Процесс фотосинтеза: световая и темновая фазы, значение фотосинтеза

История открытия фотосинтеза

В настоящее время школьники впервые знакомятся со сложными процессами фотосинтеза уже в 6 классе.

Но еще 300-400 лет назад ответ на вопрос «откуда растения берут питательные вещества для построения своих клеток?» занимал умы исследователей всего мира.

Первым и очевидным ответом было предположение, что с Земли. Еще в 1600 году фламандский ученый Ян Батист ван Гельмонт решил проверить влияние почвы на рост растений и провел уникальный по своей простоте эксперимент. Натуралист взял веточку ивы и бочку с землей. Сначала я их взвесил. А потом посадил побег ивы в бочку с землей.

Долгих пять лет Ван Гельмонт поливал молодое деревце только дождевой водой. А через пять лет он выкопал дерево и снова взвесил дерево отдельно и почву отдельно. Каково же было его удивление, когда весы показали, что дерево увеличило свой вес почти в тридцать раз и совсем не было похоже на скромную веточку, посаженную в кадку. А вес грунта уменьшился всего на 56 грамм.

Исследователь пришел к выводу, что почва практически не дает растениям строительного материала, а все необходимые вещества растение получает из воды.

После ван Гельмонта различные учёные повторили его эксперимент, и появилась так называемая «водная теория питания растений».

Одним из тех, кто пытался протестовать против этой теории, был М. В. Ломоносов. И свои возражения он основывал на том, что высокие, мощные деревья растут на пустынных, скудных северных землях с редкими дождями. Михаил Васильевич предположил, что часть питательных веществ растения поглощают через листья, но экспериментально доказать свою теорию ему не удалось.

И как это часто бывает в науке, помог случай Его Величества.

Однажды неосторожная мышь, решив поживиться церковными материалами, случайно опрокинула банку и попала в ловушку. И через некоторое время она умерла. На наше счастье, эту мышь в банке обнаружил Джозеф Пристли, который был не только священником, но и химиком и очень интересовался химией газов и методами очистки испорченного воздуха. И тогда у церковных мышей не было шансов. Они стали участниками различных экспериментов английского учёного.

Джозеф Пристли поставил под одну банку горящую свечу, а в другую поместил мышь. Свет погас, грызун умер.

В наше время зоозащитники посадили бы его в банку, но еще в 1771 году никто не помешал ученому продолжить свои эксперименты. Пристли поместил мышь в банку, где ранее погас свет. Животное погибло еще быстрее.

И поэтому Пристли пришел к выводу, что, поскольку вся жизнь на земле еще не умерла, Бог (мы помним, что Пристли был священником) придумал некий процесс, чтобы снова сделать воздух пригодным для жизни. И, скорее всего, главная роль в этом принадлежит растениям.

Чтобы доказать это, учёный взял воздух из банки, где умерла мышь, и разделил её на две части. Он положил мяту в горшочек в банке. А другой берег ждал своего часа. Через 8 дней растение не только погибло, но даже дало несколько новых побегов. А грызунов оставил в банках. В той, где росла мята, мышка радовалась и грызла листья. А в том, где не было мяты, почти мгновенно оказалась тушка дохлой мыши.

Эксперименты Пристли вдохновили ученых, и по всему миру начали отлавливать мелких грызунов и пытаться повторить его эксперименты.

Но мы помним, что Пристли был священником и мог заниматься исследованиями весь день до вечерней службы.

А Карл Шееле, фармацевт из Швейцарии, проводил эксперименты в своей домашней лаборатории в свободное время, то есть ночью, и его мыши погибали независимо от присутствия мяты в стакане. В результате его экспериментов выяснилось, что растения не улучшают воздух, а делают его непригодным для жизни. А Шееле обвинил Пристли в обмане научного сообщества. Пристли не уступил, и в результате противостояния ученых было установлено, что растениям необходим солнечный свет для восстановления воздуха.

Именно эти эксперименты положили начало изучению фотосинтеза.

Исследования фотосинтеза продолжались быстрыми темпами. Уже в 1782 году, всего через 11 лет после исследований Пристли, швейцарский ботаник Жан Сенебье доказал, что органеллы растений расщепляют углекислый газ в присутствии солнечного света. И еще почти сто лет неудачных и успешных экспериментов понадобилось ученым разных специальностей, чтобы в 1864 году немецкий ученый Юлиус Сакс смог доказать, что растения потребляют углекислый газ и выделяют кислород в соотношении 1:1.

