Что такое фотосинтез

Здравствуйте, уважаемые читатели блога KtoNaNovenkogo.ru. Все живое на земле обязано своим существованием одному очень важному процессу, который проходит в клетках растений и некоторых бактерий — фотосинтезу.

Что это такое, какова история открытия процесса фотосинтеза, что он из себя представляет и что происходит в две его основные фазы — световую и темновую.

Постараюсь все это описать максимально кратко и понятно. Будет интересно, не переключайтесь...

Фотосинтез — это...

Термин имеет древнегреческие корни: «фото» — свет и «синтез» — это соединение.

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

Более кратко и понятно фотосинтез можно охарактеризовать как процесс, на протяжении которого происходит образование органического вещества из неорганических субстанций.

Важнейшими результатами фотосинтеза у растений являются:

1. поглощение из воздуха углекислого газа (СО2);
2. выделение в атмосферу кислорода (О2) – его источником служит вода (H2O), от которой отрываются атомы водорода;
3. производство собственных питательных элементов (прежде всего глюкозы), хранящихся в растительных клетках.

У фотосинтезирующих бактерий фотосинтез проистекает несколько по-другому: там генератором кислорода является не вода, а сероводород (H2S). Однако суть явления от этого не меняется: в его основе лежит процесс, характеризующийся перенесением электронов от молекул-поставщиков (доноров) к принимающим структурам (акцепторам).

Зайдя в лес, мы сразу же ощущаем, как легко там дышится.

Причина тому – богатое содержание в воздухе кислорода, выделяемого в атмосферу зелёной растительностью (деревьями, кустарниками, травами, мхами и т.д.) в результате фотосинтеза.

В шахте или пещере нет ни растений, ни света, поэтому там мы задыхаемся, рискуя потерять сознание. На этом элементарном примере легко понять, какую огромную роль играет фотосинтез для обеспечения жизни на нашей планете. Поговорим об этом подробнее.

История изучения

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

Дальнейшие опыты показали, что кроме выделения кислорода растения поглощают из воздуха углекислый газ, синтезируя при этом органическое вещество при участии воды и света.

В XIX веке удалось выделить хлорофиллы, а позже разделить и изучить пигменты по отдельности благодаря экспериментам по освещению листьев растений фотонами света с разной длиной волны. Выяснилось, что интенсивность фотосинтеза взаимосвязана со спектром поглощения хлорофилла.

В ХХ веке была раскрыта окислительно-восстановительная сущность фотосинтеза и механизм его отдельных стадий. Наконец, американский биохимик М.Кальвин, используя меченые изотопы углерода, подробно описал процесс усвоения растениями углекислого газа, за что был удостоен Нобелевской премии.

Фотосинтез в биологии

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

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

Растения-фотоавтотрпы впитывают из воздуха углекислый газ, а из почвы – воду, образуя глюкозу, которая в дальнейшем преобразуется в крахмал. Последний служит для растения питательной средой и источником энергии.

Формула фотосинтеза для зелёных растений в упрощённом виде выглядит следующим образом:

Важно ещё раз отметить, что молекулы кислорода отщепляются именно из воды, а не из двуокиси углерода.

Реакция фотосинтеза протекает на клеточном уровне в хлоропластах, содержащих главный пигмент – хлорофилл, который поглощает и трансформирует солнечную энергию. Он же придаёт растениям (в том числе водорослям) зелёную окраску.

Хлоропласты содержатся как в листьях, так и в стеблях растений (большей частью всё-таки в листьях). Их структура очень сложная и состоит из следующих основных элементов:

1. наружная мембрана;
2. внутренняя мембрана (оболочка);
3. строма (жидкостная среда, куда погружены мембраны);
4. тилакоиды, сгруппированные в граны (мембранные модули, где протекает световая фаза фотосинтеза);
5. зерно крахмала;
6. рибосома (часть цитоплазмы клетки, участвующая в биосинтезе белка);
7. пластидная ДНК;
8. жировая капля (пластоглобула).

Даже такие примитивные растения как мхи, практически не имеющие корней и сосудистой ткани, мало приспособленные к жизни на суще, содержат хлоропласты и хлорофилл в своих клетках, что позволяет им полноценно участвовать в фотосинтезе.

Световая и темновая фазы фотосинтеза

В фотосинтезе различают две фазы: световую и темновую.

Световая фаза связана с солнечным излучением, обеспечивающим протекание химических реакций. Следующая за ней темновая фаза – светонезависимая (о чём говорит само название).

Световая фаза

На данной стадии в тилакоидах хлоропластов происходит образование высокоэнергетических продуктов: АТФ (аденозинтрифосфорная кислота) и НАДФ (фермент, который используется в качестве восстановителя).

Главный пигмент фотосинтеза – хлорофилл. Его молекулы улавливают световое излучение, а входящие в состав молекул электроны «запрыгивают» на другой (более высокий) энергетический уровень, захватываются принимающей средой (акцептором) и передаются по электрохимическим цепям к мембранам тилакоидов.

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

На тилакоидных мембранах образуются две разновидности фотосистем, которые испускают электроны под действием света. Электроны первой системы участвуют в восстановлении НАДФ, электроны второй – в синтезе АТФ.

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

Таким образом, световая фаза охватывает три важнейших процесса:

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

Кислород выбрасывается в атмосферу, а АТФ и НАДФ перемещаются в строму хлоропласта, где принимают участие в реакциях темновой фазы.

Темновая фаза

В темновой фазе, протекающей в строме хлоропласта, происходит восстановление углекислого газа до глюкозы. При этом используется энергия АТФ и восстановительная сила НАДФ, то есть ресурсы, накопленные в период прохождения световой фазы.

Последовательность реакций, итогом которых является выделение глюкозы, получила название «цикл Кальвина» (в честь вышеупомянутого американского биохимика). Он выражается следующей формулой:

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

Поскольку для реакций темновой фазы световая энергия не требуется, они могут протекать как на свету, так и в темноте.

Заключение

Роль зелёных растений на Земле метко охарактеризовал великий русский учёный К. Тимирязев (он назвал эту роль космической):

«Все органические вещества ... произошли от веществ, выработанных листом. Вне листа ... 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».