Ліси вважаються «зеленими легенями планети» недаремно. Що таке фотосинтез і як відбувається цей процес, розглянемо в деталях.

Що таке фотосинтез?

фотосинтез - біохімічний процес, під час якого за допомогою особливих пігментів рослин і енергії світла з неорганічних речовин (вуглекислого газу, води) виникають органічні. Це один з найбільш важливих процесів, за рахунок якого з'явилося і продовжує існувати більшість організмів на планеті.

Цікавий факт: До фотосинтезу здатні наземні рослини, а також зелені водорості. При цьому водорості (фітопланктон) виробляють 80% кисню.

Значення фотосинтезу для життя на Землі

Без фотосинтезу замість безлічі живих організмів на нашій планеті існували б одні лише бактерії. Саме енергія, отримана в результаті даного хімічного процесу, дозволила бактеріям еволюціонувати.

Будь-які природні процеси потребують енергії. Вона надходить від Сонця. Але правильну форму сонячне світло набуває лише після того, як перетворюється рослинами.

Рослини використовують лише частину енергії, а решту накопичують в собі. Ними харчуються травоїдні тварини, які є їжею для хижаків. В ході утворилася ланцюжка кожна ланка отримує необхідні цінні речовини і енергію.

Кисень, що виробляється в ході реакції, необхідний для дихання всіх істот. Дихання являє процес, протилежний фотосинтезу. При цьому органічні речовини окислюються, руйнуються. Отримана енергія використовується організмами для виконання різних життєво необхідних завдань.

В період існування планети, коли рослин було мало, кисень практично відсутній. Примітивні форми життя отримували мінімум енергії іншими способами. Її було занадто мало для розвитку. Тому дихання за рахунок кисню відкрило більш широкі можливості.

Ще одна функція фотосинтезу - захист організмів від впливу ультрафіолетового світла. Йдеться про озоновий шар, що знаходиться в зоні стратосфери на висоті близько 20-25 км. Утворюється він за рахунок кисню, який перетворюється в озон під дією сонячного світла. Без цього захисту життя на Землі обмежувалася б тільки підводними організмами.

Організми виділяють під час дихання вуглекислий газ. Він є обов'язковим елементом фотосинтезу. В іншому випадку вуглекислий газ просто накопичувався б в верхніх шарах атмосфери, значно посилюючи парниковий ефект.

Це серйозна екологічна проблема, суть якої полягає в підвищенні температури атмосфери з негативними наслідками. До них відноситься зміна клімату (глобальне потепління), танення льодовиків, підвищення рівня Світового океану та ін.

Функції фотосинтезу:

• виділення кисню;
• утворення енергії;
• освіту поживних речовин;
• створення озонового шару.

Визначення і формула фотосинтезу

Термін «фотосинтез» походить від поєднання двох слів: фото і синтез. У перекладі з давньогрецької вони означають «світло» і «з'єднання» відповідно. Таким чином, енергія світла перетворюється в енергію зв'язків органічних речовин.

схема:

Вуглекислий газ + вода + світло = вуглевод + кисень.

Наукова формула фотосинтезу:

6СО₂ + 6Н₂Про → З₆Н₁₂Про₆ + 6О_2.

Фотосинтез відбувається так, що безпосередній контакт води і СО₂ не спостерігається.

Значення фотосинтезу для рослин

Рослинам для зростання і розвитку потрібні органічні речовини, енергія. Завдяки фотосинтезу вони забезпечують себе даними компонентами. Створення органічних речовин - основна мета фотосинтезу для рослин, а виділення кисню вважається побічною реакцією.

Цікавий факт: Рослини унікальні, оскільки для отримання енергії інші організми їм не потрібні.Тому вони утворюють окрему групу - автотрофи (в перекладі з давньогрецької мови «харчуюся сам»).

Як відбувається фотосинтез?

Фотосинтез протікає безпосередньо в зелених частинах рослин - хлоропластах. Вони входять до складу рослинних клітин. Хлоропласти містять речовину - хлорофіл. Це і є той основний фотосинтетичний пігмент, завдяки йому відбувається вся реакція. Крім того, хлорофіл визначає зелений колір рослинності.

Для цього пігменту характерна здатність поглинати світло. А в клітинах рослини запускається справжня біохімічна «лабораторія», в якій вода і СО₂ перетворюються в кисень, вуглеводи.

