Каждое живое существо на планете нуждается в пище или энергии, чтобы выжить. Некоторые организмы питаются другими существами, тогда как другие могут производить свои собственные питательные элементы. Растения сами производят продукты питания, глюкозу, в процессе, который называется фотосинтезом.

Фотосинтез и дыхание взаимосвязаны. Результатом фотосинтеза является глюкоза, которая хранится как химическая энергия в растительных клетках. Эта накопленная химическая энергия получается в результате превращения неорганического углерода (углекислого газа) в органический углерод. Процесс дыхания высвобождает накопленную химическую энергию.

Помимо продуктов, которые они производят, растениям также необходим углерод, водород и кислород, чтобы выжить. Вода, поглощенная из почвы, обеспечивает водород и кислород. Во время фотосинтеза, углерод и вода используются для синтеза пищи. Растения также нуждаются в нитратах, чтобы производить аминокислоты (аминокислота — ингредиент для выработки белка). В дополнение к этому, они нуждаются в магнии для производства хлорофилла.


Заметка: Живые существа, которые зависят от других продуктов питания называются гетеротрофами. Травоядные, такие как коровы, а также растения, питающиеся насекомыми, являются примерами гетеротрофов. Живые существа, производящие собственную пищу, называются автотрофами. Зеленые растения и водоросли — примеры автотрофов.

В этой статье вы узнаете больше о том, как происходит фотосинтез у растений и об необходимы для этого процесса условиях.

Определение фотосинтеза

Фотосинтез — это химический процесс, посредством которого растения, некоторые бактерии и водоросли производят глюкозу и кислород из углекислого газа и воды, используя только свет в качестве источника энергии.

Этот процесс чрезвычайно важен для жизни на Земле, поскольку благодаря ему выделяется кислород, от которого зависит вся жизнь.

Зачем растениям нужна глюкоза (пища)?

Подобно людям и другим живым существам, растения также нуждаются в питании для поддержания жизнедеятельности. Значение глюкозы для растений заключается в следующем:

  • Глюкоза, полученная в результате фотосинтеза, используется во время дыхания для высвобождения энергии, необходимой растению для других жизненно важных процессов.
  • Растительные клетки также превращают часть глюкозы в крахмал, который используют по мере необходимости. По этой причине мертвые растения используются в качестве биомассы, ведь в них хранится химическая энергия.
  • Глюкоза также необходима, чтобы производить другие химические вещества, такие как белки, жиры и растительные сахара, необходимые для обеспечения роста и других важных процессов.

Фазы фотосинтеза

Процесс фотосинтеза разделен на две фазы: световую и темновую.

Солнечная энергия в процессе фотосинтеза» data-layzr=»https://natworld.info/wp-content/uploads/2017/05/фазы-фотосинтеза.jpg» alt=»» width=»700″ height=»350″ data-layzr-srcset=»https://natworld.info/wp-content/uploads/2017/05/фазы-фотосинтеза.jpg 700w, https://natworld.info/wp-content/uploads/2017/05/фазы-фотосинтеза-300×150.jpg 300w, https://natworld.info/wp-content/uploads/2017/05/фазы-фотосинтеза-500×250.jpg 500w» sizes=»(max-width: 700px) 100vw, 700px» />

Световая фаза фотосинтеза

Как следует из названия, световые фазы нуждаются в солнечном свете. В светозависимых реакциях энергия солнечного света поглощается хлорофиллом и преобразуется в запасенную химическую энергию в виде молекулы электронного носителя НАДФН (никотинамидадениндинуклеотидфосфат) и молекулы энергии АТФ (аденозинтрифосфат). Световые фазы протекают в тилакоидных мембранах в пределах хлоропласта.


Темновая фаза фотосинтеза или цикл Кальвина

В темновой фазе или цикле Кальвина возбужденные электроны из световой фазы обеспечивают энергию для образования углеводов из молекул углекислого газа. Не зависящие от света фазы иногда называют циклом Кальвина из-за цикличности процесса.

Хотя темновые фазы не используют свет в качестве реагента (и, как результат, могут происходить днем или ночью), им необходимо, чтобы продукты светозависимых реакций функционировали. Независимые от света молекулы зависят от молекул энергоносителей — АТФ и НАДФН — для создания новых молекул углеводов. После передачи энергии молекулы энергоносители возвращаются к световым фазам для получения более энергичных электронов. Кроме того, несколько ферментов темновой фазы активируются с помощью света.

Схема фаз фотосинтеза

Заметка: Это означает, что темновые фазы не будут продолжаться, если растения будут лишены света слишком долго, так как они используют продукты световых фаз.

