ОПРЕДЕЛЕНИЕ: Фотосинтез – это процесс образования органических веществ из углекислого газа и воды, на свету, с выделением кислорода.

Краткое объяснение фотосинтеза

В процессе фотосинтеза участвуют:

1) хлоропласты,

2) свет,

3) углекислый газ,

4) вода,

5) температура.

У высших растений фотосинтез происходит в хлоропластах – пластидах (полуавтономные органеллы) овальной формы, содержащих пигмент хлорофилл, благодаря зеленому цвету которого части растения также имеют зеленый цвет.

У водорослей хлорофилл содержится в хроматофорах (пигментсодержащие и светоотражающие клетки). У бурых и красных водорослей, обитающих на значительной глубине, куда плохо доходит солнечный свет, имеются другие пигменты.

Если посмотреть на пищевую пирамиду всех живых существ, фотосинтезирующие организмы находятся в самом ее низу, в составе автотроф (организмов, синтезирующих органические вещества из неорганических). Поэтому они являются источником пищи для всего живого на планете.


При фотосинтезе кислород выделяется в атмосферу. В верхних слоях атмосферы из него образуется озон. Озоновый экран защищает поверхность Земли от жесткого ультрафиолетового излучения, благодаря чему жизнь смогла выйти из моря на сушу.

Кислород необходим для дыхания растений и животных. При окислении глюкозы с участием кислорода в митохондриях запасается почти в 20 раз больше энергии, чем без него. Это делает использование пищи гораздо более эффективным, что привело к высокому уровню обмена веществ у птиц и млекопитающих.

Более подробное описание процесса фотосинтеза растений

Ход фотосинтеза:

Процесс фотосинтеза начинается с попадания света на хлоропласты – внутриклеточные полуавтономные органеллы, содержащие зеленый пигмент. Под действием света хлоропласты начинают потреблять воду из почвы, расщепляя ее на водород и кислород.

Часть кислорода выделяется в атмосферу, другая часть идет на окислительные процессы в растении.

Содержащийся в пиреноидах (белковых гранулах, окруженных крахмалом) углекислый газ смешивается с водородом, образуя молекулы сахара. В результате этой реакции также выделяется кислород.

Сахар соединяется с поступающими из почвы азотом, серой и фосфором, таким путем зеленые растения производят крахмал, жиры, белки, витамины и другие сложные соединения, необходимые для их жизни.


Лучше всего фотосинтез идет под воздействием солнечного света, однако некоторые растения могут довольствоваться и искусственным освещением.

Сложное описание механизмов фотосинтеза для продвинутого читателя

До 60-ых годов 20 века ученым был известен только один механизм фиксации углекислого газа — по С3-пентозофосфатному пути. Однако недавно группа австралийских ученых смогла доказать, что у некоторых растений восстановление углекислого газа происходит по циклу C4-дикарбоновых кислот.

У растений с реакцией С3 фотосинтез наиболее активно происходит в условиях умеренной температуры и освещенности, в основном, в лесах и в темных местах. К таким растениям относятся почти все культурные растения и большая часть овощей. Они составляют основу рациона человека.

У растений с реакцией С4 фотосинтез наиболее активно происходит в условиях высоких температура и освещенности. К таким растениям относятся, например, кукуруза, сорго и сахарный тростник, которые произрастают в теплом и тропическом климате.

Сам метаболизм растений был обнаружен совсем недавно, когда удалось выяснить, что у некоторых растений, имеющих специальные ткани для запаса воды, углекислый газ накапливается в форме органических кислот и фиксируется в углеводах лишь спустя сутки. Такой механизм помогает растениям экономить запасы воды.

Как происходит процесс фотосинтеза

Растение поглощает свет при помощи зеленого вещества, которое называется хлорофилл. Хлорофилл содержится в хлоропластах, которые находятся в стеблях или плодах. Особенно большое их количество в листьях, потому что из-за своей очень плоской структуры листок может притянуть много света, соответственно, получить намного больше энергии для процесса фотосинтеза.


После поглощения хлорофилл находится в возбужденном состоянии и передает энергию другим молекулам организма растения, особенно, тем, которые непосредственно участвуют в фотосинтезе. Второй этап процесса фотосинтеза проходит уже без обязательного участия света и состоит в получении химической связи с участием углекислого газа, получаемого из воздуха и воды. На данной стадии синтезируются разные очень полезные для жизнедеятельности вещества, такие как крахмал и глюкоза.

Эти органические вещества используют сами растения для питания разных его частей, а также для поддержания нормальной жизнедеятельности. Кроме того, эти вещества также получают и животные, питаясь растениями. Люди тоже получают эти вещества, употребляя в пищу продукты животного и растительного происхождения.

Условия для фотосинтеза

Фотосинтез может происходить как под действием искусственного света, так и солнечного. Как правило, на природе растения интенсивно «работают» в весенне-летний период, когда необходимого солнечного света много. Осенью света меньше, день укорачивается, листья сначала желтеют, а потом опадают. Но стоит появиться весеннему теплому солнцу, как зеленая листва вновь появляется и зеленые «фабрики» снова возобновят свою работу, чтобы давать кислород, такой необходимый для жизни, а также множество других питательных веществ.

iv>

Альтернативное определение фотосинтеза

Фотоси́нтез (от др.-греч. фот— свет и синтез — соединение, складывание, связывание, синтез) — процесс преобразования энергии света в энергию химических связей органических веществ на свету фотоавтотрофами при участии фотосинтетических пигментов (хлорофилл у растений, бактериохлорофилл и бактериородопсин у бактерий). В современной физиологии растений под фотосинтезом чаще понимается фотоавтотрофная функция — совокупность процессов поглощения, превращения и использования энергии квантов света в различных эндэргонических реакциях, в том числе превращения углекислого газа в органические вещества.

