енергії за рахунок зовнішнього джерела. Запасена у продуктах фотосинтезу енергія – основне джерело енергії людства.
Щорічно в результаті фотосинтезу на Землі утворюється 150 млрд. тонн органічної речовини і виділяється близько 200 млн. тонн вільного кисню.
Кругообіг кисню, вуглецю та інших елементів, що залучаються до фотосинтезу, підтримує сучасний складатмосфера, необхідна для життя на Землі. Фотосинтез перешкоджає збільшенню концентрації 2 , запобігаючи перегріву Землі внаслідок так званого «парникового ефекту».
Оскільки зелені рослини є безпосередньою або опосередкованою базою харчування всіх інших гетеротрофних організмів, фотосинтез задовольняє потребу в їжі всього живого на нашій планеті. Він – найважливіша основа сільського та лісового господарства. Хоча можливості впливу на нього ще невеликі, але все ж таки і вони, якоюсь мірою використовуються. При підвищенні концентрації вуглекислого газу в повітрі до 0,1% (проти 0,3% у природній атмосфері) вдалося, наприклад, підвищити врожайність огірків та томатів утричі.
Квадратний метр поверхні листя протягом однієї години продукує близько одного грама цукру; це означає, що всі рослини за приблизною оцінкою вилучають із атмосфери від 100 до 200 млрд тонн на рік. Близько 60% цієї кількості поглинають ліси, що займають 30% непокритої льодами поверхні суші, 32% - окультурені землі, а 8% - рослини степів і пустельних місць, а також міст і селищ.
Зелена рослина здатна не тільки використовувати вуглекислий газ і створювати цукор, але й перетворювати азотні сполуки та сполуки сірки на речовини, що складають його тіло. Через кореневу систему рослина отримує розчинені у ґрунтовій воді іони нітратів і переробляє їх у своїх клітинах на амінокислоти – основні компоненти всіх білкових сполук. Компоненти жирів також виникають із сполук, що утворюються в процесах обміну речовин та енергії. З жирних кислот та гліцерину виникають жири та олії, які служать для рослини, головним чином, запасними речовинами. У насінні приблизно 80% всіх рослин, як багата енергією запасної речовини містяться жири. Отримання насіння, жирів та олій грає важливу рольу сільськогосподарській та харчовій промисловості.
Процес фотосинтезу є одним із найважливіших біологічних процесів, що протікають у природі, адже саме завдяки йому відбувається утворення органічних речовин із вуглекислого газу та води під дією світла, саме це явище і називають фотосинтезом. І що найважливіше, в процесі фотосинтезу відбувається виділення, життєво необхідного для життя на нашій дивовижній планеті.
Історія відкриття фотосинтезу
Історія відкриття явища фотосинтезу сягає своїм корінням на чотири століття в минуле, коли в далекому 1600 році якийсь бельгійський вчений Ян Ван Гельмонт поставив не складний експеримент. Він помістив гілочку верби (попередньо записавши її початкову вагу) у мішок, у якому також було 80 кг землі. А потім упродовж п'яти років рослина поливалася виключно водою. Яким же було здивування вченого, коли через п'ять років вага рослини збільшилася на 60 кг, при тому, що маса землі зменшилася всього лише на 50 грам, звідки взялася така велика прибавка у вазі, так і залишалося для вченого загадкою.
Наступний важливий і цікавий експеримент, що став напередодні відкриття фотосинтезу, був поставлений англійським вченим Джозефом Прістлі в 1771 році (цікаво, що за своєю професією містер Прістлі був священиком англіканської церкви, але в історію увійшов саме як видатний учений). Що ж зробив містер Прістлі? Він помістив мишу під ковпак і через п'ять днів та померла. Потім він знову помістив ще одну мишу під ковпак, але цього разу разом із мишкою під ковпаком була гілочка м'яти і в результаті миша залишилася живою. Отриманий результат навів вченого на думку, що існує певний процес, протилежний диханню. Ще одним важливим висновком цього експерименту стало відкриття кисню, як життєво необхідного всім живим істотам (перша мишка померла від його відсутності, друга ж вижила, завдяки гілочці м'яти, яка в процесі фотосинтезу створила кисень).