Вода надходить через кореневу систему рослини, а газ проникає безпосередньо в листя. Світло виступає в якості джерела енергії. Коли частка світла діє на молекулу хлорофілу, відбувається її активація. У молекулі води H₂O кисень (O) залишається незатребуваним. Таким чином, він стає побічним для рослин, але таким важливим для нас, продуктом реакції.

Фази фотосинтезу

Фотосинтез ділиться на дві стадії: світлову і темновую. Протікають вони одночасно, але в різних частинах хлоропласта. Назва кожної фази говорить сама за себе. Світлова або світлозалежна фаза відбувається тільки за участю часток світла. Темновой або светонезавісімой фазі наявність світла не потрібно.

Перш ніж розглядати кожну фазу докладніше, варто розібратися в будові хлоропласта, оскільки воно визначає суть і місце протікання стадій. Хлоропласт є різновидом пластид і всередині клітини розташований окремо від інших її компонентів. Він має форму зернятка.

Складові частини хлоропласта, які беруть участь у фотосинтезі:

• 2 мембрани;
• строма (внутрішня рідина);
• тилакоїди;
• люмени (просвіти всередині тилакоидов).

Світлова фаза фотосинтезу

Протікає на Тилакоїди, точніше, їх мембранах. Коли на них потрапляє світло, виділяються і накопичуються негативно заряджені електрони. Таким чином, фотосинтетические пігменти позбавляються всіх електронів, після чого настає черга розпаду молекул води:

H₂O → Н + + ОН-

При цьому утворені протони водню мають позитивний заряд і накопичуються на внутрішній мембрані тилакоида. В результаті протони з зарядом плюс і електрони з зарядом мінус розділені лише мембраною.

Відбувається вироблення кисню, як побічний продукт:

4ОН → Про₂ + 2H₂O

У певний момент фази електронів і протонів водню стає занадто багато. Тоді в роботу вступає фермент - АТФ-синтаза. Його завдання полягає в тому, щоб перемістити протони водню з мембрани тилакоида в рідку середу хлоропласта - строму.

На цьому етапі водень потрапляє в розпорядження іншої переносника - НАДФ (скорочення від нікотінаміддінуклеотідфосфат). Це також різновид ферменту, який прискорює окислювальні реакції в клітинах. В даному випадку його робота полягає в транспортуванні протонів водню в реакції вуглеводів.

На даній стадії відбувається процес фотофосфолірованія, під час нього виробляється величезна кількість енергії. Її джерелом є АТФ - аденозинтрифосфорная кислота.

Коротка схема:

1. Попадання кванта світла на хлорофіл.
2. Виділення електронів.
3. Виділення кисню.
4. Освіта НАДФН-оксидази.
5. Освіта енергії АТФ.

Цікавий факт: Існує реліктова рослина під назвою вельвичия, що росте на африканському узбережжі Атлантичного океану. Це єдиний представник свого роду з мінімумом листя, здатних до фотосинтезу. Однак вік Вельвічія досягає близько 2000 років.

Темнова фаза фотосинтезу

Светонезавісімая фаза відбувається безпосередньо в стромі. Вона являє собою ряд ферментативних реакцій. Вуглекислий газ, поглинений на світловий стадії, розчинився у воді, а на цьому етапі він відновлюється до глюкози. Також виробляються складні органічні речовини.

Реакції темнової фази діляться на три основних типи і залежать від виду рослин (точніше, їх метаболізму), в клітинах яких відбувається фотосинтез:

• З₃-рослини;
• З₄-рослини;
• САМ-рослини.

До З₃-рослини належить більшість культур сільськогосподарського призначення, які ростуть в помірному кліматі. В ході фотосинтезу у них вуглекислий газ стає фосфоглицериновой кислотою.

До С4-рослин належать субтропічні і тропічні види, переважно бур'яни. Для них характерна трансформація вуглекислого газу в оксалоацетат. САМ-рослини - категорія рослин, яким не вистачає вологи. Вони відрізняються особливим видом фотосинтезу - Cам.

З3-фотосінтез

Найбільш поширеним є С₃-фотосінтез, який також називається циклом Кальвіна - на честь американського вченого Мелвіна Кальвіна, який зробив величезний внесок у вивчення даних реакцій і отримав за це Нобелівську премію.

Рослини називаються З₃ через те, що під час реакцій темнової фази утворюються 3-вуглецеві молекули 3-фосфоглицериновой кислоти - 3-PGA. Безпосередню участь беруть різні ферменти.