Строение листьев растений

Мы не можем полностью изучить фотосинтез, не зная больше о строении листа. Лист адаптирован для того, чтобы играть жизненно важную роль в процессе фотосинтеза.

Внешнее строение листьев

  • Площадь

Одной из самых главных особенностей растений является большая площадь поверхности листьев. Большинство зеленых растений имеют широкие, плоские и открытые листья, которые способны захватывать столько солнечной энергии (солнечного света), сколько необходимо для фотосинтеза.

  • Центральная жилка и черешок
iv>

Центральная жилка и черешок соединяются вместе и являются основанием листа. Черешок располагает лист таким образом, чтобы он получал как можно больше света.

  • Листовая пластинка

Простые листья имеют одну листовую пластину, а сложные — несколько. Листовая пластинка — одна из самых главных составляющих листа, которая непосредственно участвует в процессе фотосинтеза.

  • Жилы

Сеть жилок в листьях переносит воду от стеблей к листьям. Выделяемая глюкоза также направляется в другие части растения из листьев через жилки. Кроме того, эти части листа поддерживают и удерживают листовую пластину плоской для большего захвата солнечного света. Расположение жилок (жилкование) зависит от вида растения.

  • Основание листа

Основанием листа выступает самая нижняя его часть, которая сочленена со стеблем. Зачастую, у основания листа располагается парное количество прилистников.

  • Край листа

В зависимости от вида растения, край листа может иметь различную форму, включая: цельнокрайнюю, зубчатую, пильчатую, выемчатую, городчатую и т.п.

  • Верхушка листа

Как и край листа, верхушка бывает различной формы, включая: острую, округлую, туповатую, вытянутую, оттянутою и т.д.

Внутреннее строение листьев

Ниже представлена ​​близкая схема внутреннего строения тканей листьев:

  • Кутикула

Кутикула выступает главным, защитным слоем на поверхности растения. Как правило, она толще на верхней части листа. Кутикула покрыта веществом, похожим на воск, благодаря которому защищает растение от воды.

  • Эпидермис

Эпидермис — слой клеток, который является покровной тканью листа. Его главная функция — защита внутренних тканей листа от обезвоживания, механических повреждений и инфекций. Он также регулирует процесс газообмена и транспирации.

  • Мезофилл

Мезофилл — это основная ткань растения. Здесь происходит процесс фотосинтеза. У большинства растений мезофилл разделен на два слоя: верхний — палисадный и нижний — губчатый.

  • Защитные клетки

Защитные клетки — специализированные клетки в эпидермисе листьев, которые используются для контроля газообмена. Они выполняют защитную функцию для устьица. Устьичные поры становятся большими, когда вода есть в свободном доступе, в противном случае, защитные клетки становятся вялыми.

  • Устьице
>

Фотосинтез зависит от проникновения углекислого газа (CO2) из воздуха через устьица в ткани мезофилла. Кислород (O2), полученный как побочный продукт фотосинтеза, выходит из растения через устьица. Когда устьица открытые, вода теряется в результате испарения и должна быть восполнена через поток транспирации, водой, поглощенной корнями. Растения вынуждены уравновешивать количество поглощенного СО2 из воздуха и потерю воды через устьичные поры.

Условия, необходимые для фотосинтеза

Ниже приведены условия, которые необходимы растениям для осуществления процесса фотосинтеза:

  • Углекислый газ. Бесцветный природный газ без запаха, обнаруженный в воздухе и имеет научное обозначение CO2. Он образуется при горении углерода и органических соединений, а также возникает в процессе дыхания.
  • Вода. Прозрачное жидкое химическое вещество без запаха и вкуса (в нормальных условиях).
  • Свет. Хотя искусственный свет также подходит для растений, естественный солнечный свет, как правило, создает лучшие условия для фотосинтеза, потому что в нем присутствует природное ультрафиолетовое излучение, которое оказывает положительное влияние на растения.
  • Хлорофилл. Это зеленый пигмент, найденный в листьях растений.
  • Питательные вещества и минералы. Химические вещества и органические соединения, которые корни растений поглощают из почвы.

Что образуется в результате фотосинтеза?

  • Глюкоза;
  • Кислород.

Заметка: Растения получают CO2 из воздуха через их листья, и воду из почвы через корни. Световая энергия исходит от Солнца. Полученный кислород выделяется в воздух из листьев. Получаемую глюкозу можно превратить в другие вещества, такие как крахмал, который используется как запас энергии.

Если факторы, способствующие фотосинтезу, отсутствуют или присутствуют в недостаточном количестве, это может негативно повлиять на растение. Например, меньшее количество света создает благоприятные условия для насекомых, которые едят листья растения, а недостаток воды замедляет.