Так було встановлено факт, що зелені частини рослин здатні виділяти кисень. Потім уже 1782 року швейцарський вчений Жан Сенеб'є довів, що вуглекислий газ під впливом світла розкладається в зелених рослин – фактично було відкрито ще один бік фотосинтезу. Потім через 5 років французький учений Жак Бусенго виявив, що поглинання рослинами води відбувається і при синтезі органічних речовин.
І фінальним акордом у низці наукових відкриттів пов'язаних із явищем фотосинтезу стало відкриття німецького ботаніка Юліуса Сакса, якому в 1864 році вдалося довести, що обсяг споживаного вуглекислого газу і кисню, що виділяється, відбувається в пропорції 1:1.
Значення фотосинтезу у житті людини
Якщо уявити образно, лист будь-якої рослини можна порівняти з маленькою лабораторією, вікна якої виходять на сонячну сторону. У цій самій лабораторії йде утворення органічних речовин і кисню, що є основою існування органічного життя Землі. Адже без кисню та фотосинтезу на Землі просто не існувало б життя.
Але якщо фотосинтез настільки важливий для життя та виділення кисню, то як живуть люди (та й не тільки люди), наприклад, у пустелі, де мінімум зелених рослин, або, наприклад, в індустріальному місті, де дерева рідкість. Справа в тому, що на частку наземних рослин припадає всього 20% кисню, що виділяється в атмосферу, інші ж 80% виділяються морськими і океанськими водоростями, адже світовий океан часом називаю «легкими нашої планети».
Формула фотосинтезу
Загальну формулу фотосинтезу можна записати так:
Вода + Вуглекислий газ + Світло > Вуглеводи + Кисень
А ось такий вигляд має формула хімічної реакціїфотосинтезу
6СО 2 + 6Н 2 О = С6Н 12 О 6 + 6О 2
Значення фотосинтезу для рослин
А тепер спробуємо відповісти на питання, для чого потрібний фотосинтез рослин. Насправді забезпечення киснем атмосфери нашої планети, далеко не єдина причина протікання фотосинтезу, цей біологічний процесжиттєво необхідний як людям і тваринам, а й самим рослинам, адже органічні речовини, які утворюються під час фотосинтезу, становлять основу життєдіяльності рослин.
Як відбувається фотосинтез
Головним двигуном фотосинтезу є хлорофіл – спеціальний пігмент, що міститься в клітинах рослин, який також відповідає за зелене забарвлення листя дерев та інших рослин. Хлорофіл являє собою складне органічне з'єднання, що має до того ж важливим властивістю– здатністю до поглинання сонячного світла. Поглинаючи його, саме хлорофіл приводить у дію ту маленьку біохімічну лабораторію, що міститься в кожному маленькому листочку, у кожній травині та кожній водорості. Далі відбувається фотосинтезу (формулу дивіться вище) в ході якої і відбувається перетворення води та вуглекислого газу на необхідні рослинам вуглеводи та необхідний усьому живому кисень. Механізми фотосинтезу є геніальним витвором природи.
Фази фотосинтезу
Також процес фотосинтезу складається з двох стадій: світлої та темнової. І нижче ми детально напишемо про кожну з них.
Світлова фаза фотосинтезу
Ця фаза складає тилакойдов. Що ж таке ці тіалакойди? Тілакойди це структури, що знаходяться всередині хлоропластів та обмежені мембраною.
Порядок процесів світлової фази фотосинтезу виглядає так:
- Світло потрапляє на молекулу хлорофілу, поглинається зеленим пігментом, чим наводить його на збуджений стан. Електрон, який входить до цієї молекули переходить на більш високий рівеньта бере участь у процесі синтезу.