Щоб утворилася повноцінна молекула глюкози, має пройти 6 циклів реакцій светонезавісімой фази. Вуглевод - головний продукт фотосинтезу в циклі Кальвіна, але крім нього виробляються жирні і амінокислоти, а також гліколіпіди. У З₃ рослин фотосинтез проходить виключно в клітинах мезофіла.

Головний недолік З3-фотосінтеза

Рослини, що відносяться до групи С₃, Характеризуються одним істотним недоліком. Якщо в навколишньому середовищі відзначається недостатній рівень вологи, здатність до фотосинтезу істотно знижується. Це відбувається через фотодихання.

Справа в тому, що при невисокій концентрації вуглекислого газу в хлоропластах (менше 50: 1 000 000) замість фіксації вуглецю відбувається фіксація кисню. Спеціальні ферменти істотно сповільнюються і витрачають сонячну енергію даремно.

Одночасно з цим сповільнюється зростання і розвиток рослини, оскільки воно недоотримує органічні речовини. Також не відбувається викид кисню в атмосферу.

Цікавий факт: Морський слимак Elysia chlorotica - унікальна тварина, яка здійснює фотосинтез як рослини. Воно харчується водоростями, хлоропласти яких проникають в клітини травного тракту і фотосинтезируют там протягом місяців. Виробляються вуглеводи служать для слимака їжею.

С4-фотосинтез

На відміну від C₃-синтез, тут реакції фіксації вуглекислого газу здійснюються в різних клітинах рослин. Ці види рослин здатні справлятися з проблемою фотодихання, і роблять вони це за допомогою двоетапного циклу.

З одного боку підтримується високий показник вуглекислого газу, а з іншого - контролюється низький рівень кисню в хлоропластах. Подібна тактика дозволяє рослинам С4 уникнути фотодихання і пов'язаних з ним складнощів. Представниками рослин даної групи є цукрова тростина, кукурудза, просо і ін.

У порівнянні з рослинами З₃ вони здатні набагато інтенсивніше виконувати процеси фотосинтезу за умови високої температури і нестачі вологи. На першому етапі вуглекислий газ фіксується в клітинах мезофіла, де утворюється 4-вуглецева кислота. Потім кислота переходить в оболонку і розпадається там на 3-вуглецеве з'єднання і вуглекислий газ.

На другому етапі отриманий вуглекислий газ починає працювати в циклі Кальвіна, де виробляється глицеральдегид-3-фосфат і вуглеводи, необхідні для енергетичного обміну.

Завдяки двохетапному фотосинтезу в рослинах С4 утворюється достатня для циклу Кельвіна кількість вуглекислого газу. Тому ферменти працюють в повну силу і не витрачають енергію марно.

Але у і цієї системи є свої мінуси. Зокрема витрачається більший обсяг енергії АТФ - вона необхідна для трансформації 4-вуглецевих кислот в 3-вуглецеві і в зворотному напрямку. Таким чином, С₃-фотосінтез завжди продуктивніше, ніж С4 при належній кількості води і світла.

Що впливає на швидкість фотосинтезу?

Фотосинтез може протікати з різною швидкістю. Цей процес залежить від умов навколишнього середовища:

• вода;
• довжина хвилі світла;
• вуглекислий газ;
• температура.

Вода є основним фактором, тому при її нестачі реакції сповільнюються. Для фотосинтезу найбільш сприятливі хвилі червоного і синьо-фіолетового спектру. Також краще високий ступінь освітленості, але лише до певного значення - при його досягненні зв'язок між освітленістю і швидкістю реакції зникає.

Висока концентрація вуглекислого газу забезпечує швидкі фотосинтетические процеси і навпаки. Певна температура важлива для ферментів, які прискорюють реакції. Ідеальні умови для них - близько 25-30 ℃.

Фотодихання

Дихати необхідно всім живим істотам, і рослини не є винятком. Однак цей процес у них відбувається трохи інакше, ніж у людей і тварин, тому носить назву фотодихання.

В цілому, дихання - фізичний процес, під час якого живий організм і навколишнє його середовище обмінюються газами. Як і всьому живому, рослинам для дихання потрібен кисень. Але споживають вони його набагато менше, ніж виробляють.

В ході фотосинтезу, який відбувається тільки при сонячному світлі, рослини створюють для себе їжу. Під час фотодихання, яке здійснюється цілодобово, ці поживні речовини ними поглинаються з метою підтримки метаболізму всередині клітин.