Фазы фотосинтеза

Фотосинтез – процесс довольно сложный и включает две фазы: световую, которая всегда происходит исключительно на свету, и темновую. Все процессы происходят внури хлоропластов на особых маленьких органах — тилакодиах. В ходе световой фазы хлорофиллом поглощается квант света, в результате чего образуются молекулы АТФ и НАДФН. Вода при этом распадается, образуя ионы водорода и выделяя молекулу кислорода. Возникает вопрос, что это за непонятные загадочные вещества: АТФ и НАДН?

АТФ – это особые органические молекулы, которые имеются у всех живых организмов, их часто называют «энергетической» валютой. Именно эти молекулы содержат высокоэнергетические связи и являются источником энергии при любых органических синтезах и химических процессах в организме. Ну, а НАДФН – это собственно источник водорода, используется непосредственно при синтезе высокомолекулярных органических веществ — углеводов, который происходит во второй, темновой фазе фотосинтеза с использованием углекислого газа.


Cветовая фаза фотосинтеза

В хлоропластах содержится очень много молекул хлорофилла, и все они поглощают солнечный свет. Одновременно свет поглощается и другими пигментами, но они не умеют осуществлять фотосинтез. Сам процесс происходит лишь только в некоторых молекулах хлорофилла, которых совсем немного. Другие же молекулы хлорофилла, каротиноидов и других веществ образуют особые антенные, а также светособирающие комплексы (ССК). Они, как антенны, поглощают кванты света и передают возбуждение в особые реакционные центры или ловушки. Эти центры находятся в фотосистемах, которых у растений две: фотосистема II и фотосистема I. В них имеются особые молекулы хлорофилла: соответственно в фотосистеме II — P680, а в фотосистеме I — P700. Они поглощают свет именно такой длины волны(680 и 700 нм).

По схеме более понятно, как все выглядит и происходит во время световой фазы фотосинтеза.

На рисунке мы видим две фотосистемы с хлорофиллами Р680 и Р700. Также на рисунке показаны переносчики, по которым происходит транспорт электронов.

>

Итак: обе молекулы хлорофилла двух фотосистем поглощают квант света и возбуждаются. Электрон е- (на рисунке красный) у них переходит на более высокий энергетический уровень.

Возбужденные электроны обладает очень высокой энергией, они отрываются и поступают в особую цепь переносчиков, которая находится в мембранах тилакоидов – внутренних структур хлоропластов. По рисунку видно, что из фотосистемы II от хлорофилла Р680 электрон переходит к пластохинону, а из фотосистемы I от хлорофилла Р700 – к ферредоксину. В самих молекулах хлорофилла на месте электронов после их отрыва образуются синие дырки с положительным зарядом. Что делать?

Чтобы восполнить недостачу электрона молекула хлорофилла Р680 фотосистемы II принимает электроны от воды, при этом образуются ионы водорода. Кроме того, именно за счет распада воды образуется выделяющийся в атмосферу кислород. А молекула хлорофилла Р700, как видно из рисунка, восполняет недостачу электронов через систему переносчиков от фотосистемы II.

В общем, как бы ни было сложно, именно так протекает световая фаза фотосинтеза, ее главная суть заключается в переносе электронов. Также по рисунку можно заметить, что параллельно транспорту электронов происходит перемещение ионов водорода Н+ через мембрану, и они накапливаются внутри тилакоида. Так как их там становится очень много, они перемещаются наружу с помощью особого сопрягающего фактора, который на рисунке оранжевого цвета, изображен справа и похож на гриб.


В завершении мы видим конечный этап транспорта электрона, результатом которого является образование вышеупомянутого соединения НАДН. А за счет переноса ионов Н+ синтезируется энергетическая валюта – АТФ (на рисунке видно справа).

Итак, световая фаза фотосинтеза завершена, в атмосферу выделился кислород, образовались АТФ и НАДН. А что же дальше? Где обещанная органика? А дальше наступает темновая стадия, которая заключается, главным образом, в химических процессах.

Темновая фаза фотосинтеза

Для темновой фазы фотосинтеза обязательным компонентом является углекислый газ – СО2. Поэтому растение должно постоянно его поглощать из атмосферы. Для этой цели на поверхности листа имеются специальные структуры – устьица. Когда они открываются, СО2 поступает именно внутрь листа, растворяется в воде и вступает в реакцию световой фазы фотосинтеза.

В ходе световой фазы у большинства растений СО2 связывается с пятиуглеродным органическим соединением (которое представляет собой цепочку из пяти молекул углерода), в результате чего образуются две молекулы трехуглеродного соединения (3-фосфоглицериновая кислота). Т.к. первичным результатом являются именно эти трехуглеродные соединения, растения с таким типом фотосинтеза получили название С3-растений.

Дальнейший синтез в хлоропластах происходит довольно сложно. В его конечном итоге образуется шестиуглеродное соединение, из которого в дальнейшем могут синтезироваться глюкоза, сахароза или крахмал. В виде этих органических веществ растение накапливает энергию. При этом в листе остается только небольшая их часть, которая используется для его нужд, в то время как остальные углеводы путешествуют по всему растению, поступая туда, где больше всего нужна энергия — например, в точки роста.

Источник: xn--80aa2bkafhg.xn--p1ai


  1. Биологическая фиксация азота

Запасы связанного азота, который усваивается растениями, очень ограничены, и они уже давно были бы исчерпаны, если бы постоянно не пополнялись. В природе существуют особые бактерии, которые способны усваивать газообразный азот почвенного воздуха, так называемые азотфиксаторы. Существует два типа таких бактерий — свободноживущие и симбиотрофные.