Значение фотосинтеза для жизни на Земле

И теперь становится понятной важность процесса фотосинтеза для жизни на Земле. Именно благодаря этому сложному химическому процессу стало возможным зарождение жизни на Земле и существование человека.

Некоторые могут возразить, что на земле есть места, где не растут ни деревья, ни кустарники, например пустыни или арктические льды. Учёные доказали, что доля кислорода, выделяемого зелёной массой лесов, кустарников и трав, то есть растений, живущих на поверхности суши, составляет лишь около 20% газообмена, а 80% кислорода поступает из Мельчайшие океанские и морские водоросли, которые плавают с воздушными потоками, разносятся по всей планете, позволяя животным дышать чрезвычайно, практически лишенные растительности территории нашей чудесной планеты.

Благодаря фотосинтезу вокруг нашей планеты образовался защитный озоновый щит, защитивший все живое на Земле от космической и солнечной радиации, а живые организмы смогли достичь суши из глубин океана.

Подробнее о «великой кислородной революции» можно прочитать в учебнике «Биология для 10-11 классов» под редакцией А.А. Каменского на портале LECTA.

К сожалению, кислород в настоящее время потребляется не только живыми существами, но и промышленностью. Тропические леса уничтожаются, океаны загрязняются, что приводит к снижению газообмена и увеличению дефицита кислорода.

Определение и формула фотосинтеза

Определение и формула фотосинтеза

Слово фотосинтез состоит из двух частей: фото – «свет» и синтез – «соединение», «творение». Если подойти к определению упрощенно, фотосинтез — это преобразование энергии света в энергию сложных химических связей органических веществ при участии фотосинтетических пигментов. У зеленых растений фотосинтез происходит в хлоропластах.

Схема фотосинтеза, на первый взгляд, проста:

Вода + количество света + углекислый газ → кислород + углеводы

или (на языке формул):

6СО2 + 6Н2О → С6Н12О6 + 6О2

Если копнуть глубже и посмотреть на лист в электронный микроскоп, то становится ясной удивительная вещь: вода и углекислый газ не взаимодействуют напрямую друг с другом ни в одной из структурных частей листа.

Фазы фотосинтеза

Не только растения, но и многие одноклеточные животные способны к фотосинтезу благодаря особым органеллам, называемым хлоропластами.

Хлоропласты — зеленые пластиды фотосинтезирующих эукариот. К хлоропластам относятся:

1. две мембраны;
2. стога зерна;
3. тилакоидные диски;
4. строма – внутреннее вещество хлоропласта;
5. просвет — внутреннее вещество тилакоида.

Сложный процесс фотосинтеза состоит из двух фаз: световой и темновой. Как следует из названия, световая (светозависимая) фаза протекает при участии квантов света. Название «темновая фаза» не означает, что процесс происходит в темноте. Более точное определение — светонезависимое. Для реакций, протекающих в этой фазе, свет не обязателен, и они происходят одновременно со светом, только в других частях хлоропласта.

Многие ошибаются, говоря, что в процессе фотосинтеза растения производят кислород, так необходимый человечеству. По сути, фотосинтез — это синтез углеводов (например, глюкозы), а кислород — лишь побочный продукт реакции.

Световая фаза фотосинтеза

Световая фаза фотосинтеза происходит на мембранах тилакоидов. Фотон света, падающий на хлорофилл, возбуждает его, электроны высвобождаются, а отрицательно заряженные электроны собираются на мембране. После того как хлорофилл потерял все свои электроны, квант света продолжает воздействовать на воду, вызывая фотолиз H2O.

H2O → H+ + OH-

Положительно заряженные протоны водорода накапливаются на внутренней мембране тилакоида.

В результате получается сэндвич: с одной стороны — отрицательно заряженные электроны хлорофилла, с другой — положительно заряженные протоны водорода, а между ними — внутренняя мембрана тилакоида.