Цікавий факт: Протягом сонячного дня ділянку лісу площею 1 гектар споживає від 120 до 280 кг вуглекислого газу і виділяє від 180 до 200 кг кисню.

Кисень (як і вуглекислий газ) проникає в клітини рослин через особливі отвори - продихи. Вони розташовуються в нижній частині листочків. На одному аркуші може розташовуватися близько 1000 устьиц.

Газообмін рослин в залежності від освітленості

Процес газообміну при різній освітленості представлений таким чином:

1. Яскраве світло. Під час фотосинтезу використовується вуглекислий газ. Рослини виділяють більше кисню, ніж споживають. Його надлишки потрапляють в атмосферу. Вуглекислий газ споживається швидше, ніж виділяється диханням. Невикористані вуглеводи запасаються рослиною запас.
2. Тьмяне світло. Газообмін з навколишнім середовищем не відбувається, оскільки рослина споживає весь кисень, який виробляє.
3. відсутність світла. Відбуваються лише процеси дихання. Вуглекислий газ виділяється, а кисень споживається.

Хемосинтез

Деякі живі організми теж здатні до утворення моноуглеводов з води і вуглекислого газу, при цьому вони не мають потреби в сонячному світлі. До них відносяться бактерії, а процес перетворення енергії називається хемосинтезом.

хемосинтез являє собою процес, під час якого синтезується глюкоза, але замість сонячної енергії використовуються хімічні речовини. Протікає він у зонах з досить високою температурою, що підходить для роботи ферментів, і відсутністю світла. Це можуть бути області поблизу гідротермальних джерел, витоків метану на морських глибинах і ін.

Історія відкриття фотосинтезу

Історія відкриття і вивчення фотосинтезу бере початок в 1600 р, коли Ян Батист ван Гельмонт вирішив розібратися в актуальному на той момент питанні: чим харчуються рослини і звідки вони черпають корисні речовини?

У той час вважалося, що джерелом цінних елементів є грунт. Вчений помістив в ємність із землею гілочку верби, але попередньо виміряв їх вага. Протягом 5 років він доглядав за деревом, поливаючи його, після чого знову провів вимірювальні процедури.

З'ясувалося, що вага землі знизився на 56 г, проте деревце стало в 30 разів важче. Це відкриття спростувало думку про те, що рослини харчуються ґрунтом і породило нову теорію - водного харчування.

Надалі багато вчених намагалися її спростувати.Наприклад, Ломоносов вважав, що частково структурні компоненти потрапляють до рослин через листя. Він керувався рослинами, які успішно ростуть на посушливих територіях. Однак довести цю версію не вдалося.

Найближче до реального стану речей виявився Джозеф Прістлі - вчений-хімік і священик за сумісництвом. Одного разу він виявив загиблу миша в перевернутої догори дном банку, і цей випадок змусив його провести в 1770-х роках ряд дослідів з гризунами, свічками і ємностями.

Прістлі виявив, що свічка завжди швидко гасне, якщо накрити її зверху банкою. Також не може вижити і живий організм. Вчений дійшов висновку, що існують якісь сили, які роблять повітря придатним для життя, і спробував зв'язати це явище з рослинами.

Він продовжив ставити досліди, але в цей раз спробував помістити під скляну ємність горщик зі зростаючою м'ятою. На превеликий подив, рослина продовжувало активно розвиватися. Тоді Прістлі помістив під одну банку рослина і миша, а під другу - тільки тварина. Результат очевидний - під першою ємністю гризун залишився неушкоджений.

Досягнення хіміка стало мотивацією для інших вчених усього світу повторити експеримент. Але заковика була в тому, що священик проводив досліди в денний час. А, наприклад, аптекар Карл Шеєле - вночі, коли з'являвся вільний час. У підсумку, вчений звинуватив Прістлі в обмані, адже його піддослідні не витримували експеримент з рослиною.

Між хіміками вибухнуло справжнє наукове протистояння, яке принесло істотну користь і дало можливість зробити ще одне відкриття - щоб рослини відновлювали повітря, їм потрібне сонячне світло.

Звичайно, фотосинтезом це явище тоді ще ніхто не називав, та й залишалося чимало запитань. Однак в 1782 ботанік Жан Сенебье зміг довести, що при наявності сонячного світла рослини здатні розщеплювати вуглекислий газ на клітинному рівні. А в 1864, нарешті, з'явилося експериментальне підтвердження того, що рослини поглинають вуглекислий газ і виділяють кисень. Це заслуга вченого з Німеччини - Юліуса Сакса.