Свободноживущие азотфиксаторы были открыты русским микробиологом С. Н. Виноградским в 1893 г. и названы им в честь великого Луи Пастера Clostridium pasteurianum. Несколько позднее, в 1901 г., французский микробиолог М. Бейеринк открыл другой вид — Azotobacter chroococcum. Первая бактерия — это облигатный анаэроб, вторая бактерия аэробная. Они живут в почве, первая в строго анаэробных условиях, без доступа кислорода, вторая — в аэробных. Обе эти бактерии — сапрофита, питающиеся органическими веществами почвы. Окисляя их, они используют углерод и водород для построения своего тела, а часть освобожденной при окислении энергии затрачивают на восстановление газообразного азота.


Восстановленный до аммиака азот используется для построения белков бактерии. После отмирания их клеток он остается в почве, минерализуется и может усваиваться растением. Для нормальной деятельности этих бактерий необходимо обеспечение их органическими веществами, а также фосфором, кальцием и микроэлементами. Уровень фиксации азота при их участии невелик и составляет 20 — 25 кг/га; такое количество азота не в состоянии обеспечить высокий урожай любого культурного растения.

Известны и другие свободноживущие азотфиксаторы — бактерии и цианобактерии (синезеленые водоросли). Некоторые из них, например Nostoc, имеют важное практическое значение для сельского хозяйства (на рисовых полях).

Симбиотрофные азотфихсаторы, или клубеньковые бактерии, образуют вздутия (клубеньки) на корнях растений. Впервые они были открыта на корнях бобовых немецким ученым Гель ригелем в 1886 г. Все клубеньковые бактерии относятся; одному роду Rhizobium, который включает в себя несколько задов (к настоящее время их известно 10)» Веды отличаются биологически, так что бактерии клевера не будут поселяться на корнях люцерны, а бактерии гороха не живут на сое. Они не передаются с семенами; каждое растение заражается первично из почвы, где бактерии остаются после пребывания в корнях растений и зимуют.

Совместное существование высшего растения и клубеньковой бактерии рассматривают как симбиоз, но это не мирное существование.


жительство начинается с внедрения бактерий в корневые волоски. При этом бактерии размножаются в. клетке корня к образуют тяж бактериальной массы — бактероид, который достигает центральной части корня. Здесь движение бактероида прекращается. Клетки бактерии делятся, увеличивая бактериальную массу. Растение реагирует на внедрение постороннего тела разрастанием паренхимы, так образуется клубенек, представляющий, в сущности, опухоль. Размеры его у разных растений неодинаковы — от макового зерна до крупной горошины. Находясь в клубеньке, бактерии вырабатывают особый белок — леггемоглобия, который является для них переносчиком кислорода. Его строение и свойства у бактерий разных видов также неодинаковы.

Все время с начала внедрения до разрастания клубеньков бактерия ведет себя как настоящий паразит, т. е. полностью живет за счет растения-хозяина. Но при образовании клубеньков роли меняются: растение-хозяин уже использует азот, накопленный бактериями, и строит из него свои белки.

После отмирания растения клубеньковые бактерии остаются в почве и, поселяются на корнях растений на следующий год. Накопленный ими азот также остается в почве, минерализуется и используется растениями как обычный азот почвы. Уровень фиксации азота у этих бактерий гораздо выше, чем у свободноживущих. Так, на многолетних травах клевере и люцерне при хорошем травостое бактерии накапливают азота в среднем 200 — 300 кг/га, а в исключительных случаях — до 500 — 600 кг/га, Этого количества азота достаточно уже на несколько урожаев культурных растений. Не случайно поэтому бобовые культуры называют азотособирателями,

В настоящее время установлено, что азотфиксирующие симбиотрофные бактерии живут на корнях не только бобовых, но и других семейств. Таким свойством из древесных обладает ольха, а из злаковых — рис, просо, мятлик, пшеница (правда, слабо). Известно всего около 190 видов растений с симбиотрофной микрофлорой.

Еще в 70-е гг. прошлого столетия К. А. Тимирязев дал определение процессу фотосинтеза. Фотосинтез, по Тимирязеву,— это образование органического вещества зелеными растениями за счет солнечной энергии из углекислого газа и воды с участием хлорофилла на свету. Это определение оказалось настолько правильным и всеобъемлющим, что в основном остается в силе до настоящего времени. В самом деле, в него включены все главные элементы процесса: его конечный эффект — образование органического вещества; объект, при участии которого оно производится, — зеленое растение; непосредственный “инструмент” — хлорофилл; энергетическая основа процесса — солнечная энергия и свет; материальные субстраты — углекислота и вода.

Издавна (с середины XIX столетия) процесс принято выражать с помощью общего уравнения фотосинтеза:свет

6СО2 + 6Н2О > С6Н12О6 + 6O2.

хлорофилл

С позиций современного уровня науки это уравнение не отражает сущности процесса. В самом деле, углекислота и вода, являясь продуктами полного окисления углерода и водорода, между собой ни при каких условиях не реагируют. Конечный продукт СбН^Об (моносахарид) не единственный и не главный продукт фотосинтеза. Следовательно, можно предположить, что фотосинтез идет не так, а более сложно. Действительно, этот процесс многоступенчатый, и ход его будет рассмотрен далее.

Само понятие фотосинтеза, данное выше, также несколько устарело. Если оно в основу ставило образование органического вещества, то в настоящее время главным считается использование световой энергии — питание светом, т. е. фототрофическая функция. С этих позиций И. А. Тарчевский определяет фотосинтез как совокупность процессов поглощения, превращения и использования энергии световых квантов в различных эндергонических (т. е. с затратой энергии) реакциях. Это определение еще не получило достаточного распространения, но постепенно оно завоевывает признание.