Где происходит фотосинтез?

Фотосинтез происходит внутри растительных клеток, в мелких пластидах, называемых хлоропластами. Хлоропласты (в основном встречающиеся в слое мезофилла) содержат зеленое вещество, называемое хлорофиллом. Ниже приведены другие части клетки, которые работают с хлоропластом, чтобы осуществить фотосинтез.

Строение растительной клетки

Функции частей растительной клетки

  • Клеточная стенка: обеспечивает структурную и механическую поддержку, защищает клетки от патогенов, фиксирует и определяет форму клетки, контролирует скорость и направление роста, а также придает форму растениям.
  • Цитоплазма: обеспечивает платформу для большинства химических процессов, контролируемых ферментами.

  • Мембрана: действует как барьер, контролируя движение веществ в клетку и из нее.
  • Хлоропласты: как было описано выше, они содержат хлорофилл, зеленое вещество, которое поглощает световую энергию в процессе фотосинтеза.
  • Вакуоль: полость внутри клеточной цитоплазмы, которая накапливает воду.
  • Клеточное ядро: содержит генетическую марку (ДНК), которая контролирует деятельность клетки.

Хлорофилл поглощает световую энергию, необходимую для фотосинтеза. Важно отметить, что поглощаются не все цветовые длины волны света. Растения в основном поглощают красную и синюю волны — они не поглощают свет в зеленом диапазоне.

Углекислый газ в процессе фотосинтеза

Растения получают углекислый газ из воздуха через их листья. Углекислый газ просачивается через маленькое отверстие в нижней части листа — устьицу.

Нижняя часть листа имеет свободно расположенные клетки, чтобы углекислый газ достиг других клеток в листьях. Это также позволяет кислороду, образующемуся при фотосинтезе, легко покидать лист.

Углекислый газ присутствует в воздухе, которым мы дышим, в очень низких концентрациях и служит необходимым фактором темновой фазы фотосинтеза.

Свет в процессе фотосинтеза

Лист обычно имеет большую площадь поверхности, поэтому он может поглощать много света. Его верхняя поверхность защищена от потери воды, болезней и воздействия погоды восковым слоем (кутикулой). Верх листа находится там, где падает свет. Этот слой мезофилла называется палисадным. Он приспособлен для поглощения большого количества света, ведь в нем находится много хлоропластов.


В световых фазах, процесс фотосинтеза увеличивается с большим количеством света. Больше молекул хлорофилла ионизируется, и больше генерируется АТФ и НАДФН, если световые фотоны сосредоточены на зеленом листе. Хотя свет чрезвычайно важен в световых фазах, необходимо отметить, что чрезмерное его количество может повредить хлорофилл, и уменьшить процесс фотосинтеза.

Световые фазы не слишком сильно зависят от температуры, воды или углекислого газа, хотя все они нужны для завершения процесса фотосинтеза.

Вода в процессе фотосинтеза

Растения получают воду, необходимую для фотосинтеза через свои корни. Они имеют корневые волоски, которые разрастаются в почве. Корни характеризуются большой площадью поверхности и тонкими стенками, что позволяет воде легко проходить сквозь них.

На изображении представлены растения и их клетки с достаточным количеством воды (слева) и ее нехваткой (справа).

Заметка: Корневые клетки не содержат хлоропластов, поскольку они, как правило, находятся в темноте и не могут фотосинтезировать.

Если растение не впитывает достаточное количество воды, оно увядает. Без воды, растение будет не способно фотосинтезировать достаточно быстро, и может даже погибнуть.

Какое значение имеет вода для растений?


  • Обеспечивает растворенными минералами, которые поддерживают здоровье растений;
  • Является средой для транспортировки минеральных ресурсов;
  • Поддерживает устойчивость и прямостояние;
  • Охлаждает и насыщает влагой;
  • Дает возможность проводить различные химические реакции в растительных клетках.

Значение фотосинтеза в природе

Биохимический процесс фотосинтеза использует энергию солнечного света для преобразования воды и углекислого газа в кислород и глюкозу. Глюкоза используется в качестве строительных блоков в растениях для роста тканей. Таким образом, фотосинтез — это способ, благодаря которому формируются корни, стебли, листья, цветы и плоды. Без процесса фотосинтеза растения не смогут расти или размножаться.

  • Продуценты

Из-за фотосинтетической способности, растения известны как продуценты и служат основой почти каждой пищевой цепи на Земле. (Водоросли являются эквивалентом растений в водных экосистемах). Вся пища, которую мы едим, происходит от организмов, являющихся  фотосинтетиками. Мы питаемся этими растениями напрямую или едим животных, таких как коровы или свиньи, которые потребляют растительную пищу.