Гидроксильные ионы используются для получения кислорода:

4ОН → О2 + 2H2O

Когда количество протонов и электронов водорода достигает максимума, запускается специальный транспортер – АТФ-синтаза. АТФ-синтаза доставляет протоны водорода в строму, где они подхватываются специальным переносчиком никотинамиддинуклеотидфосфатом, или сокращенно НАДФ. НАДФ является специфическим переносчиком протонов водорода в углеводных реакциях.

Прохождение протонов водорода через АТФ-синтазу сопровождается синтезом молекул АТФ из АДФ и фосфата или фотофосфорилированием в отличие от окислительного фосфорилирования.

В этот момент световая фаза фотосинтеза заканчивается, и НАДФН+ и АТФ переходят в темную фазу.

Давайте рассмотрим ключевые процессы световой фазы фотосинтеза:

1. Фотон попадает в хлорофилл и освобождает электроны.
2. Фотолиз воды.
3. Выделение кислорода.
4. Накопление НАДФН+.
5. Накопление АТФ.

У некоторых растений фотосинтез протекает по упрощенному варианту, который называется «циклическое фосфорилирование», и этот процесс рассмотрен в учебнике «Биология для 10-11 классов» под редакцией А. А. Каменского на портале LECTA.

Что еще мне следует прочитать? Сложные вопросы на ЕГЭ по биологии и ошибки учащихся на ЕГЭ по биологии — 2019: расписание, критерии оценки, виды заданий Интересные факты о ДНК Зачем нужны мурашки по коже? Тема для проектной работы по биологии

Темновая фаза фотосинтеза

Темновая фаза фотосинтеза представляет собой совокупность ферментативных реакций, протекающих в строме хлоропласта. Результатом таких реакций является восстановление поглощенного СО2 с помощью НАДФН+ и АТФ из легкой фазы, а также синтез сложных органических веществ.

В настоящее время учёные обнаружили три различных типа реакций, которые происходят во время тёмной фазы фотосинтеза.

В зависимости от метаболизма СО2-растения делятся на:

1. Растения C3 — это большинство сельскохозяйственных культур, произрастающих в умеренном климате, где CO2 в результате реакций превращается в фосфоглицериновую кислоту.
2. Растения С4 – растения тропиков и субтропиков, самые живучие сорняки. В этих растениях в результате реакций СО2 превращается в оксалоацетат.
3. САМ-растения — это особый тип фотосинтеза С4 у растений, испытывающих недостаток влаги.

Остановимся подробнее на реакциях фотосинтеза С3, который присущ большинству растений и называется циклом Кальвина.

Мелвин Кальвин, американский химик, был удостоен Нобелевской премии по химии в 1961 году за определение порядка реакций ассимиляции CO2.

В ходе реакций цикла образуется глюкоза. Для образования всего одной молекулы глюкозы последовательные реакции цикла Кальвина происходят одна за другой до шести раз, и для ее построения используются шесть молекул СО2, восемнадцать молекул АТФ, двенадцать НАДФН+ и двадцать четыре протона.

В ходе дальнейших исследований с меченым радиоактивным углеродом было установлено, что у некоторых тропических и субтропических растений синтез углеводов происходит по-другому. А в 1966 году австралийские учёные М. Хэтч и К. Слэк описали фотосинтез С4, который в их честь назван циклом Хэтча-Слэка.

Основное различие между этими путями фотосинтеза состоит в том, что у растений С3 процесс фотосинтеза происходит только в клетках мезофилла, а у растений С4 — как в клетках мезофилла, так и в клетках выстилки сосудистых пучков.

На первый взгляд может показаться бессмысленным увеличивать количество реакций. Но в природе нет ничего бессмысленного и лишнего. А путь фотосинтеза C4 — это эволюционная адаптация растений к более сухому и теплому климату. Выращивание в условиях ограниченного водоснабжения привело к уменьшению транспирации для уменьшения потерь воды, что, в свою очередь, привело к нехватке углекислого газа и необходимости его концентрации в мантийных клетках.

Существует и еще один уникальный механизм фотосинтеза, характерный для суккулентов. Его называют САМ (кислотный метаболизм толстянки) – «путь фотосинтеза». Химические реакции аналогичны метаболизму С4, но здесь химические реакции разделены не в пространстве, а во времени. Углекислый газ накапливается ночью.

Протекание фотосинтетических реакций в этом варианте позволяет растениям осуществлять процесс фотосинтеза в условиях значительного дефицита влаги. Считается, что этот путь фотосинтеза сформировался последним в ходе эволюции.

