Что такое фотосинтез

Здравствуйте уважаемые читатели блога. Все живое на земле обязано своим существованием очень важному процессу, происходящему в клетках растений и некоторых бактерий: фотосинтезу.

Что это такое, какова история открытия процесса фотосинтеза, что это такое и что происходит в две его основные фазы: свет и темнота.

Я постараюсь описать все это максимально кратко и понятно. Будет интересно, следите за новостями…

Фотосинтез — это…

Термин имеет древнегреческие корни: «фото» — свет, а «синтез» — соединение.

Фотосинтез — сложная химическая реакция, в ходе которой энергия солнечного света (реже — инфракрасного излучения) преобразуется в химическую энергию при активном участии фотосинтетических пигментов (у растений — хлорофилла, у бактерий — бактериохлорофилла и бактериородопсина).

Более кратко и понятно фотосинтез можно охарактеризовать как процесс, в ходе которого происходит образование органических веществ из неорганических веществ.

Важнейшими результатами фотосинтеза у растений являются:

1. поглощение углекислого газа (CO2) из ​​воздуха);
2. выделение кислорода (O2) в атмосферу: его источником является вода (H2O), из которой отщепляются атомы водорода;
3. производство собственных питательных веществ (главным образом глюкозы), запасенных в растительных клетках.

У фотосинтезирующих бактерий фотосинтез протекает несколько иначе: там генератором кислорода является не вода, а сероводород (H2S). Однако суть явления от этого не меняется: в его основе лежит процесс, характеризующийся переносом электронов от молекул-поставщиков (доноров) к рецепторным (акцепторным) структурам).

Войдя в лес, мы сразу чувствуем, как легко там дышится.

Причиной этого является богатое содержание кислорода в воздухе, выделяемое в атмосферу зеленой растительностью (деревьями, кустарниками, травами, мхами и др.) в результате фотосинтеза.

Ни в шахте, ни в пещере нет ни растений, ни света, поэтому мы там задыхаемся, рискуя потерять сознание. На этом элементарном примере легко понять ту огромную роль, которую играет фотосинтез в обеспечении жизни на нашей планете. Поговорим об этом подробнее.

История изучения

Первая попытка проникнуть в тайны фотосинтеза была предпринята в 18 веке, когда было обнаружено, что растения выделяют на свету кислород (О2), необходимый для дыхания и горения.

Другие эксперименты показали, что, помимо выделения кислорода, растения поглощают из воздуха углекислый газ, синтезируя при этом органические вещества с участием воды и света.

В 19 веке удалось выделить хлорофиллы, а позже отделить и изучить пигменты по отдельности благодаря экспериментам по освещению листьев растений фотонами света разных длин волн. Оказалось, что интенсивность фотосинтеза взаимосвязана со спектром поглощения хлорофилла.

В 20 веке была раскрыта окислительно-восстановительная сущность фотосинтеза и механизм его отдельных стадий. Наконец, американский биохимик М. Кальвин с помощью меченых изотопов углерода подробно описал процесс усвоения углекислого газа растениями, за что был удостоен Нобелевской премии.

Фотосинтез в биологии

Фотосинтез в биологии – это выделение кислорода и органических веществ из неорганических под действием световой энергии.

Он присущ всем организмам, использующим свет для получения питательных веществ из неорганических соединений (в научном мире их называют фотоавтотрофами).

Фотоавтотрофные растения поглощают углекислый газ из воздуха и воду из почвы, образуя глюкозу, которая затем превращается в крахмал. Последняя служит питательной средой для растения и источником энергии.

Формула фотосинтеза зеленых растений в упрощенном виде выглядит следующим образом:

Важно еще раз отметить, что молекулы кислорода отделяются от воды, а не от углекислого газа.

Реакция фотосинтеза протекает на клеточном уровне в хлоропластах, содержащих основной пигмент хлорофилл, поглощающий и преобразующий солнечную энергию. Он также придает растениям (в том числе водорослям) зеленый цвет.

Хлоропласты встречаются как в листьях, так и в стеблях растений (преимущественно еще в листьях). Его структура очень сложна и состоит из следующих основных элементов:

1. внешняя мембрана;
2. внутренняя мембрана (оболочка);
3. строма (жидкая среда, в которой погружены мембраны);
4. тилакоиды, сгруппированные в граны (мембранные модули, в которых протекает световая фаза фотосинтеза);
5. крахмальное зерно;
6. рибосома (часть цитоплазмы клетки, участвующая в синтезе белка);
7. пластидная ДНК;
8. капля жира (пластоглобула).

Даже такие примитивные растения, как мхи, практически не имеющие корней и сосудистой ткани, плохо приспособлены к жизни в почве, они содержат в своих клетках хлоропласты и хлорофилл, что позволяет им полноценно участвовать в фотосинтезе.

Световая и темновая фазы фотосинтеза

В фотосинтезе выделяют две фазы: световую и темновую.

Светлая фаза связана с солнечным излучением, что обеспечивает протекание химических реакций. Последующая темная фаза не зависит от света (как следует из названия).

Световая фаза

На этом этапе в тилакоидах хлоропластов образуются высокоэнергетические продукты: АТФ (аденозинтрифосфорная кислота) и НАДФ (фермент, используемый в качестве восстановителя).

Основным пигментом фотосинтеза является хлорофилл. Его молекулы захватывают световое излучение, а электроны, входящие в состав молекул, «перескакивают» на другой (более высокий) энергетический уровень, захватываются принимающей средой (акцептором) и передаются по электрохимическим цепям на мембраны тилакоидов.

Там же накапливаются протоны водорода, что приводит к созданию электрохимического (потенциального) градиента, необходимого для синтеза АТФ и образования ферментов.

В мембранах тилакоидов формируются два типа фотосистем, испускающих электроны при воздействии света. Электроны первой системы участвуют в восстановлении НАДФ, электроны второй системы участвуют в синтезе АТФ.

Именно во второй системе происходит фотолиз воды — расщепление молекулы воды с выделением кислорода и образованием протонов водорода.

Таким образом, световая фаза включает в себя три основных процесса:

1. синтез АТФ;
2. образование НАДФ;
3. выделение кислорода.

Кислород выделяется в атмосферу, а АТФ и НАДФ перемещаются в строму хлоропласта, где участвуют в темновых реакциях.

Темновая фаза

В темновой фазе, которая происходит в строме хлоропласта, углекислый газ восстанавливается до глюкозы. При этом используется энергия АТФ и восстановительная сила НАДФ, то есть ресурсы, накопленные при прохождении световой фазы.

Последовательность реакций, результатом которых является выделение глюкозы, называется «циклом Кальвина» (по имени вышеупомянутого американского биохимика). Он выражается следующей формулой:

На самом деле помимо глюкозы образуются и другие органические соединения, такие как жирные кислоты, аминокислоты, нуклеотиды, гликолипиды. Протоны водорода, полученные в результате фотолиза воды и связанные в молекулы НАДФ, участвуют в синтезе углеводов.

Поскольку реакции темновой фазы не требуют световой энергии, они могут протекать как на свету, так и в темноте.

Заключение

Роль зеленых растений на Земле метко описал великий русский ученый К. Тимирязев (он назвал эту роль космической):

«Все органические вещества… происходят из веществ, вырабатываемых листом. Вне листа.. в природе нет лаборатории, где выделяют органические вещества. Во всех других органах и организмах она трансформируется, трансформируется, только здесь она образуется вновь из неорганического вещества».