  • Основа пищевой цепи

Внутри водных систем, растения и водоросли также составляют основу пищевой цепи. Водоросли служат пищей для беспозвоночных, которые, в свою очередь, выступают источником питания для более крупных организмов. Без фотосинтеза в водной среде жизнь была бы невозможна.

  • Удаление углекислого газа

Фотосинтез превращает углекислый газ в кислород. Во время фотосинтеза углекислый газ из атмосферы поступает в растение, а затем выделяется в виде кислорода. В сегодняшнем мире, где уровни двуокиси углерода растут ужасающими темпами, любой процесс, который устраняет углекислый газ из атмосферы, является экологически важным.

  • Круговорот питательных веществ

Растения и другие фотосинтезирующие организмы играют жизненно важную роль в круговороте питательных веществ. Азот в воздухе фиксируется в растительных тканях и становится доступным для создания белков. Микроэлементы, находящиеся в почве, также могут быть включены в растительную ткань и стать доступными для травоядных животных, дальше по пищевой цепи.

  • Фотосинтетическая зависимость

Фотосинтез зависит от интенсивности и качества света. На экваторе, где солнечный свет обилен весь год и вода не является ограничивающим фактором, растения имеют высокие темпы роста, и могут стать довольно большими. И наоборот, фотосинтез в более глубоких частях океана встречается реже, поскольку свет не проникает в эти слои, и в результате эта экосистема оказывается более бесплодной.

Источник: natworld.info

 

Удостоверившись в том, насколько трудно осуществить процессы, которые позволили бы преобразовать или аккумулировать солнечную энергию, обратимся теперь к вопросу о том, как они протекают в живых клетках. Здесь они осуществляются удивительно экономично. При благоприятных условиях растения могут накапливать до 10% энергии падающей на них солнечной радиации в виде «горючего», молекулы которого имеют чрезвычайно сложное строение. Общее количество энергии, получаемой на земном шаре посредством такого рода преобразований, оценивается по-разному. Считается, что только для своего существования растения расходуют энергии в 10 раз больше, чем в настоящее время потребляет все человечество. Мельчайшие живые организмы, густо населяющие моря, по-видимому, используют еще больше энергии.

Цель проводимых в этой области исследований заключается в том, чтобы научиться воспроизводить хотя бы часть таких процессов и управлять ими. Однако процессы фотосинтеза необычайно сложны и до сих пор в значительной степени остаются непонятными. Их изучение продолжается, а пока особое внимание уделяется применению растений в качестве преобразователей энергии в энергеческих системах, созданных человеком и действующих по другому принципу. В этом разделе мы рассмотрим несколько характерных особенностей фотосинтеза растений, чтобы понять возможности их использования в работе энергосистем.

Реакцию фотосинтеза, происходящую в зеленых растениях, часто представляют уравнением

пС02 + п\20 + радиация -> п (СН20) + п02. (9.8) Из него мы видим, что в растениях в результате взаимодействия углекислого газа и воды образуются углеводы и выделяется кислород. Это, конечно, грубое упрощение, которое, однако, позволяет нам уяснить существенные моменты метаболизма растений. Для протекания такого процесса необходимы углекислый газ и вода (первый обычно заимствуется из воздуха, где его содержится около 0,03%). Как показывает уравнение (9.8), на каждую поглощенную молекулу углекислого газа растение выделяет одну молекулу кислорода. Молекулы углеводов участвуют в цепи химических превращений, в результате которых образуются органические вещества, необходимые для роста и развития растений. Простейшей формой углевода я(СН20) является глюкоза C6Hi206 (n = G). В какой-то степени она присутствует в растениях в чистом виде, но чаще всего входит как составная часть в более сложные молекулы жиров, белков и других веществ с высоким содержанием углеводов, щедро представленных в живых растениях. Не останавливаясь на рассмотрении всех этих последовательных преобразований, заметим лишь, что роль катализаторов в них играют очень сложные белковые соединения, называемые ферментами. Энергия, требующаяся для осуществления указанных «строительных» операций, получается при окислении некоторых простейших углеводов с образованием снова углекислого газа С02 и воды. Эффективность таких операций зависит от содержания в почве микроколичеств определенных: элементов От них иногда зависит, будет ли урожай шедрым или плохим.