Изучая пути фотосинтеза, вы, возможно, замечали, что в ходе эволюции вырабатываются уникальные адаптивные механизмы для разных условий жизни: от сухих пустынь до глубокого океана.

Значение фотосинтеза для растений

Для роста и развития растениям необходимы органические вещества и энергия. Они получают собственные компоненты для фотосинтеза. Образование органического вещества является основной целью фотосинтеза растений, а производство кислорода считается побочной стороной реакции.

Растения уникальны тем, что им не нужны другие организмы для производства энергии. Поэтому они образуют отдельную группу – автотрофы (в переводе с древнегреческого «кормлю себя»).

Как происходит фотосинтез

Фотосинтез происходит в растительной клетке, в небольших пластинках, называемых хлоропластами. Преимущественно хлоропласты, расположенные в слое мезофилла, содержат вещества зеленого цвета, называемые хлорофиллом. Это также часть клетки, которая работает с хлорофиллом для синтеза фотонов.

Строение растительной клетки

Особенности частей растительных клеток:

1. Клеточные стенки: обеспечивают структурную и механическую защиту, защищают клетки от вредителей, определяют форму клеток, контролируют скорость и направление роста и придают форму растению.
2. Цитоплазма. Обеспечивает место для многих процессов химического контроля, управляемых ферментами.
3. Мембраны: действуют как барьеры, которые контролируют поток веществ в клетку и из нее.
4. Хлорофилл: Как уже говорилось, это зеленый элемент, который может поглощать энергию во время фотосинтеза.
5. Вакуоль: Цитоплазма клетки, хранящая воду.
6. Ядро клетки: содержит генетические структуры ДНК, которые контролируют активность клеток.

Хлорофилл поглощает световую энергию, необходимую для фотосинтеза. Важно отметить, что не все цветовые длины волн света поглощаются. Растения в первую очередь поглощают волны красного и синего цвета — они не поглощают свет зеленой зоны.

Особенности прохождения процессов фотосинтеза

Фотосинтез может происходить у зеленых растений, водорослей и многих бактерий, составляющих флору нашей планеты. Для полного прохождения этой химической реакции необходимы следующие предпосылки:

• углекислый газ;
• хлоропласты;
• солнечный лучик;
• температура;
• вода.

Хлоропласты участвуют в процессе фотосинтеза у высших растений. Эти полуавтономные органы имеют овальную форму и содержат зеленый пигмент – хлорофилл. Именно из-за его присутствия часть растительности имеет еще и зеленоватый оттенок.

Морские и речные водоросли содержат хлорофилл, который отражает хроматофилл и содержит пигменты. В этом процессе участвуют и другие красные водоросли из-за небольшого количества доходящих до них лучей. При анализе пищевой цепи живого в начале окажутся фотосинтезирующие органы. Автотрофы питают почти всех существ на Земле.

Фотосинтез означает, что образующийся кислород может быть выброшен в атмосферу. Это необходимо для дыхания всех растений и животных. Когда кислород поднимается в верхние слои атмосферы, он помогает сформировать озоновый слой, который защищает поверхность Земли от чрезмерного воздействия ультрафиолетовых лучей.

Световая и темновая фазы фотосинтеза. Их взаимосвязь.

Световая фаза фотосинтеза протекает в фертильных мембранах тилакоидов. Фотон света, поражающий хлорофилл, разрушает и высвобождает электроны, накапливая отрицательные электронные заряды на мембранах. После того, как хлорофилл потерял все свои электроны, количество света, которое все еще влияет на подачу воды, вызывает фотолиз H2O.

Положительно заряженные протоны водорода накапливаются во внутренней мембране тилакоида.

В результате получается такой сэндвич: с одной стороны — отрицательный заряд электрона от хлорофилла, с другой — положительно заряженные протоны водорода, а между ними — внутренняя мембрана тилакоида.

Число электронов и протонов водорода достигало максимума, особенно когда запускался носитель — АТФ-синтаза. АТФ-синтаза выталкивает протоны водорода в строму, где они собираются специальным переносчиком, никотинамиддинуклеотидфосфатом, или сокращенно НАДФ. Никотинамиддинуклеотидфосфат является специфическим переносчиком протонов водорода в углеводных реакциях.