  1. Определение процесса фотосинтеза

Еще в 70-е гг. прошлого столетия К. А. Тимирязев дал определение процессу фотосинтеза. Фотосинтез, по Тимирязеву,— это образование органического вещества зелеными растениями за счет солнечной энергии из углекислого газа и воды с участием хлорофилла на свету. Это определение оказалось настолько правильным и всеобъемлющим, что в основном остается в силе до настоящего времени. В самом деле, в него включены все главные элементы процесса: его конечный эффект — образование органического вещества; объект, при участии которого оно производится, — зеленое растение; непосредственный “инструмент” — хлорофилл; энергетическая основа процесса — солнечная энергия и свет; материальные субстраты — углекислота и вода.

Издавна (с середины XIX столетия) процесс принято выражать с помощью общего уравнения фотосинтеза:

свет

6СО2 + 6Н2О * С6Н12О6 + 6O2.

хлорофилл

С позиций современного уровня науки это уравнение не отражает сущности процесса. В самом деле, углекислота и вода, являясь продуктами полного окисления углерода и водорода, между собой ни при каких условиях не реагируют. Конечный продукт С6Н12О6 (моносахарид) не единственный и не главный продукт фотосинтеза. Следовательно, можно предположить, что фотосинтез идет не так, а более сложно.

Само понятие фотосинтеза, данное выше, также несколько устарело. Если оно в основу ставило образование органического вещества, то в настоящее время главным считается использование световой энергии — питание светом, т. е. фототрофическая функция. С этих позиций И. А. Тарчевский определяет фотосинтез как совокупность процессов поглощения, превращения и использования энергии световых квантов в различных эндергонических (т. е. с затратой энергии) реакциях. Это определение еще не получило достаточного распространения, но постепенно оно завоевывает признание.

Значение фотосинтеза не только исключительно велико, но и многообразно. Это один из немногих процессов на Земле, протекание которого отражается на всем живом мире.

При участии фотосинтеза происходит образование органического вещества на Земле и поддержание его запасов. Правда, органическое вещество создается и в процессе хемосинтеза — при использовании энергии химических реакций, но в сравнении с фотосинтезом этот эффект ничтожно мал.

Структура листа была подробно рассмотрена в связи с процессом транспирации (см. гл. 3 “Водный обмен у растений”). Необходимо только остановиться на путях передвижения углекислоты и продуктов фотосинтеза.

Углекислый газ (углерода диоксид, СО2) проникает в лист через устичные отверстия и по системе межклетников доходит непосредственно до клеток столбчатой паренхимы, куда и диффундирует через мембраны этих клеток. Продукты фотосинтеза преодолевают более сложный путь. Из хлоропластов они выходят в цитоплазму клеток столбчатой паренхимы, далее переходят в губчатую паренхиму по апопласту (большая часть) и по симпласту (меньшая часть). Из губчатой паренхимы они таким же путем переходят в клетки обкладки проводящих пучков, из них — во флоэму, по которой передвигаются в другие органы растения.

Фотосинтез осуществляется в особых органеллах клетки — хлоропластах. Хлоропласт — округлые или овальные образования, довольно крупных размеров — около 5 мкм, поэтому они хорошо видны в световой микроскоп. Число их в клетке может быть различным — от 3 до 900, однако у большей части видов растений — от 10 до 30. Объем хлоропласта — 30 — 60 мкм3 у большинства видов, но может доходить до 240 мкм3 у некоторых теплолюбивых растений. Один хлоропласт содержит 1 • 109 — 2 • 109 молекул хлорофилла, на 1 см2 площади листа их насчитывается 2 — 90 млн.

Происхождение хлоропластов может быть различным. Они образуются из других пластид, в частности из лейкопластов. Могут образовываться из митохондрий и из особых частиц цитоплазмы’ — пропластид. Наконец, они возникают путем деления уже имеющихся хлоропластов.

Строение хлоропластов сложно. Снаружи они покрыты двойной оболочкой — мембраной, внутри находится жидкость — строма. Наиболее крупные образования хлоропластов — шаровидные гранулы, или граны, соединенные между собой пластинчатыми образованиями — л а м е л л а м и. Впрочем, бывают хлоропласта, которые вообще не содержат гран, а только ламеллы, они называются ламеллярными. Граны состоят из дисков, имеющих мембранное строение —тилакоидов. Они расположены друг над другом в виде стопок. На поверхности тилакоидов находятся квантосомы, имеющие вид ворончатых углублений. Они представляют собой морфологические единицы фотосинтеза. Предполагают, что квантосомы — это глобулы белка, в комплексной связи с которыми находятся молекулы хлорофилла, располагающиеся на поверхности квантосом.

Сложен и состав веществ, входящих в хлоропласт. Он содержит 75 % воды и 25 % сухого вещества. В свою очередь сухая масса включает: белки — 30 — 45 %, липиды — 20 — 40 %, хлорофиллы — .9 %, каротиноиды — 4,5 %, ДНК — 0,05 — 0,5 %, РНК — 0,5 — 3,5 %, золу— 20 %.

Зола содержит от общего количества в. растении: железа — 80 %, цинка — 60 — 70 %; меди — 50 %. Кроме того, в хлоропластах находятся многие витамины и их производные (группы В, D, Е, К) и ряд гидрологических и окислительных ферментов.