Пути движения веществ, участвующих в процессе (9 8), исследовались методом радиоактивных, или «меченых», атомов. Установлено, что кислород выделяется только из воды, но не из углекислого газа. Таким образом, процесс, по существу, сводится к разложению молекул воды, то есть к реакции (9.1). В первых разделах этой главы мы видели, что энергия одного фотона видимого света недостаточна для осуществления подобной реакции и поэтому нужны вещества, которые могут накапливать энергию поглощаемых фотонов до требуемого уровня. В зеленых растениях эту роль выполняет порфирин магния (MgN4C55H7205), известный как хлорофилл-А, сосредоточенный в хлоропластах растений; он поглощает свет во всем видимом спектре, но особенно сильно в красной области. Отсутствие красного цвета в отраженном растениями свете и дает резко выраженный зеленый цвет. Полагают, что это вещество выполняет каталитическую функцию, переходя в одно из своих триплетиых состояний.

Энергия, необходимая для протекания реакции фотосинтеза, велика. С учетом энергии, затрачиваемой на восстановление углекислого газа, она достигает в целом около 5 эВ на единицу синтезируемого углевода. Однако этот процесс может происходить под действием радиации с длинами волн, лежащими за пределами красного конца видимой области спектра, которым соответствуют энергии фотонов лишь около 1,7 эВ. Такие фотоны не учитываются при определении полного к. п. д. процесса, тем не менее их роль в этом процессе пока остается неясной. Большинство исследователей считают, что для синтезирования одной молекулы углевода требуется около восьми фотонов красного света. Если это так, то потребляемая при этом энергия достигает примерно 14 эВ. Поскольку запасенная энергия составляет около 5 эВ, то общий к. п. д. процесса накопления энергии при облучении красным светом равен 35%. Предполагается, что потери возникают на различных стадиях фотосинтеза, большинство из которых принято считать до некоторой степени необратимыми.

В гл. 8 мы видели, как определяется общий к. п. д. использования солнечной энергии в простейшем квантовом процессе. Если порог фотосинтеза соответствует самому краю красного конца спектра (X ~ 0,7 мкм), то значительная часть солнечной энергии (около 55%), приходящаяся на инфракрасную область спектра, остается неиспользованной. Более того, если процесс фотосинтеза в чем-то подобен фотоэлектрическому процессу, то и короткие волны в нем не участвуют. Для простоты предположим, что к фотосинтезу применим рассмотренный в гл. 8 метод расчета к. п. д. фотоэлектрического процесса, учитывающий граничную длину волны (там мы получили к. п. д. = 35%). Тогда максимальный к. п. д. использования растениями солнечной энергии оказывается не более 11%. Близкое к этому значение к. п. д. получают при выращивании растений в искусственных условиях, тогда как для естественных условий развития растений к. п. д. на порядок ниже, около 1%). Это и есть предел, к которому стремятся ученые, занимающиеся растениеводством и биологией почвы, и который дает нам надежду, что земля еще сможет нас прокормить

 

Источник: www.bibliotekar.ru

Все, конечно, читали про путешествия Гулливера? Однако немногие, наверное, помнят, что, кроме странствий в страну лилипутов и страну великанов, давным-давно, ещё в 1726 году, английский писатель Джонатан Свифт описал и путешествие своего героя на летающий остров Лапуту. Здесь-то Гулливер и встретился с человеком, который восемь лет «разрабатывал проект извлечения солнечной энергии из огурцов».

И уж совсем мало кому известно, что подобный человек жил на свете! То был великий русский учёный К.А. Тимирязев. Свою лекцию в Лондонском королевском обществе он начал так:

«Для первого знакомства я должен откровенно признаться, что перед вами именно такой чудак. Более тридцати пяти лет провёл я, уставившись если не на зелёный огурец, то на нечто вполне разнозначащее — на зелёный лист в стеклянной трубке, ломая себе голову над разрешением вопроса о запасании впрок солнечных лучей…»

Солнечная энергия в процессе фотосинтезаТимирязев — и это научный подвиг! — приоткрыл завесу над тайной накопления солнечной энергии в живом зелёном листе — тайной фотосинтеза. Он показал, что под действием света негорючие вещества (такие, как вода) превращаются в растениях в топливо (водород и кислород), а несъедобные элементы почвы и воздуха становятся продуктами питания — белками и углеводами.

То, что делают растения, захотели повторить и люди. Более двух столетий физики, химики, биологи пытаются разгадать механизм фотосинтеза. Было много открытий, но ещё больше ошибок и разочарований…

Не столь давно в Институте химической физики учёные под руководством профессора А.Е. Шилова нашли раствор, содержащий соли ванадия, который может при освещении выделять водород. Ну и что из этого? Многое. Но сначала давайте припомним, что в зелёном листе во время процессов фотосинтеза обычная вода под действием света разлагается на составляющие её элементы — водород и кислород. И всё это шито-крыто, незаметно, без тех многомиллионных киловатт электроэнергии, которые потребляют промышленные установки.