- Йде розщеплення води, під час якого протони, під впливом електронів перетворюються на атоми водню, які згодом витрачаються синтез вуглеводів.
- На останньому етапі світлової фази фотосинтезу відбувається синтез АТФ (аденозинтріфосфат). АТФ є органічним речовина, що грає свого роду акумулятора енергії в біологічних процесах.
Темнова фаза фотосинтезу
Ця фаза фотосинтезу протікає у стромах хлоропластів. Саме в її ході відбувається виділення кисню та синтез глюкози. Можна подумати, виходячи з назви, що темнова фаза фотосинтезу відбувається виключно в темний час доби. Насправді це не так, синтез глюкози відбувається цілодобово, просто на цьому етапі енергія світла більше не витрачається і вона просто не потрібна.
Фотосинтез, відео
І насамкінець цікаве освітнє відео про фотосинтез.
- синтез органічних речовин з вуглекислого газу та води з обов'язковим використанням енергії світла:
6СО 2 + 6Н 2 О + Q світла → С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 .
У вищих рослин органом фотосинтезу є лист, органоїдами фотосинтезу – хлоропласти (будова хлоропластів – лекція №7). У мембрани тилакоїдів хлоропластів вбудовані фотосинтетичні пігменти: хлорофіли та каротиноїди. Існує декілька різних типівхлорофілу ( a, b, c, d), головним є хлорофіл a. У молекулі хлорофілу можна виділити порфіринову "головку" з атомом магнію в центрі та фітольний "хвіст". Порфириновая «головка» є плоскою структурою, є гідрофільною і тому лежить на тій поверхні мембрани, яка звернена до водному середовищістроми. Фітольний "хвіст" - гідрофобний і за рахунок цього утримує молекулу хлорофілу в мембрані.
Хлорофіли поглинають червоне і синьо-фіолетове світло, відбивають зелене і тому надають рослинам характерного зеленого забарвлення. Молекули хлорофілу в мембранах тилакоїдів організовані в фотосистеми. У рослин і синьо-зелених водоростей є фотосистема-1 і фотосистема-2, у бактерій, що фотосинтезують, - фотосистема-1. Тільки фотосистема-2 може розкладати воду з кисню і відбирати електрони у водню води.
Фотосинтез – складний багатоступінчастий процес; реакції фотосинтезу поділяють на дві групи: реакції світловий фазита реакції темнової фази.
Світлова фаза
Ця фаза відбувається лише у присутності світла в мембранах тилакоїдів за участю хлорофілу, білків-переносників електронів та ферменту – АТФ-синтетази. Під впливом кванта світла електрони хлорофілу збуджуються, залишають молекулу і потрапляють на зовнішній бік мембрани тилакоїда, що у результаті заряджається негативно. Окислені молекули хлорофілу відновлюються, відбираючи електрони у води, що знаходиться у внутрішньотілакоїдному просторі. Це призводить до розпаду або фотолізу води:
Н 2 О + Q світла → Н + + ВІН -.
Іони гідроксилу віддають свої електрони, перетворюючись на реакційноздатні радикали.
ВІН - →. ВІН + е -.
Радикали.ОН об'єднуються, утворюючи воду і вільний кисень:
4НО. → 2Н2О+О2.
Кисень при цьому видаляється в зовнішнє середовище, А протони накопичуються всередині тилакоїда в «протонному резервуарі». Через війну мембрана тилакоїда з одного боку з допомогою Н + заряджається позитивно, з іншого з допомогою електронів — негативно. Коли різниця потенціалів між зовнішньою та внутрішньою сторонамимембрани тилакоїду досягає 200 мВ, протони проштовхуються через канали АТФ-синтетази та відбувається фосфорилювання АДФ до АТФ; атомарний водень йде на відновлення специфічного переносника НАДФ + (нікотинамідаденіндінуклеотидфосфат) до НАДФ·Н 2:
2Н + + 2е - + НАДФ → НАДФ · Н 2 .