Сопоставляя приведенные данные, можно заметить, что содержание воды в хлоропластах примерно такое же, как и в цитоплазме. Уровень белков несколько ниже, но зато много липидов, входящих в мембраны гран и тиланоидов. Присутствует ДНК, которая, кроме ядра, есть еще только в митохондриях. Высоко содержание РНК. Все это указывает на способность хлоропластов к автономному синтезу белка. Значительно содержание золы, что связано с концентрацией микроэлементов. Наконец, велико содержание различных физиологически активных веществ — ферментов и витаминов, что обусловливает высокую реакционную способность хлоропластов

35 Основатель хроматографического метода исследования М. С. Цвет, подвергнув анализу хлорофилловую вытяжку,. установил, что хлорофилл не представляет собой индивидуальное вещество, а имеет несколько форм (около десяти). Главными являются две формы — хлорофилл a сине-зеленого цвета, и хлорофилл b (желто-зеленого цвета. Обе эти формы всегда присутствуют в растении, причем содержание хлорофилла а в листе примерно в три раза больше по сравнению с хлорофиллом Ь.

По химической природе хлорофилл — сложный эфир дикарбоновой органической кислоты хлорофиллина и двух спиртов— метанола СН3ОН и фитола. Фитол —это высокомолекулярный спирт С20Н39ОН с длинной углеводородной цепью, придающий хлорофиллу гидрофобные свойства, что сказывается на его химических свойствах.

Особый интерес представляет строение центра молекулы хлорофилла, ее парфириновое ядро, так как именно эта часть обусловливает важные свойства, присущие данному пигменту.

Как всякий сложный эфир, хлорофилл обладает разнообразными химическими свойствами и имеет высокую реакционную способность. Его составные части придают молекуле различные свойства: хлорофиллин — гидрофильные, фитол — гидрофобные, что влечет за собой избирательную растворимость: хлорофилл нерастворим в воде, но растворяется в органических растворителях — спиртах, эфирах, бензоле, ацетоне, хлороформе. В то же время для его растворения необходимы следы воды, и в совершенно безводных растворителях он также не растворяется.

Хлорофилл реагирует со щелочами, которые разрывают эфирные связи. При этом образуются соли хлорофиллина. Зеленая окраска вытяжки при этом сохраняется. Хлорофилл реагирует также с кислотами, при низкой концентрации вытесняющими магний и замещающими его на водород. При этом зеленая окраска исчезает, образуется .бурое вещество феофитин. Зеленая окраска снова может быть возвращена замещением водорода на металл — цинк или медь, но при этом вещество уже не будет иметь свойств, присущих хлорофиллу. Значит, зеленая окраска пигмента обусловлена металлом, а оптические его свойства — магнием. Хлорофилл как оптически активное вещество имеет ряд оптических свойств. Флуоресценция — испускание поглощенных световых лучей с измененной длиной волны. Зеленая в проходящем свете вытяжка хлорофилла в отраженном свете отсвечивает темным вишнево-красным светом. Это явление хорошо наблюдается в растворах, хлорофилла, но не видно в листе. Флуоресценция происходит вследствие рассеивания света, поглощённого хлорофиллом и не использованного на фотосинтез. Спектр поглощения хлорофилла имеет два максимума: в красной части спектра (650 — 680 нм) и в сине-фиолетовой части (430 — 460 нм). Различные формы хлорофилла имеют несколько отличающиеся максимумы поглощения света — 700, 710 и даже до 720 нм. Спектр поглощения хлорофилловой вытяжки изменяется в зависимости от концентрации пигмента. При низкой это два узких пика, положение которых указано выше. При очень высокой концентрации хлорофилл поглощает все лучи спектра, кроме зеленых и крайних красных, граничащих с инфракрасными. В листе хлорофилл поглощает также почти все лучи, кроме указанных выше, что и обусловливает его зеленую окраску.

36 Ранее мы рассмотрели разделение хлорофиллов на группы в зависимости от состава и строения молекулы. Но даже молекулы хлорофилла, относящиеся к одной разновидности, не все равноценны, они разделяются еще и функционально. Главная масса молекул поглощает кванты света, однако сами они фотосинтез не выполняют. Собранную энергию они передают другим активным молекулам -— реакционным центрам. Совокупность молекул-сборщиц и реакционных центров называется фотосинтетической единицей. Ее величина неодинакова у разных растений. У бактерий она включает в себя 25 — 50 молекул, собирающих свет, у высших растений — 250 — 400 молекул на один реакционный центр. Она зависит и от освещенности — уменьшается при сильном освещении и увеличивается при слабом.

Существуют различия и в размещении реакционных центров: они могут располагаться по одному и по нескольку вместе. Обслуживающая их фотосинтетическая единица в первом случае называется автономной, во втором — статистической.

Возникает вопрос, для чего в процессе эволюции выработалась такая сложная система. Оказывается, она имеет глубокий физиологический смысл и направлена на обеспечение непрерывности процесса фотосинтеза и более эффективное использование солнечной энергии. Фотохимические реакции идут очень быстро, практически моментально. Поглощение же света хлорофиллом происходит медленно. Одна молекула его может одновременно поглотить только один, квант с интервалом в 0,1 — 0,2 с. Для прохождения одного элементарного акта фотосинтеза (восстановления одной молекулы углекислоты) необходимо 16 — 20 квантов энергии. Таким образом, одной молекуле хлорофилла понадобится промежуток времени в 1,5 — 4,0 с, т. е. фотосинтез Пойдет со значительными перерывами. При существовании фотосинтетической единицы все входящие в нее молекулы хлорофилла будут отдавать поглощенную энергию реакционному центру, и фотосинтез в этом случае пойдет непрерывно.

Также имеет важное значение и объединение реакционных центров в группы. При повреждении реакционного центра в автономной фотосинтетической единице, не он один, вся система оказывается недееспособной. Если же выходит из строя реакционный центр (или несколько реакционных центров) в статистической фотосинтетической единице, где их много, молекулы, собирающие кванты света, переориентируются на другие реакционные центры (деятельные) и фотосинтез продолжается.