Это-то и не давало покоя учёным. И вскоре в той же лаборатории нашли раствор, с помощью которого можно «вытягивать» из воды кислород. Это оказалась… обыкновенная марганцовка! Чтобы процесс шёл более-менее устойчиво, к раствору марганца лишь добавили редкий металл — рутений.

Солнечная энергия в процессе фотосинтезаИтак, водород и кислород из воды получены. Загадка зелёного листа разгадана? Не тут-то было! Во-первых, чтобы заставить ванадиевый раствор выделять водород, его, этот раствор, пришлось освещать не обычным светом, а ультрафиолетовым — тем самым, что вы видите при электросварке. Во-вторых, при выделении кислорода зелёные листья обходятся без всякого рутения. А в-третьих, реакции получения водорода и кислорода идут в природной лаборатории слитно, а тут пришлось отыскивать два разных раствора, проводить разные реакции…

А уж про собственную ГЭС зелёного листа и говорить не приходится. Нет в распоряжении людей энергетических элементов столь маленьких и столь надёжных.

Так что специалистам снова пришлось засучить рукава. В конце концов стало понятно, как работает «батарейка» зелёного растения. «Всё дело в биологических мембранах — тончайших плёночках, отделяющих одну часть листа от другой», — полагают учёные.

Мембрана, словно регулировщик на перекрёстке, направляет электроны — крошечные частицы электричества — в строго определённом направлении. А движение электронов в одном направлении и есть электрический ток. Чтобы получать его, люди построили целые каскады электростанций. И они, конечно, пока палочки-выручалочки, но ведь сколь дороги и громоздки! Природа же разместила свою электростанцию, напомним, в маленьком трепетном листочке. А толщина самой мембраны, отвечающей за преобразование энергии света в энергию электрических зарядов, и вовсе… лишь миллионная доля сантиметра! Как же работать с такими крохами? Как понять их устройство?..

И всё-таки учёные разобрались: в зелёном листе за перенос электрического заряда отвечают хлоропласты — частицы живых клеток, содержащие в своём составе хлорофилл (вещество, которое и красит листья в зелёный цвет). Однако использовать его в промышленности пока невозможно — ведь листья в природе живут обычно всего 3-4 месяца. Создавать установку, которая бы работала на хлорофилле лишь от весны до осени, бессмысленно. Что делать?

Солнечная энергия в процессе фотосинтезаОтвет, кажется, знают в одной из лабораторий Московского физико-технического института. Здесь под руководством профессора Э.М. Трухана ищут искусственные аналоги природных хлоропластов. Один такой родственник найден. Основой для его получения послужила… окись цинка! Иначе говоря, обыкновенные цинковые белила — белая краска, которой папа подновляет подоконники и двери при ремонте квартиры.

… Вот так, шаг за шагом, раскрываются вековые тайны природы, сбываются давние мечты учёных. Один из них, физик-ядерщик Ф. Жолио-Кюри, человек, очень много сделавший для раскрытия секретов атома, говорил: «Хотя я верю в будущее атомной энергии и убеждён в важности этого изобретения, однако я считаю, что настоящий переворот в энергетике наступит только тогда, когда мы сможем осуществлять массовый синтез, аналогичный хлорофиллу или даже более высокого качества…» И осуществят такой переворот люди, до конца познавшие тайны зелёного листа. Это же знание поможет и накормить нас всех досыта. Ведь зелёные листья умеют добывать питательные вещества почти что из ничего — из почвы и воздуха. Но об этом — другая история.

Источник: pochemuha.ru

Из истории изучения воздушного питания растений

Знания о питании растений накапливались постепенно. Около 350 лет назад голландский ученый Ян Гельмонт впервые поставил опыт по изучению питания растений. В глиняном горшке с почвой он выращивал иву, добавляя туда только воду. Опадавшие листья ученый тщательно взвешивал. Через пять лет масса ивы вместе с опавшими листьями увеличилась на 74,5 кг, а масса почвы уменьшилась всего на 57 г. На основании этого Гельмонт пришел к выводу, что все вещества в растении образуются не из почвы, а из воды. Мнение о том, что растение увеличивается в размерах только за счет воды, сохранялось до конца XVIII века.

В 1771 г. английский химик Джозеф Пристли изучал углекислый газ, или, как он его называл, «испорченный воздух» и сделал замечательное открытие. Если зажечь свечу и накрыть оо стеклянным колпаком, то, немного погорев, она погаснет. Мышь под таким колпаком начинает задыхаться. Однако если под колпак вместе с мышью поместить ветку мяты, то мышь не задыхается и продолжает жить. Значит, растения «исправляют» воздух, испорченный дыханием животных, то есть превращают углекислый газ в кислород.