Таким чином, у світлову фазу відбувається фотоліз води, що супроводжується трьома найважливішими процесами: 1) синтезом АТФ; 2) освітою НАДФ · Н 2; 3) освітою кисню. Кисень дифундує в атмосферу, АТФ і НАДФ Н 2 транспортуються в строму хлоропласту і беруть участь у процесах темнової фази.
1 - строма хлоропласту; 2 - тилакоїд грани.
Темнова фаза
Ця фаза протікає у стромі хлоропласту. Для її реакцій не потрібна енергія світла, тому вони відбуваються не тільки на світлі, а й у темряві. Реакції темнової фази є ланцюжок послідовних перетворень вуглекислого газу (надходить з повітря), що призводить до утворення глюкози та інших органічних речовин.
Перша реакція у цьому ланцюжку - фіксація вуглекислого газу; акцептором вуглекислого газу є п'ятивуглецевий цукор рибулозобіфосфат(РіБФ); каталізує реакцію фермент рибулозобіфосфат-карбоксилаза(РіБФ-карбоксилаза). В результаті карбоксилювання рибулозобісфосфату утворюється нестійка шестивуглецева сполука, яка відразу ж розпадається на дві молекули. фосфогліцеринової кислоти(ФГК). Потім відбувається цикл реакцій, у яких через ряд проміжних продуктів фосфогліцеринова кислота перетворюється на глюкозу. У цих реакціях використовуються енергії АТФ і НАДФ·Н 2 утворених у світлову фазу; цикл цих реакцій отримав назву «цикл Кальвіна»:
6СО 2 + 24Н + + АТФ → З 6 Н 12 О 6 + 6Н 2 О.
Крім глюкози, у процесі фотосинтезу утворюються інші мономери складних органічних сполук – амінокислоти, гліцерин та жирні кислотинуклеотиди. В даний час розрізняють два типи фотосинтезу: 3 - і 4 -фотосинтез.
З 3-фотосинтез
Це тип фотосинтезу, при якому першим продуктом є тривуглецеві (3) сполуки. З 3-фотосинтез був відкритий раніше З 4-фотосинтезу (М. Кальвін). Саме З 3 -фотосинтез описаний вище, у рубриці "Темнова фаза". Характерні рисиЗ 3-фотосинтезу: 1) акцептором вуглекислого газу є РиБФ, 2) реакцію карбоксилювання РиБФ каталізує РиБФ-карбоксилаза, 3) в результаті карбоксилювання РіБФ утворюється шестивуглецеве з'єднання, яке розпадається на дві ФГК. ФГК відновлюється до тріозофосфатів(ТФ). Частина ТФ йде на регенерацію РіБФ, частина перетворюється на глюкозу.
1 - хлоропласт; 2 - пероксисома; 3 - мітохондрія.
Це світлозалежне поглинання кисню та виділення вуглекислого газу. Ще на початку минулого століття було встановлено, що кисень пригнічує фотосинтез. Як виявилося, для РиБФ-карбоксилази субстратом може бути не лише вуглекислий газ, а й кисень:
Про 2+РіБФ → фосфогліколат (2С) + ФГК (3С).
Фермент у своїй називається РиБФ-оксигеназой. Кисень є конкурентним інгібітором фіксації вуглекислого газу. Фосфатна група відщеплюється, і фосфогліколат стає гліколатом, який рослина має утилізувати. Він надходить у пероксисоми, де окислюється до гліцину. Гліцин надходить у мітохондрії, де окислюється до серину, при цьому відбувається втрата вже фіксованого вуглецю у вигляді 2 . У результаті дві молекули гліколату (2С + 2С) перетворюються на одну ФГК (3С) та СО 2 . Фотодихання призводить до зниження врожайності З 3-рослин на 30-40% ( З 3-рослини- Рослини, для яких характерний С 3 -фотосинтез).