Совокупность фотосинтетических единиц с белками — переносчиками электронов носит название фотосистемы. Фотосинтезирующие бактерии имеют одну фотосистему, у высших растений их две. Фотосистемы отличаются набором форм пигментов в реакционных. центрах и вследствие этого своей функцией. Существуют две фотосистемы — ФС I и ФС II.

ФС I содержит хлорофилл а с пиком поглощения 680 нм (Рб8о) и хлорофилл а с Руоо* Она производит циклическое передвижение электронов по электронно-транспортной цепи фотосинтеза и циклическое фотофосфорилирование.

ФС II содержит: Хл а + Хл b. Эта фотосистема осуществляет фотолиз воды, нециклическое передвижение электронов и нециклическое фотофосфорилирование.

Доказательством существования двух фотосистем служит эффект Эмерсона (или эффект усиления), заключающийся в том, что при освещении двумя лучами монохроматического света фотосинтез будет идти более интенсивно, чем при освещении одним лучом.

37 В основе процесса фотосинтеза лежит превращение энергии света (энергии электромагнитных колебаний) в химическую (энергию химических связей органических веществ). Этот процесс трансформации энергии идет только при участии хлорофилла, который, по образному выражению К. А. Тимирязева, является фотосенсибилизатором. Именно хлорофилл поглощает энергию света (hv) и преобразует ее в химическую энергию. Энергетическим действием обладает только поглощенный свет. поэтому первой реакцией в процессе фотосинтеза должно быть поглощение света хлорофиллом. При этом молекула хлорофилла возбуждается и переходит на более высокие энергетические уровни (синглетные) -г* на первый (S|) при поглощении длинноволновых или на второй (Sq) при поглощении коротковолновых лучей:

вде So — молекула хлорофилла а спокойном состоянии, hv — энергия поглощенных квантов света.

Синглетные состояния крайне неустойчивы и продолжаются в течение ничтожно малых промежутков времени (КГ9 и 1<Г13 с), поэтому хлорофилл стремится вернуться в спокойное состояние:

При этом поглощенная энергия света вновь выделяется в пространство и рассеивается в виде тепла или света — происходит явление флуоресценции. Но возбужденный хлорофилл из состояния Si может переходить также в возбужденное, более высокореакционное состояние — триплетное (Ti), которое длится от 1(Г7 с до нескольких секунд. В этом случае поглощённая энергия солнца направляется на фотосинтез:

Когда хлорофилл находится в состоянии Tj, в нем появляются две ненасыщенные валентности. Это обстоятельство в сочетании с непрочными связями и переменными двойными валентностями создает предпосылки для высокой реакционной способности хлорофилла. При этом обнаруживаются его окислительно-восстановительные свойства. Хлорофилл отдает возбужденный электрон, энергия которого используется на восстановление радикала R.

38 Поглотив энергию света (hv), хлорофилл переходит в возбужденное состояние Хл* и испускает богатые энергией электроны, которые восстанавливают углерод его двуокиси. Однако это конечный эффект, путь к которому лежит через целый ряд реакций Электрон движется через несколько переносчиков-ферментов, понемногу отдавая им свою энергию, т. е. по электронно-транспортной цепи ОТЦ). Биологический смысл ее заключается в более экономном использования энергии при постепенной медленной отдаче ее от возбужденного электрона. Известно два пути переноса электронов — циклический и нециклический.

Циклический путь — это движение по ЭТЦ, включающей в себя ряд компонентов-переносчиков

Прейдя всю цепь, электрон возвращается на хлорофилл уже в спокойном состоянии, не неся в себе энергии. Одновременно с движением электронов происходит процесс фотосинтетического фосфорилирования, т. е. образования макроэргических связей АТФ за счет поглощенной энергии света. Исходным веществом является аденозиндифосфат (АДФ). Так как электрон движется по кругу, то и фосфорилирование называется циклическим.Оно осуществляется одной фотосистемой I, которая найдена у всех без исключения фотосинтезирующих организмов, поэтому считается примитивным, возникшим на ранней стадии развития фотосинтезирующих организмов.

Нециклический транспорт электронов включает в себя фотолиз воды и нециклическое фотофосфорилироваиие. Фотолизом воды называется ее разложение под действием поглощенной хлорофиллом энергии света:

При этом образуется недеятельный молекулярный кислород, который выходит в атмосферу (кислород фотосинтеза), и активный атомарный водород, ‘который через цепь переносчиков восстанавливает НАДФ:

Одновременно с процессом фотолиза воды идет фотосинтетическое фосфорилирование:

Этот процесс, носящий название нециклического фотофосфорил ирования, является более сложным, чем’ первый. В результате образуется уже несколько продуктов — АТФ, НАДФ • Н2 и О2. Он проходит только при участии двух фотосистем, причем важную роль в этом процессе играют хлорофилл Ь и каротиноиды. Процесс не обнаружен у примитивных фотосинтезирующих организмов (бактерий), поэтому считают, что он возник на более поздней стадии эволюции, чем циклическое фотофосфорилирование.

Таким образом, у растений существует процесс фотосинтетического фосфорилирования, который представляет собой непосредственное преобразование энергии света в химическую — в энергию макроэргических связей. Форма и пути этого процесса могут быть различными.

Источник: StudFiles.net

Как питается растение?

Раньше люди были уверены, что все вещества для своего питания растения берут из почвы. Но один опыт показал, что это не так.

В горшок с землёй было посажено дерево. При этом измерили массу и земли, и дерева. Когда через несколько лет снова взвесили то и другое, оказалось, что масса земли уменьшилась всего на несколько граммов, а масса растения увеличилась на много килограммов.