Опыт Д.Пристли

В 1862 г. немецкий ботаник Юлиус Сакс с помощью опытов доказал, что зеленые растения не только выделяют кислород, но и создают органические вещества, служащие пищей всем другим организмам.

Фотосинтез

Главное отличие зеленых растений от других живых организмов — наличие в их клетках хлоропластов, содержащих хлорофилл. Хлорофилл обладает свойством улавливать солнечные лучи, энергия которых необходима для создания органических вещсств. Процесс образования органического вещества из углекислого газа и воды с помощью солнечной энергии называется фотосинтезом (греч. рЬо1оз свет). В процессе фотосинтеза образуются не только органические вещества — сахара, но и выделяется кислород.

Схематически процесс фотосинтеза можно изобразить так:

процесс фотосинтез

Вода поглощается корнями и по проводящей системе корней и стебля передвигается к листьям. Углекислый газ — составная часть воздуха. Он поступает в листья через открытые устьица. Поглощению углекислого газа способствует строение листа: плоская поверхность листовых пластинок, увеличивающая площадь соприкосновения с воздухом, и наличие большого числа устьиц в кожице.

Образующиеся в результате фотосинтеза сахара превращаются в крахмал. Крахмал это органическое вещество, которое не растворяется в воде. Кго легко обнаружить с помощью раствора йода.

Доказательства образования крахмала в листьях на свету

Докажем, что в зеленых листьях растений из углекислого газа и воды образуется крахмал. Для этого рассмотрим опыт, который в свое время был поставлен Юлиусом Саксом.

Комнатное растение (герань или примулу) выдерживают двое суток в темноте, чтобы весь крахмал израсходовался на процессы жизнедеятельности. Затем несколько листьев закрывают с двух сторон черной бумагой так, чтобы была прикрыта только их часть. Днем растение выставляют на свет, а ночью его дополнительно освещают с помощью настольной лампы.

Через сутки исследуемые листья срезают. Чтобы выяснить, в какой части листа образовался крахмал, листья кипятят в воле (чтобы набухли крахмальные зерна), а затем выдерживают в горячем спирте (хлорофилл при этом растворяется, и лист обесцвечивается). Затем листья промывают в воде и действуют на них слабым раствором йода. Тс участки листьев, которые были на свету, приобретают от действия йода синюю окраску. Это означает, что крахмал образовался в клетках освещенной части листа. Следовательно, фотосинтез происходит только на свету.

Опыт, доказывающий образование крахмала в зеленых листьях на свету

Доказательства необходимости углекислого газа для фотосинтеза

Чтобы доказать, что для образования крахмала в листьях необходим углекислый газ, комнатное растение также предварительно выдерживают в темноте. Затем один из листьев помещают в колбу с небольшим количеством известковой воды. Колбу закрывают ватным тампоном. Растение выставляют на свет. Углекислый газ поглощается известковой водой, поэтому его в колбе не будет. Лист срезается, и так же, как в предыдущем опыте, исследуется на наличие крахмала. Он выдерживается в горячей воде и спирте, обрабатывается раствором йода. Однако в этом случае результат опыта будет иным: лист не окрашивается в синий цвет, т.к. крахмал в нем не содержится. Следовательно, для образования крахмала, кроме света и воды, необходим углекислый газ.

Таким образом, мы ответили на вопрос, какую пищу получает растение из воздуха. Опыт показал, что это углекислый газ. Он необходим для образования органического вещества.

Организмы, самостоятельно создающие органические вещества для построения своего тела, называются автотрофамн (греч. autos — сам, trofe — пища).

Опыт, доказывающий необходимость углекислого газа для фотосинтеза

Доказательства образования кислорода в процессе фотосинтеза

Чтобы доказать, что при фотосинтезе растения во внешнюю среду выделяют кислород, рассмотрим опыт с водным растением элодеей. Побеги элодеи опускают в сосуд с водой и сверху накрывают воронкой. На конец воронки надевают пробирку с водой. Растение выставляют на свет на двое-трое суток. На свету элодея выделяет пузырьки газа. Они скапливаются в верхней части пробирки, вытесняя воду. Для того чтобы выяснить, какой это газ, пробирку аккуратно снимают и вносят в нее тлеющую лучинку. Лучинка ярко вспыхивает. Это значит, что в колбе накопился газ, поддерживающий горение кислород.