4 -фотосинтез - фотосинтез, при якому першим продуктом є чотиривуглецеві (З 4) сполуки. У 1965 році було встановлено, що у деяких рослин (цукрова тростина, кукурудза, сорго, просо) першими продуктами фотосинтезу є чотиривуглецеві кислоти. Такі рослини назвали З 4-рослинами. У 1966 році австралійські вчені Хетч і Слек показали, що у С 4-рослин практично відсутній фотодих і вони набагато ефективніше поглинають вуглекислий газ. Шлях перетворень вуглецю в 4 -рослинах стали називати шляхом Хетча-Слека.
Для З 4-рослин характерно особливе анатомічна будовалиста. Усі провідні пучки оточені подвійним шаром клітин: зовнішній – клітини мезофілу, внутрішній – клітини обкладки. Вуглекислий газ фіксується в цитоплазмі клітин мезофілу, акцептор - фосфоенолпіруват(ФЕП, 3С), в результаті карбоксилювання ФЕП утворюється оксалоацетат (4С). Процес каталізується ФЕП-карбоксилазою. На відміну від РиБФ-карбоксилази ФЕП-карбоксилаза має велику спорідненість до СО 2 і, найголовніше, не взаємодіє з О 2 . У хлоропластах мезофілу багато гран, де активно йдуть реакції світлової фази. У хлоропластах клітин обкладки йдуть реакції темнової фази.
Оксалоацетат (4С) перетворюється на малат, який через плазмодесми транспортується на клітини обкладки. Тут він декарбоксилюється і дегідрується з утворенням пірувату, 2 і НАДФ·Н 2 .
Піруват повертається в клітини мезофілу та регенерує за рахунок енергії АТФ у ФЕП. 2 знову фіксується РиБФ-карбоксилазою з утворенням ФГК. Регенерація ФЕП вимагає енергії АТФ, тому потрібно майже вдвічі більше енергії, ніж при 3 -фотосинтезі.
Значення фотосинтезу
Завдяки фотосинтезу щорічно з атмосфери поглинаються мільярди тонн вуглекислого газу, виділяються мільярди тонн кисню; Фотосинтез є основним джерелом утворення органічних речовин. З кисню утворюється озоновий шар, що захищає живі організми від короткохвильової ультрафіолетової радіації
При фотосинтезі зелений лист використовує лише близько 1% сонячної енергії, що падає на нього, продуктивність становить близько 1 г органічної речовини на 1 м 2 поверхні на годину.
Хемосинтез
Синтез органічних сполук з вуглекислого газу та води, що здійснюється не за рахунок енергії світла, а за рахунок енергії окислення неорганічних речовин, називається хемосинтезом. До хемосинтезуючих організмів належать деякі види бактерій.
Нітрифікуючі бактеріїокислюють аміак до азотистої, а потім до азотної кислоти (NH 3 → HNO 2 → HNO 3).
Залізобактеріїперетворюють закисне залізо на окисне (Fe 2+ → Fe 3+).
Серобактеріїокислюють сірководень до сірки або сірчаної кислоти (H 2 S + ½O 2 → S + H 2 O, H 2 S + 2O 2 → H 2 SO 4).
Внаслідок реакцій окислення неорганічних речовин виділяється енергія, яка запасається бактеріями у формі макроергічних зв'язків АТФ. АТФ використовується для синтезу органічних речовин, який проходить аналогічно до реакцій темнової фази фотосинтезу.
Хемосинтезуючі бактерії сприяють накопиченню в ґрунті мінеральних речовин, покращують родючість ґрунту, сприяють очищенню стічних вод та ін.
Перейти до лекції №11«Поняття обміну речовин. Біосинтез білків»
Перейти до лекції №13«Способи поділу еукаріотичних клітин: мітоз, мейоз, амітоз»