В почву вносили только воду. Откуда же взялись эти килограммы растительной массы?

Из воздуха. Все органические вещества растений созданы из углекислого газа атмосферы и почвенной воды.

Энергия

Животные и человек питаются растениями, чтобы получить энергию для жизни. Эта энергия содержится в химических связях органических веществ. Откуда она там?

Известно, что растение не может нормально расти без света. Свет и является энергией, с помощью которой растение строит органические вещества своего тела.

Не важно какой это свет, солнечный или электрический. Любой луч света несёт энергию, которая становится энергией химический связей и как клей удерживает атомы в больших молекулах органических веществ.

Где идёт фотосинтез

Фотосинтез проходит только в зелёных частях растений, а точней, в особых органах растительных клеток – хлоропластах.

Хлоропласты под микроскопом

Рис. 1. Хлоропласты под микроскопом.

Хлоропласты являются разновидностью пластид. Они всегда зелёные, т. к. содержат вещество зелёного цвета – хлорофилл.

Хлоропласт отделён от остального объёма клетки мембраной и имеет вид зёрнышка. Внутреннее пространство хлоропласта называется стромой. В ней и начинаются процессы фотосинтеза.

Внутреннее строение хлоропласта

Рис. 2. Внутреннее строение хлоропласта.

Хлоропласты являются как бы фабрикой, на которую поступает сырьё:

  • углекислый газ (формула – СО₂);
  • вода (Н₂О).

Вода поступает из корней, а углекислый газ – из атмосферы через особые отверстия в листьях. Свет является энергией для работы фабрики, а полученные органические вещества – продукцией.

Сначала производятся углеводы (глюкоза), но впоследствии из них образуется множество веществ различных запахов и вкусов, которые так любят животные и люди.

Из хлоропластов полученные вещества транспортируются в различные органы растения, где откладываются в запас, либо используются.

Реакция фотосинтеза

В общем виде уравнение фотосинтеза выглядит так:

СО₂ + Н₂О = органические вещества + О₂ (кислород)

Основная функция фотосинтеза – создание органических веществ, из которых строится тело растений.

Выделение кислорода – побочный эффект процесса.

Значение фотосинтеза

Роль фотосинтеза в природе чрезвычайно велика. Благодаря ему создан весь растительный мир планеты.

Фотосинтез

Рис. 3. Фотосинтез.

Благодаря фотосинтезу растения:

  • являются источником кислорода для атмосферы;
  • переводят энергию солнца в доступную для животных и человека форму.

Какая наука изучает процесс фотосинтеза

Фотосинтез изучают разные науки, но больше всего ботаника и физиология растений.

Ботаника – это наука о растениях и, поэтому изучает его как важный жизненный процесс растений.

Наиболее подробно изучает фотосинтез физиология растений. Учёные-физиологи определили, что этот процесс сложный и имеет стадии:

  • световую;
  • темновую.

Это значит, что фотосинтез начинается на свету, но заканчивается в темноте.

Источник: obrazovaka.ru

Фазы фотосинтеза

Он происходит в две фазы:

Фазы фотосинтезаСветовая фаза (фотофосфорилирование) – представляет собой набор светозависимых фотохимических (т. е. светозахватывающих) реакций, в которых электроны транспортируются через обе фотосистемы (PSI и PSII) для получения АТФ (богатая энергией молекула) и NADPHH (восстанавливающий потенциал).

Таким образом, светлая фаза фотосинтеза позволяет непосредственно превращать световую энергию в химическую энергию. Именно через этот процесс наша планета теперь имеет атмосферу, богатую кислородом. В результате высшие растения сумели доминировать на поверхности Земли, обеспечивая пищу многим другим организмам, которые питаются или находят убежище через неё. Первоначальная атмосфера содержала такие газы, как аммоний, азот и углекислый газ, но очень мало кислорода. Растения нашли способ превратить этот CO настолько обильно в пищу, используя солнечный свет.

Темновая фаза – соответствует полностью ферментативному и не зависящему от света циклу Кальвина, в котором аденозинтрифосфат (АТФ) и НАДФН+Н+ (никотин амид адениндинуклеотидфосфат) используются для конверсии углекислого газа и воды в углеводы. Эта вторая фаза позволяет усвоить углекислый газ.

То есть в этой фазе фотосинтеза, примерно через пятнадцать секунд после поглощения CO происходит реакция синтеза и появляются первые продукты фотосинтеза — сахара: триосы, пентозы, гексозы, гептозы. Из определённых гексоз образуются сахароза и крахмал. Помимо углеводов, могут также развиваться липидами и белками путём связывания с молекулой азота.

Этот цикл существует в водорослях, умеренных растениях и всех деревьях; эти растения называются «растениями С3», наиболее важными промежуточными телами биохимического цикла, имеющими молекулу три атома углерода (С3).

В этой фазе хлорофилл после поглощения фотона имеет энергию 41 ккал на моль, некоторые из которых преобразуются в теплоту или флуоресценцию. Использование изотопных маркеров (18O) показало, что кислород, высвобождаемый во время этого процесса, происходит из разложенной воды, а не из поглощённого диоксида углерода.

Как происходит фотосинтез

Фотосинтез происходит главным образом в листьях растений и редко (когда-либо) в стеблях и т. д. Части типичного листа включают: верхний и нижний эпидермис;

  • мезофилл;
  • сосудистый пучок (вены);
  • устьица.

Если клетки верхнего и нижнего эпидермиса не являются хлоропластами, фотосинтез не происходит. Фактически они служат прежде всего в качестве защиты для остальной части листа.