Опыт, доказывающий выделение зелеными растениями кислорода на свету

Космическая роль растений

Растения, содержащие хлорофилл, способны усваивать солнечную энергию. Поэтому К.А. Тимирязев назвал их роль на Земле космической. Часть энергии Солнца, запасенная в органическом веществе, может долго сохраняться. Каменный уголь, торф, нефть образованы веществами, которые в далекие геологические времена были созданы зелеными растениями и вобрали в себя энергию Солнца. Сжигая природные горючие материалы, человек освобождает энергию, запасенную миллионы лет назад зелеными растениями.

Источник: ebiology.ru

Суммарная реакция фотосинтеза

СО22О = (СН2О) + О2.

Химию фотосинтеза описывают следующими уравнениями:

Солнечная энергия в процессе фотосинтеза

Фотосинтез – 2 группы реакций:

  • световая стадия (зависят от освещенности)

  • темновая стадия (зависит от температуры).

Обе группы реакций протекают одновременно

Фотосинтез происходит в хлоропластах зеленых растений.

Фотосинтез начинается с улавливания и поглощения света пигментом хлорофиллом, содержащимся в хлоропластах клеток зеленых растений.

Этого оказывается достаточно, чтобы сместить спектр поглощения молекулы. Солнечная энергия в процессе фотосинтеза

Молекула хлорофилла поглощает фотоны в фиолетовой и синей, а затем в красной части спектра, и не взаимодействует с фотонами в зеленой и желтой части спектра.

Поэтому хлорофилл и растения выглядят зелеными – они попросту никак не могут воспользоваться зелеными лучами и оставляют их гулять по белу свету (делая его тем самым зеленее).

Солнечная энергия в процессе фотосинтеза

Пигменты фотосинтеза располагаются на внутренней стороне мембраны тилакоидов.

Пигменты организованы в фотосистемы (антенные поля по улавливанию света) – содержащие по 250–400 молекул разных пигментов.

Фотосистема состоит из:

  • реакционного центра фотосистемы (молекула хлорофилла а),

  • антенных молекул

Все пигменты в фотосистеме способны передавать друг другу энергию возбужденного состояния. Энергия фотона, поглощенная той или иной молекулой пигмента, переносится на соседнюю молекулу, пока не достигнет реакционного центра. Когда резонансная система реакционного центра переходит в возбужденное состояние, она передает два возбужденных электрона молекуле-акцептору и тем самым окисляется и приобретает положительный заряд.

У растений:

  • фотосистема 1 (максимум поглощения света на длине волны 700 нм — Р700)

  • фотосистема 2 (максимум поглощения света на длине волны 680 нм — Р680

Различия в оптимумах поглощения обусловлены небольшими различиями в структуре пигментов.

Две системы работают сопряженно, как конвейер, состоящий из двух частей и называющийся нециклическим фотофосфорилированием.

Суммарное уравнение для нециклического фотофосфорилирования:

Солнечная энергия в процессе фотосинтеза

Ф — условное обозначение остатка фосфорной кислоты

Солнечная энергия в процессе фотосинтеза

Цикл начинается с фотосистемы 2.

1) антенные молекулы улавливают фотон и передают возбуждение молекуле активного центра Р680;

2) возбужденная молекула Р680 отдает два электрона кофактору Q при этом она окисляется и приобретает положительный заряд;

Кофактор (cofactor). Кофермент или любое другое вещество, необходимое для выполнения ферментом его функции

Коферменты (коэнзимы) [от лат. co (cum) — вместе и ферменты], органические соединения небелковой природы, участвующие в ферментативной реакции в качестве акцепторов отдельных атомов или атомных групп, отщепляемых ферментом от молекулы субстрата, т.е. для осуществления каталитического действия ферментов. Эти веществава, в отличие от белкового компонента фермента (апофермента), имеют сравнительно небольшую молекулярную массу и, как правило, термостабильны. Иногда под Коферментами подразумевают любые низкомолекулярные вещества, участие которых необходимо для проявления каталитического действия фермента, в т. ч. и ионы, напр. К+, Mg2+ и Мn2+ . Располагаются оферменты. в активном центре фермента и вместе с субстратом и функциональными группами активного центра образуют активированный комплекс.

Для проявления каталитической активности большинству ферментов необходимо наличие кофермента. Исключение составляют гидролитические ферменты (например, протеазы, липазы, рибонуклеаза), выполняющие свою функцию в отсутствие кофермента.

Молекула восстанавливается Р680 (под действием ферментов),. При этом вода диссоциирует на протоны и молекулярный кислород, т.е. вода является донором электронов, который обеспечивает восполнение электронов в Р680.

ФОТОЛИЗ ВОДЫ — расщепление молекулы воды, в частности в процессе фотосинтеза. Вследствие фотолиза воды образуется кислород, выделяющийся зелеными растениями на свету.

Источник: StudFiles.net