Прохождение протонов водорода через синтез аденозинтрифосфата сопровождается синтезом молекул аденозиндифосфата, фосфатированием и фотофосфорилированием, а не окислительным фосфорилированием.

В этот момент световая фаза фотосинтеза заканчивается и НАДФН+ и аденозинтрифосфат переходят в темную фазу.

Давайте рассмотрим ключевые процессы фотосинтеза:

1. Фотон попадает в хлорофилл и освобождает электроны.
2. Фотолиз воды.
3. Выделение кислорода.
4. Мы накапливаем НАДФН+.
5. Накопление аденозинтрифосфата (АТФ).

У некоторых растений фотосинтез протекает в упрощенном варианте, называемом «циклическое фосфорилирование».

Темновая фаза фотосинтеза представляет собой серию ферментативных реакций, протекающих в строме хлоропласта. Результатом этой реакции является восстановление поглощенного CO2 за счет НАДФН+ и АТФ из легкой фазы и синтез сложных органических соединений.

Ученые выделяют три разных типа реакций, которые происходят в темную фазу фотосинтеза.

По метаболизму СО2 растения делятся на:

1. Растения C3 — это все растения, которые растут в умеренном климате, где в результате реакции CO2 преобразуется в фосфоглицериновую кислоту.
2. Растения С4 – тропические и субтропические, наиболее стойкие сорняки. В этих растениях в результате реакций СО2 он превращается в оксалоацетат.
3. Растения CAM представляют собой особый тип фотосинтеза C4 у растений с дефицитом воды.

Давайте посмотрим на реакцию фотосинтеза С3, которая является частью большинства растений, называемую циклом Кальвина.

Мелвин Кальвин, американский химик, получил Нобелевскую премию по химии в 1961 году за определение порядка реакций ассимиляции CO2.

В ходе реакций цикла образуется глюкоза. Для образования одной молекулы глюкозы цикл Кальвина повторяется шесть раз подряд, и для ее образования было использовано 6 молекул СО2, 18 молекул аденозинтрифосфата, двенадцать НАДФН+ и 24 протона.

В ходе дальнейших исследований с радиоактивно меченным углеродом было обнаружено, что синтез углеводов происходит по-разному у некоторых тропических и субтропических растений. В 20-м году исследователи М. Хэтч и К. Лаксити описали фотосинтез С4, который в их честь назвали циклом Хэтча-Лакса.

Основное различие между двумя путями фотосинтеза у растений С3 состоит в том, что процесс фотосинтеза происходит только в клетках мезофилла, тогда как у растений С4 он происходит как в клетках мезофилла, так и в сосудистом пучке клеток выстилки.

На первый взгляд кажется бессмысленным увеличивать количество реакций. Однако в природе нет ничего бессмысленного или лишнего. А путь фотосинтеза C4 — это эволюционная адаптация растений к более сухому и теплому климату. Ее рост в условиях ограниченного водоснабжения привел к уменьшению транспирации за счет уменьшения потерь воды, что, в свою очередь, привело к отсутствию выделения углекислого газа и необходимости концентрировать его в клеточной оболочке.

Существует и еще один уникальный механизм фотосинтеза, характерный для суккулентов. Это называется САМ – «путь фотосинтеза». Химические реакции аналогичны метаболизму C4, но химические реакции разделены во времени, а не в пространстве. Углекислый газ накапливается в темноте.

В этом варианте происходит фотосинтетическая реакция, позволяющая растениям осуществлять фотосинтез в условиях значительного недостатка воды. По мнению исследователей, этот метод фотосинтеза недавно был внедрен в эволюцию.

Углекислый газ в процессе фотосинтеза

Растения поглощают углекислый газ из воздуха через листья. Углекислый газ поступает через небольшое отверстие в основании устьиц листа.

В нижней части листьев клетки расположены рыхло, так что углекислый газ достигает других клеток листьев. Это также означает, что кислород, образующийся в процессе фотосинтеза, может легко покинуть лист. Углекислый газ, содержащийся в воздухе, вдыхается в очень низких концентрациях и действует как необходимый фактор на этой фазе фотосинтеза.

Читайте также: Самая большая природная зона России: районы нахождения, размер территории, границы и характеристика