Фотосинтез в природеУстьица — это дыры, существующие главным образом в нижнем эпидермисе, и позволяют проводить обмен воздуха (CO и O2). Сосудистые пучки (или вены) в листе составляют часть транспортной системы растения, при необходимости перемещая воду и питательные вещества вокруг растения. Клетки мезофилла имеют хлоропласты, вот это и есть место фотосинтеза.

Механизм фотосинтеза очень сложный. Однако эти процессы в биологии имеют особое значение. При энергичном воздействии света хлоропласты (части растительной клетки, содержащие хлорофилл), вступая в реакцию фотосинтеза, объединяют углекислый газ (СО) с пресной водой с образованием сахаров C6H12O6.

Они в процессе реакции превращаются в крахмал C6H12O5, для квадратного дециметра поверхности листа, в среднем 0,2 г крахмала в день. Вся операция сопровождается сильным высвобождением кислорода.

Фактически процесс фотосинтеза состоит в основном из фотолиза молекулы воды.

Формула этого процесса:

6 Н 2 О + 6 СО 2 + свет = 6 O 2 + С 6 Н 12 О 6

Вода + углекислый газ + свет = кислород + глюкоза

  • Н 2 О = вода
  • СО 2 = диоксид углерода
  • O 2 = Кислород
  • С 6 Н 12 О 6 = глюкоза

В переводе этот процесс означает: растению для вступления в реакцию нужны шесть молекул воды + шесть молекул углекислого газа и света. Это приводит к образованию шести молекул кислорода и глюкозы в химическом процессе. Глюкоза — это глюкоза, которую растение использует в качестве исходного материала для синтеза жиров и белков. Шесть молекул кислорода являются всего лишь «необходимым злом» для растения, которое он доставляет в окружающую среду через закрывающие клетки.

Основные продукты фотосинтеза

Продукты фотосинтезаКак уже было сказано, углеводы являются наиболее важным прямым органическим продуктом фотосинтеза в большинстве зелёных растений. В растениях образуется мало свободной глюкозы; вместо этого глюкозные единицы связаны с образованием крахмала или соединены с фруктозой, другим сахаром, с образованием сахарозы.

При фотосинтезе синтезируются не только углеводы, как это когда-то считалось, но также:

  • аминокислоты;
  • белки;
  • липиды (или жиры);
  • пигменты и другие органические компоненты зелёных тканей.

Минералы поставляют элементы (например, азот, N; фосфор, Р; серы, S), необходимых для образования этих соединений.

Химические связи разрушаются между кислородом (O) и углеродом (С), водородом (Н), азотом и серы, а новые соединения образуются в продуктах, которые включают газообразный кислород (O 2) и органические соединения. Для разрушения связей между кислородом и другими элементами (например, в воде, нитрате и сульфате) требуется больше энергии, чем высвобождается, когда в продуктах образуются новые связи. Это различие в энергии связи объясняет большую часть световой энергии, хранящейся в виде химической энергии в органических продуктах, образующихся при фотосинтезе. Дополнительная энергия хранится при создании сложных молекул из простых.

Факторы, влияющие на скорость фотосинтеза

Скорость фотосинтеза определяется в зависимости от скорости производства кислорода либо на единицу массы (или площади) зелёных растительных тканей, либо на единицу веса всего хлорофилла.

Количество света, подача углекислого газа, температура, водоснабжение и наличие полезных ископаемых являются наиболее важными факторами окружающей среды, которые влияют на скорость реакции фотосинтеза на наземных установках. Его скорость определяется также видами растений и его физиологическим состоянием, например, его здоровьем, зрелостью и цветением.

Место фотосинтеза

Как протекает фотосинтез в биологииФотосинтез происходит исключительно в хлоропластах (греческий хлор = зелёный, пластообразный) растения. Хлоропласты преимущественно обнаруживаются в палисадах, но также и в губчатой ​​ткани. На нижней стороне листа находятся блокирующие ячейки, которые координируют обмен газами. CO 2 течёт в межклеточные клетки снаружи.

Вода, необходимая для фотосинтеза, транспортирует растение изнутри через ксилему в клетки. Зелёный хлорофилл обеспечивает поглощение солнечного света. После того как углекислый газ и вода превращаются в кислород и глюкозу, закрывающие клетки открывают и выделяют кислород в окружающую среду. Глюкоза остаётся в клетке и превращается растением среди других в крахмал. Сила сравниваются с полисахаридом глюкозы и лишь слегка растворимой, так что даже в высоких потерях воды в прочности растительных остатков.

Важность фотосинтеза в биологии

В чем важность фотосинтезаИз света, полученного листом, отражается 20%, 10% передаются и 70% фактически поглощаются, из которых 20% рассеивается в тепле, 48% теряется при флуоресценции. Около 2% остаётся для фотосинтеза.

Благодаря этому процессу растения играют незаменимую роль на поверхности Земли; на самом деле зелёные растения с некоторыми группами бактерий являются единственными живыми существами, способными выработать органические вещества из минеральных элементов. По оценкам, каждый год 20 миллиардов тонн углерода фиксируются наземными растениями из углекислого газа в атмосфере и 15 миллиардов водорослями.

Зелёные растения являются основными первичными производителями, первое звено в пищевой цепи; не хлорофилловые растения и травоядные и плотоядные животные (включая людей) полностью зависят от реакции фотосинтеза.

Упрощённое определение фотосинтеза заключается в том, чтобы преобразовать световую энергию от солнца в химическую энергию. Этот фотонный биосинтез углевода производится из углекислого газа СО2 с помощью световой энергии.

То есть фотосинтез является результатом химической активности (синтеза) растений хлорофилла, которые продуцируют основные биохимические органические вещества из воды и минеральных солей благодаря способности хлоропластов захватывать часть энергии солнца.

Источник: obrazovanie.guru